DNA雙螺旋結構模型與生物醫學的發展

關鍵詞：DNA雙螺旋結構模型;基因工程;生物醫學;

引言：

二十世紀五十年代，DNA雙螺旋結構模型得以創立，這對于生命科學與生物醫學領域的發展來說是絕對的里程碑事件，并且是整個科學史上的重大事件。該模型的建立歷經了艱苦的探索過程，而最終的研究成果也非常豐碩，遺傳物質DNA分子結構模型的建立體推動了整個時代的進步與發展。

一、DNA雙螺旋結構模型的特點與發展史

上世紀最偉大的自然科學成果當屬DNA雙螺旋結構的發現。該模型的建立標志著現代分子生物學進入到高速發展期。在1868年，最早是一名24歲的瑞士醫生米歇爾最先發現核酸。不過由于不同生物的核酸性質太相近，以此用來解釋生物遺傳的多樣性顯得有些牽強，就這樣，他和遺傳物質的發現遺憾錯過了。

1929年，美國生化學家萊文對核苷酸的基本結構進行了歸納闡述，并提出“四核苷酸假說”，他在研究之后提出，核酸是由四種等量核苷酸組成，和糖原一樣的性質，不具備特殊功能。他的這一觀點一定程度上抑制了學者們研究核酸的熱情。

1950年，美國生化學家查蓋夫（Erwin Chargaff）通過分光光度法、紙層析等方法對多種生物的堿基組成進行了具體測定，并以最終的結果推翻了“四核苷酸假說”，同時還提出“查蓋夫規則”，也就是說：在所有DNA當中，A=T，G=C，由此可得A+G=T+C[1]。此即為雙螺旋模型當中堿基互補配對原則的理論依據。

雙螺旋模型還有一個基礎，即X-射線衍射分析。在這一方面，威爾金斯與富蘭克林是最大的研究貢獻者。1950年，莫里斯·威爾金斯（Maurice Hugh Frederick Wilkins）利用X-射線衍射技術對DNA晶體展開分析。他對衍射技術進行了優化完善，從而獲取到清晰的DNA衍射照片。之后，沃森在訪問國王學院時得以見到這張照片，頗受啟發的他開始試著以X-射線衍射技術來全面研究DNA結構。

1952年，奧地利裔美國生物化學家查伽夫（E.chargaff，1905-2002）對DNA中的堿基含量進行了測試，最終發現，在所有的四種堿基當中，胸腺嘧啶和腺嘌呤的數量一致，而胞嘧啶和鳥嘌呤的數量也是一樣的。由此，沃森和克里克便聯想到這幾種堿基之間可能是兩兩對應的關系，由此提出了腺嘌呤與胸腺嘧啶配對、鳥嘌呤與胞嘧啶配對的概念。

1953年，沃森和克里克結合前人的研究成果展開進一步研究之后發現了DNA雙螺旋結構，從此打開了分子生物學的發展局面，遺傳學的研究開始被提高到分子層面，困擾人們已久的“生命之謎”終于有了解開的鑰匙，至此，人們真正理解了遺傳信息的構成與傳遞路徑。隨后，分子遺傳學、分子免疫學、細胞生物學等相關學科快速興起，從分子的角度著手，生命奧秘被一個個解開，DNA重組技術使得基于生物工程手段的研究與應用有了更多的發展的可能性。

二、DNA雙螺旋結構模型對生物醫學領域帶來的影響

很早之前，遺傳學家基于不同形狀而提出“基因”這一概念，在他們看來，“基因”為遺傳性狀提供了形成基礎。當時人們并不了解“基因”的化學本質。直至上世紀四十年代，具有生物活性的遺傳物質DNA才被分離出來，至此，其化學本質才得以明確。細胞中的DNA是長達兩米的長鏈分子，經過壓縮，其被藏于僅有1、2個微米直徑的細胞核當中，可以發現，其空間結構極為特殊[2]。DNA雙螺旋結構模型能夠對DNA的空間結構予以說明，使DNA結構具備了信息特征，由此打破了之前僅能由遺傳表型的角度理解生命現象的限制，使研究得以提高到基因型的層面，并開始構建表型-基因型相互關系，以及生物信號作用譜、遺傳信息傳遞譜、調控網絡圖、生物分子相互作用譜。此后，分子生物學的新時代正式來臨。

隨后，醫學分子生物學與分子醫學得到大力發展，在形成學科后，分子生物學就以其獨特的解決問題的視角和能力在自然科學、社會科學等諸多領域得到滲透，實現了多個學科、領域的協調融合，最終產生大量的邊緣學科、交叉學科，很大程度上推動了相關學科的發展與進步。所以，上世紀后半葉之后，該學科一直體現著帶頭學科的風范。了解生命學科、生物學科在這一時期的發展路徑便能夠很好地驗證這一點。第一點是遺傳機理的破譯，在遺傳機理中，DNA復制機制在DNA雙螺旋結構模型建立之后得到妥善解決[3]。自然界一直存在復雜的遺傳物質相互作用關系，這也是在此基礎上得到了闡釋，并被人們所認識，比如感染病來源和傳播機制、癌癥病毒和宿主細胞遺傳物質間的作用機制以及抗體多樣性遺傳重組機制、可移動遺傳原件的發現，包括早起胚胎發育遺傳控制機制等等。

以上案例中所出現的遺傳控制作用和生長、發育、分化、進化等基礎生物學過程相關，所以其也有體現出了普遍性指導意義。生命是物質，也是由分子組成的，不同的結構將會表現出不同的功能。最為基本的結構是一級結構，由此衍生出二級、三級、司機空間結構，將DNA一級結構研究清楚是非常困難的，在此背景下，以化學斷裂法、雙脫氧末端法來測定DNA片段序列的方法產生了，此后，人們開始關注和了解到DNA分子當中的一些結構細節。

三、基于DNA雙螺旋結構的生物醫學發展展望

從DNA雙螺旋結構被提出的那一刻，分子生物學時代就來臨了。分子生物學讓生物大分子的研究開啟了新的篇章，將遺傳研究提高奧分子層面，幫助人們解開“生命之謎”，讓人們對遺傳信息的構成與傳遞模式有了更為深刻的認識。隨后，眾多相關學科陸續產生，從分子的角度著手可以很好地解決很多生命的奧秘，DNA重組技術的出現讓基于生物工程的研究與應用都有了更多的可能性[4]。人們對DNA的了解和操控已經達到了一定的水平，可以忽略其自身的進化功能，而將其作為一種信息載體進行操作。可以將DNA理解為存儲信息的載體，其有極強的穩定性，比如能夠從死去很久的生命體當中提取DNA樣本。

上世紀七十年代，一種基于基因工程的生物技術產生了，并逐步形成了生物技術這一新產業，很大程度上促進了醫學、農業和工業向生物技術產業方向的發展。在之后的二十多年間，分子生物化學作為生物化學、生物物理學的一部分，也得到了快速的進步和發展。尤其是在九十年代，隨著美國“人類基因組計劃”的全面推行，基因組學也逐漸形成，至此，人類便可以由基因層面來研究疾病發生、發展的內在規律，從而可以進行科學有效地預防和診治，所有有關生命現象、重大疾病的議題，都或多或少和分子生物學、基因組學有所關聯，可以發現，在生物醫學發展領域，DNA所發揮的作用也越來越重要。

結語：

自從上世紀中期DNA優美的曲線被發現之后，生物學各個領域也受此影響而發生了重大變革。提取自然材料、重新設計與改造，從而促進人類社會的發展，這是六十多年以來科學家們基于DNA雙螺旋帶來的啟示而不斷進行的嘗試與突破。所有在新的領域進行的探索注定會備受質疑，這一點在DNA雙螺旋結構模型發展方面亦是如此，但DNA技術需要持續不斷地進步和發展，研究人員有責任推動這項技術的不斷變革，這也是我們今后的努力方向。

參考文獻：

[1]張慧·命運的螺旋帶來的啟示--從DNA雙螺旋結構發現看科學方法論[J]·山西大學學報（哲學社會科學版），2015， 28（2）.

[2]趙德坤，秦小康，對DNA雙螺旋結構發現過程的反思[J]·中學教學參考，2018（5）

[3]張翮·遺傳物質發現史的哲學思考[J]. 醫學與哲學， 2016，（13） .

[4]楊煥明·DNA&HGP對人類未來的影響[J]·湖南醫學，2019（8）22-25

作者簡介：

鄭亞賞，女，學歷：本科，延邊大學臨床醫學 在校生。