生命科學百年之旅（三）
——“創(chuàng)世紀的第八天”

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

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

我對胰島素的認識源自母親的一場病。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行治療，從而修復和改善自身胰島B細胞，達到長期控制自身血糖的目的，從而起到良好的治療作用?！痹瓉?，生命科學的研究成果就在我們身邊。

著名的DNA（脫氧核糖核酸）雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)、蛋白質的功能與結構等，將生命科學研究推向新高潮。

讓我們走進“創(chuàng)世紀的第八天”——分子生物學，認識一下里程碑式的人物和事件。

注：《創(chuàng)世紀的第八天》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，內容包括“DNA功能與結構：闡明脫氧核糖核酸（遺傳物質）的結構”“RNA結構的功能：破解遺傳密碼，發(fā)現(xiàn)信使”“蛋白質結構和功能：蛋白質分子是怎樣工作的”。

“創(chuàng)世紀的第八天”是化用了《圣經(jīng)》中上帝花費七天時間創(chuàng)造世界的神話故事。20世紀的分子生物學革命可謂是上帝創(chuàng)造世界之后最重要的事件，以至于應當列入創(chuàng)世紀的第八天中。

蛋白質的結構研究

1955年，英國生物化學家弗雷德克里·桑格第一次分析出含有51個氨基酸的牛胰島素的氨基酸順序。這一成果對準確地研究蛋白質本身結構和功能之間的關系，以及蛋白質的人工合成和蛋白質的生物合成都是必要的基礎。

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（即由于一個遺傳密碼的錯誤）時才會產(chǎn)生異常?？茖W家第一次發(fā)現(xiàn)，蛋白質單一氨基酸替換就可導致疾病發(fā)生的現(xiàn)象。到了1973年，已有300多種蛋白質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）內核苷酸排列順序的分析方法，并成功測定了病毒ΦX174中DNA分子內的5375個核苷酸的排序，促進了基因調節(jié)控制的研究。同時，美國分子生物學家沃特·吉爾伯特研究出測定DNA、RNA（核糖核酸）等鏈狀分子中核苷酸順序的方法。

DNA結構之謎

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)立了一個非常重要且有意義的科學分支——X射線晶體學。

1938年，老布拉格的學生阿斯特伯里通過X射線結晶衍射圖發(fā)現(xiàn)，DNA分子是多聚核苷酸分子的長鏈排列。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的威爾金斯和弗蘭克林小組。20世紀40年代末，威爾金斯的研究小組測定了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的真實結構。這時，弗蘭克林這位具有非凡才能的物理學家加盟到威爾金斯小組，設計了更多能從多方面了解物質不同現(xiàn)象的方法。如獲取在不同溫度下DNA的X射線衍射圖。通過實驗，弗蘭克林把獲得的不同局部的DNA結構形狀匯總，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雙螺旋結構

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

遺傳密碼的破譯

1953年夏，在美國冷泉港實驗室學術討論會上，圍繞著DNA的4種堿基如何排列才能同組成蛋白質的20種氨基酸之間建立對應關系展開了熱烈的討論。

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

1961年，弗朗西斯·克里克和英國分子生物學家悉尼·布倫納以噬菌體為材料研究密碼的比例和翻譯機制，表明密碼以三聯(lián)體核苷酸的形式表達著20種不同的氨基酸；而且，由一個固定點開始，朝著一個方向“讀”下去。實驗證明了喬治·伽莫夫的大部分設想。

接著，德國出生的美國生物化學家沃倫·尼倫伯格和德國人馬泰首次通過實驗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)過美國生物化學家羅伯特·霍利和分子生物學家哈爾·葛賓·科拉納等從各方面通力合作，測定出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，基因控制蛋白質合成之謎得到了初步解答。遺傳密碼的破譯，被認為是分子遺傳學發(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

為了研究真核細胞中的基因調控，首先必須獲得足夠量的特定DNA片段。如果能把需要的DNA片段導入細菌，則可以達到大量增殖的目的。但是，這并非簡單的技術。

60年代末，限制性核酸內切酶的發(fā)現(xiàn)，簡化了過去許多復雜的步驟。1972年，美國斯坦福大學的生物化學家保羅·伯格在實驗室中構筑了第一個重組的DNA分子，這意味著生物體的遺傳性狀可以人為地改造。

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

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

（據(jù)中國科普網(wǎng)）