“噬菌體侵染細菌實驗”過程的教學突破

李希明　梁磊

摘 要 從一個實驗操作者的視角，對噬菌體侵染細菌實驗的過程進行思考。嘗試從實驗原理與假設、方法與步驟、結果與討論、誤差與分析等幾個層面，突破噬菌體侵染細菌實驗教學中的難題和瓶頸。

關鍵詞 噬菌體 實驗 教學 思考

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

“噬菌體侵染細菌的實驗”是探索遺傳物質的經典實驗。對該實驗的教學突破存在著下列難題：（1） DNA和蛋白質哪一個是遺傳物質？（2） 如何運用同位素標記噬菌體的DNA或蛋白質？（3） 觀察到什么現象才能說明對噬菌體起決定作用的是DNA，還是蛋白質？（4） 如何對實驗產生的誤差進行合理分析？……

要解決上述問題，必須深入地思考實驗中每個步驟的目的與原因以及該步驟的注意事項。

1 原理與假設

赫爾希和蔡斯在進行噬菌體侵染細菌的實驗之前，已對T2噬菌體和大腸桿菌有了一些了解，其中包括：① T2噬菌體只由DNA和蛋白質兩種化學成分組成；② T2噬菌體能夠在自身遺傳物質的作用下，借助大腸桿菌，完成增殖過程；③ 組成T2噬菌體的蛋白質分子含有S元素，而P元素幾乎都存在于DNA分子中；④ T2噬菌體是一種專門寄生于大腸桿菌體內的病毒；⑤ T2噬菌體能夠特異性地吸附在大腸桿菌的表面；⑥ 相比較而言，T2噬菌體的密度小，大腸桿菌的密度大；⑦ T2噬菌體借助于大腸桿菌增殖一代所用的時間等。

這些瑣碎的知識構成了赫爾希和蔡斯設計噬菌體侵染大腸桿菌實驗的實驗原理。學生如何利用這些知識，理解該實驗的假設與預期呢？

根據實驗原理中的第①、②條，可推測“噬菌體侵染大腸桿菌”的方式存在著3種可能性的假設：① 只有蛋白質注入大腸桿菌細胞內；② 只有DNA注入大腸桿菌細胞內；③ 蛋白質和DNA都注入大腸桿菌細胞內。

每一種假設都會有一種特定的預期結果，上述3種假設所對應的預期結果分別是什么呢？需要思考：采用哪種實驗方法與步驟，才能將蛋白質和DNA區分開！

2 方法與步驟

2.1 標記

蛋白質和DNA都非常微小，是肉眼看不到的分子。怎樣對它們進行追蹤呢？

根據實驗原理中的第③條，不難推測，可采用放射性同位素標記法，利用35S標記蛋白質，利用32P標記DNA，分別對蛋白質和DNA進行追蹤。

事實上，除了S和P之外，蛋白質和DNA還都含有C、H、O、N等元素，標記這些元素可以嗎？如果標記的是蛋白質和DNA共有的元素，是無法將蛋白質和DNA分子區分開的，無法弄清楚到底是哪種物質侵染了大腸桿菌，因此只能標記它們特有的元素。

那么，是對噬菌體的蛋白質和DNA進行“同時”標記，還是將噬菌體分為兩組，一組標記蛋白質，另一組標記DNA，也就是“分別”進行標記呢？其實，這與同位素的放射性自顯影技術有關。由于該技術僅能檢測到元素放射性的強弱，而無法分辨是何種元素的放射性，所以，只能是對噬菌體的成分“分別”進行標記。

2.2 培養

明確了是“同時”，還是“分別”標記噬菌體的不同成分后，隨之帶來的問題：怎么標記？是“直接”標記噬菌體，還是“間接”標記噬菌體？根據實驗原理中的第④條，噬菌體直接在培養基上是不能夠存活并增殖的，只有寄生在宿主細胞——大腸桿菌體內，利用大腸桿菌的物質來合成子代噬菌體。因此若想對噬菌體中的成分進行標記，就得先標記大腸桿菌，通過親代噬菌體的侵染增殖，從而使釋放出的子代噬菌體帶上標記，即只能夠通過“間接”的方式來培養并標記噬菌體。不僅如此，在進行實驗時，還要用已標記好的噬菌體去侵染未被標記的大腸桿菌才能得到實驗結果。這是因為如果大腸桿菌也被做了標記，就分不清是哪種物質在發揮遺傳作用了。

2.3 離心

用標記的噬菌體侵染未標記的大腸桿菌時，要不斷地“攪拌”（為方便實驗誤差分析，將攪拌的目的放在4.1中分析）試管中的大腸桿菌培養液，使吸附在細菌上的噬菌體與細菌分離。但是即使兩者已經分離開，還是共同存在于大腸桿菌溶液當中，依然無法區分是大腸桿菌中含有放射性，還是周圍的溶液中具有放射性。這個問題要如何解決？可從實驗原理中的第⑥條得到啟示，如果將噬菌體與大腸桿菌混合培養液放到試管中，根據兩者密度的不同，經過離心處理，必然使密度大的大腸桿菌沉淀到試管下部，形成沉淀物，而密度較小的噬菌體則會分布在試管上部的上清液中，從而達到區分兩者的目的。

3 結果與結論

3.1 討論

對噬菌體侵染細菌實驗的結果預測見表1。

分析：

（1） 若出現第一組現象，則說明“原理與假設”中第一種假設“只注入蛋白質”成立，進一步說明T2噬菌體的兩大組分中蛋白質是遺傳物質；

（2） 若出現第二組現象，則說明“原理與假設”中第二種假設“只注入DNA”成立，進一步說明T2噬菌體的兩大組分中DNA是遺傳物質；

（3） 若出現第三組現象，則說明“原理與假設”中第三種假設“同時注入蛋白質和DNA”成立，進一步說明不能判斷T2噬菌體的兩大組分中誰是遺傳物質。

3.2 實驗的真實情況

（1） 結果：用35S標記的一組感染實驗，放射性同位素主要分布在上清液中；用32P標記的一組實驗，放射性同位素主要分布在試管的沉淀物中。

（2） 結論：T2噬菌體的兩大組分中是DNA進入大腸桿菌并指導噬菌體的增殖，對于T2噬菌體而言，DNA是它的遺傳物質。

4 誤差與分析

噬菌體侵染細菌實驗的大致步驟包括：標記噬菌體（培養）→侵染未標記大腸桿菌→（保溫）→（攪拌）→離心。

在實驗步驟中，主要實驗操作可能導致的實驗誤差。

4.1 攪拌

在3種可能性的假設中，蛋白質或DNA只有一種注入大腸桿菌的情況要予以特別考慮。

若只有一種物質注入，另一種沒有注入，例如只有DNA注入大腸桿菌，而蛋白質沒有注入，那么蛋白質可能以兩種方式存在，一種是不與大腸桿菌結合的游離狀態，另一種是結合在大腸桿菌表面的吸附狀態。因此，需要考慮噬菌體中的某種成分未注入大腸桿菌細胞內，但吸附在了大腸桿菌表面的情況。若使該種成分與大腸桿菌脫離，則需要攪拌處理。事實上，實驗原理第⑤條已說明了噬菌體的確可以吸附在大腸桿菌的表面。這就幫助解釋了，為何理論上用35S標記的一組實驗，放射性同位素只分布在上清液中，而事實上，在沉淀物中也有較低的放射性。其原因就在于攪拌不充分，有少量被35S標記的噬菌體（或者僅僅只是其蛋白質外殼）仍然還吸附在細菌的表面，隨細菌一起沉淀下去。

4.2 保溫

噬菌體侵染細菌的過程需要在適宜的溫度條件下進行，這是因為生命在代謝的過程中，酶要保持一定的活性，才能保證噬菌體在宿主細胞內有效增殖。實驗原理第⑦條也顯示，保溫的時間長短是一個重要的實驗影響因素。換句話說，保溫時間的長短會對實驗結果產生極大的影響。這可以幫助解釋為何理論上用32P標記的一組實驗，放射性同位素只分布在試管的沉淀物中，而事實上，試管的上清液中也有較低的放射性。這是因為如果保溫時間過短，則被標記的噬菌體就不足以全部侵染大腸桿菌體，還會有一部分噬菌體沒有侵入大腸桿菌體內。當然，也有可能是保溫時間過長，部分大腸桿菌裂解釋放出了子代噬菌體。這兩種情況都可能導致本不該出現放射性的上清液中也有了放射性。

參考文獻：

[1] 孟德爾等.遺傳學經典文選[M].北京：北京大學出版社，2012：149-163.

[2] 張玉明.噬菌體侵染細菌實驗的教學設計[J].生物學通報，2012（7）：34-35.