DNA——独一无二的生命遗传乐章

2018-05-20 序说
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DNA

自古以来,生命的起源就是人们心中的谜团。人们怀着好奇心和无穷的想象力,描绘出一个又一个古老又美丽的神话。1859 年英国生物学家达尔文发表了《物种起源》这一伟大著作,第一次用大量的事实和系统的理论论证了生物进化的规律。“进化论”彻底推翻了上帝造物的神话,被誉为 19 世纪的三大自然科学发现之一。

人们对于生命中的遗传和变异现象越来越关注,并且越来越渴望知道藏在这些现象背后的本质。

1928 年,英国细菌学家格里菲斯进行了肺炎双球菌的转化实验。其中,光滑形的菌株有毒,在小鼠体内导致败血症,并使小鼠死亡;粗糙形的菌株无毒,在人或动物体内不会致病。令人惊奇的是,格里菲斯将无毒活细菌与有毒死细菌的混合物注入小鼠体内,小鼠也死亡了。这说明,有毒死细菌内有一种物质能引起无毒活细菌转化产生有毒菌,那么,这种物质是什么呢?1944 年美国细菌学家艾弗里等人在格里菲斯实验的基础上进行更深的探究,把有毒菌中的各种化合物提取并分离,单独作用于无毒菌。最终发现只有有毒菌 DNA 和无毒菌混合培养才会出现有毒菌。由此,科学家们初步得出 DNA 是遗传物质的重要结论。

随后,1952 年,德裔美国生物学家、物理学家德尔布鲁克,意大利裔美国生物学家卢里亚,美国遗传学家赫尔希进行了噬菌体侵染细菌实验,他们用放射性同位素分别标记了噬菌体 DNA 上的磷元素和蛋白质上的硫元素,实验结果发现噬菌体注入细胞体内的是磷元素标记物,从而证明了 DNA 是遗传物质。这个伟大的结论使长久不被人们重视的 DNA 变成了生命领域光彩夺目的主角,同时进一步阐明 DNA 的结构和功能成了科学家们最迫切的任务。

这时,美国加州理工学院的鲍林,英国剑桥大学国王学院的富兰克林和威尔金斯,剑桥大学卡文迪什实验室的沃森与克里克同时进行着对 DNA 的研究。鲍林秉持着错误的观点——DNA 分子是由三股螺旋组成的,于是误入歧途。女生物学家富兰克林认定 DNA 是双螺旋结构,并且运用 X 射线衍射技术拍摄到了清晰漂亮的 DNA 晶体的衍射图谱。她和威尔金斯提出“DNA 分子中的磷酸根在外侧,碱基在内侧”,计算出了 DNA 分子内部结构的轴向与距离和螺旋的直径与长度,这些结论为 DNA 双螺旋结构模型的建立提供了重要依据。一个偶然的机会,富兰克林的 DNA 衍射照片被沃森与克里克看到了,并大大激发了他们的灵感。沃森、克里克认为,当时的技术并不能得到 DNA 的具体三维图像,只能依据 X 射线衍射图上的数据构建出分子模型,再调整原子排列的细节。他们完善了富兰克林和威尔金斯的想法:DNA 分子有两条主链,磷酸根在螺旋的外侧构成两条多核苷酸链的骨架,互相平行而方向相反;碱基在螺旋内侧,两两对应。随后,他们开始在办公室里,尝试用铁皮和铁丝搭建模型。终于,1953 年 2 月 28 日,第一个 DNA 双螺旋的模型诞生了!

这一模型的建立完成了遗传学向“分子”水平的转变,,开启了分子生物学的大门,生命科学的新时代由此开始。在这一里程碑之后的近五十年里,遗传信息的复制、转录、翻译等一个又一个生命的奥秘从分子水平得到了更清晰的阐明。1958 年,克里克首次提出“中心法则”,即详细说明连串信息的逐字传送的法则,大致可以描述为“遗传信息是由 DNA 转移到 RNA,再转移到蛋白质”。

DNA 双螺旋结构模型与中心法则密不可分,它们在探索生命现象的本质及普遍规律、解开生物遗传信息传递与生命物质合成秘密等方面起到了不可磨灭的作用,极大地推动了现代生物学的发展。

在此基础上,人们开创了 DNA 重组技术,1973 年,斯坦福大学的科恩小组第一次成功地完成了基因克隆实验;1981 年,显微注射培育出第一个转基因动物小鼠;1983 年,农杆菌介导培育出第一例转基因植物烟草;1991-1992 年转基因玉米与小麦获得成功;21 世纪基因工程的研究开始进入鼎盛时期,在医、农、牧、渔等领域均得到了广泛应用。同时,蛋白质工程、酶工程、发酵工程等相继产生,这些生物技术的发展必将使人们利用生物规律造福于人类。

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    DNA,即脱氧核糖核酸,又称去氧核糖核酸,是一种分子,可组成遗传指令,引导生物发育与生命机能运作。主要功能是长期性的资讯储存,可比喻为 “蓝图” 或“食谱”。其中包含的指令,是建构细胞内其他的化合物,如蛋白质与 RNA 所需。

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