“最美丽”的生物学实验

——梅塞尔森和斯塔尔的半保留复制实验（1958年）

“我们的DNA模型实际上是一对模板，每一模板与另一个互补。我们设想在复制前氢键断裂，两条链松开、分离，然后每条链作为形成自己新链的模板。最后我们从原先仅有的一对链得到了两对链，而且准确地复制碱基顺序”。这是1953年沃森和克里克建立DNA双螺旋结构模型时，推测遗传物质DNA半保留复制的一段话。1958年，美国生物学家马修·梅塞尔森和他的学生富兰克林·斯塔尔利用大肠杆菌研究DNA的复制特性，终于证实了沃森和克里克的推测，进而为DNA双螺旋结构模型提供了坚实的实验基础。2002年10月，在由权威的美国《生物科学》杂志组织的一次评选中，梅塞尔森和斯塔尔的半保留复制实验当选为有史以来生物学领域“最美丽”的一项实验。

生命的罗塞达石碑

1799年，在埃及尼罗河畔的罗塞达城郊，人们发现了一块奇怪的古石碑，上面刻有埃及象形文、俗体文和希腊文三种文字，该石碑的发现对于了解古埃及象形文字起了关键的作用。而生命罗塞达石碑的发现者，是一位24岁的瑞士年轻科学家米舍尔。

1869年，米舍尔在德国大化学家赛勒指导下，从事细胞核组分的研究。他在对脓细胞和鲑鱼精子进行化学分析时，从细胞核里分离出一种前人从未发现过的酸性物质——核素。因为它最初是从细胞核分离出来的，又具有酸性，所以后来重新给它起了个名字叫“核酸”。但以后的研究表明，核酸并不是细胞核所独有，在细胞质中也能发现它们的身影。在自然界中动物、植物和微生物都含有核酸，即使比细胞还小的病毒也同样拥有核酸。

对核酸的化学组成进行系统研究的第一位化学家是德国的柯塞尔，他从核酸的水解物中分离出一些含氮化合物——碱基，发现核酸分子中除了含有4种碱基外，还有磷酸和戊糖，这一成果使他荣膺了1910年的诺贝尔奖。接着，美国化学家列文等人鉴定了戊糖，发现戊糖有脱氧核糖和核糖两种，两者在结构上仅相差一个氧原子。根据这个特点，列文将核酸分为两大类，这就是我们今天常说的DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）。1934年，列文进一步指出，核酸的3种基本成分（碱基、磷酸和戊糖）所组成的核苷酸，是构成核酸分子的基本单元。但在很长时期内，科学家们对蛋白质十分偏爱，而瞧不起核酸，认为它的组成太简单，似乎无法胜任遗传重担。那么，谁才有资格扮演遗传物质的角色呢？

1944年，美国细菌学家艾弗里通过细菌转化实验，有力证明了遗传特性由一种细菌神迹般地传递给另一种细菌，正是DNA在变魔术。虽然艾弗里还不敢直截了当地提出基因就是DNA，但却使DNA的重要性初露端倪。正当人们对DNA能不能扮演遗传主角而犹豫不决时，沃森和克里克凭着他们敏锐的目光，一下子洞察出DNA的遗传学意义。在他们看来，“蛋白质并不是真正解开生命之谜的罗塞达石碑，相反地，DNA却能提供一把钥匙。使用这把钥匙，我们就能找出基因是如何决定生物性状的，其中包括我们的头发和眼睛的颜色”。

DNA双螺旋结构模型的建立

1951年，在意大利那不勒斯举行了国际生物大分子学术会议，当美国年轻的遗传学博士生沃森听了英国物理学家威尔金斯关于DNA衍射分析的报告后深受启发，并强烈意识到，要解开生物遗传变异之谜，首先必须和DNA分子打交道，这样才能知道基因究竟是怎样工作的，从而有可能抓住这一突破口，探寻出遗传机制的答案。他感到自己应当尽快掌握X线衍射技术，把研究重点转移到DNA结构上来。不久，沃森便从美国来到享有盛誉的英国剑桥大学卡文迪什实验室，从事生物大分子结构的研究。也就在那里，沃森遇到了一位志同道合的亲朋密友——克里克。

克里克虽说比沃森大12岁，但在他与沃森相遇时还没有取得博士学位。原来克里克在伦敦大学读的是物理专业，第二次世界大战的炮火中断了他的博士论文工作，不久他应征入伍，在英国海军所属的研究所工作。退役后，正当克里克为寻找不到合适的研究课题而愁眉不展时，奥地利量子物理学家薛定谔在英国出版了《生命是什么》，书中明确提出，遗传物质似乎是基本粒子连结起来的非周期性结晶；它好像电码中的“·”和“-”那样，表示着生命的密码；生命的密码被复制，并像拷贝一样准确无误地传给子孙后代；物理学和化学的规律同样可以应用于细胞和基因的研究。薛定谔的话，深深地打动了克里克的心，他决定从物理学转向生命科学领域，热切期望尽早揭开DNA结构的奥秘。

沃森和克里克在探索DNA奥秘的道路上并不是事事如愿、一帆风顺的。在不到两年的时间里，他们先后建立过三个DNA结构模型。第一次建立的模型，用今天的眼光来看，简直象个怪物。原来根据他俩当时的设想，DNA是一个由三条糖和磷酸组成的螺旋形大分子，并且把磷酸根放在螺旋的内侧，而许多嘌呤和嘧啶则放在螺旋的外侧。这样，第一个模型很快退出了舞台。

由于当时沃森和克里克未能摄得理想的DNA衍射照片，研究工作陷入了僵局。正在这时，他们有幸地从威尔金斯那里搞到了DNA衍射照片，这张照片细致入微，十分清晰。沃森和克里克从照片中央一个小小的十字架样的图案上，立即洞察出了DNA双螺旋结构的秘密，他们赶紧建立了第二个DNA结构模型。这个模型的面容和我们现在认识的很相像，其基本结构是一个双螺旋，磷酸和脱氧核糖组成的骨架在外侧，碱基位于螺旋内侧。但是，这个模型却存在一个致命的缺陷，就是碱基配对发生了错误，结果使DNA双螺旋有宽有窄，无规律可循。

然而，失败乃是成功之母。1953年初，沃森和克里克用纸板重新设计了DNA模型。这次，他们参考了美国化学家查戈夫通过化学分析得出的碱基配对原则和数学家格里菲思通过计算得到的碱基之间结合力的研究成果，合理解决了碱基配对难题，成功地建立了DNA双螺旋结构模型。于是，生命科学史上的一项伟大发现就这样诞生了。

DNA双螺旋结构模型的证实

沃森和克里克建立的DNA双螺旋结构模型刚开始还是一种假说，但它是如此简明、完善，几乎所有分子生物学家都有一个共同的直觉，就是这个模型太令人满意了，不可能存在错误。不过，直觉终究代替不了论证，最终做出裁判的还是科学实验。

根据DNA双螺旋结构模型，沃森和克里克预见了一个DNA分子变成两个一模一样的新的DNA分子是靠半保留复制的方式进行的。在复制过程中，亲代DNA的两条链分开后，分别用作合成跟它相补的新链的模板，这样，一个DNA分子变成两个分子，而且跟原来的分子相同。其中子代DNA的一条链是新的，另一条链是父母那儿继承下来的。这种复制方式，就叫“半保留复制”。

如何证明沃森和克里克根据双螺旋结构模型所设想的半保留复制的正确性呢？

1957年，泰勒等人在一种叫意大利风信子的百合科植物中，用放射性同位素标记根尖细胞的染色体，发现染色体的复制是半保留复制。染色体复制的实质是DNA的复制，用同位素标记染色体实际是标记染色体中的DNA，所以这个实验表明了DNA的复制是半保留式的。如果说泰勒的实验还带有某种间接的推理性质的话，那么，在第二年梅塞尔森和斯塔尔的半保留复制实验就不能不让人心服口服了。

梅塞尔森1930年出生于美国科罗拉多州的丹佛，他青年时期求学于加州工学院，攻读物理化学，毕业后留校工作，并受聘为教授。1976年，前往哈佛大学工作。斯塔尔1929年出生于美国马萨诸塞州的波士顿，曾求学于哈佛大学和罗切斯特大学，1955年至1958年在加州工学院工作，随后在密苏里大学工作了一年，1970年受聘为俄罗冈大学教授。

梅塞尔森和斯塔尔认为要证明半保留复制的办法是设想区别原来的DNA和新造的DNA，即区别亲代DNA及复制时产生的新的DNA。初看起来，这似乎不大可能，不管它是新是旧，DNA就是DNA。但他们有个好主意，他们知道物理学家把中子加进原子核使原子变重，例如，氮通常的原子量是14（14N），但可以使它变为15（15N）；天然的碳12（12C），可以变成13（13C）。这些原子都比原来重得多，但生物体仍旧将它与天然的轻原子一视同仁。

梅塞尔森和斯塔尔设想，他们若能让细菌吃重原子，那么它们最终会含有较重的DNA。细菌在繁殖之前必需先合成DNA，而如果合成DNA的唯一来源是重原子，那么，它们的DNA就一定会变重。一旦实验者得到大量都具有重DNA的细菌，就可将这些细菌改放在含轻原子的培养液中，于是，细菌开始制造新的DNA，不过现在是轻的。因此，重DNA相当于老DNA，轻DNA相当于新DNA，这样DNA的年龄就转变为DNA的重量，可以用实验方法测定出来。

根据上述设想，梅塞尔森和斯塔尔成功地运用放射性元素示踪法和氯化铯密度梯度分离法，令人信服地证实了DNA复制确实是半保留复制，进而为DNA双螺旋结构模型的正确性提供了一个重要证据。

复制具体细节的描述半保留

梅塞尔森和斯塔尔的实验之后，DNA的半保留复制得到了普遍的确认。但是，知道了半保留复制的机理，并不等于已经完全弄清楚了DNA复制的具体过程及其细节。科学家们围绕DNA究竟是如何进行半保留复制的问题，开展了更深入的研究。

1968年，日本生物化学家冈崎在研究DNA复制中发现，DNA双链解开之后，复制是分段进行的，不连续的，在两条链中都是按同一方向进行合成，先是合成出一些小片段，然后这些小片段连接成长链。后来把这些小片段称为“冈崎片段”。每一冈崎片段的合成都需要DNA聚合酶的作用。但DNA聚合酶只能把单个的核苷酸连接到已形成的核苷酸链上。因此，每一新的片段合成时，需要有一个已存在的片段作为“引物”。

DNA聚合酶是美国分子生物学家科恩伯格发现的，他利用大肠杆菌作为实验材料，经过8年的潜心研究，终于得到了一种酶，它能催化由磷酸核苷生成多核苷酸，他将这种酶命名为“DNA聚合酶”。科恩伯格通过对这种酶的性能测定结果进一步支持了半保留复制理论。

随着分子生物学的发展，今天科学家们已经可以离开生物体，在试管中，用人工方法进行DNA的复制，这种技术称为聚合酶链式反应（PCR）技术。PCR技术原理并不复杂，首先用加热的方法使DNA双链拆开，加入设计好的两种寡核苷酸作引物，分别与两条链配对，然后由DNA聚合酶从这两种引物开始，合成出两条新链来。重复这样的过程，每一次循环可以使这两种引物之间的DNA片段的数量按几何级数递增。经过几十个循环，很少的一点DNA可以扩增到所需数量的DNA片段。这一技术发明后，立即被广泛应用于分子生物学的研究之中。例如，利用这一技术可以在数小时里使单个DNA片段扩增到数百万个，这对于生化与基因研究具有重大意义。

说来有趣，PCR技术是美国生物化学家穆利斯偶尔之中的发明。那是在1983年4月的一个周末之夜，穆利斯正驾车急速行驶在通往加州的山间公路上，望着马路两旁一排排树木从车窗外一晃而过，他好像想到了什么。第二天一早，穆利斯来到公司上班，第一件事就是在电脑中进行了以“DNA聚合酶“为关键词的文献检索，没有发现一篇关于DNA体外扩增的文章。此后，穆利斯化了一年的时间，反复进行实验，终于发明了PCR技术。

美国遗传学家利特尔说：“PCR技术改变了分子生物学原来的研究途径，并使公众更加了解DNA分析的可能性”。今天人们已经无法想象一个分子遗传实验室没有PCR技术如何开展研究工作。