DNA双螺旋结构背后的凄美故事

DNA双螺旋结构背后的凄美故事
2020年09月14日 10:34 新浪科技综合

  来源:BioMan

罗莎琳德·富兰克林罗莎琳德·富兰克林

  纽约时间2014年12月4日下午1时,1962年诺贝尔生理学或医学奖得主、DNA双螺旋结构发现者之一、美国科学家詹姆斯·沃森开始拍卖其诺贝尔奖章,此前各大媒体预估拍卖价将高达350万美元(约合人民币2148.8万元),其最终以475.7万美元被买下,其中手稿以36.5万美元、1962年12月11日发表的关于DNA双螺旋的论文被拍卖为24.5万美元,总合计536.7万美金被拍卖。因此,全世界的目光再次聚焦于这一跨时代的发现。

  然而,有多少人记得罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Elsie Franklin),以及她在这一历史性的发现中做出的贡献?

  DNA双螺旋结构的发现———划时代的佳话

  20世纪人类最伟大的成果,莫过于遗传学中DNA双螺旋结构的发现。

  一个划时代的发现,必定伴随着一段传奇的佳话:两个个卓越的研究组,第一个实验室是伦敦国王学院的威尔金斯实验室,他们用X射线衍射法研究DNA的晶体结构。当X射线照射到生物大分子的晶体时,晶格中的原子或分子会使射线发生偏转,根据得到的衍射图像,可以推测分子大致的结构和形状。

  第二个实验室是加州理工学院的大化学家莱纳斯·鲍林 (Linus Pauling) 实验室。在此之前,鲍林已发现了蛋白质的α螺旋结构。而真正的发现者,则是个非正式的研究小组,事实上他们可说是不务正业。23岁的年轻的遗传学家沃森于1951年从美国到剑桥大学做博士后时,虽然其真实意图是要研究DNA分子结构,挂着的课题项目却是研究烟草花叶病毒。比他年长12岁的克里克当时正在做博士论文,论文题目是“多肽和蛋白质:X射线研究”。沃森说服与他分享同一个办公室的克里克一起研究DNA分子模型,从1951年10月开始拼凑模型,几经尝试,终于在1953年3月获得了正确的模型。

  一堆物理学家和化学家(克里克科班出生的从事蛋白和多肽X射线晶体衍射;威尔金斯虽然在1950年最早研究DNA的晶体结构,当时却对DNA究竟在细胞中干什么一无所知,在1951年才觉得DNA可能参与了核蛋白所控制的遗传;弗兰克林也不了解DNA在生物细胞中的重要性;鲍林研究DNA分子,则纯属偶然——他在1951年11月的《美国化学学会杂志》上看到一篇核酸结构的论文,觉得荒唐可笑,为了反驳这篇论文,才着手建立DNA分子模型),外加唯一一个当时年仅23岁的遗传学家沃森,推断出DNA是双螺旋结构。

  如此荒诞,却又如此真切,做出了一个伟大的发现。这段佳话被一再传诵,一再的简化或者神化的提及,而科学史上记载:1962年,沃森、克里克和威尔金斯因为DNA双螺旋结构的发现而获得诺贝尔生理学医学奖。

  不管从哪个方面解读,这段佳话都有很多令人回味的乐趣。

  DNA双螺旋结构背后的故事:年轻的沃森和克里克为何能在这场竞赛中获胜?

  可是,科研上的那点破事儿,远非如此……值得探讨的一个问题是:两个年轻人,沃森和克里克,既不像威尔金斯那样拥有第一手的实验资料,又不像鲍林那样有建构分子模型的丰富经验(他们两个人都是第一次建构分子模型),为什么却能在这场竞赛中获胜?沃森早年向印第安那大学申请研究生时,申请的是鸟类学;但由于印第安那大学动物系没有鸟类学专业,在系主任的建议下,沃森才转而从事遗传学研究。当时大遗传学家赫尔曼·缪勒(Hermann Muller)恰好正在印第安那大学任教授,沃森不仅上过缪勒关于“突变和基因”的课(分数得A),而且考虑过要当他的研究生。但觉得缪勒研究的果蝇在遗传学上已过了辉煌时期,才改拜研究噬菌体遗传的萨尔瓦多·卢里亚(Salvador Luria)为师。

  他在1951年到剑桥之前,因为做过同位素标记追踪噬菌体DNA的实验,坚信DNA就是遗传物质。所以才关心遗传物质需要什么样的性质才能发挥基因的功能?克里克本人说他对DNA所知不多,并未觉得它在遗传上比蛋白质更重要,只是认为DNA作为与核蛋白结合的物质,值得研究。对一名研究生来说,确定一种未知分子的结构,就是一个值得一试的课题。并且有沃森的煽动,才开始破解基因的奥秘。正是这种科学的关注,以及强烈的信念——DNA是遗传物质,才促使他们抓住一切信息,根据当时如此少的数据,做出如此重大的发现。

  当时对DNA的已知信息,主要包括:DNA由6种小分子组成:脱氧核糖,磷酸和4种碱基(A、G、T、C),由这些小分子组成了4种核苷酸,这4种核苷酸组成了DNA,并且DNA的分子组成,A和T的含量总是相等,G和C的含量也相等(事实上生物化学家埃尔文·查戈夫Erwin Chargaff测定DNA的分子组成的结果1950年就已公布,只是当时研究DNA分子结构的实验室都把它忽略了)。

  Rosalind Franklin短暂的一生

  而在此过程中,我们却在刻意忽略一个一位伟大的女科学家:罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Elsie Franklin)。

  富兰克林1921年生于伦敦,15岁就立志要当科学家,但父亲并不支持她这样做。她早年毕业于剑桥大学,专业是物理化学。1945年,当获得博士学位之后,她前往法国进修X射线衍射技术。她深受法国同事的喜爱,有人评价她“从来没有见到法语讲得这么好的外国人”。1951年,她回到英国,在剑桥大学国王学院取得了一个职位。

  在那时候,人们已经知道了脱氧核糖核酸(DNA)可能是遗传物质,但是对于DNA的结构,以及它如何在生命活动中发挥作用的机制还不甚了解。

  就在这时,富兰克林加入了研究DNA结构的行列———然而当时的环境相当不友善。她开始负责实验室的DNA项目时,有好几个月没有人干活。同事威尔金斯不喜欢她进入自己的研究领域,但他在研究上却又离不开她。他把她看做搞技术的副手,她却认为自己与他地位同等,两人的私交恶劣到几乎不讲话。在那时的剑桥,对女科学家的歧视处处存在,女性甚至不被准许在高级休息室里用午餐。她们无形中被排除在科学家间的联系网络之外,而这种联系对了解新的研究动态、交换新理念、触发灵感极为重要。

  富兰克林在法国学习的X射线衍射技术在研究中派上了用场。X射线是波长非常短的电磁波。医生通常用它来透视人体,而物理学家用它来分析晶体的结构。当X射线穿过晶体之后,会形成衍射图样———一种特定的明暗交替的图形。不同的晶体产生不同的衍射图样,仔细分析这种图形人们就能知道组成晶体的原子是如何排列的。富兰克林精于此道,她成功地拍摄了DNA晶体的X射线衍射照片。

  此时,沃森和克里克也在剑桥大学进行DNA结构的研究,威尔金斯在富兰克林不知情的情况下给他们看了那张照片。根据照片,他们很快就领悟到了DNA的结构———现在已经成为了一个众所周知的事实———两条以磷酸为骨架的链相互缠绕形成了双螺旋结构,氢键把它们连结在一起。他们在1953年5月25日出版的英国《自然》杂志上报告了这一发现。这是生物学的一座里程碑,分子生物学时代的开端。

  富兰克林的贡献是毋庸置疑的:她分辨出了DNA的两种构型,并成功地拍摄了它的X射线衍射照片。沃森和克里克未经她的许可使用了这张照片,但她并不在意,反而为他们的发现感到高兴,还在《自然》杂志上发表了一篇证实DNA双螺旋结构的文章(遗憾的是,《自然》杂志暂未公开本论文的详细内容)。

  这个故事的结局有些伤感。当1962年沃森、克里克和威尔金斯获得诺贝尔生理学或医学奖的时候,富兰克林已经在4年前因为卵巢癌而去世。按照惯例,诺贝尔奖不授予已经去世的人。此外,同一奖项至多只能由3个人分享,假如富兰克林活着,她会得奖吗?性别差异是否会成为公平竞争的障碍?后人为了这个永远不能有答案的问题进行过许多猜测与争论。

  历史从未忘记女科学家:英国设立“富兰克林奖章” 伦敦国王学院将新大楼命名为“罗莎琳—威尔金斯馆”

Franklin-Wilkins Building
Franklin-Wilkins Building

  英国为了纪念她对发现DNA结构的贡献而设立了一个奖章。据报道,英国贸易与工业大臣帕特里厦。休伊特在一次关于女性与科研工作的讲话中说,她将通过英国皇家学会设立“富兰克林奖章”,奖励像罗莎琳德。富兰克林那样在科研领域做出重大创新的科学家。这一奖项每年评选一次,获奖者可以得到3万英镑的奖金。休伊特说,男性和女性科学家都可以角逐富兰克林奖章,但她希望该奖项能够重点起到提升女性在科研领域的形象的作用。

  设立富兰克林奖章,是休伊特为使更多英国女性进入科研岗位而进行努力的一部分。据调查,英国约有5万名毕业于科学和工程专业的女性在当全职家庭妇女,其中大部分是在生育孩子之后放弃了工作。暂时中断事业后重新开始工作的女性,有三分之二的人大材小用。休伊特对这种惊人的人才浪费感到不安,于是发起一项“让母亲回到工作岗位”的活动,加紧制定促进女性参与科研事业的战略,鼓励有理工学历背景的女性从事合适的工作。

  历史上对于女科学家的歧视并不仅有这一个例子

  1967年,苏珊。贝尔和她在剑桥大学的导师休伊什共同发现了脉冲星,但是1974年的诺贝尔物理学奖只发给了休伊什。迄今只有10位女性获得了科学方面的诺贝尔奖,科学界对女科学家的歧视依然存在,种种社会原因使许多有科学才能的女性缺少发挥其专长的机会。

新浪科技公众号
新浪科技公众号

“掌”握科技鲜闻 (微信搜索techsina或扫描左侧二维码关注)

创事记

科学探索

科学大家

苹果汇

众测

专题

官方微博

新浪科技 新浪数码 新浪手机 科学探索 苹果汇 新浪众测

公众号

新浪科技

新浪科技为你带来最新鲜的科技资讯

苹果汇

苹果汇为你带来最新鲜的苹果产品新闻

新浪众测

新酷产品第一时间免费试玩

新浪探索

提供最新的科学家新闻,精彩的震撼图片