DNA的魔术

谢 培

　　你是否曾经希望自家草坪上的草能长得慢些？兰花的培育能像杂草的生长那样容易吗？能否让康乃馨开出圆点花纹的图案？能否让天竺葵像仙人掌那样几乎不需要水分？能否让郁金香散发出玫瑰一样的芬芳？

　　通过DNA魔术这一切都能成为现实。科学家们在发现控制某种特性的基因之后，试着将它植入该植物的体内。这可不是简单的外科手术过程。要预先对植物进行调节，以便剔除任何看起来像是来源于异体的DNA。

　　这项技术的关键在于：要让植物误认为这种新的DNA就是它自身结构的一部分。这其中包括一个相互交谈的过程。在这个过程中，研究人员尽力清除DNA“杂质”。这个过程越简单，植物接受它的可能性就越大。清理DNA过程中存在的危险是，所需的特性也会在无意之中被去掉。科学家们采用各种方法把一些关键的基因信息从确实要除去的信息中挑选出来。

　　尽管存在上述难题，最新的方法与传统的杂交育种相比的确具有优势。传统的杂交繁育往往在产生一种所需特性的同时要以牺牲另一种特性为代价。转基因方法则允许科学家把这些特性组合起来。

　　事实上，不论是在观赏植物领域还是农作物领域，或是医学等其它领域，DNA魔术和基因工程都在被广泛的应用着。在科学家发现了DNA的双螺旋结构，破译了遗传的密码之后，正在崛起的的生物技术极大的改观了我们的世界，并还将带来更加翻天覆地的变化。

DNA的双螺旋结构

　　长期以来，人们从许多初步实验中发现生物体之间的遗传性是由一个因子决定的，但一直不知道究竟是什么因子在决定这一现象。在本世纪40年代以前，许多人一直认为是蛋白质在其中起决定作用。直到1944年科学家埃弗里等人做了一个著名的实验，才证明了决定这种遗传性的物质不是蛋白质而是DNA。埃弗里的实验是这样的。他从有侵染活性的肺炎球菌中提取出DNA，将这些DNA和无侵染活性的肺炎球菌放在同一个培养基上培养。肺炎球菌有侵染活性时是带荚膜的光滑菌落，无侵染活性时是不带荚膜的粗糙菌落。埃弗里在实验中发现，这些不具侵染能力的粗糙菌落变成了有侵染能力的光滑菌落，而且在这个转化过程中用专门降解蛋白质的酶处理后，转化照样进行，而用专门降解DNA的酶处理后，这种转化就无法进行。实验证明在这个转化过程中是DNA在起作用，而不是蛋白质。

　　DNA是脱氧核糖核酸，它是除RNA病毒和RNA噬菌体外其它所有生物的遗传的物质基础。遗传的信息都贮存在DNA分子中，它直接决定生物体的遗传。孩子为什么有的地方像父亲，而有的地方像母亲呢？从本质上讲是因为孩子身上的DNA模板有一半来自父亲，另一半来自母亲。DNA把父母的遗传信息都带给了孩子，这就是我们常说的遗传。

　　在40年代解决了遗传的物质基础问题之后，1953年沃森和克里克根据碱基配对规律和DNA分子的Ｘ射线衍射图谱等实验结果，提出DNA分子结构的双螺旋模型。模型认为每股DNA链是由许多个单核苷酸借磷酸二酯键互相连接而成，每一个DNA分子是由两条方向相反、彼此平行的多聚核苷酸链组成，两条多聚核苷酸链都以右手螺旋的方式盘绕着同一中心轴，脱氧核糖和磷酸排列在其外侧；两条长链上的核苷酸是相对应的，其内侧的碱基相互配对，用氢键连接起来，即腺嘌呤（Ａ）与胸腺嘧啶（Ｔ）借两个氢键连接，鸟嘌呤（Ｇ）与胞嘧啶（Ｃ）借三个氢键连接，形成一条双螺旋梯形结构，故称为DNA双螺旋。每对碱基都处于同一平面，与中心轴垂直，两个碱基平面相互平行，间距3.4埃（1埃等于10－10米），螺旋的直径为20埃。DNA分子的长度就用碱基对数目来表示。这个模型合理的解释了DNA分子的复制、转录等过程，巩固了DNA作为基本遗传物质的地位。

双螺旋结构的发现

　　DNA首先在1869年由德国生化学家米舍尔所发现。其分子结构直到1953年才由美国生物化学家詹姆斯·沃森、英国分子生物学家弗郎西斯·克里克和英国生物物理学家莫里丝·威尔金斯确定。这三位科学家因此共同获得1962年的诺贝尔生理学或医学奖。

　　物理学家马克斯·德尔布吕克曾做过核裂变的发明者奥托·哈恩的助手。30年代初期，他在探访柏林威廉皇帝研究所遗传学部时遇到两位研究射线量与果蝇突变频繁程度之间的关系的同事。他们三人在一起长期讨论在当时还一直相当抽象的孟德尔要素的本质。1935年，他们共同发表他们的研究成果，其中内容包括在当时还从未听说的一些想法，例如突变可能是一个分子的变化，基因也不再是什么神秘的东西，而是一种物质的固定的单元，即遗传物质，加拿大细菌学家奥斯瓦德·艾弗里1944年将其确认为脱氧核糖核酸（DNA）。

　　只由4个不同部分组成的DNA将怎样承担生命和遗传的复杂任务呢？

　　1950年德国生物化学家埃尔温·沙加夫对该问题的解决作出关键性的贡献：他发现4个组成部分的每两个部分始终是等量的，每一个Ａ就有一个Ｔ，每一个Ｃ就有一个Ｇ。DNA的“基础”显然是以双数存在的。

　　奥地利物理学家埃尔温·施罗丁格尔1944年出版了一本小册子《什么是生命》引起很大的轰动。他在书中从纯理论方面提出一种遗传密码。英国科学家弗朗西斯·克里克和莫里斯·威尔金斯认真阅读了施罗丁格尔的《什么是生命？》，后来获得本世纪最重大的发明。

　 确定DNA分子结构固然离不开众多的科学家的共同努力，但是英国生物物理学家威尔金斯的Ｘ光绕射研究对于DNA分子的结构的确认起着举足轻重的作用。

　　威尔金斯1916年12月15日出生于新西兰的旁哥罗阿，他在剑桥大学获得学士学位后，于1940年获得伯明翰大学的物理学博士学位。1946年加入伦敦京斯学院从事日后使他获奖的DNA的研究。

　　二战以后不久，威尔金斯对DNA产生了浓厚的兴趣并观察到DNA的细微结构是一致的。为更好的了解DNA，他用Ｘ光绕射分析对DNA进行了研究，这是一种把结晶的物质暴露在Ｘ光下然后研究其绕射图案的技术。运用这种技术，他发现了DNA的分子是有规律的，研究还显示DNA结构有可能是螺旋体。在此基础上威尔金斯的同事年轻的女物理化学家罗莎琳德·富兰克林（1921—1958年）在伦敦国王学院的威尔金斯实验室借助于伦琴射线进行DNA结构分析证实，这种结构是由一恒定的距离重复单位组成，并指出已知存在于DNA中的磷酸盐基团可能位于螺旋体的外部。

　　以往的生物化学分析显示DNA是由互生磷酸、糖类、含氮碱基以及连接糖的含氮碱基组成。运用这一事实以及威尔金斯和富兰克林的绕射研究沃森和克里克才得以构出DNA分子的结构模型。当克里克在剑桥同很有天才的美国生物学家沃森第一次会面后不久，两人就决心单独研究DNA的结构———这真是一个大胆的计划。但是，他们的计划也有明显的缺点，没有从化学方面对该分子进行更多地研究。

　　利用已掌握的沙加夫的理论和富兰克林的研究成果，克里克和沃森开始着手这方面的工作：他们以极大的热情攒出一个高约两米的双螺旋模型，以此从化学方面来解释孟德尔的理论。生物学研究再一次经历认识上的飞跃。他们的模型标明DNA是一个双螺旋的结构，很像一段螺旋的梯子。1953年沃森和克里克发表其发现后，威尔金斯又进一步证明了这个沃森－克里克结构是能够解释绕射图案的唯一模型。

　　美国生物化学家詹姆斯·沃森1928年4月6日生于伊利诺伊州的芝加哥，1950年在印第安那大学获动物学博士学位。当他1951年在欧洲从事博士后工作时，看到威尔金斯对DNA的Ｘ射线绕射研究，因而对DNA分子结构发生了兴趣，不久在剑桥大学和克里克共同着手研究这一课题。他们研究了威尔金斯的Ｘ射线绕射现象和分子可能存在的立体化学结构，最终于1953年构出DNA分子模型。沃森从1956年开始到哈佛大学任教，1968年，担任纽约冷泉港量子生物实验室主任。

　　英国分子生物学家弗郎西斯·克里克1916年6月8日生于英国的北安普敦。1937年他从伦敦大学毕业后继续攻读物理博士。1939年第二次世界大战爆发后克里克休学，在此后的8年中他一直参与英国海军的科学研究。战后，克里克转而研究生物学，他在剑桥大学异端研究室工作两年之后于1949年转到以结晶技术研究巨分子结构著称的剑桥大学医学研究中心实验室，在那里，他对Ｘ光绕射模式的解释产生了浓厚的兴趣。1954年，克里克获得了博士学位，并成为该实验室的永久成员。

　　克里克是从1951年沃森到剑桥之后才开始对核酸的研究，他们二人密切合作，终于在1953年提出DNA的双螺旋结构。在这个发现之后，克里克开始研究DNA中的核苷酸是是如何转化成为蛋白质中氨基酸的排列顺序的。他指出，氨基酸在还没有和核酸分子合并之前会先附着在对应模分子上。1956年，克里克与沃森再度合作提出了病毒结构的基本理论。同时，他也十分注意对几种纤维性蛋白质，特别是胶原蛋白质的结构的研究。在1960年到1964年之间，克里克和南非生物学家布伦纳一道研究细菌病毒的遗传，在研究中他们仔细挑选了几种变种，以观察合成单一氨基酸所需要的核苷酸的数目。这项遗传实验证明，每个氨基酸是由三个核苷酸以密码单位所组成，并在此之后又陆续发表了许多氨基酸的组合密码，做出了巨大的贡献。

　　1959年克里克成为英国皇家学会的成员之一，并与他人一起共同创办了剑桥丘吉尔学院。克里克的著作有《论分子和人》以及多科学方面的论文。1962年克里克成为加州索尔克生物研究中心的客座研究员和伦敦大学学院的研究员。

　　克里克以螺旋状物说明了Ｘ光绕射的基本原理，并使他从众多的生物高分子研究专家中脱颖而出。此后，他提出了许多蛋白质Ｘ光绕射的说明和解释，他所提出的DNA结构和遗传密码的分解方法都是对科学研究做出的极大的贡献。

　　但是，在发现DNA结构不久，人们也已经清楚地认识到基因的采集和翻译的过程不能无控制地进行。法国人弗朗索瓦·雅各布和雅克·莫诺1961年指出DNA的分子“开关”支配着基因在一个复杂的结构中保持活跃或不活跃的状态。这是一个跟发现双螺旋一样有相似意义的突破。

　　这一突破在本世纪最后四分之一时间内再次引发一场科学革命：基因技术。自70年代初以来，生物学家已经能从所有生物那里提取DNA切片。

　　生物学最终从一门想要理解生命的分析科学突变成一门能改变生命并创造新的生物的合成科学。

DNA的基本功能

　　遗传物质DNA的基本功能有两方面，一是通过复制在生物的传种接代中传递遗传信息；另一方面，在后代的个体发育中能使遗传信息得以表达，从而使后代表现出与亲代相似的性状。

　　生物体要维持种族的延续，就必须把它们的遗传信息稳定的传给下一代，也就是说要把DNA分子稳定的传给后代。这就涉及到DNA分子的复制。

　　DNA的复制是指以亲代DNA分子为模板来合成子代DNA的过程。能够自我复制是遗传物质的重要特征之一。染色体能够复制，基因能够复制，归根结底是DNA能够复制。

　　DNA的复制发生在细胞的有丝分裂或减数分裂的第一次分裂前的间期这时，一个DNA分子双链之间的氢键断裂，两条链彼此分开，叫作DNA的解旋。解旋时，亲代DNA分子利用细胞提供的能量，在解旋酶的作用下，氢键断裂，部分双螺旋链解旋为两条平行的双链。之后，以单股DNA为模板，在引物酶的作用下，合成由几十个核苷酸组成的RNA引物。在DNA聚合酶的作用下，以单股DNA为模板按照碱基配对原则，在RNA引物末端合成DNA。这时，在核酸酶的作用下切掉引物，在DNA聚合酶的作用下，将引物部位换上DNA，这时的DNA片段仅由1000－2000个核苷酸组成，最后，在连结酶的作用下，这些片段连接成一条完整的DNA链。新链和旧链构成DNA双链。复制完毕时原来的一个DNA分子即成为两个DNA分子，因为，新合成的每个DNA分子都含有一条原来的链和一条新链，所以这种复制方式称为半保留复制。

　　DNA分子同一些蛋白质结合在一起，通过螺旋、扭曲、折叠等方式压缩8000至10000倍而形成染色体，并存在于细胞核中。生物体细胞核中DNA长度各不相同，它的长度并不能完全反映出遗传的复杂性，因为并不是所有的DNA序列都能按照三联体密码来编码蛋白质。这里就需要提到基因的概念了。基因是能按中心法则合成蛋白质的DNA片段，而其它的DNA片段则不能。每一个生物都有各自独特的DNA结构，相应的每一个基因也有各自独特的DNA结构。编码出特定结构的蛋白质执行特定的生理功能，这些具有生理功能的蛋白质就是我们所说的酶。生物体内没有哪个生理生化过程是不需要酶的参与的，因此一切酶的合成，进而是一切生理生化反应过程，根本上都要受到基因的控制，这就是基因工程的理论基础。

　　DNA是通过控制蛋白质的合成以实现其对性状的控制。蛋白质是组成生物体的重要成分，生物体的性状主要是通过蛋白质来体现的。具有一定结构的DNA可以控制合成相应结构的蛋白质。但是，由于DNA主要存在与细胞核里，而蛋白质的合成是在细胞质里进行的，所以遗传信息不能直接由DNA传递给蛋白质，而需要另一种核酸RNA来帮助完成。

　　RNA是核糖核酸，在化学结构上与DNA有所不同，RNA的核苷酸有磷酸、戊糖和碱基组成。但RNA的碱基是腺嘌呤（Ａ）、鸟嘌呤（Ｇ）、包嘧啶（Ｃ）和尿嘧啶（Ｕ）。RNA的种类也很多，主要有三类，它们是信使RNA、核糖体RNA和转运RNA。

　　DNA控制合成蛋白质的过程包括了“转录”和“翻译”两个重要步骤。转录是在细胞核内完成的，它是指以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成RNA的过程。由于RNA没有碱基Ｔ，而有碱基Ｕ，所以在合成RNA的过程中，就以Ｕ代替Ｔ与Ａ配对。

　　遗传信息的转录过程是在RNA聚合酶的催化作用下进行的。当RNA聚合酶与DNA分子的某一启动部位相结合时，DNA的这一特定片段的双股螺旋解开，以其中的一条链为模板，按碱基配对法则，使细胞里已经制成的四种核苷酸（它们分别含有Ａ、Ｇ、Ｃ、Ｕ）聚合成与该片段相对应的信使RNA分子。这样，DNA中的遗传信息“转录”到了信使RNA上。

　　接着是由信使RNA将遗传信息翻译为蛋白质的过程。信使RNA形成以后，从细胞核中出来进入细胞质，与核糖体结合起来。核糖体是细胞内将氨基酸合成蛋白质的场所。那么，氨基酸是怎样被送到核糖体中信使RNA上去的呢？这时，转运RNA就要起作用了。转运RNA的一端有三个碱基，它们能与信使RNA的碱基配对；转运RNA的另一端是携带氨基酸的部位，每一种转运RNA只能转运一种特定的氨基酸。当转运RNA运载着氨基酸进入核糖体后，就会以信使RNA为模板，根据碱基配对原则，把所运载的氨基酸放在相应的位置上。接着，信使RNA离开核糖体再去转运相应的氨基酸。这样，就可以以信使RNA为模板，把氨基酸一个个连接起来，合成为具有一定氨基酸顺序的蛋白质。我们知道，蛋白质是由比较普遍存在的20种氨基酸按照一定的顺序连接起来的。不同的蛋白质，组成它的氨基酸顺序就不同。可是，RNA只有4种核苷酸，这4种核苷酸是如何决定20种氨基酸的排列问题呢？科学家们经过研究证实，每一个氨基酸都是由三个碱基决定的，同时，科学家们还弄清了究竟哪三个碱基决定哪种氨基酸。遗传学上把信使RNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基叫做“密码子”。科学家们在1967年时破译了全部密码子。

发展方向

　　在二十一世纪即将到来之际，世界生物学研究走到了一个重大转折点：人类基因图谱计划的实施。人体每个基因都由数万个碱基对组成，按顺序排列组成脱氧核糖核酸（DNA）链。人类基因图谱计划的目标，就是要寻找出人体所有10万个基因30亿个碱基对在DNA链上的准确位置，弄清各个基因的功能，对它们进行编目，最终绘制出包含人体部遗传密码的图谱。到目前为止，科学家还只破译了10万个人体基因中的大约百分之三十。

　　许多国家不惜巨额投入，组织大批科学家进行攻关，希望率先夺取生命科学领域的这一“圣杯”。

　　人类基因组是指编码在染色体DNA双螺旋结构中的全部遗传信息，包含了人类大约10万个基因。科学家迄今只破译了其中的5000个。人类基因组计划的目标是破译人类DNA分子的全部核苷酸顺序，建立完整的遗传信息数据库。它将成为21世纪生命科学的资源库，并将促进生物学的不同领域如神经生物学、细胞生物学、发育生物学等的发展；医学也将从中获得极大益处，5000多种遗传性疾病以及恶性肿瘤、心血管疾病和其它严重危害人类的疾病都有可能得到预测、预防、早期诊断和治疗的方法。由人类基因组计划发展起来的新技术、新策略也适合于农业、工业和环境科学。

　　美国国会早在1987年就通过了实施人类基因组计划的预算，1990年计划正式实施，1998年7月真正开始进行大规模基因测序，目前已破译出了大约30181个基因的遗传密码。有关测序工作分三步进行，首先沿着DNA链每隔一定的距离设置“路标”，把基因分为许多片段；然后“各个击破”，具体对各片段进行测序；最后进行精加工，对测序结果进行补充和修正。由于技术的进步和大规模测序手段的出现，该计划可能提前于2003年完成。　

　　此外，应接不暇的研究成果可能影响到生物学领域之外。摩托罗拉公司成立了一个研究小组，研究利用基因拼接和基因组设计制造计算机的可能性。其思想是以脱氧核糖核酸（DNA）分子为基础，制造在某些计算方面远远胜过当今数字计算机的DNA计算机。大学里的科学家已经造出了原始的DNA计算机。一些科学家认为，生物世纪还将使电子业进入一个新时代。由于DNA的螺旋结构中塞满了信息，而且比最密集的微芯片上存储的信息量要多出成百万倍，因此把基因作为计算的基础对科学家有很大的吸引力。当然，用DNA进行一次数学计算也许要花一个小时，相比之下，硅芯片只需用零点几秒。但是，硅芯片在同一时间只能做一件事，相比之下，DNA计算机在理论上则能同时做一万万亿件事。不过，DNA要赶上硅芯片还要经历一段漫长的道路。

　　世界正在争先恐后地迈入生物世纪。即使在各个科学领域起领头作用的科学家也不清楚这条道路将伸向何方。基因组研究所的文特尔想知道，我们是否拥有理解人体内8万个基因如何能够以一种盘根错节的和谐方式一起工作的智力，从而创造出能够思考自己的起源和命运的人。随着我们迈入下个世纪，生物技术显然将会在人类历史的宏图中绘上自己的一笔。（本文摘自《百年科学发现》）