DNA結構揭秘：跨學科探索擦出的火花

文／楊芊羽

日前，在孟德爾誕辰200年之際，清華大學科學博物館舉辦了“從豌豆到人類基因組計劃”線上展覽，其中，脫氧核糖核酸（DNA）結構的發現史是展覽的一個重要部分。

60年前的一個冬日，斯德哥爾摩音樂廳人頭攢動，三位年輕的科學家被授予了諾貝爾生理學或醫學獎，他們分別是美國的詹姆斯·沃森和英國的弗朗西斯·克里克、莫里斯·威爾金斯。他們共同分享了發現DNA雙螺旋結構的成果，為“核酸分子結構及其對生物中信息傳遞的意義”作出了貢獻。如今DNA雙螺旋結構的三維模型圖已經遍布于中學、大學的生物教材，成為基礎教育的常識。

其實早在1869年，瑞士生化學家米歇爾便發現了核酸的存在，但當時人們的研究重心放在了蛋白質上，對核酸缺乏關注。主流生物學家到20世紀40年代仍認為蛋白質是研究基因的首要對象，直到1944年，艾弗里、麥克倫德和麥卡蒂發表了關于“轉化因子”的重要論文，首次用實驗證明了這種轉化因子是DNA，才揭開了DNA是遺傳物質的序幕。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雙螺旋結構論文問世之前，科學家雖然已經承認DNA是遺傳物質，卻并不清楚DNA的具體結構以及它是如何傳遞遺傳信息的。

1951年，沃森在劍橋大學卡文迪許實驗室邂逅了他人生最志同道合的合作伙伴——同樣認為DNA比蛋白質重要的克里克。兩人一拍即合，并決定借鑒當時已經因發現了蛋白質α螺旋結構而小有成就的結構化學家萊納斯·鮑林的研究方法，即制作分子模型，并由此探索原子間的關系，解決DNA結構的問題。

為了更高效、更精準地解密DNA分子結構，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。當年倫敦國王學院的威爾金斯作為前期“壟斷”英國DNA研究的人，也是X射線衍射照片的持有者。他認同了克里克關于DNA結構是螺旋狀的觀點，并同意給沃森和克里克共享照片。

后沃森又在卡文迪許實驗室學習了X射線衍射技術和結晶學，以期與倫敦國王學院由威爾金斯和富蘭克林組成的研究小組一起證實DNA的螺旋結構。沃森和克里克提出的第一個模型是三核苷酸鏈模型，然而卻被富蘭克林的定量測量結果全盤否定。卡文迪許實驗室以糖和核酸作為中心的DNA分子模型構建一度陷入低迷。克里克的博士導師布拉格教授甚至勒令二人放棄DNA結構的研究。因此，克里克將他研究DNA結構用的夾具寄給了倫敦國王學院的威爾金斯，并希望他能繼續DNA分子結構事業。威爾金斯稱這一舉動為“加快科學研究進程的合作精神的絕佳范例”。

雖然表面上卡文迪許實驗室暫停了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，并學會了用X射線照相機拍攝煙草花葉病毒顯示螺旋結構的照片。

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沒有離子化，或者說鮑林的模型中的核酸根本不能構成一種“酸”。這一發現讓一直醉心于DNA分子結構研究的處在合作關系中的卡文迪許實驗室和倫敦國王學院研究小組松了一口氣，但同時在鮑林的競爭壓力下，他們也加快了研究步伐。

DNA分子結構研究的轉折點是著名的“51號照片”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。這張照片證實了DNA的螺旋結構。沃森根據這張B型結構圖，在雙螺旋和三螺旋兩個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方面的專家，而克里克擅長物理學和數學；兩人在不同科學的交叉結合下協同攻關，妥善解決了DNA分子堿基配對和氫鍵結合的謎題，提出了著名的DNA分子堿基互補配對原則。

倫敦國王學院的威爾金斯和富蘭克林很快也發現他們的X射線數據可以為雙螺旋結構提供強有力的證據。經過整理，沃森和克里克的論文于1953年在《自然》雜志上發表，DNA分子結構終于塵埃落定。

沃森、克里克和威爾金斯被授予了1962年的諾貝爾生理學或醫學獎，本應共享這一成果的富蘭克林因病逝世而無緣獎項，但其為DNA分子結構研究所作的貢獻也當被永遠銘記。這些科學家并非都來自生化領域，但都運用自己的專長推動了DNA雙螺旋結構模型的誕生。可以說，DNA分子結構是物理、化學、生物、數學多學科一起擦出的智慧火花。