DNA结构揭秘：跨学科探索擦出的火花

文／杨芊羽

日前，在孟德尔诞辰200年之际，清华大学科学博物馆举办了“从豌豆到人类基因组计划”线上展览，其中，脱氧核糖核酸（DNA）结构的发现史是展览的一个重要部分。

60年前的一个冬日，斯德哥尔摩音乐厅人头攒动，三位年轻的科学家被授予了诺贝尔生理学或医学奖，他们分别是美国的詹姆斯·沃森和英国的弗朗西斯·克里克、莫里斯·威尔金斯。他们共同分享了发现DNA双螺旋结构的成果，为“核酸分子结构及其对生物中信息传递的意义”作出了贡献。如今DNA双螺旋结构的三维模型图已经遍布于中学、大学的生物教材，成为基础教育的常识。

其实早在1869年，瑞士生化学家米歇尔便发现了核酸的存在，但当时人们的研究重心放在了蛋白质上，对核酸缺乏关注。主流生物学家到20世纪40年代仍认为蛋白质是研究基因的首要对象，直到1944年，艾弗里、麦克伦德和麦卡蒂发表了关于“转化因子”的重要论文，首次用实验证明了这种转化因子是DNA，才揭开了DNA是遗传物质的序幕。同年，薛定谔《生命是什么？》一书问世，提出生命研究的关键问题在于信息的传递。

但在沃森和克里克1953年的DNA双螺旋结构论文问世之前，科学家虽然已经承认DNA是遗传物质，却并不清楚DNA的具体结构以及它是如何传递遗传信息的。

1951年，沃森在剑桥大学卡文迪许实验室邂逅了他人生最志同道合的合作伙伴——同样认为DNA比蛋白质重要的克里克。两人一拍即合，并决定借鉴当时已经因发现了蛋白质α螺旋结构而小有成就的结构化学家莱纳斯·鲍林的研究方法，即制作分子模型，并由此探索原子间的关系，解决DNA结构的问题。

为了更高效、更精准地解密DNA分子结构，沃森和克里克还需要浏览尽量精确的X射线衍射资料，这能避免他们走很多弯路。当年伦敦国王学院的威尔金斯作为前期“垄断”英国DNA研究的人，也是X射线衍射照片的持有者。他认同了克里克关于DNA结构是螺旋状的观点，并同意给沃森和克里克共享照片。

后沃森又在卡文迪许实验室学习了X射线衍射技术和结晶学，以期与伦敦国王学院由威尔金斯和富兰克林组成的研究小组一起证实DNA的螺旋结构。沃森和克里克提出的第一个模型是三核苷酸链模型，然而却被富兰克林的定量测量结果全盘否定。卡文迪许实验室以糖和核酸作为中心的DNA分子模型构建一度陷入低迷。克里克的博士导师布拉格教授甚至勒令二人放弃DNA结构的研究。因此，克里克将他研究DNA结构用的夹具寄给了伦敦国王学院的威尔金斯，并希望他能继续DNA分子结构事业。威尔金斯称这一举动为“加快科学研究进程的合作精神的绝佳范例”。

虽然表面上卡文迪许实验室暂停了DNA研究工作，但沃森还在通过研究烟草花叶病毒中的核酸成分为DNA研究寻找灵感，并学会了用X射线照相机拍摄烟草花叶病毒显示螺旋结构的照片。

在沃森和克里克提出并不成功的“三核苷酸链模型”后15个月，鲍林也提出了与之类似的“三螺旋模型”，但被沃森敏锐地察觉到其不合理性：这一模型的磷酸集团没有离子化，或者说鲍林的模型中的核酸根本不能构成一种“酸”。这一发现让一直醉心于DNA分子结构研究的处在合作关系中的卡文迪许实验室和伦敦国王学院研究小组松了一口气，但同时在鲍林的竞争压力下，他们也加快了研究步伐。

DNA分子结构研究的转折点是著名的“51号照片”的问世。这是一张B型DNA的X射线衍射照片，由富兰克林拍摄，送给威尔金斯使用。这张照片证实了DNA的螺旋结构。沃森根据这张B型结构图，在双螺旋和三螺旋两个方向中毅然选择了双螺旋。于是1953年，沃森和克里克开始制作DNA双螺旋模型。沃森是噬菌体遗传学方面的专家，而克里克擅长物理学和数学；两人在不同科学的交叉结合下协同攻关，妥善解决了DNA分子碱基配对和氢键结合的谜题，提出了著名的DNA分子碱基互补配对原则。

伦敦国王学院的威尔金斯和富兰克林很快也发现他们的X射线数据可以为双螺旋结构提供强有力的证据。经过整理，沃森和克里克的论文于1953年在《自然》杂志上发表，DNA分子结构终于尘埃落定。

沃森、克里克和威尔金斯被授予了1962年的诺贝尔生理学或医学奖，本应共享这一成果的富兰克林因病逝世而无缘奖项，但其为DNA分子结构研究所作的贡献也当被永远铭记。这些科学家并非都来自生化领域，但都运用自己的专长推动了DNA双螺旋结构模型的诞生。可以说，DNA分子结构是物理、化学、生物、数学多学科一起擦出的智慧火花。