DNA結(jié)構(gòu)揭秘：跨學(xué)科探索擦出的火花

文／楊芊羽

日前，在孟德爾誕辰200年之際，清華大學(xué)科學(xué)博物館舉辦了“從豌豆到人類基因組計(jì)劃”線上展覽，其中，脫氧核糖核酸（DNA）結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)史是展覽的一個(gè)重要部分。

60年前的一個(gè)冬日，斯德哥爾摩音樂廳人頭攢動(dòng)，三位年輕的科學(xué)家被授予了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，他們分別是美國(guó)的詹姆斯·沃森和英國(guó)的弗朗西斯·克里克、莫里斯·威爾金斯。他們共同分享了發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的成果，為“核酸分子結(jié)構(gòu)及其對(duì)生物中信息傳遞的意義”作出了貢獻(xiàn)。如今DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的三維模型圖已經(jīng)遍布于中學(xué)、大學(xué)的生物教材，成為基礎(chǔ)教育的常識(shí)。

其實(shí)早在1869年，瑞士生化學(xué)家米歇爾便發(fā)現(xiàn)了核酸的存在，但當(dāng)時(shí)人們的研究重心放在了蛋白質(zhì)上，對(duì)核酸缺乏關(guān)注。主流生物學(xué)家到20世紀(jì)40年代仍認(rèn)為蛋白質(zhì)是研究基因的首要對(duì)象，直到1944年，艾弗里、麥克倫德和麥卡蒂發(fā)表了關(guān)于“轉(zhuǎn)化因子”的重要論文，首次用實(shí)驗(yàn)證明了這種轉(zhuǎn)化因子是DNA，才揭開了DNA是遺傳物質(zhì)的序幕。同年，薛定諤《生命是什么？》一書問世，提出生命研究的關(guān)鍵問題在于信息的傳遞。

但在沃森和克里克1953年的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)論文問世之前，科學(xué)家雖然已經(jīng)承認(rèn)DNA是遺傳物質(zhì)，卻并不清楚DNA的具體結(jié)構(gòu)以及它是如何傳遞遺傳信息的。

1951年，沃森在劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室邂逅了他人生最志同道合的合作伙伴——同樣認(rèn)為DNA比蛋白質(zhì)重要的克里克。兩人一拍即合，并決定借鑒當(dāng)時(shí)已經(jīng)因發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)α螺旋結(jié)構(gòu)而小有成就的結(jié)構(gòu)化學(xué)家萊納斯·鮑林的研究方法，即制作分子模型，并由此探索原子間的關(guān)系，解決DNA結(jié)構(gòu)的問題。

為了更高效、更精準(zhǔn)地解密DNA分子結(jié)構(gòu)，沃森和克里克還需要瀏覽盡量精確的X射線衍射資料，這能避免他們走很多彎路。當(dāng)年倫敦國(guó)王學(xué)院的威爾金斯作為前期“壟斷”英國(guó)DNA研究的人，也是X射線衍射照片的持有者。他認(rèn)同了克里克關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)是螺旋狀的觀點(diǎn)，并同意給沃森和克里克共享照片。

后沃森又在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)了X射線衍射技術(shù)和結(jié)晶學(xué)，以期與倫敦國(guó)王學(xué)院由威爾金斯和富蘭克林組成的研究小組一起證實(shí)DNA的螺旋結(jié)構(gòu)。沃森和克里克提出的第一個(gè)模型是三核苷酸鏈模型，然而卻被富蘭克林的定量測(cè)量結(jié)果全盤否定。卡文迪許實(shí)驗(yàn)室以糖和核酸作為中心的DNA分子模型構(gòu)建一度陷入低迷。克里克的博士導(dǎo)師布拉格教授甚至勒令二人放棄DNA結(jié)構(gòu)的研究。因此，克里克將他研究DNA結(jié)構(gòu)用的夾具寄給了倫敦國(guó)王學(xué)院的威爾金斯，并希望他能繼續(xù)DNA分子結(jié)構(gòu)事業(yè)。威爾金斯稱這一舉動(dòng)為“加快科學(xué)研究進(jìn)程的合作精神的絕佳范例”。

雖然表面上卡文迪許實(shí)驗(yàn)室暫停了DNA研究工作，但沃森還在通過研究煙草花葉病毒中的核酸成分為DNA研究尋找靈感，并學(xué)會(huì)了用X射線照相機(jī)拍攝煙草花葉病毒顯示螺旋結(jié)構(gòu)的照片。

在沃森和克里克提出并不成功的“三核苷酸鏈模型”后15個(gè)月，鮑林也提出了與之類似的“三螺旋模型”，但被沃森敏銳地察覺到其不合理性：這一模型的磷酸集團(tuán)沒有離子化，或者說鮑林的模型中的核酸根本不能構(gòu)成一種“酸”。這一發(fā)現(xiàn)讓一直醉心于DNA分子結(jié)構(gòu)研究的處在合作關(guān)系中的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室和倫敦國(guó)王學(xué)院研究小組松了一口氣，但同時(shí)在鮑林的競(jìng)爭(zhēng)壓力下，他們也加快了研究步伐。

DNA分子結(jié)構(gòu)研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是著名的“51號(hào)照片”的問世。這是一張B型DNA的X射線衍射照片，由富蘭克林拍攝，送給威爾金斯使用。這張照片證實(shí)了DNA的螺旋結(jié)構(gòu)。沃森根據(jù)這張B型結(jié)構(gòu)圖，在雙螺旋和三螺旋兩個(gè)方向中毅然選擇了雙螺旋。于是1953年，沃森和克里克開始制作DNA雙螺旋模型。沃森是噬菌體遺傳學(xué)方面的專家，而克里克擅長(zhǎng)物理學(xué)和數(shù)學(xué)；兩人在不同科學(xué)的交叉結(jié)合下協(xié)同攻關(guān)，妥善解決了DNA分子堿基配對(duì)和氫鍵結(jié)合的謎題，提出了著名的DNA分子堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。

倫敦國(guó)王學(xué)院的威爾金斯和富蘭克林很快也發(fā)現(xiàn)他們的X射線數(shù)據(jù)可以為雙螺旋結(jié)構(gòu)提供強(qiáng)有力的證據(jù)。經(jīng)過整理，沃森和克里克的論文于1953年在《自然》雜志上發(fā)表，DNA分子結(jié)構(gòu)終于塵埃落定。

沃森、克里克和威爾金斯被授予了1962年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，本應(yīng)共享這一成果的富蘭克林因病逝世而無緣獎(jiǎng)項(xiàng)，但其為DNA分子結(jié)構(gòu)研究所作的貢獻(xiàn)也當(dāng)被永遠(yuǎn)銘記。這些科學(xué)家并非都來自生化領(lǐng)域，但都運(yùn)用自己的專長(zhǎng)推動(dòng)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的誕生。可以說，DNA分子結(jié)構(gòu)是物理、化學(xué)、生物、數(shù)學(xué)多學(xué)科一起擦出的智慧火花。