艾弗里肺炎雙球菌轉化實驗史實的梳理與分析

趙婷婷

(天津師范大學教師教育學院 300387) 何一清* (天津大學教育學院 300072)

1 實驗還原

艾弗里團隊對肺炎雙球菌“轉化因子”的研究是揭露基因本質的重要實驗，與科學史上的眾多研究一樣，該實驗也是在前人基礎上進行的：早在1928年，格里菲斯已在小鼠體內成功進行了肺炎雙球菌的轉化實驗；1931年，Dawson與Sia在試管內(而非小白鼠體內)成功實現了體外轉化；1933年，Alloway將S型菌破碎、過濾后得到無菌提取液，并發現這種無菌提取液也可以引起轉化現象的發生[1]。無菌提取液同樣能夠引起轉化給了艾弗里提示，說明提取液內含有被稱為“轉化因子”的物質。于是，艾弗里花了10年的時間對“轉化因子”進行研究。由于艾弗里實驗并不是檢驗“轉化因子”究竟是哪種成分，而是提純“轉化因子”后加以鑒定，因此會牽涉到樣品純度的問題。

艾弗里團隊通過觀察菌落形態來判斷轉化活性，方法如下：對S型細菌提取液進行處理，然后稀釋到不同梯度，加入含R型細菌的特定培養基中，如果菌落發生明顯變化，就說明在相應梯度下能夠發生轉化，能引起轉化的最低稀釋梯度就表征了提取液處理物的轉化活性。實驗發現除去多糖、蛋白質和核糖核酸并不會引起轉化活性的太大變化。艾弗里團隊將“轉化因子”不斷純化，最終提純產物轉化活性極高，在1.33×10-9g/mL的濃度下還可以引起4個平行實驗中2個試管內R型細菌的轉化[1]。他們對提純的“轉化因子”進行了一系列物理、化學和酶學分析，最后確定“轉化因子”為DNA。但由于提純所得到的DNA純度并非100%，就連艾弗里自己在1944年所發表的論文中也謹慎地指出“當然也有可能，前面談到的這種物質的生物學活性并不是核酸的一種遺傳特性，而是由于某些微量的其他物質所造成的”。但同時，他也自信地指出“有可靠的證據充分說明它(DNA)實際上就是轉化因素”[1]。可惜的是，由于蛋白質雜質的存在，這一劃時代的研究成果在當時并未很快被科學家所接受。

2 被忽視的原因

為什么學界對艾弗里團隊得出的結論并不信任呢？這種懷疑一定程度上與20世紀早期的一項錯誤推論有關，即1915年的諾貝爾化學獎得主威爾斯塔特曾宣稱獲得了不含蛋白質的酶，并得出酶不是蛋白質的結論，但后來被證明他的制備物中未檢測到蛋白質是因為其含量過低，實際上酶活性還是來自于蛋白質。于是學界擔憂艾弗里的研究結果也有類似的錯誤[2]。

不過，對DNA作用的懷疑主要還是來自于“DNA無法承擔攜帶復雜的遺傳信息的任務”這一根深蒂固的認識。在當時，人們已經認識到染色質是由DNA和蛋白質組成的，而基因又位于染色體上，所以遺傳物質應該是這兩者之一。不幸的是，當時生物化學界的權威列文由于受到計量精度的限制，誤以為4種堿基含量都是一樣的，提出了4種核苷酸組合成一個單元，然后這些單元聚合形成DNA的“四核苷酸假說”，這樣的DNA就與糖原一樣，是同一結構高度重復的多聚體(如ATCGATCG……的高度重復)，很難想象它能承載復雜的遺傳信息；而蛋白質結構復雜多變，氨基酸排列方式可以多種多樣。20世紀50年代前，大家都傾向于蛋白質是遺傳物質。所以，艾弗里團隊“DNA就是轉化因子”的結論在當時很難被接受。

3 影響

雖然艾弗里團隊的實驗結論并未得到學界的普遍認可，但也在一些人的心中激起了新的研究熱情，代表人物如奧地利科學家查戈夫。在20世紀40年代末，查戈夫運用層析法和紫外分光光度法這兩種當時的新方法來研究DNA，并提出著名的“查戈夫法則”。法則指出：①不同物種的DNA其堿基組成比例相差甚遠，同一物種不同器官的DNA則組成一致；②DNA的4種堿基含量不同并存在規律，腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾比是1，鳥嘌呤和胞嘧啶的摩爾比也是1。該研究結果明顯推翻了“四核苷酸假說”，因為在“四核苷酸假說”中，4種堿基含量是完全一致的，不同物種的DNA也不會有差別。“查戈夫法則”對于克里克和沃森建立DNA雙螺旋結構影響很大，同時也為人們接受艾弗里“DNA是轉化因子”的結論打開了一扇窗，學界此時已經做好了接受“DNA是遺傳物質”的準備。1951年，赫爾希和蔡斯通過同位素示蹤法進行噬菌體侵染細菌的實驗。盡管他們在論文中的結論下得小心翼翼：“含硫的蛋白質在噬菌體增殖中不起作用，而DNA有些作用”[1]，但學界的反應卻是迅速接受了“DNA是遺傳物質”這一今天看來十分重要的觀點。除了他們實驗本身的特點外，這也與艾弗里團隊的實驗已經為這個觀點奠定了基礎有關。另外，幾年間人們對于DNA結構的認識又有了重要的進展。

很遺憾的是，艾弗里于1955年去世，未能獲得諾貝爾生理學或醫學獎。他在世時也獲得過提名，但由于種種原因最終還是并未獲獎。多年后，諾貝爾獎評獎委員會承認：“艾弗里于1944年關于DNA攜帶遺傳信息的發現代表了遺傳學領域中一個重要的成就，他沒有獲得諾貝爾獎是很遺憾的”[3]。歷史最終記住了這位科學家的成就。

鑒于艾弗里研究的重要意義，在教學中應當運用好科學史材料，挖掘其豐富的內容，將這一研究對遺傳學發展的重要性和科學家認真嚴謹的研究態度傳遞給學生，還可以引領學生認識到不盲從于權威、勇于質疑在科學研究中非常必要。