關于T2噬菌體侵染大腸桿菌的幾個知識點分析

陳衛東

1952年，赫爾希和蔡斯以T2噬菌體為實驗材料，利用放射性同位素標記的技術，完成了T2噬菌體侵染大腸桿菌的實驗。這個實驗對證明DNA是遺傳物質的結論更具說服力，因為其將噬菌體的DNA和蛋白質完全分開，因此可以完全獨立地體現DNA在遺傳中的作用。首先將標記35S或32P的噬菌體分別侵染培養液中未被標記的大腸桿菌，待T2噬菌體將其DNA注入寄主細胞后通過攪拌使遺留的蛋白質殼從寄主細胞壁上脫離下來；采用低速離心，使受侵染的細胞沉淀而噬菌體的空殼體留在上清液中。用含32P和35S放射性同位素分別標記噬菌體DNA和蛋白質的測定結果發現，大部分32P出現在細胞沉淀物內，而絕大多部分35S則顯示在上清液中，說明T2噬菌體侵染大腸桿菌是DNA進入寄主細胞中，而蛋白質殼體則留在細胞外面。由于新產生的子代噬菌體是在原噬菌體的DNA控制下合成的，因而說明DNA是噬菌體的遺傳物質。

這是一個用來證明DNA是遺傳物質的經典實驗。相比較而言，比肺炎雙球菌轉化實驗理解起來更難，學生會有更多疑問。如要把這個實驗講清楚，教師就要幫助學生梳理好以下幾個問題：

（1） 實驗原理：T2噬菌體是一種專門寄生在大腸桿菌體內的病毒，其組成大約是60%的蛋白質和40%的DNA。蛋白質構成它的外殼，而DNA藏在它的頭部中。T2噬菌體侵染大腸桿菌后，就會在自身遺傳物質的作用下，利用大腸桿菌體內的物質來合成自身的組成成分，進行大量增殖。當噬菌體增殖到一定數量后，大腸桿菌裂解，放出來幾十個至幾百個噬菌體。T2噬菌體侵染大腸桿菌主要分為：感染階段（含吸附和注入噬菌體DNA兩步）、增值階段（含噬菌體DNA的復制和蛋白質的合成、組裝兩個步驟）、成熟階段（子代噬菌體的釋放）。赫爾希和蔡斯的實驗就是為了證明感染階段中，究竟是噬菌體的DNA還是蛋白質進入了大腸桿菌，最終控制合成新的子代噬菌體的。

（2） 如何標記T2噬菌體？由于病毒必須寄生在活體細胞中才能擴增，因此無法將T2噬菌體直接放在培養基中培養。赫爾希和蔡斯首先在分別含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培養基中培養大腸桿菌，再用上述被標記的大腸桿菌培養T2噬菌體，得到含有被32P標記DNA或被35S標記蛋白質的噬菌體。

（3） 該實驗離心之前為什么要攪拌？在離心之前，充分攪拌的目的是讓T2噬菌體的蛋白質外殼與大腸桿菌的細胞體充分分離，如攪拌不夠充分，則會出現較大的誤差。尤其是用35S標記的蛋白質外殼的實驗中，如攪拌不夠充分，離心后T2噬菌體的蛋白質外殼將會隨著大腸桿菌沉下去，沉淀物中將會出現較多的放射性，無法說明蛋白質沒有進入大腸桿菌。

（4） 離心的結果是什么？由于T2噬菌體與大腸桿菌的比重不同，離心后，大腸桿菌及其內所含有的物質（如噬菌體注入其中的DNA）會沉淀到下方，而未侵染的噬菌體或侵染后提前釋放的噬菌體及侵染后留在大腸桿菌外側的噬菌體蛋白質外殼從細菌上分離后會留在上清液中。

（5） 離心的目的是什么？35S標記蛋白質外殼的T2噬菌體，離心后，如發現沉淀中幾乎沒有放射性，而上清液（含噬菌體外殼，可能還有少量新生成的噬菌體及未侵染的噬菌體）中則有較高的放射性，說明留在大腸桿菌細胞外面的是蛋白質；32P標記DNA的T2噬菌體，發現沉淀中有很高放射性，而上清液中幾乎沒有放射性，則T2噬菌體的DNA進入了大腸桿菌細胞。

（6） 離心后為什么會出現一些誤差？在噬菌體侵染細菌的實驗中，赫爾希和蔡斯分別用35S和32P標記的T2噬菌體侵染大腸桿菌，理論上，用35S標記的T2噬菌體侵染大腸桿菌后，上清液具有很高的放射性，下層沉淀物中應該不含放射性。用32P標記的噬菌體侵染大腸桿菌后，上清液中不含放射性，下層沉淀物中具有很高的放射性。而實際上，實驗的最終結果顯示：用35S標記的T2噬菌體侵染大腸桿菌后，在離心的下層沉淀物中，具有一定的放射性，而上清液中的放射性強度比理論值略低。用32P標記的T2噬菌體侵染大腸桿菌后，在離心的上層清液中，具有一定的放射性，而下層沉淀物中的放射性強度比理論值略低。為什么會出現這種情況呢？在實驗中，35S標記的T2噬菌體與大腸桿菌混合培養后，如在攪拌器中攪拌不充分，使吸附在大腸桿菌外被35S標記的噬菌體蛋白質外殼沒有與大腸桿菌完全分離開，離心后下層沉淀物中就會存在放射性，而上清液中的放射性比理論值略低。32P標記的T2噬菌體與大腸桿菌混合培養后，充分攪拌后離心，可能有一些噬菌體沒有能夠侵染大腸桿菌，經離心后少量分布于上清液中，使上清液出現放射性，而下層沉淀物中的放射性強度比理論值略低。或實驗中，32P標記的噬菌體和大腸桿菌混合培養的時間過長，噬菌體在大腸桿菌細胞內增殖后釋放出來，經離心后分布于上清液，使上清液出現放射性，而下層的放射性強度比理論值略低。因此用32P標記的噬菌體侵染實驗中，要嚴格控制好從噬菌體和大腸桿菌混合培養到用離心機分離的時間，時間過短未充分侵染；時間過長，則侵染進入大腸桿菌細胞內的噬菌體增殖產生的子代噬菌體釋放出來了，都會使實驗誤差增大，故嚴格控制好時間是減小此實驗誤差的關鍵因素之一。

（7） 此實驗能否說明蛋白質不是遺傳物質？在此實驗中，由于只有DNA進入了大腸桿菌，而蛋白質外殼沒有進入大腸桿菌，因此子代噬菌體是在T2噬菌體的DNA的控制下合成的，能夠說明DNA是遺傳物質。由于蛋白質外殼并沒有進入大腸桿菌細胞內，因此子代噬菌體雖然不是由T2噬菌體的蛋白質控制合成的，但也并不能說明蛋白質就沒有控制遺傳的能力，因此僅憑此實驗并不能說明蛋白質就不是遺傳物質。

衍伸的問題：

（1） 如用少數35S標記的噬菌體侵染未被標記的大腸桿菌，釋放的子代噬菌體中理論上講應該有多少噬菌體中含有35S？如改用少數32P標記的噬菌體侵染未被標記的大腸桿菌，釋放的子代噬菌體中理論上講應該有多少噬菌體中含有32P？

第一個問題比較簡單，由于35S標記的是噬菌體的蛋白質外殼，蛋白質外殼無法進入大腸桿菌，控制合成子代噬菌體使用的原料全部來自未被標記的大腸桿菌，加上原來噬菌體的DNA又不含35S，因此形成的子代噬菌體全部不含35S。對于第二個問題，由于原來被32P標記的噬菌體要將自己的含32P的DNA注入大腸桿菌，并將以含32P的DNA為模板復制形成新的DNA，由于DNA的復制遵循半保留復制，因此復制的結果是子代噬菌體中理論上有親代噬菌體數的二倍的子代噬菌體（其中均保留一條親代噬菌體DNA的一條鏈）含有32P，其余的噬菌體均不含32P。

（2） 如用未標記的噬菌體去侵染被32P或35S標記的大腸桿菌，子代噬菌體含放射性同位素的情況如何？

由于噬菌體未被標記，其侵染到大腸桿菌體內，合成子代噬菌體的原料全部來自大腸桿菌，因此子代噬菌體中全部含有35S。DNA雖然為半保留復制，但也只有少數子代噬菌體（相當于親代噬菌體的二倍）的DNA雙鏈中一條單鏈含親代噬菌體的31P母鏈，另一條單鏈則含有32P，其余子代噬菌體的DNA的兩條單鏈都只含32P，因此也是所有子代噬菌體中均含有32P。

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