“DNA雙螺旋結構之母”解析DNA的過程和方法*——紀念英國科學家羅莎琳德·富蘭克林博士百年誕辰

陸瓊衡 （上海市婁山中學 上海 200051）

1962年諾貝爾生理或醫學獎得主之一的詹姆斯·沃森在其1968年回憶錄中肯定了羅莎琳德·富蘭克林對其研究成果的重要貢獻。2003年，時值DNA 雙螺旋結構發現50 周年，沃森和克里克均坦承羅莎琳德對于他們發現DNA 雙螺旋結構的關鍵作用。至此，被譽為“DNA 雙螺旋結構之母”的羅莎琳德·富蘭克林的豐功偉績已經被全世界公認。

1 輝煌的成果

1953年初是今人眼中解析DNA 雙螺旋結構的最后沖刺關頭。羅莎琳德曾以健康和寶貴生命為代價，艱辛探索而獲得的2 項科研成果，使沃森和克里克2 人在關鍵時刻彌補了最缺乏的必要基礎，以“堿基配對”規律的優勢在《自然》雜志3 篇論文中排名第一（表1），摘取了9年后的諾貝爾生理或醫學獎。

表1 英國《自然》（Nature）雜志在1953年4月25日同期刊登3 篇關于DNA 結構的論文

2 積跬步至千里——解析DNA 雙螺旋的過程和方法

羅莎琳德去世后，她在倫敦大學伯貝克學院最親密的同事和朋友亞倫·克盧格爵士（Aron Klug，1983年諾貝爾化學獎得主）通過詳細分析她交托保管的當年在國王學院全職研究DNA 時收集的大量數據、撰寫的報告、發表的5 篇論文，以及記在紅色小練習本上的實驗筆記［2］，判斷出她在1953年初距解析DNA 雙螺旋結構已僅咫尺之遙。克盧格在他于《自然》發表的2 篇文章中曾報道了羅莎琳德所取得的杰出成就［1，3］。

2.1 1951年11月第1 次建立B 型DNA 螺旋模型（表2） 1951年11月，富蘭克林在國王學院進行了演講，對數據和最新得到的A、B 型DNA 的X射線衍射圖作了報告，沃森也聽了報告。

表2 羅莎琳德1951年11月報告的具體研究過程

2.2 1952年5月憑借“DNA 照片51 號”第2 次建立B 型DNA 模型 X 射線衍射的基本原理是：晶體是由原子規則排列成的晶胞組成，當一束單色X 射線入射到晶體時，原子間距離與入射X 射線波長有相同數量級，由不同原子散射的X 射線相互干涉，在某些特殊方向上產生強X 射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結構密切相關。羅莎琳德之前在法國巴黎中央政府化學實驗室的3年學習使她精通于用X 射線衍射技術解決有機物構造［5］。

1952年5月，羅莎琳德用X 射線束對準一根超濕潤的DNA 纖維足足照射了62 h 后，第1 次得到一張極為清晰的DNA 照片“51 號照片：DNA 晶體X射線衍射照片（DNA Photograph 51）”,其簡單的十字紋清楚表明這是一個螺旋形分子。該照片至今仍被公認為所有X 射線照片中最美之一［6］（圖1、圖2）。

圖1 羅莎琳德在拍攝X 射線衍射照片

圖2 51 號照片：DNA 晶體X 射線衍射照片（DNA Photograph 51）［7］

結合照片，羅莎琳德進行了更為詳細的分析。她首先對B 型DNA 的物理參數進行測量：她從衍射圖象的點及點的密集程度出發，并考慮衍射點的分布特點，將專門用于解決X 射線晶體衍射問題的帕特森函數（Patterson function）分析中的重疊法應用于圖片分析，將衍射圖像詮釋為分子中的各種化學鍵的鍵長、鍵角等結構要素，使所得結果更加可靠，完善了她此前1951年11月推斷的DNA 的輪廓，第2 次得出DNA 模型：DNA 應為雙螺旋，2 條鏈向2 個相反方向伸展［5］。

2.3 1952年12月第3 次建立B 型DNA 模型 1952年底，羅莎琳德拍攝了堪稱完美的B 型DNA衍射照片，并分析得出：磷酸基團必定是在DNA分子的外部，堿基排列在內側［5］。另外，按照布拉格父子（Bragg W.H.和Bragg W.L.）提出的布拉格公式，她計算出DNA 分子平均直徑和相鄰核苷酸之間的間距［8］：螺旋的直徑為20 ?，間距3.4 ?［5］。（1 ?=10-10m，即納米的十分之一）。1952年12月，富蘭克林將這些研究結果寫成報告后上交，被收錄在一份MRC 報告中，后來被分發給評審委員會成員。克里克根據報告中羅莎琳德的基本數據糾正了他在1951年11月報告會上記錄的錯誤。由此他認為：這顯示DNA 擁有方向相反的雙股螺旋。

2.4 1953年2月24日得出結 論：A、B 2 種DNA皆為雙股螺旋 富蘭克林通過鍥而不舍的研究，還對A 型DNA 作了圓柱帕特森映射計算，確定了A型DNA 分子的密度、單位原胞尺度和含水量和對稱性（即翻轉180 度之后看起來還是一樣）［9］。在此基礎上她建議了一種包括直徑的精確測量、同軸纖維沿纖維軸向的間隔及螺旋的螺距的DNA 雙螺旋結構。1953年2月24日，羅莎琳德得出A、B 2 種DNA 皆為雙股螺旋的結論。而4 d 之后，1953年2月28日，獲得富蘭克林2 項重大研究成果的沃森與克里克就宣布他們發現了雙股螺旋模型。羅莎琳德距離DNA 雙螺旋結構僅一步之遙——就是“DNA 鏈上一對特定的堿基通過氫鍵構成堿基對”。羅莎琳德也一直在思考怎樣將堿基嵌進去。在她的筆記里體現了這位杰出的實驗科學家、優秀的分析家知道里面有堿基，還談到過堿基的互換性（圖3）。相信她會以她的方式同樣從查伽夫（Erwin Chargaff）規則中很快發現這一特點。

圖3 羅莎琳德從1951年起使用的筆記本摘錄［10］

3 被世界公認的“DNA 雙螺旋之母”

從1941年劍橋大學畢業后的17年的科研時間里，羅莎琳德矢志不渝、鍥而不舍，先后在煤的物理化學、DNA 的晶體結構和病毒蛋白結構這3 個領域里功勛卓著，后二者均有資格使她榮獲諾貝爾獎。DNA 雙螺旋結構只是她完整流暢的才華表現中的一個成果。無論做什么，她都做到極致。哪怕由于長期暴露于X 射線下而罹患了癌癥，她都堅持樂觀工作，直到生命的最后一刻。她從不鉆營，毫不取巧，正如古語道：上善若水，水善利萬物而不爭。

自1968年以來，人們對于英年早逝的英國科學家羅莎琳德·富蘭克林博士不僅寄予深切緬懷、高度評價，而且著力于磨洗史海鉤沉，還原事實真相，對于這位品格高尚、成就超群的科學家予以全面承認。2002年Patricia Hewitt 設立每年3 萬英鎊的富蘭克林獎［5］；英國皇家學會設立了“富蘭克林獎”；英國劍橋南部基因組園區的人類基因圖譜資源中心改名為富蘭克林中心［11］；2003年國王學院新建大樓以她和威爾金斯命名；芝加哥醫學院于2004年正式更名為羅莎琳德·富蘭克林醫科大學；歐-俄聯合研制的一臺現定于2022年發射的火星漫游車也以“羅莎琳德·富蘭克林”命名。

斯人已逝，一縷香魂隨風散。唯有清晰梳理羅莎琳德·富蘭克林博士解析DNA 雙螺旋結構的過程和方法，才能贊同這位為人類科學事業獻身的卓越青年女性被譽為“DNA 雙螺旋結構之母”乃是實至名歸。