DNA雙螺旋結構背後的淒美故事
2020年09月14日10:34

  來源:BioMan

羅莎琳德·富蘭克林
羅莎琳德·富蘭克林

  紐約時間2014年12月4日下午1時,1962年諾貝爾生理學或醫學獎得主、DNA雙螺旋結構發現者之一、美國科學家詹姆斯·沃森開始拍賣其諾貝爾獎章,此前各大媒體預估拍賣價將高達350萬美元(約合人民幣2148.8萬元),其最終以475.7萬美元被買下,其中手稿以36.5萬美元、1962年12月11日發表的關於DNA雙螺旋的論文被拍賣為24.5萬美元,總合計536.7萬美金被拍賣。因此,全世界的目光再次聚焦於這一跨時代的發現。

  然而,有多少人記得羅莎琳德·富蘭克林(Rosalind Elsie Franklin),以及她在這一歷史性的發現中做出的貢獻?

  DNA雙螺旋結構的發現———劃時代的佳話

  20世紀人類最偉大的成果,莫過於遺傳學中DNA雙螺旋結構的發現。

  一個劃時代的發現,必定伴隨著一段傳奇的佳話:兩個個卓越的研究組,第一個實驗室是倫敦國王學院的威爾金斯實驗室,他們用X射線衍射法研究DNA的晶體結構。當X射線照射到生物大分子的晶體時,晶格中的原子或分子會使射線發生偏轉,根據得到的衍射圖像,可以推測分子大致的結構和形狀。

  第二個實驗室是加州理工學院的大化學家萊納斯·鮑林 (Linus Pauling) 實驗室。在此之前,鮑林已發現了蛋白質的α螺旋結構。而真正的發現者,則是個非正式的研究小組,事實上他們可說是不務正業。23歲的年輕的遺傳學家沃森於1951年從美國到劍橋大學做博士後時,雖然其真實意圖是要研究DNA分子結構,掛著的課題項目卻是研究菸草花葉病毒。比他年長12歲的克里克當時正在做博士論文,論文題目是“多肽和蛋白質:X射線研究”。沃森說服與他分享同一個辦公室的克里克一起研究DNA分子模型,從1951年10月開始拚湊模型,幾經嚐試,終於在1953年3月獲得了正確的模型。

  一堆物理學家和化學家(克里克科班出生的從事蛋白和多肽X射線晶體衍射;威爾金斯雖然在1950年最早研究DNA的晶體結構,當時卻對DNA究竟在細胞中幹什麼一無所知,在1951年才覺得DNA可能參與了核蛋白所控制的遺傳;弗蘭克林也不瞭解DNA在生物細胞中的重要性;鮑林研究DNA分子,則純屬偶然——他在1951年11月的《美國化學學會雜誌》上看到一篇核酸結構的論文,覺得荒唐可笑,為了反駁這篇論文,才著手建立DNA分子模型),外加唯一一個當時年僅23歲的遺傳學家沃森,推斷出DNA是雙螺旋結構。

  如此荒誕,卻又如此真切,做出了一個偉大的發現。這段佳話被一再傳誦,一再的簡化或者神化的提及,而科學史上記載:1962年,沃森、克里克和威爾金斯因為DNA雙螺旋結構的發現而獲得諾貝爾生理學醫學獎。

  不管從哪個方面解讀,這段佳話都有很多令人回味的樂趣。

  DNA雙螺旋結構背後的故事:年輕的沃森和克里克為何能在這場競賽中獲勝?

  可是,科研上的那點破事兒,遠非如此……值得探討的一個問題是:兩個年輕人,沃森和克里克,既不像威爾金斯那樣擁有第一手的實驗資料,又不像鮑林那樣有建構分子模型的豐富經驗(他們兩個人都是第一次建構分子模型),為什麼卻能在這場競賽中獲勝?沃森早年向印第安那大學申請研究生時,申請的是鳥類學;但由於印第安那大學動物系沒有鳥類學專業,在系主任的建議下,沃森才轉而從事遺傳學研究。當時大遺傳學家赫爾曼·繆勒(Hermann Muller)恰好正在印第安那大學任教授,沃森不僅上過繆勒關於“突變和基因”的課(分數得A),而且考慮過要當他的研究生。但覺得繆勒研究的果蠅在遺傳學上已過了輝煌時期,才改拜研究噬菌體遺傳的薩爾瓦多·盧里亞(Salvador Luria)為師。

  他在1951年到劍橋之前,因為做過同位素標記追蹤噬菌體DNA的實驗,堅信DNA就是遺傳物質。所以才關心遺傳物質需要什麼樣的性質才能發揮基因的功能?克里克本人說他對DNA所知不多,並未覺得它在遺傳上比蛋白質更重要,只是認為DNA作為與核蛋白結合的物質,值得研究。對一名研究生來說,確定一種未知分子的結構,就是一個值得一試的課題。並且有沃森的煽動,才開始破解基因的奧秘。正是這種科學的關注,以及強烈的信念——DNA是遺傳物質,才促使他們抓住一切信息,根據當時如此少的數據,做出如此重大的發現。

  當時對DNA的已知信息,主要包括:DNA由6種小分子組成:脫氧核糖,磷酸和4種堿基(A、G、T、C),由這些小分子組成了4種核苷酸,這4種核苷酸組成了DNA,並且DNA的分子組成,A和T的含量總是相等,G和C的含量也相等(事實上生物化學家埃爾文·查戈夫Erwin Chargaff測定DNA的分子組成的結果1950年就已公佈,只是當時研究DNA分子結構的實驗室都把它忽略了)。

  Rosalind Franklin短暫的一生

  而在此過程中,我們卻在刻意忽略一個一位偉大的女科學家:羅莎琳德·富蘭克林(Rosalind Elsie Franklin)。

  富蘭克林1921年生於倫敦,15歲就立誌要當科學家,但父親並不支援她這樣做。她早年畢業於劍橋大學,專業是物理化學。1945年,當獲得博士學位之後,她前往法國進修X射線衍射技術。她深受法國同事的喜愛,有人評價她“從來沒有見到法語講得這麼好的外國人”。1951年,她回到英國,在劍橋大學國王學院取得了一個職位。

  在那時候,人們已經知道了脫氧核糖核酸(DNA)可能是遺傳物質,但是對於DNA的結構,以及它如何在生命活動中發揮作用的機製還不甚瞭解。

  就在這時,富蘭克林加入了研究DNA結構的行列———然而當時的環境相當不友善。她開始負責實驗室的DNA項目時,有好幾個月沒有人幹活。同事威爾金斯不喜歡她進入自己的研究領域,但他在研究上卻又離不開她。他把她看做搞技術的副手,她卻認為自己與他地位同等,兩人的私交惡劣到幾乎不講話。在那時的劍橋,對女科學家的歧視處處存在,女性甚至不被準許在高級休息室里用午餐。她們無形中被排除在科學家間的聯繫網絡之外,而這種聯繫對瞭解新的研究動態、交換新理念、觸發靈感極為重要。

  富蘭克林在法國學習的X射線衍射技術在研究中派上了用場。X射線是波長非常短的電磁波。醫生通常用它來透視人體,而物理學家用它來分析晶體的結構。當X射線穿過晶體之後,會形成衍射圖樣———一種特定的明暗交替的圖形。不同的晶體產生不同的衍射圖樣,仔細分析這種圖形人們就能知道組成晶體的原子是如何排列的。富蘭克林精於此道,她成功地拍攝了DNA晶體的X射線衍射照片。

  此時,沃森和克里克也在劍橋大學進行DNA結構的研究,威爾金斯在富蘭克林不知情的情況下給他們看了那張照片。根據照片,他們很快就領悟到了DNA的結構———現在已經成為了一個眾所周知的事實———兩條以磷酸為骨架的鏈相互纏繞形成了雙螺旋結構,氫鍵把它們連結在一起。他們在1953年5月25日出版的英國《自然》雜誌上報告了這一發現。這是生物學的一座里程碑,分子生物學時代的開端。

  富蘭克林的貢獻是毋庸置疑的:她分辨出了DNA的兩種構型,併成功地拍攝了它的X射線衍射照片。沃森和克里克未經她的許可使用了這張照片,但她並不在意,反而為他們的發現感到高興,還在《自然》雜誌上發表了一篇證實DNA雙螺旋結構的文章(遺憾的是,《自然》雜誌暫未公開本論文的詳細內容)。

  這個故事的結局有些傷感。當1962年沃森、克里克和威爾金斯獲得諾貝爾生理學或醫學獎的時候,富蘭克林已經在4年前因為卵巢癌而去世。按照慣例,諾貝爾獎不授予已經去世的人。此外,同一獎項至多隻能由3個人分享,假如富蘭克林活著,她會得獎嗎?性別差異是否會成為公平競爭的障礙?後人為了這個永遠不能有答案的問題進行過許多猜測與爭論。

  歷史從未忘記女科學家:英國設立“富蘭克林獎章” 倫敦國王學院將新大樓命名為“羅莎琳—威爾金斯館”

Franklin-Wilkins Building
Franklin-Wilkins Building

  英國為了紀念她對發現DNA結構的貢獻而設立了一個獎章。據報導,英國貿易與工業大臣帕特里廈。休伊特在一次關於女性與科研工作的講話中說,她將通過英國皇家學會設立“富蘭克林獎章”,獎勵像羅莎琳德。富蘭克林那樣在科研領域做出重大創新的科學家。這一獎項每年評選一次,獲獎者可以得到3萬英鎊的獎金。休伊特說,男性和女性科學家都可以角逐富蘭克林獎章,但她希望該獎項能夠重點起到提升女性在科研領域的形象的作用。

  設立富蘭克林獎章,是休伊特為使更多英國女性進入科研崗位而進行努力的一部分。據調查,英國約有5萬名畢業於科學和工程專業的女性在當全職家庭婦女,其中大部分是在生育孩子之後放棄了工作。暫時中斷事業後重新開始工作的女性,有三分之二的人大材小用。休伊特對這種驚人的人才浪費感到不安,於是發起一項“讓母親回到工作崗位”的活動,加緊製定促進女性參與科研事業的戰略,鼓勵有理工學曆背景的女性從事合適的工作。

  歷史上對於女科學家的歧視並不僅有這一個例子

  1967年,蘇珊。貝爾和她在劍橋大學的導師休伊什共同發現了脈衝星,但是1974年的諾貝爾物理學獎只發給了休伊什。迄今只有10位女性獲得了科學方面的諾貝爾獎,科學界對女科學家的歧視依然存在,種種社會原因使許多有科學才能的女性缺少發揮其專長的機會。

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