生命科学百年之旅（三）——“创世纪的第八天”

生命科学百年之旅（三）
——“创世纪的第八天”

回眸生命科学发展史，我们发现，作为研究生物生长、发育、遗传，以及脑、神经、认知活动等生命现象及其本质与规律的科学，生命科学在20世纪取得了一系列重大突破，影响了人类的历史。

我们只有对生命常怀敬畏之心，我们才能领略生命的高贵与美丽。科学家的伟大就在于，他们穷尽一生、拼尽智慧，只为竭尽全力维护生命的尊严。

我对胰岛素的认识源自母亲的一场病。在母亲被确诊为糖尿病后，医生开始为她打胰岛素，并这样解释：“由于病人胰岛素受损，所以需要通过注射药物胰岛素进行治疗，从而修复和改善自身胰岛B细胞，达到长期控制自身血糖的目的，从而起到良好的治疗作用。”原来，生命科学的研究成果就在我们身边。

著名的DNA（脱氧核糖核酸）双螺旋结构的发现、蛋白质的功能与结构等，将生命科学研究推向新高潮。

让我们走进“创世纪的第八天”——分子生物学，认识一下里程碑式的人物和事件。

注：《创世纪的第八天》是霍勒斯·贾德森所著的一本非常有趣的科普书。书中分为三篇，内容包括“DNA功能与结构：阐明脱氧核糖核酸（遗传物质）的结构”“RNA结构的功能：破解遗传密码，发现信使”“蛋白质结构和功能：蛋白质分子是怎样工作的”。

“创世纪的第八天”是化用了《圣经》中上帝花费七天时间创造世界的神话故事。20世纪的分子生物学革命可谓是上帝创造世界之后最重要的事件，以至于应当列入创世纪的第八天中。

蛋白质的结构研究

1955年，英国生物化学家弗雷德克里·桑格第一次分析出含有51个氨基酸的牛胰岛素的氨基酸顺序。这一成果对准确地研究蛋白质本身结构和功能之间的关系，以及蛋白质的人工合成和蛋白质的生物合成都是必要的基础。

1956年，弗农·马丁·英格拉姆用弗雷德里克·桑格的方法分析两种（正常和异常）血红蛋白的氨基酸顺序，发现只有在镰刀形血红蛋白（异常）中的缩氨酸链末端第6位上的谷氨酸被缬氨酸取代（即由于一个遗传密码的错误）时才会产生异常。科学家第一次发现，蛋白质单一氨基酸替换就可导致疾病发生的现象。到了1973年，已有300多种蛋白质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（脱氧核糖核酸）内核苷酸排列顺序的分析方法，并成功测定了病毒ΦX174中DNA分子内的5375个核苷酸的排序，促进了基因调节控制的研究。同时，美国分子生物学家沃特·吉尔伯特研究出测定DNA、RNA（核糖核酸）等链状分子中核苷酸顺序的方法。

DNA结构之谜

亨利·布拉格（父）

劳伦斯·布拉格（子）

X晶体衍射

亨利·布拉格和劳伦斯·布拉格在1913—1914年的工作中创立了一个非常重要且有意义的科学分支——X射线晶体学。

1938年，老布拉格的学生阿斯特伯里通过X射线结晶衍射图发现，DNA分子是多聚核苷酸分子的长链排列。然而，阿斯特伯里发现的DNA图片非常模糊，并不能清晰反映DNA的图像。

接力棒随后传到了英国的威尔金斯和弗兰克林小组。20世纪40年代末，威尔金斯的研究小组测定了DNA在较高温度下的X射线衍射，纠正了阿斯特伯里发现的缺陷，但仍然无法深入到更深层面了解DNA的真实结构。这时，弗兰克林这位具有非凡才能的物理学家加盟到威尔金斯小组，设计了更多能从多方面了解物质不同现象的方法。如获取在不同温度下DNA的X射线衍射图。通过实验，弗兰克林把获得的不同局部的DNA结构形状汇总，使得DNA的衍射图片越来越清晰，越来越全面。

阿斯特伯里

DNA晶体衍射

沃森和克里克在工作

DNA双螺旋结构

1953年，英国的威尔金斯、沃森和克里克利用X射线的结构分析法得到了遗传基因脱氧核糖核酸（DNA）的双螺旋结构，荣获1962年诺贝尔生理学或医学奖。

遗传密码的破译

1953年夏，在美国冷泉港实验室学术讨论会上，围绕着DNA的4种碱基如何排列才能同组成蛋白质的20种氨基酸之间建立对应关系展开了热烈的讨论。

1955年，美籍俄裔宇宙物理学家乔治·伽莫夫通过排列组合计算，提出三联密码共有64种不同密码子的设想。

1961年，弗朗西斯·克里克和英国分子生物学家悉尼·布伦纳以噬菌体为材料研究密码的比例和翻译机制，表明密码以三联体核苷酸的形式表达着20种不同的氨基酸；而且，由一个固定点开始，朝着一个方向“读”下去。实验证明了乔治·伽莫夫的大部分设想。

接着，德国出生的美国生物化学家沃伦·尼伦伯格和德国人马泰首次通过实验给遗传密码以确切解答，证明苯丙氨酸（人体必需氨基酸之一）的密码子是RNA（核糖核酸）上的UUU（尿嘧啶）。

经过美国生物化学家罗伯特·霍利和分子生物学家哈尔·葛宾·科拉纳等从各方面通力合作，测定出20种氨基酸的密码子，并在1969年完成了全部64种密码子的破译。至此，基因控制蛋白质合成之谜得到了初步解答。遗传密码的破译，被认为是分子遗传学发展史上最辉煌的成果之一。

遗传密码的破译

DNA重组技术的出现

保罗·伯格

斯坦利·科恩

赫伯特·博耶

为了研究真核细胞中的基因调控，首先必须获得足够量的特定DNA片段。如果能把需要的DNA片段导入细菌，则可以达到大量增殖的目的。但是，这并非简单的技术。

60年代末，限制性核酸内切酶的发现，简化了过去许多复杂的步骤。1972年，美国斯坦福大学的生物化学家保罗·伯格在实验室中构筑了第一个重组的DNA分子，这意味着生物体的遗传性状可以人为地改造。

1973年，美国斯坦福大学斯坦利·科恩和赫伯特·博耶等用大肠杆菌的质粒（能进行自我复制的重组质粒环状DNA）作为运载体，用一种专一性的内切酶取得所需要的外源DNA片段，把它插入同样被切开的质粒中，再移回大肠杆菌中。当大肠杆菌大量繁殖时，这种外源DNA也随之大量扩增。人类历史上第一次实现了不同种生物间的DNA重组。

1975年，德国免疫学家乔治斯·克勒、英国生物化学家色萨·米尔斯坦合作开发了单克隆抗体技术。1977年，在博耶实验室里完成了利用DNA重组技术生产出人丘脑分泌的生长激素释放抑制因子。1978年下半年，胰岛素克隆成功。1979年，生长激素克隆成功。

（据中国科普网）