“DNA双螺旋结构之母”解析DNA的过程和方法*——纪念英国科学家罗莎琳德·富兰克林博士百年诞辰

陆琼衡 （上海市娄山中学 上海 200051）

1962年诺贝尔生理或医学奖得主之一的詹姆斯·沃森在其1968年回忆录中肯定了罗莎琳德·富兰克林对其研究成果的重要贡献。2003年，时值DNA 双螺旋结构发现50 周年，沃森和克里克均坦承罗莎琳德对于他们发现DNA 双螺旋结构的关键作用。至此，被誉为“DNA 双螺旋结构之母”的罗莎琳德·富兰克林的丰功伟绩已经被全世界公认。

1 辉煌的成果

1953年初是今人眼中解析DNA 双螺旋结构的最后冲刺关头。罗莎琳德曾以健康和宝贵生命为代价，艰辛探索而获得的2 项科研成果，使沃森和克里克2 人在关键时刻弥补了最缺乏的必要基础，以“碱基配对”规律的优势在《自然》杂志3 篇论文中排名第一（表1），摘取了9年后的诺贝尔生理或医学奖。

表1 英国《自然》（Nature）杂志在1953年4月25日同期刊登3 篇关于DNA 结构的论文

2 积跬步至千里——解析DNA 双螺旋的过程和方法

罗莎琳德去世后，她在伦敦大学伯贝克学院最亲密的同事和朋友亚伦·克卢格爵士（Aron Klug，1983年诺贝尔化学奖得主）通过详细分析她交托保管的当年在国王学院全职研究DNA 时收集的大量数据、撰写的报告、发表的5 篇论文，以及记在红色小练习本上的实验笔记［2］，判断出她在1953年初距解析DNA 双螺旋结构已仅咫尺之遥。克卢格在他于《自然》发表的2 篇文章中曾报道了罗莎琳德所取得的杰出成就［1，3］。

2.1 1951年11月第1 次建立B 型DNA 螺旋模型（表2） 1951年11月，富兰克林在国王学院进行了演讲，对数据和最新得到的A、B 型DNA 的X射线衍射图作了报告，沃森也听了报告。

表2 罗莎琳德1951年11月报告的具体研究过程

2.2 1952年5月凭借“DNA 照片51 号”第2 次建立B 型DNA 模型 X 射线衍射的基本原理是：晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，当一束单色X 射线入射到晶体时，原子间距离与入射X 射线波长有相同数量级，由不同原子散射的X 射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X 射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。罗莎琳德之前在法国巴黎中央政府化学实验室的3年学习使她精通于用X 射线衍射技术解决有机物构造［5］。

1952年5月，罗莎琳德用X 射线束对准一根超湿润的DNA 纤维足足照射了62 h 后，第1 次得到一张极为清晰的DNA 照片“51 号照片：DNA 晶体X射线衍射照片（DNA Photograph 51）”,其简单的十字纹清楚表明这是一个螺旋形分子。该照片至今仍被公认为所有X 射线照片中最美之一［6］（图1、图2）。

图1 罗莎琳德在拍摄X 射线衍射照片

图2 51 号照片：DNA 晶体X 射线衍射照片（DNA Photograph 51）［7］

结合照片，罗莎琳德进行了更为详细的分析。她首先对B 型DNA 的物理参数进行测量：她从衍射图象的点及点的密集程度出发，并考虑衍射点的分布特点，将专门用于解决X 射线晶体衍射问题的帕特森函数（Patterson function）分析中的重叠法应用于图片分析，将衍射图像诠释为分子中的各种化学键的键长、键角等结构要素，使所得结果更加可靠，完善了她此前1951年11月推断的DNA 的轮廓，第2 次得出DNA 模型：DNA 应为双螺旋，2 条链向2 个相反方向伸展［5］。

2.3 1952年12月第3 次建立B 型DNA 模型 1952年底，罗莎琳德拍摄了堪称完美的B 型DNA衍射照片，并分析得出：磷酸基团必定是在DNA分子的外部，碱基排列在内侧［5］。另外，按照布拉格父子（Bragg W.H.和Bragg W.L.）提出的布拉格公式，她计算出DNA 分子平均直径和相邻核苷酸之间的间距［8］：螺旋的直径为20 Å，间距3.4 Å［5］。（1 Å=10-10m，即纳米的十分之一）。1952年12月，富兰克林将这些研究结果写成报告后上交，被收录在一份MRC 报告中，后来被分发给评审委员会成员。克里克根据报告中罗莎琳德的基本数据纠正了他在1951年11月报告会上记录的错误。由此他认为：这显示DNA 拥有方向相反的双股螺旋。

2.4 1953年2月24日得出结 论：A、B 2 种DNA皆为双股螺旋 富兰克林通过锲而不舍的研究，还对A 型DNA 作了圆柱帕特森映射计算，确定了A型DNA 分子的密度、单位原胞尺度和含水量和对称性（即翻转180 度之后看起来还是一样）［9］。在此基础上她建议了一种包括直径的精确测量、同轴纤维沿纤维轴向的间隔及螺旋的螺距的DNA 双螺旋结构。1953年2月24日，罗莎琳德得出A、B 2 种DNA 皆为双股螺旋的结论。而4 d 之后，1953年2月28日，获得富兰克林2 项重大研究成果的沃森与克里克就宣布他们发现了双股螺旋模型。罗莎琳德距离DNA 双螺旋结构仅一步之遥——就是“DNA 链上一对特定的碱基通过氢键构成碱基对”。罗莎琳德也一直在思考怎样将碱基嵌进去。在她的笔记里体现了这位杰出的实验科学家、优秀的分析家知道里面有碱基，还谈到过碱基的互换性（图3）。相信她会以她的方式同样从查伽夫（Erwin Chargaff）规则中很快发现这一特点。

图3 罗莎琳德从1951年起使用的笔记本摘录［10］

3 被世界公认的“DNA 双螺旋之母”

从1941年剑桥大学毕业后的17年的科研时间里，罗莎琳德矢志不渝、锲而不舍，先后在煤的物理化学、DNA 的晶体结构和病毒蛋白结构这3 个领域里功勋卓著，后二者均有资格使她荣获诺贝尔奖。DNA 双螺旋结构只是她完整流畅的才华表现中的一个成果。无论做什么，她都做到极致。哪怕由于长期暴露于X 射线下而罹患了癌症，她都坚持乐观工作，直到生命的最后一刻。她从不钻营，毫不取巧，正如古语道：上善若水，水善利万物而不争。

自1968年以来，人们对于英年早逝的英国科学家罗莎琳德·富兰克林博士不仅寄予深切缅怀、高度评价，而且着力于磨洗史海钩沉，还原事实真相，对于这位品格高尚、成就超群的科学家予以全面承认。2002年Patricia Hewitt 设立每年3 万英镑的富兰克林奖［5］；英国皇家学会设立了“富兰克林奖”；英国剑桥南部基因组园区的人类基因图谱资源中心改名为富兰克林中心［11］；2003年国王学院新建大楼以她和威尔金斯命名；芝加哥医学院于2004年正式更名为罗莎琳德·富兰克林医科大学；欧-俄联合研制的一台现定于2022年发射的火星漫游车也以“罗莎琳德·富兰克林”命名。

斯人已逝，一缕香魂随风散。唯有清晰梳理罗莎琳德·富兰克林博士解析DNA 双螺旋结构的过程和方法，才能赞同这位为人类科学事业献身的卓越青年女性被誉为“DNA 双螺旋结构之母”乃是实至名归。