生命科學(xué)百年之旅（三）
——“創(chuàng)世紀(jì)的第八天”

生命科學(xué)百年之旅（三）
——“創(chuàng)世紀(jì)的第八天”

回眸生命科學(xué)發(fā)展史，我們發(fā)現(xiàn)，作為研究生物生長(zhǎng)、發(fā)育、遺傳，以及腦、神經(jīng)、認(rèn)知活動(dòng)等生命現(xiàn)象及其本質(zhì)與規(guī)律的科學(xué)，生命科學(xué)在20世紀(jì)取得了一系列重大突破，影響了人類的歷史。

我們只有對(duì)生命常懷敬畏之心，我們才能領(lǐng)略生命的高貴與美麗?？茖W(xué)家的偉大就在于，他們窮盡一生、拼盡智慧，只為竭盡全力維護(hù)生命的尊嚴(yán)。

我對(duì)胰島素的認(rèn)識(shí)源自母親的一場(chǎng)病。在母親被確診為糖尿病后，醫(yī)生開始為她打胰島素，并這樣解釋：“由于病人胰島素受損，所以需要通過注射藥物胰島素進(jìn)行治療，從而修復(fù)和改善自身胰島B細(xì)胞，達(dá)到長(zhǎng)期控制自身血糖的目的，從而起到良好的治療作用。”原來，生命科學(xué)的研究成果就在我們身邊。

著名的DNA（脫氧核糖核酸）雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)、蛋白質(zhì)的功能與結(jié)構(gòu)等，將生命科學(xué)研究推向新高潮。

讓我們走進(jìn)“創(chuàng)世紀(jì)的第八天”——分子生物學(xué)，認(rèn)識(shí)一下里程碑式的人物和事件。

注：《創(chuàng)世紀(jì)的第八天》是霍勒斯·賈德森所著的一本非常有趣的科普書。書中分為三篇，內(nèi)容包括“DNA功能與結(jié)構(gòu)：闡明脫氧核糖核酸（遺傳物質(zhì)）的結(jié)構(gòu)”“RNA結(jié)構(gòu)的功能：破解遺傳密碼，發(fā)現(xiàn)信使”“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能：蛋白質(zhì)分子是怎樣工作的”。

“創(chuàng)世紀(jì)的第八天”是化用了《圣經(jīng)》中上帝花費(fèi)七天時(shí)間創(chuàng)造世界的神話故事。20世紀(jì)的分子生物學(xué)革命可謂是上帝創(chuàng)造世界之后最重要的事件，以至于應(yīng)當(dāng)列入創(chuàng)世紀(jì)的第八天中。

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)研究

1955年，英國(guó)生物化學(xué)家弗雷德克里·桑格第一次分析出含有51個(gè)氨基酸的牛胰島素的氨基酸順序。這一成果對(duì)準(zhǔn)確地研究蛋白質(zhì)本身結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系，以及蛋白質(zhì)的人工合成和蛋白質(zhì)的生物合成都是必要的基礎(chǔ)。

1956年，弗農(nóng)·馬丁·英格拉姆用弗雷德里克·桑格的方法分析兩種（正常和異常）血紅蛋白的氨基酸順序，發(fā)現(xiàn)只有在鐮刀形血紅蛋白（異常）中的縮氨酸鏈末端第6位上的谷氨酸被纈氨酸取代（即由于一個(gè)遺傳密碼的錯(cuò)誤）時(shí)才會(huì)產(chǎn)生異常。科學(xué)家第一次發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)單一氨基酸替換就可導(dǎo)致疾病發(fā)生的現(xiàn)象。到了1973年，已有300多種蛋白質(zhì)的氨基酸被分析清楚。

弗雷德里克·桑格

1975年，弗雷德里克·桑格首次建立了DNA（脫氧核糖核酸）內(nèi)核苷酸排列順序的分析方法，并成功測(cè)定了病毒ΦX174中DNA分子內(nèi)的5375個(gè)核苷酸的排序，促進(jìn)了基因調(diào)節(jié)控制的研究。同時(shí)，美國(guó)分子生物學(xué)家沃特·吉爾伯特研究出測(cè)定DNA、RNA（核糖核酸）等鏈狀分子中核苷酸順序的方法。

DNA結(jié)構(gòu)之謎

亨利·布拉格（父）

勞倫斯·布拉格（子）

X晶體衍射

亨利·布拉格和勞倫斯·布拉格在1913—1914年的工作中創(chuàng)立了一個(gè)非常重要且有意義的科學(xué)分支——X射線晶體學(xué)。

1938年，老布拉格的學(xué)生阿斯特伯里通過X射線結(jié)晶衍射圖發(fā)現(xiàn)，DNA分子是多聚核苷酸分子的長(zhǎng)鏈排列。然而，阿斯特伯里發(fā)現(xiàn)的DNA圖片非常模糊，并不能清晰反映DNA的圖像。

接力棒隨后傳到了英國(guó)的威爾金斯和弗蘭克林小組。20世紀(jì)40年代末，威爾金斯的研究小組測(cè)定了DNA在較高溫度下的X射線衍射，糾正了阿斯特伯里發(fā)現(xiàn)的缺陷，但仍然無法深入到更深層面了解DNA的真實(shí)結(jié)構(gòu)。這時(shí)，弗蘭克林這位具有非凡才能的物理學(xué)家加盟到威爾金斯小組，設(shè)計(jì)了更多能從多方面了解物質(zhì)不同現(xiàn)象的方法。如獲取在不同溫度下DNA的X射線衍射圖。通過實(shí)驗(yàn)，弗蘭克林把獲得的不同局部的DNA結(jié)構(gòu)形狀匯總，使得DNA的衍射圖片越來越清晰，越來越全面。

阿斯特伯里

DNA晶體衍射

沃森和克里克在工作

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

1953年，英國(guó)的威爾金斯、沃森和克里克利用X射線的結(jié)構(gòu)分析法得到了遺傳基因脫氧核糖核酸（DNA）的雙螺旋結(jié)構(gòu)，榮獲1962年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

遺傳密碼的破譯

1953年夏，在美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)討論會(huì)上，圍繞著DNA的4種堿基如何排列才能同組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系展開了熱烈的討論。

1955年，美籍俄裔宇宙物理學(xué)家喬治·伽莫夫通過排列組合計(jì)算，提出三聯(lián)密碼共有64種不同密碼子的設(shè)想。

1961年，弗朗西斯·克里克和英國(guó)分子生物學(xué)家悉尼·布倫納以噬菌體為材料研究密碼的比例和翻譯機(jī)制，表明密碼以三聯(lián)體核苷酸的形式表達(dá)著20種不同的氨基酸；而且，由一個(gè)固定點(diǎn)開始，朝著一個(gè)方向“讀”下去。實(shí)驗(yàn)證明了喬治·伽莫夫的大部分設(shè)想。

接著，德國(guó)出生的美國(guó)生物化學(xué)家沃倫·尼倫伯格和德國(guó)人馬泰首次通過實(shí)驗(yàn)給遺傳密碼以確切解答，證明苯丙氨酸（人體必需氨基酸之一）的密碼子是RNA（核糖核酸）上的UUU（尿嘧啶）。

經(jīng)過美國(guó)生物化學(xué)家羅伯特·霍利和分子生物學(xué)家哈爾·葛賓·科拉納等從各方面通力合作，測(cè)定出20種氨基酸的密碼子，并在1969年完成了全部64種密碼子的破譯。至此，基因控制蛋白質(zhì)合成之謎得到了初步解答。遺傳密碼的破譯，被認(rèn)為是分子遺傳學(xué)發(fā)展史上最輝煌的成果之一。

遺傳密碼的破譯

DNA重組技術(shù)的出現(xiàn)

保羅·伯格

斯坦利·科恩

赫伯特·博耶

為了研究真核細(xì)胞中的基因調(diào)控，首先必須獲得足夠量的特定DNA片段。如果能把需要的DNA片段導(dǎo)入細(xì)菌，則可以達(dá)到大量增殖的目的。但是，這并非簡(jiǎn)單的技術(shù)。

60年代末，限制性核酸內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了過去許多復(fù)雜的步驟。1972年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的生物化學(xué)家保羅·伯格在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)筑了第一個(gè)重組的DNA分子，這意味著生物體的遺傳性狀可以人為地改造。

1973年，美國(guó)斯坦福大學(xué)斯坦利·科恩和赫伯特·博耶等用大腸桿菌的質(zhì)粒（能進(jìn)行自我復(fù)制的重組質(zhì)粒環(huán)狀DNA）作為運(yùn)載體，用一種專一性的內(nèi)切酶取得所需要的外源DNA片段，把它插入同樣被切開的質(zhì)粒中，再移回大腸桿菌中。當(dāng)大腸桿菌大量繁殖時(shí)，這種外源DNA也隨之大量擴(kuò)增。人類歷史上第一次實(shí)現(xiàn)了不同種生物間的DNA重組。

1975年，德國(guó)免疫學(xué)家喬治斯·克勒、英國(guó)生物化學(xué)家色薩·米爾斯坦合作開發(fā)了單克隆抗體技術(shù)。1977年，在博耶實(shí)驗(yàn)室里完成了利用DNA重組技術(shù)生產(chǎn)出人丘腦分泌的生長(zhǎng)激素釋放抑制因子。1978年下半年，胰島素克隆成功。1979年，生長(zhǎng)激素克隆成功。

（據(jù)中國(guó)科普網(wǎng)）