2016年2月11日 星期四

那個令人心動的時代 --分子生物學

人們常說,上世紀有兩個科學史上最令人心動的年代,兩門影響後世深遠的全新學問如山洪暴發般於十數年間發展開來。這兩個年代,就如中國歷史上的三國時代,或藝術史上的文藝復興,不知出了多少風雲人物,發生了多少傳奇之事。它們分別是二、三十年代的量子力學發展期,及四、五十年代的分子生物學發展期。

說來可笑,分子生物學發展期的發展其實全靠一班量子物理學家。因為二、三十年代時候量子力學發展得實在太快太快太快了,年輕一輩都擔心可以做的研究都被前輩做光了,難以超越前輩,剛巧量子力學之父薛丁格寫了一本名為《生命是甚麼?》的書,探討生物學的物理基礎,他透過物理學的分析,認為基因是一個非週期性的結晶,有一組濃縮的密碼。這本書的出現把無數的物理學家吸引了過生物學的領域,所以在以下的故事中,你會聽到很多物理學家的名字。史丹福今次就想說說四、五十年代的分子生物學令人心動的發展故事。

基因是甚麼?

孟德爾(Gregor Johann Mendel)早在1865年就憑種豌豆的實驗導出遺傳學發則,他知道基因的運作方法,卻不知道它是甚麼。大約五、六十年後,摩根(Thomas Morgan) 研究果蠅的遺傳,從而得知基因就在染色體中。

但究竟基因由染色體的那一部分組成呢?

在科學家還沒有任何線索之前,讓我們先看一個很有意思的實驗,稱為「格里菲斯實驗」(Griffith's experiment)。格里菲斯(Frederick Griffith)是一位英國醫生,1928年當他做肺炎鏈球菌疫苗研究時有一個很神奇的發現。用來感染老鼠的肺炎鏈球菌有兩種型態,一種「皺皮型」,叫R(R代表rough);另一種「白白滑滑型」,叫S(S代表smooth)。白白滑滑型的防禦能力較強, 因為它有一個多糖(polysaccharide)筴膜,可以保護細菌免受免疫系統攻擊。所以皺皮R型對老鼠無害,白白滑滑S型可以把老鼠殺死。格里菲斯把加熱燒死的S注射入老鼠,理所當然的對老鼠無害。但神奇的事是,當格里菲斯把加熱燒死的S及活的R一起注射到老鼠體內,老鼠竟然被殺死了!更神奇的是,他竟然在老鼠體內發現活的SS竟然可以死過翻生!他提出S有一種「轉型因子」,包含了多糖筴膜的基因,即使把細菌殺死了,「轉型因子」仍在,當R得到了這些轉型因子,就可以借屍還魂,重新變成白白滑滑的S型,把老鼠殺死。



接著要介紹的是分子生物學的一代宗師,分子生物學曾出現過很多極奇妙極美麗的實驗,而他所做的可說是分子生物學上第一個革命性的美麗實驗,他名叫埃弗里(Oswald Avery)。當時基因的載體有幾個候選對象,分別是蛋白質、DNARNA,其中以蛋白質的呼聲最高,因為蛋白質由20種酸組成,而DNA則只有4種鹼基組成。埃弗里與其同事延續了格里菲斯的實驗,他用去除蛋白質的酶處理加熱燒死的S型肺炎鏈球菌,再把它們及活的R型肺炎鏈球菌一起注射到老鼠體內,老鼠一樣死去,也就是「轉型因子」不是蛋白質,因為即使沒有了蛋白質,R皺皮型肺炎鏈球菌依然能轉換成S白白滑滑型。埃弗里又把去除RNA的酶處理加熱燒死的S型肺炎鏈球菌,把它們與活的R一起注射到老鼠體內,老鼠還是死去。最後他把去除DNA的酶處理加熱燒死的S型肺炎鏈球菌,及活的R一起注射到老鼠體內,這次老鼠竟然沒有死去,沒有了DNAR型肺炎鏈球菌就不能轉型成S型,明顯地「轉型因子」就是DNA,所以基因就在DNA中。



這是一個非常優雅的實驗,箇中的科學方法及邏輯推理都是極級的,但可惜當時的科學家都不太重視這個實驗。他們堅信基因的載體是蛋白質,因為他們真的不能夠接受只有4種鹼基的DNA組成的密碼可以構成如人類般複雜的生物。埃弗里自己起初也不太相信,於是極小心地把實驗重複,防止一切可能出錯的地方,但仍未能使科家界信服。埃弗里也於是成了史丹福心目中其中一位最應該拿卻拿不到諾貝爾獎的科學家。

一直要8年以後,才有人為他報仇雪恨。當時有一組對噬菌體(bacteriophage)很有興趣的科學家組成了「噬菌體集團」。噬菌體是一種感染細菌的病毒,由外殼包著遺傳物質,它的形狀如下,有點像外星怪物。



由於噬菌體繁殖得很快,比傳統遺傳學用的果蠅快非常非常多,所以很適合用來做遺傳學的研究。「噬菌體集團」中的賀西(Alfred Day Hershey)(Hershey不只是朱古力,更是很厲害的科學家)和他助手蔡斯(Martha Chase)做了以下的實驗,把噬菌體分別在P-32 (放射性的磷同位素)S-35(放射性的硫同位素)中培養,DNA有磷沒有硫,蛋白質有硫沒有磷。當噬菌體感染細菌時,會把遺傳物質注入細菌內部,外殼則遺留在外。賀西發現,只有在P-32中培養的噬菌體,才可令細菌內部有放射性。所以噬菌體注入細菌的遺傳物質,必然是含有磷的,也就是DNA。這一項實驗以後,生物學界終於知道自己走寶了,把目光全部焦聚在DNA上。



DNA結構之五雄對決

眾人皆醉他們獨醒,當全世界仍相信生命的密碼位於蛋白質時,有幾位很有遠見的科學家已經知道DNA才是生命的密碼,致力解開DNA的結構。他們為了爭奪成為首位解開DNA秘密的人,可以說是無所不用其極,爾虞我詐,故事比小說、電影更有戲劇性,所以他們其中一位,華生(James Watson),也真的寫了一本比小說更有戲味的自傳──《雙螺旋》。史丹福經常想像,如果這自傳可以改篇成電影,應該會精彩極了,說不定更可成為奧斯卡級的電影。

言歸正傳,先介紹爭奪戰的五位主角。

華生系出「噬菌體集團」,後來一次機會下偶爾從倫敦大學國王學院(King College)X射線晶體專家威爾金斯(Marice Wilkins)的演說中,認識到X射線晶體學的威力,自始就很想學習此術用於研究DNA結構。由於X射線的波長與原子間的距離接近,所以當X射線經過原子時會有相當程度的繞射,透過繞射的數據,科學家就可以推斷分子的結構,就好像為分子拍了張照片一樣。當時世界上有幾個大研究中心都精於利用X射線繞射研究生物大生子結構,一為美國加州理工學院,但那裡已經有一位明星級的化學家鮑林(Linus Pauling)(之後會再詳盡介紹他)坐陣,鮑林太過出色,反而使華生不太想跟他合作,於是他進了另一所X射線繞射的重要中心,劍橋大學的卡文迪西實驗室。那兒也有比魯茲(Max Perutz)及肯祖魯(John Kendrew)兩位用X射線繞射術研究血紅素(hemoglobin)及肌紅素(myoglobin)的權威,令華生可以放心學習這種技術。

在劍橋中,華生遇到了影響他一生的人--克拉克(Francis Crick)。他們二人組成了科學史上最形影不離,最有愛的組合。「能成為密友大概總帶著愛」,應該就是用來他們這種密友(科科科) 。克拉克本為物理學家,二次大戰期間去了幫助政府研究水雷,所以拿不到博士學位。之後他到了劍橋大學卡文迪西實驗室想去完成他的博士學位。華生與克拉克一碰上了談起DNA的重要,很快他們就知道他們找對了自己的「另一半」。

除了卡文迪西實驗室外,另一路研究DNA結構的人馬就是之前提及倫敦大學國王學院的威爾金斯及女科學家富蘭克林(Rosalind Franklin)。雖然他們來自同一間學院,但其實二人互有心病,根本上是各有各做的,嚴格來說他們根本就不是同一伙的。

富蘭克林是一位獨立且實驗技巧高超的女科學家,她拍X射線繞射照片的技術無人能及。威爾金斯本想找一個助手為自己拍X射線照片,但富蘭克林是一個很有主見的女強人,她覺得女性不該屈居男性之下,她要做自己想做的實驗,她要做自己想做的研究。於是兩人如火星撞地球,各不相讓,研究都是各有各做的。

最後要介紹的是天才明星級的化學家鮑林。他是真真正正的科學界明星,他是化學界的愛因斯坦,傳聞他是直接以量子力學方式在腦海思考化學結構的。他在科學生涯早期已以量子力學看穿了化學鏈的真面目,orbital hybridizationresonanceelectronegativity等以前A-level chemistry令大家很頭疼的概念,都是出自他身上。在量子化學之後,他又把興趣轉到生物化學。他在DNA競爭白熱化之前已經發現了蛋白質中的α螺旋結構,大家都很看好他會再下一城,破解到DNA的結構。華生從頭到尾都把他當成最強的對手,是天敵,是世仇。

好,介紹完人物之後我們可以開始正式說故事了。當時正值鮑林發現了蛋白質α螺旋結構的時候,他以其驚人的直覺及構建模型的方法得出這漂亮的結果。華生與克拉克也深受他的影響,覺得DNA也應有螺旋形結構,以不斷重複的大分子來說,螺旋形是最好的結構。但他們第一次嘗試破解DNA結構卻失敗了,更被卡文迪西實驗室的主管下令停止研究,因為他覺得DNA結構屬於國王學院的研究,是屬於是威爾金斯的研究,他們實在不應搶來做。

另一邊廂,富蘭克林繼續做她的實驗,拍她的X射線繞射照片。威爾金斯被富蘭克林搞到心力交瘁,沒有甚麼心情再研究DNA問題,處於愛理不理的狀態。而在大西洋的對岸,華生最擔心的事終於發生了,鮑林開始對這問題發起攻勢。華生及克拉克發現他提出的結構竟然很像他們之前放棄了的結構,他們很憂心,難道他們白白地錯過了正確的答案? 但當他們再細想那結構時,發現那個結構竟然錯到不得了,DNA是去氧核糖核酸,但那結構甚至連酸都不是。天才明星鮑林竟然犯了一個中學程度的錯誤?

華生與克拉克於是再對問題發起第二輪進攻。一般相信鮑林沒能得出正確的答案是因為政治問題,麥卡錫主義的興起令他得不到簽證前往英國的學術會議,看不到富蘭克林拍的X射線繞射照片。但華生卻沒有此問題,他更有其他途徑得到富蘭克林未發表的數據,一是透過威爾金斯,二是透過比魯茲(之前約略提過用X射線繞射研究血紅蛋白的科學家),他是一個科學委員會的主席,而該科學委員會因要知道各實驗室的進度,可以得知它們未公開的數據。這就是富蘭克林拍到的關鍵照片。



再加上克拉克留意到一個鮮為人知,卻非常重要的發現──查加夫法則(Chargaff's rule)。查加夫(Erwin Chargaff)是一位生化學家,他研究不同生物中DNA的成分,發現adeninethymine的含量永遠大致相等,而guaninecytosine的含量又永遠大致相等。

現在華生與克拉克相信他們已經掌握到足夠的彈藥,於是他們再大規模構建模型。他們做了很多不同放大了的原子及化學鏈,再嘗試用合乎科學發則及實驗數據的方法把它們併在一起。富蘭克林一向對這方法嗤之以鼻,認為這是偏門走捷徑的方向,她堅持要以實驗結果加傳統數學方法把它擊破。但華生與克拉克知道這其實是很科學化的方法,一方面他們已從富蘭克林的照片中得知DNA必定有螺旋結構(富蘭克林自己反倒不相信),另外他們也知道DNA中的phosphate group理應在螺旋的外面(這是鮑林所不知道的,因為他沒看過富蘭克林的照片)。另外,他們深知查加夫法則事關重大,最後想到在螺旋的內面,adeninethymineguaninecytosine必定是成雙成對出現的。最後,他們得出了一個美得令人心醉的雙螺旋DNA模型。



大家都一定見過DNA那舉世知名,深入民心的雙螺旋結構吧? 就像一條扭曲了的拉鏈。拉鏈有兩條平行的窄布料,中間有凸凹的齒把它們扣著,而deoxyribosephosphate就是那兩條平行的布料,也就是雙螺旋的骨架部分,而nitrogenous base就是那些凸凹的齒,adenine(A)thymine(T)guanine(G)cytosine(C)以氫鏈連著,它們永遠成相成對出現,A對面一定是TG對面一定是C,我們稱之為互補。只有如此,nitrogenous base才可以如此完美無暇地填進雙螺旋的中央。這結構是多麼的簡單而美麗,單看著它,你已經解釋到DNA如何儲存訊息,如何複製自己,如何製造蛋白質。



最後,華生、克拉克及威爾金斯在1962年憑著研究DNA結構而獲得了諾貝爾生理及醫學獎。另一位重要功臣富蘭克林因癌症英年早逝,未能夠分享這榮譽,令人可惜。而有趣的是,當年獲得諾貝爾獎的人全部都是「自己友」。化學獎得主是比魯茲及肯祖魯(之前約略約過用X射線繞射術研究血紅素及肌紅素的兩位科學家),甚至連完全不相干的和平獎都由鮑林獲得,以表揚他呼籲科學家共同反對發展大殺傷力武器。鮑林也成了諾貝爾史上唯一一位同時獲得科學獎及非科學獎的得獎者(他在1954年已因化學鏈的研究而獲得化學獎)

下回預告


DNA結構大戰的結果已塵埃落定,但令人心動分子生物學年代仍未完結。下回我們將有生物學史上最美麗的實驗(是公認的,不只是史丹福說的),有除了華生及克拉克外另一對很有愛的超級研究組合。欲知後事如何,且聽下回分解。

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