威斯腾促销
第六届胶原蛋白行业论坛第一轮通知
安诺医学转录组,让科研与临床更近一步

DNA双螺旋结构发现史

2014/05/23 来源:中国科技网
分享: 
导读
61年前,沃森和克里克在《自然》杂志发表具有里程碑意义的论文,揭示了DNA结构。DNA双螺旋结构的发现之所以如此具有吸引力,正是因为它并不符合科学成就所强调的传统套路。


1953年4月25日,《自然》杂志发表了一篇由沃森及克里克合著的论文,这篇具有里程碑意义的论文介绍了DNA的双螺旋结构。现在看上去好像很简单的一篇文章,在当时却像一只金手指,捅开了那层迷糊了科学界几十年的窗户纸,向人们描绘了DNA大体是什么样和怎么工作的,揭示了生命繁衍的秘密。从那以后,一切似乎都变得很简单了,各种生物学上的突破接踵而至……

61年前的4月25日,《自然》杂志发表了一篇由沃森(Watson)及克里克(Crick)合著的论文,这篇具有里程碑意义的论文讲述了DNA的结构。半个世纪过去了,这一发现却依旧令人着迷,其原因不仅在于其重要性,还在于1954年时,无论是沃森还是克里克都并不太可能做到这一点。这一切还要从1953年,也就是双螺旋年说起。

DNA双螺旋结构的发现之所以如此具有吸引力,正是因为它并不符合科学成就所强调的传统套路

克里克是一位晶体学家,他认为自己在30岁左右时就已经相当出色了。而沃森既是一位遗传学者又是一位野鸟观察家,他15岁时进入芝加哥大学,那时还是个早熟而无礼的青年。战后那段阴郁的岁月刚见起色时,沃森与克里克正在剑桥,他们曾在那段热血沸腾的日子里刻苦工作。

与他们的许多同事不同,沃森与克里克都确信遗传物质是DNA而非蛋白质。但在化学领域,他们俩都不是专家,谁也不清楚解开DNA结构所需的基本化学知识:将碱基结合在一起的氢键,让磷酸盐电离并改变其几何结构的酸碱化学,以及互变异构规则,互变异构规则能让碱基以某两种可能出现的形式中的任一种存在,而这样的形式对分子结构的组成至关重要。

不过,这也成为了他们取得成功的关键。由于缺乏专业知识,并不清楚到底应该怎样解决这一难题,因此他们尝试了所有可行的方案。他们解开DNA结构这一过程既没有具体计划,又没有明确方向,还充满了不确定因素。

但他们愿做虚心求学的学者,不断摸索、虚心求教、历经千辛万苦,最终成功地走出了概念的密林。他们学习了所有解开DNA结构所需的化学知识,而克里克又早已具备晶体学知识。

沃森及克里克愿意为解开这一结构之谜而做任何事情,其中就包括建立模型

最重要的一点在于他们建立了模型。如今,分子模型已成为生化研究的中流砥柱。不过,50年代的建模技术还并不成熟。

建模更应该算作一门艺术,而非科学。建模时,人们必定会将从不同渠道收集到的不完整数据与不同的技术相结合,再利用理性思考及想象力构造一幅与事实相符的图像——只是一幅图,并使这幅图尽可能与大多数据相符,而不会与某些重要部分有显著差异。即使到了今天,数据收集员们仍常常对建模持怀疑态度,也许是因为模型并不像确切的数据那样具有真理性。不过,仅有数据也远远不够,这主要是因为获取这些数据的方法本身也并不完善或者是存在某些错误。只有将从不同渠道收集到的信息结合才能做到准确,因为人们希望借此排除某些已存在的错误或是让这些错误成为无关紧要的因素,这样,从某一来源收集到的数据就会弥补另一数据来源所缺的信息,反之亦然。因此,要构建一个令人满意的模型往往需要了解来自不同领域的数据,而每一份单独的数据可能都并不完整。

沃森与克里克意识到了这一点,而当时同样致力于解决该问题的其他人却没有意识到。正如沃森曾在TED(译注:Technology, Entertainment, Design,即技术、娱乐、设计)演讲中所提到的:罗莎琳·富兰克林与莫里斯·威尔金斯都是非常有名的晶体学家,但他们却都迟迟不愿利用那些不完整的数据来建模。尤其是富兰克林,她曾离破解DNA结构仅一步之遥。而埃尔文·査加夫以及杰里·多纳休都是杰出的化学家,但他们更没有给晶体学足够的重视,并且他们也不愿意建模。

沃森及克里克却都愿意弥补自身贫乏的化学知识,并将来自化学与晶体学两门学科的数据结合。他们从多诺霍那儿学习了酮-烯醇互变异构的知识,从而为他们建立最佳的化学结构奠定了基础。又从査加夫那儿学到了一种碱基(嘌呤)会与另一种碱基(嘧啶)保持恒定比率的重要信息,这一信息在明确两条螺旋链的互补性中起到了决定性作用。他们从罗莎琳·富兰克林那儿获得了完美的DNA晶体学数据,他们获取这些数据的方式时至今日仍引发着争议及不满,而从那以后,那些数据就成了可以轻易搜索到的资源了。

之后只需要将这些收集到的化学及晶体学信息结合,完成这副伟大的拼图。原因正在于,建模太重要了;沃森及克里克愿意为解开这一结构之谜而做任何事情,其中就包括建立模型。不同于富兰克林及威尔金斯的是,即使建模并不能解决所有问题,沃森与克里克也仍旧相信建模会有所帮助。他们从几个关键的正确信息着手,这些信息其他人也具有,但是却没有人将它们视为一个整体。尤其是富兰克林,她极为细心地做了衍射实验,并从中发现了螺旋链一些极为重要的一般特征,然而她却没能建立模型,并且在沃森与克里克建立好模型之前,她一直怀疑螺旋链是否真的存在。这真是典型的盲人摸象案例。

任何一个见到该模型的人,无疑都会重复沃森与克里克激动的话语“如此漂亮的结构必须存在”

让沃森与克里克最终取得成功的因素包括从晶体学及化学中收集到的有关DNA的一系列零散数据:两个碱基之间的距离(3.4埃);每两个螺旋圈之间的距离为(34埃),这就表明每一个螺旋圈上有10个碱基;螺旋直径为(20埃);査加夫发现的两种碱基数量相等的原理;亚历山大·托德(Alexander Todd)对碱基、糖以及核苷酸三者关系所进行的研究;多诺霍对最佳酮式碱基提出的见解;还有富兰克林证明的DNA链必须以相反方向运行的真相。他们还有一个非常重要的工具,那就是克里克早期在衍射方面所做的数学运算。螺旋链衍射理论告诉了他们,倘若DNA确实为螺旋结构,那么它们的结构应该是怎样的。逆向过程是指根据模型对衍射参数进行预测,这至今仍是通过X射线晶体学进行结构精修的迭代过程中采用的主要方法,用这样的方法可以解开如核糖体这样较为复杂的结构。

利用从剑桥的五金行里取得的零件,沃森逐渐收集了大量用作DNA成分的部件,并在克里克的帮助下将它们组合在了一起。这些部件的组合一旦完成,沃森与克里克便如同蓄势待发的飞行员,跑道上的指示牌、旗帜以及指示灯已经一一到位,只等他们完美地降落。最终制成的模型清晰明了、精美而令人印象深刻,最重要的是,它是让人们通过碱基互补配对原理了解遗传机制的关键。富兰克林与威尔金斯闻讯从伦敦到达剑桥,沃森与克里克构建的模型如此具有说服力,使得富兰克林也大方承认那个模型准确地展示了DNA的机构。任何一个见到该模型的人,无疑都会重复沃森与克里克激动的话语“如此漂亮的结构必须存在”!

虚心求教、不断摸索、大胆猜测,数据并不完整的情况下构建模型,勇于采用所有可行的方案及理念——他们正是这样取得了成功

从某个意义上来说,DNA结构的发现其实也算简单:正如马克思·佩鲁兹所说,相较于蛋白质内部有一定规则但却复杂的不对称性,DNA结构的对称性极大的减少了其技术上的挑战。然而,这一发现是由沃森与克里克而非其他人取得,这个成就能让人们深入地了解一个独有科学形式所具有的元素。

那些没有取得成功的人并不缺乏智慧,但仅仅有智慧并没有太大帮助,况且他们也都是绝顶聪明的人;佩鲁茨、富兰克林、査加夫以及鲍林都是才华横溢的科学家,从理论上说,他们本应像沃森与克里克在剑桥老鹰酒吧里那样自豪地宣布自己解开了生活的奥秘。但他们却缺乏探索与深究,不愿承认自己的无知,没有竭力寻找可能解决问题的途径,也没有将不同的信息结合,而很显然,他们所缺乏的沃森与克里克却都具有。

他们的性格令他们看起来如同不合群而又自命不凡的人,试图打乱已有的秩序。同时他们还出了名的无礼,克里克曾说:礼貌会置科学于死地。毫无疑问,所有这些特质都有助于他们取得成功,不过,这些都比不上他们开明而又具有批判意识的思想,收集并采用从各个渠道获得的信息,同时将它们运用于合适的领域的能力;这就使建模成了自然而然的事。这样的开明同时体现了一种无畏精神,即不怕数据的不完整,也不畏惧前方难以克服的挑战。

由此可见,他们正是这样取得了成功:虚心求教、不断摸索、大胆猜测,并在取得的数据并不完整的情况下构建模型,同时勇于采用所有可行的方案及理念。20世纪的生物学正变得越来越复杂,面临这些问题的我们更应该谨记这一经验。在不知道用哪种方法才能解决问题时,那就去尝试不同的方法,同时又必须让它们受已知科学原理的约束。

本文作者阿舒拖什 乔嘉雷卡(Ashutosh Jogalekar)是一名热爱科学史及科学哲学的化学家。他将科学看做没有漏洞并包罗万象的人类经验。这篇文章是2012年他为在斯德哥尔摩举行的“诺奖周”(Nobel Week Dialogue )写的一篇报告。
本网站所有注明“来源:生物探索”的文字、图片和音视频资料,版权均属于生物探索所有,其他平台转载需得到授权。本网所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源和作者,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(editor@biodiscover.com),我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观点,不代表本站立场。