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生命的奧祕–DNA結構的發現

DNA是一條相當長的雙股螺旋鏈狀的分子,但是肉眼無法看到,得由電子顯微鏡才能看到。根據弗蘭克林的X光晶體數據,華生和克里克得以推理出DNA的結構。
 
 
 
小百科

DNA 是 deoxyribose nucleic acid(去氧核醣核酸)的縮寫,它由兩股螺旋長鏈構成。這長鏈上有A(adenine),T(thymine),C(cytosine) 和G(guanine)  4 種鹼基,兩股長鏈之間以A和T成對,G和C成對的方式牽住,就像樓梯的階梯,這就是鹼基對。也就是說,如果單股螺旋上的排列順序是 ACGT,相對的另外一股的排列順序一定是 TGCA。DNA 就以這 4 個「密碼」的排列順序來傳遞遺傳的資訊。

雖然 DNA 是一條相當長的雙股螺旋鏈狀的分子,但是肉眼無法看到,得由電子顯微鏡才能看到。一般細菌的 DNA 分子大約有 0.1 毫米長,照理是可以看得見的,但它的寬度約只有長度的一百萬分之一,長而相當微細,因此無法用肉眼看到。

發現者

華生(James Watson, 1928-)和克里克(Francis Crick, 1916-2004)兩位於 1953 年提出 DNA 的雙股螺旋結構圖,1962 年獲得諾貝爾生理醫學獎。華生是位天才兒童,22 歲(1950 年)就拿到美國印地安那大學的生物博士學位,他到英國劍橋大學做博士後研究生,當時克里克是在劍橋攻讀物理博士學位的學生。他們是根據一位女科學家弗蘭克林(Rosalind Franklin, 1920-1958)做出來的X光晶體實驗結果而提出 DNA 結構的,但因為她早逝,沒能享受到諾貝爾獎的榮耀。

靈機一動

大家對 DNA 的結構和它的重要性都不會陌生,但你不一定知道當初華生和克里克發現 DNA 結構的來龍去脈。本文參考的是華生的 The Double Helix 一書和 2003 年(DNA 五十周年)英國 BBC 和《自然》(Nature)的專輯報導。

化學家用X光晶體學來決定分子的結構,1952 年倫敦大學國王學院(King College)的X光晶體專家魏爾金斯(Marice Wilkins)和弗蘭克林,初步測量出 DNA 是一種聚合物,它含有許多重複的去氧核醣(deoxyribose)、磷酸、4 個有機鹼基等。在一個偶然的機會,華生和克里克看到弗蘭克林實驗室做出的 DNA 的X光底片,於是開始推敲 DNA 的結構。

按照X光的晶體分析數據,他們的第1個結構模型是雙股螺旋狀:去氧核醣和磷酸在螺旋的外邊,4 個鹼基在螺旋的內邊;4 個鹼基排列是同樣的鹼基相連,即 A-A,C-C 等,以符合X光的晶體分析數據。但在這時候,美國哥倫比亞大學的查加弗(Erwin Chargaff)報導一個發現:生物體的4個鹼基有配對現象,A和T成一對,而G和C成對。於是華生和克里克就把原來的結構模型改成 A-T 和 C-G 配對,但是 DNA 鹼基能有不同的互變異構物(tautomers)。

這時候,另外有一位來自加州理工學院的年輕物理化學家唐諾休(Jerry Donohue)和華生同一個辦公室。唐諾休的專長是X光晶體學,華生把他的 DNA 結構模型給唐諾休看,唐諾休馬上給華生潑冷水,說他用的鹼基是錯誤的異構物,但是華生說那些是課本上的標準鹼基結構。華生改用唐諾休建議的異構物,但是拼出來的結構模型仍然不符合X光的晶體實驗數據。

第二天一大早,華生把他紛亂的桌面清理乾淨,重新排列他的雙股螺旋 DNA,把鹼基換來換去,而用氫鍵把配對的鹼基連接起來。突然間,他發現當使用 2 個氫鍵連接A和T鹼基時,和用 2 個氫鍵連接C和G鹼基時,有相同的形狀,他馬上請唐諾休鑑定新結構。一有了唐諾休的肯定,華生和克里克再討論一些細節,很快就寫好一篇短文寄到《自然》,報告他們提出的 DNA 結構。

掌聲回響

《自然》報告的頭二句是這樣寫的:「我們希望提出一個 DNA 鹽的結構圖,這結構具有一些新穎的特色,會有相當重要的生物關聯。」(We wish to suggest a structure for the salt of deoxyribose nucleic acid (DNA). This structure has novel features which are of considerable biological interest.)非常謙遜,但也可能他們並沒有想到 DNA 結構的發現會引起 50 年來的生物科技大革命。華生和克里克是根據弗蘭克林的X光晶體數據推理出 DNA 的結構,如果不是弗蘭克林因癌於 1958 年去世(37 歲),3 個人就該分享諾貝爾獎,而不是華生、克里克和弗蘭克林的同僚魏爾金斯 3 人分享。

DNA 的結構奠定了基因、醫學和分子生物的基礎,所有的生物包括細菌、花草、蜜蜂、人等,都利用同樣的 4 個鹼基「密碼」語言來營造生機。人類的細胞裡含有大約 3 萬個基因,一個基因只是 DNA 的一小段,每一基因含有幾萬到幾十萬的鹼基對。基因會發出指令製造蛋白質,進而推行生命機制。人的生機是依賴基因的表現去合成蛋白質,每一個基因負責製造一種蛋白質。

三十幾年後,美國莫理斯(Kary B. Mullis)於 1986 年發明聚合酶鏈鎖反應(polymerase chain reaction, PCR,或稱聚合酶連鎖反應)而獲得 1993 年諾貝爾化學獎。PCR 能無限量地複製 DNA,開拓了生物科技、基因工程的新領域。人類的基因圖譜就靠 PCR 和一些新科技才能於 2002 年完全解讀出來,解讀基因組合密碼就像在字典找到新字,後續工作是要找出基因製出來的這些蛋白質的結構和功能。PCR 的發明也促進基因、遺傳、疾病的關聯研究,得以探索生老病死的奧。

如果沒有華生和克里克的 DNA 結構發現在先,莫理斯的 PCR 發明在後,許多遺傳疾病的醫療大概會仍然束手無策,生物科技也不會有近年來一日千里的進展。

深度閱讀
  1. Watson,  J.D. (1968) The Double Helix. New York, Atheneum.
  2. Watson, J.D. and Crick, F.H. (1953) A structure for deoxyribose nucleic acid, Nature, 171, 737-738.
  3. Nature, 50th Anniversary of DNA special edition, April, 2003.
  4. http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1962/index.html
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