發現DNA雙股螺旋結構之奠基者 - 羅莎琳•艾西•富蘭克林

 
2018/07/25 劉仲康 | 國立中山大學生物科學系
鍾金湯 | 美國曼菲斯大學生物學系     607
 
「從所有的生物特性來看,DNA都是極其複雜的。但是從X射線繞射圖顯示,它的基本分子結構卻又極其簡單。」-羅莎琳艾西富蘭克林

 

前言

 

許多女性科學家一生勤奮努力,並在她的研究領域做出不朽的貢獻,然而往往卻不能獲得應有的肯定,甚至在給予獎項時還被刻意忽略掉;本文主角羅莎琳•艾西•富蘭克林(Rosalind Elsie Franklin, 1920-1958)便是一個典型的例子。她是一位生物化學家,除了對於煤炭與病毒的結構有重要的發現外,更重要的是她對於DNA結晶體所做的X射線繞射圖,提供了解析DNA結構的重要線索。她對DNA所做的研究結果,導致華生(James Watson, 1928-)與克里克(Francis Click, 1916-2004)之後解出DNA雙股螺旋的結構。此研究成果使華生和克里克共同與威爾金斯(Maurice Wilkins, 1916-2004)獲得1962年的生理醫學諾貝爾獎,但是做出如此重要貢獻的富蘭克林,卻在諾貝爾獎項上成了遺珠之憾。

 

家世背景與求學

 

羅莎琳•艾西•富蘭克林(Rosalind Elsie Franklin)於1920年7月25日出生在英國倫敦的一個猶太裔家庭,在五個子女中排行老二。父親名為埃利斯(Ellis Franklin),母親名為穆麗爾•瑋莉(Muriel Waley Franklin)。羅莎琳的曾祖父亞伯拉罕(Abraham Franklin)於1763年從德國移居到倫敦,從此定居下來。她的父親除了在工人學院(Working Men’s College)擔任教授外,同時還在一家商業銀行兼職,家境富裕且重視教育。她的父親本來並不鼓勵羅莎琳去發展自己的職涯,而期望她能繼承家族的傳統,去幫助社會上的弱勢成員,使他們能適得其所。顯然羅莎琳有自己的想法,並未依照父親的期望前進。

 

羅莎琳自幼便非常聰穎,兒童時期時常以做算數題目來自娛,親友對她的評語是「驚人的聰明」。中學時就讀於聖保羅女子學校(St. Paul’s Girls’ School),這是當時少數對女學生教授科學課程的學校。羅莎琳在校非常喜歡物理與化學,因成績優異而獲得許多獎學金,年方十五便立志以科學研究為終身的志願。1938年中學畢業後,她先到巴黎短暫學習了一陣子法文,並在該年獲得英國劍橋大學紐納姆學院(Newnham College)的入學許可,同時得到每年30英鎊共3年的獎學金。由於家境富裕,因此她應父親的要求,將該筆獎學金轉送給一位有需要的難民同學。大學時期她主修化學,由於成績優異,於1941年以榮譽學士學位畢業。

 

羅莎琳接著又獲得一筆同校的研究所獎學金,在諾瑞許教授(Ronald G. W. Norrish, 1897-1978)實驗室研習氣相色層分析。後因二人相處不和,所以一年之後便離開諾瑞許實驗室,轉到「英國煤炭利用研究學會」擔任研究助理,並兼顧研究所學業。於此,她利用先前學得的物理化學知識來進行煤炭顯微結構的研究。從1942年到1946年,羅莎琳共發表了5篇研究論文,其中3篇是由她獨自掛名為單一作者的論文。1945年,她將一篇《與煤炭和固體材料有關之固態有機膠質的物理化學特性》論文呈交劍橋大學,而獲得博士學位。

 

巴黎歲月

 

1946年羅莎琳․富蘭克林博士(以下簡稱富蘭克林)到倫敦參加一個碳化學研討會,並發表一篇論文。在會中,她遇到了一位非常有名的法國科學家馬修博士(Dr. Marcel Mathieu),馬修博士對她的論文和研究能力印象深刻,由於馬修博士剛好負責一項法國政府的研究計畫,於是便邀富蘭克林到法國「國家化學中心服務實驗室」擔任研究員。富蘭克林欣然接受,並於1947年2月赴巴黎就職。她首先在知名科學家梅林博士(Dr. Jacques Mehring)的督導下進行研究工作,於此她學會了X射線繞射技術,用來觀察並描述碳的結構,以及當碳加熱形成石墨時的變化。這個技術也對於她日後研究DNA結構時,有非常重要的幫助。

 

富蘭克林是一位勤奮工作的科學家,個性隨和易於相處,也很快學會了流利的法語。根據一位同事盧薩蒂(Vittorio Luzzati)的說法,富蘭克林經常參與午餐時的討論,她對政治、哲學乃至人權都有興趣,與同事愉快相處。此外她也熱衷於許多運動,諸如游泳、爬山、與健行等。在穿著方面,也很時尚優雅。她的一位密友安.派珀(Anne Piper)認為這是富蘭克林一生中最快樂的一段時光,也從未遭受到任何的性別歧視。

 

由於富蘭克林不是法國公民,因此「國家化學中心服務實驗室」的工作不是永久職,她必須另外找新工作。此時英國倫敦國王學院的一位藍道博士(Dr. John Randall, 1905-1984),有興趣要以X射線繞射技術來研究DNA的結構,便邀請富蘭克林到他的實驗室工作。這對富蘭克林來說是一個兩難的抉擇,因為她非常喜歡巴黎的生活,但是英國的工作又充滿吸引力,於是她徵詢一位知名的英國女化學家桃樂絲․霍奇金(Dr. Dorothy Hodgkin)的意見(霍奇金之後於1964年,因研究X射線結晶學定出維他命B12的結構而榮獲諾貝爾化學獎),最後在霍奇金的鼓勵下,羅莎琳回到英國工作。

 

與威爾金斯的糾結

 

富蘭克林於1951年回到英國,進入藍道博士的實驗室開始從事DNA結構的研究。她與一位藍道的博士班學生雷蒙․葛斯林(Raymond Gosling)密切合作,試圖製出DNA清晰的X射線繞射圖。然而藍道卻因疏忽未通知實驗室中另一位正在外地度假的研究員威爾金斯,之後將由富蘭克林來負責X射線繞射方面研究。由於威爾金斯較年長與資深,認為富蘭克林只不過是藍道請來協助他的一位助理,因此當他度假歸來時,發現實驗室竟然被富蘭克林重新規劃與整理之後,心中非常不快而結下心結。此外,本來接受威爾金斯指導的研究生葛斯林,現在則歸富蘭克林博士來指導,也加深了二人的誤會與摩擦。

 

再者,英國當時的學術環境對女性研究人員很不友善,例如供研究人員聚會與午餐的場所,本來一向是男人的天下,許多從軍隊退伍的研究人員於此高談闊論暢飲啤酒,現在突然多了一位女性出現,令大家感到尷尬與不便。但是富蘭克林並不是一位逆來順受的柔弱女性,而且她的家庭一向是對所有子女公平看待,在法國工作時也從未受到性別上的差別待遇,因此她以溫和有禮的態度但卻堅持平等的原則,與所有的同僚相處。

 

富蘭克林與威爾金斯之間的關係,一直都無法改善。他們兩位都畢業於劍橋大學,都在海外機構工作過,有著共同的學經歷背景。他們可以談論戲劇、書籍、甚至政治,但是對科學卻絕口不提。威爾金斯是一個說話輕聲細語、深思熟慮又個性內向的人,在他的眼中,富蘭克林是一位專橫的、傲慢的以及氣量狹小的人。而富蘭克林說話則是口齒伶俐、單刀直入,好勝又充滿熱情的人。他們二人之間的化學氣氛,真可說是一點都不對盤。

 

研究DNA結構

 

儘管富蘭克林與威爾金斯二人相處不來,但是實驗卻進行得很順利,例如富蘭克林用X射線所照射的DNA材料,就是威爾金斯從一位瑞士朋友處取得的。在富蘭克林加入實驗室幾個月後,就有了重要的發現。1951年11月,她公開發表了DNA具有A型(乾燥型)與B型(濕型)二種類型;透過X射線繞射圖的分析,她發現A型DNA在逐漸增加濕度之後,會轉變成為B型DNA。富蘭克林也提出DNA中的磷酸基,應該位於DNA分子結構的外側。此時,台下的聽眾之一正是後來解出DNA雙股螺旋結構的華生。

 

當時剛取得博士學位的華生,正與一位博士班研究生克里克,在威廉·勞倫斯·布拉格爵士(Sir William Lawrence Bragg, 1890-1971)的指導下,於劍橋大學卡文迪許實驗室(Cavendish Laboratory) 從事研究工作,他們二人對DNA分子結構的研究非常有興趣。華生與克里克曾製出一個DNA的分子模型,並邀請富蘭克林前來觀看,但富蘭克林對這個模型提出了尖銳的批評,並指出其中嚴重的缺陷。隨後當華生邀請富蘭克林加入他們的團隊共同合作,沒想到卻被富蘭克林一口拒絕了;由於布拉格爵士認為這個不成熟的模型非常失敗而丟臉,因此要求華生與克里克停止製造DNA模型,改作其他的研究。由於上述種種因素,使得華生對富蘭克林開始產生敵意。

 

1952年底,華生得知美國著名的化學大師萊納斯․鮑林(Linus Paulin, 1901-1994)也正在研究DNA的結構,並且即將投稿發表研究結果,所以華生非常沮喪地去見了富蘭克林,談論到即將失去首先發現DNA結構的榮譽,並暗示富蘭克林的研究對解出DNA的結構似乎沒有甚麼價值。二人話不投機,起了嚴重的衝突後不歡而散。華生事後刻薄而尖酸地描述此次的會面,若不是他即時逃離,恐怕會被富蘭克林踢出她的辦公室。至此二人的關係簡直跌到谷底。然而事後證明,化學大師萊納斯․鮑林當時提出的DNA結構是錯誤的,因為他所引用之DNA 的X射線圖來自於A型與B型混合的樣本,因而做出錯誤的判斷。

 

華生與克里克接下來仍繼續研究如何製出DNA的正確模型,但是要從富蘭克林處取得DNA的X射線繞射圖顯然是不可能了。然而威爾金斯不知從何處取得一張富蘭克林與葛斯林所攝製的一張極為清晰的DNA 的X射線繞射圖(威爾金斯將之標示為第51號圖片),在未取得富蘭克林的同意之下,竟然將之交給華生觀看。心思敏銳的華生,立刻從圖片中看出了端倪,他從圖上觀察出DNA為雙股螺旋結構的明確證據,且螺距為34埃(angstrom, 1 Å = 10-10 公尺),於是他立刻返回劍橋實驗室,與克里克著手修正他們的DNA模型。在綜合所有的研究證據之後,包括埃爾文·查加夫(Erwin Chargaff, 1905-2002)在1950年對DNA化學分析時所發現的A=T與G=C組成(稱為查加夫定律),他們二人很快便推導出DNA模型的正確結構。1953年2月28日,華生與克里克還特地邀請了富蘭克林來觀看他們所組出的DNA模型,而富蘭克林也立即證實了此模型的正確性。

 

華生與克里克立刻將此DNA的結構寫成一篇論文「核酸的分子結構:DNA的結構」投稿到《自然》(Nature) 期刊,並於1953年4月25日正式發表,而這篇僅僅一頁的短短文章就成為之後他們獲得諾貝爾獎的最主要依據。在這篇文章中,他們只引用了包括查加夫、鮑林以及威爾金斯在內的6篇文獻,對於富蘭克林的重要貢獻竟然隻字未提。同期的《自然》期刊上,還刊登了威爾金斯與另二位作者的一篇文章「DNA的分子結構」,他們以X射線繞射圖提出支持華生與克里克模型的證據。遺憾的是,威爾金斯的這篇文章也未提及富蘭克林的重要貢獻。1962年的生理醫學諾貝爾獎項就以這二篇論文為依據,頒發給華生、克里克與威爾金斯。在這發現DNA結構的過程中,做出關鍵貢獻的富蘭克林竟成了遺珠之憾。

 

富蘭克林除了在華生與克里克之前便已經推論出DNA的糖-磷酸基骨架,並製出清晰的X射線繞射圖外,她當時正忙著研究A型DNA,未將重點放在B型DNA的結構上(華生與克里克是以B型DNA為對象做出正確的分子結構模型)。事實上,在同一期的《自然》期刊上,富蘭克林與葛斯林也發表了一篇文章「胸腺核酸的分子結構」。在三個月之後的《自然》期刊上,富蘭克林還正式對DNA的雙股螺旋結構提出了實驗證據,發表了一篇文章「DNA結晶構造之雙股螺旋證據」,在在證明了她在DNA結構上的重要貢獻。然而當時的研究環境,對女性科學家極不友善,性別上的歧視與刻意忽視女性科學家的貢獻,往往無法彰顯她們該得到的榮譽,富蘭克林的遭遇正是一個典型的例子。

 

研究病毒結構

 

1953年3月,富蘭克林決定離開倫敦大學國王學院蘭道的實驗室,進入同屬倫敦大學伯克貝克學院(Birkbeck College)伯納爾(John Desmond Bernal, 1901-1971)的實驗室工作。蘭道在富蘭克林離開時向她表明,DNA結構是蘭道實驗室的研究主題,一旦離開之後便不能再繼續從事DNA結構方面的研究。威爾金斯則幸災樂禍地對克里克說:「黑暗女士(The dark lady)終於要離開了。」幸好葛斯林還對她忠心耿耿,不理會蘭道等人的看法,私底下常找富蘭克林討論研究上的事情。

 

伯納爾是一位專門以X射線研究各種生物分子與病毒結構的學者,富蘭克林進入他的實驗室之後,第一個研究主題便是菸草鑲嵌病毒(tobacco mosaic virus, TMV)的結構。實驗室的規模雖然比不上蘭道實驗室,但是富蘭克林卻甘之若飴,充分發揮她在X射線繞射技術上的專長,短短三年間便得到有史以來最清晰的TMV結構照片。成功地推翻前人認為TMV為實心的筒狀結構,而證明其是一個空心的蛋白質筒狀結構,中心則盤繞著單股的RNA。此外她也證實TMV病毒的長度是均一的,每個病毒的長度約為300奈米,這是病毒學史上首次對TMV結構有如此清晰的瞭解,富蘭克林的貢獻是無與倫比的。

 

1956年夏天,富萊克林到美國訪問,參觀了好幾所大學研究單位,包括加州理工學院、華盛頓大學、耶魯大學及加州柏克萊大學等。在柏克萊,她與首位純化出TMV結晶而榮獲1946年諾貝爾獎的病毒學大師溫德爾.史丹利(Wendell Stanley, 1904-1971)合作研究了一個月,獲益良多。

 

英年早逝

 

在富萊克林回到英國之後,卻突然發現身體不適,經過診斷是罹患了卵巢癌,立刻進行了手術切除。次年又動了第二次手術。雖然健康出了狀況,但是富蘭克林仍繼續到實驗室研究脊髓灰質炎病毒(poliovirus,或稱為小兒麻痺症病毒)。1957年,世界博覽會即將於隔年在比利時首都布魯塞爾舉行,籌備委員會擬在會中展出一個TMV病毒模型,因此特別商請富蘭克林的團隊製作一個高達6英尺的模型展出。然而她的病情卻不容她親眼目睹這個模型的完成,1958年4月16日,因卵巢癌復發而不幸英年早逝,得年僅38歲。這個TMV模型在世界博覽會展出之後,目前已經移放在劍橋大學分子生物學系的走廊上,供後人憑弔與緬懷。

 

富蘭克林的去世,震驚了科學界。世人普遍認為這是因為她長期過度曝露於X射線之下所導致的後果,如果能夠在實驗時有所節制,或許她能夠活得更長久些。但是若非如此,在當時的環境之下她又何從製出這些清晰的X射線圖片促進科學的進步?如果生命能夠重新來過,富蘭克林還會做出相同的抉擇嗎?

 

誤解與平反

 

1968年,華生出版了一本自傳式的科普書籍「雙股螺旋:發現DNA結構的自述」 (The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA),述說了發現DNA結構的過程與參與人員之間的恩恩怨怨。他在書中對富蘭克林的描述,充滿了偏見與歧視,例如他擅自將羅莎琳․富蘭克林稱呼為「羅西」(Rosy)(事實上,富蘭克林一輩子都從未使用過羅西這個稱呼);是一個不重視外表的書呆子,固執、好強、又缺乏女性氣質;甚至猜測她來自於一個不幸福的家庭。書中也誤認富蘭克林是威爾金斯的屬下,是一個不服從上級的不合作者。更嚴重的是,指控富蘭克林即使擁有不錯的X射線照片,也沒有能力將之詮釋出DNA的結構。

 

然而華生這些指控是完全沒有根據的,也與事實不符。與富蘭克林相處過的同僚,都認為她是一位真情流露、熱情又友善的女子,非常好相處。連克里克也認為,富蘭克林距離解出DNA的結構,僅差臨門一腳。如果不是他與華生搶先解出DNA的結構,富蘭克林遲早也會解出來的。

 

雖然富蘭克林生前不但未得到該有的榮耀,甚至受到一些人士的忌妒、非議與不公平的評論,但是事實勝於雄辯,她對科學所做出的貢獻有目共睹,後人也逐漸改變了對她的觀感。甚至當年對他百般詆毀的華生,在四五十年之後的一次演講中,也公開承認富蘭克林的X射線照片是他們能夠解出DNA結構的關鍵,還給富蘭克林一個遲來的公道。

 

2003年,倫敦大學國王學院將滑鐵盧校區(Waterloo Campus)的一棟新研究大樓命名為富蘭克林—威爾金斯館(Franklin-Wilkins Building),以表彰這二位傑出的學校研究人員在生命科學上所作出的重大貢獻。而位於倫敦之富蘭克林故居,也已貼上藍色牌匾列為英國重要遺產。此外,成立於1912年的美國芝加哥醫學院(1993年改為芬奇健康科學大學) (Finch University of Health Sciences/The Chicago Medical School)更於2004年改名為羅莎琳․富蘭克林醫學大學(Rosalind Franklin University of Medicine and Science),用來紀念這位令人懷念的卓越科學家。學校的宗旨就是強調探究精神、勤勉向學,以及學術卓越(A spirit of inquiry, diligence, and academic excellence),這正是富蘭克林短短一生不計毀譽而盡其在我的真實寫照。

 

結語

 

任何科學上的重大發現,只有第一名,沒有第二名。因此專業上的競爭與忌妒,往往普遍存在於科學界中。誠如第一位發現抗生素的亞歷山大․弗萊明(Alexander Fleming, 1881-1955)所言:「專業上的忌妒,是極其野蠻與可怕的現象。」如果再加上性別歧視的推波助瀾,女性科學家所面臨的壁壘,是許多男性所無法想像的。富蘭克林所處的時代與環境,正是充滿了科學競爭與對女性的偏見和歧視。許多女性科學家在研究上所作出的卓越貢獻,往往無法得到同僚的肯定,甚或曲解與嘲弄。所幸人類文明不斷的進步,近代女性在從事科學研究的環境上,已經大有改善,但是距離得到與男性完全相同的待遇,還有很長的一段路要走。富蘭克林的故事,值得大家深思與反省,也給我們上了極其寶貴的一課。