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被后世遗忘的科学家:DNA结构发现之旅的开拓者

2018-12-11 17:59admin中国电力时空网

当詹姆斯·迈克尔·克里斯(James Michael Creeth)成功在从小牛胸腺采集的DNA样品中加入酸之后,他不仅完成了足以让他获得博士学位的实验,也为一项将会改变世界的发现铺平了道路。

剑桥大学的科学家詹姆斯·沃森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)发现DNA双螺旋结构的事迹广为人知,还有罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)和莫里斯·威尔金斯(Maurice Wilkins)也常因成功捕捉DNA分子的图像而被后人记住。然而,在这项本世纪最重要的科学发现之一的背后,还有几位科学家起到了关键作用,可惜却默默无闻并不为人所知。

1947年秋天,克里斯和他的博士生导师发表了一篇论文,论文中所描述的发现,完整了证明DNA分子是如何结合在一起的证据,他们的重要发现就是——DNA分子里含有氢。正是因为证明了氢键是DNA的分子胶,沃森和克里克才得以得出DNA分子必须是两条呈双螺旋结构的结论,不仅如此,克里斯的发现也是使现代遗传学变得可能的前提。

被后世遗忘的科学家:DNA结构发现之旅的开拓者

○ 本文作者Stephen Harding(右)与Guy Channell(左)比较克里斯与克里克和沃森的DNA模型。| 图片来源:Judith Wayte, Author provided

克里斯自己还制作过一个较为简易的DNA模型,形状也是两条连在一起的链,与实际的DNA结构很相近。可惜的是,当时他的发现并没有引起大众的注意。为了纪念他发现DNA中的氢键,在70年后的今天,诺丁汉大学在当年他进行这一研究的大楼里举办了一个特别的会议,并为他在入口处设立了专门的纪念牌匾。

DNA之谜

克里斯于1924年出生于英国,在北安普顿郡当地的文法学校接受初级教育。他在当时名为——诺丁汉学院大学——的现诺丁汉大学攻读化学。从诺丁汉毕业后,他继续在化学家古兰德(J. Masson Gulland)和乔丹(Denis O. Jordan)的指导下攻读博士学位,并在他们的帮助下得出了这一划时代性的结论。

当时正处于人们对DNA研究的兴趣日趋增长的阶段,因为那时科学家已经怀疑它可能是与基因以及遗传相关的关键性物质。在那之前,已有研究表明DNA是由核苷酸组成的,每个核苷酸都包含一个被称为脱氧核糖的糖残基、一个磷酸基团分子和一个含氮碱基。含氮碱基有五种可能,包括胸腺嘧啶(T),胞嘧啶(C),尿嘧啶(U)、腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)。

但当时人们并不清楚DNA分子是如何构建并结合在一起、又是如何记录基因信息的,这种对DNA结构的未知引来了许多不正确的推测,当时有些科学家甚至猜想DNA应该是球形。只有继续弄清楚DNA的确切结构,才能有可能揭示藏在遗传密码中的秘密。

在当时,克里斯的同学斯雷福尔(C.J. Threlfall)和泰勒(H.F.W. Talyer)已经在这方面取得一定进展。斯雷福尔知道该知如何纯化DNA样本,让它能被用于结构检测。然后,古兰德、乔丹还有泰勒用一种叫pH电位滴定的方法,来测定被加入酸或碱的纯化DNA的pH值,并研究其pH值会如何变化。

当他们没能得到预计的结果时,他们推测这可能是由于有氢键存在于DNA结构中。这种现象发生在当氢原子与包括氧和氮在内的某些其他原子共享电子时,并且能影响分子的整体形状。

最后决定性的一个步骤是由克里斯利用一种称为粘度测定的技术完成的,它能测量在溶液中DNA分子的大小,并记录其如何改变。当往溶液中加入强酸或强碱时,其“粘度”或厚度(流动阻力)会急剧下降,这意味着有氢键存在。于是他们得出结论——氢键是让相邻的核苷酸碱基连在一起的关键。

当氢键被酸或碱不可逆地破坏之后,DNA分子则被分解成更小的单元,溶液的流动性也随之加剧。尽管克里斯和他的导师们从未完全精准的了解DNA的确切结构,但他们却证明了氢键是DNA分子的重要组成部分。

完美契合

在克里斯于1947年提交的博士论文中,准确地预测了DNA的双链分子结构,而且每条链的外部都有一个磷酸糖骨架、内部则为氢键基。他预测的这种双链结构完全符合DNA的生物学功能。氢键的强度足够强到让两条互补链可以结合在一起;但也足够弱,因此可以被分开、读取或复制,这些都是细胞分裂以及基因传递的基础。

被后世遗忘的科学家:DNA结构发现之旅的开拓者

○ 克里斯在博士论文中描绘的DNA结构与实际结构的对比。| 图片来源:University of Nottingham (左) and Mary Phillips-Jones (右)

可惜的是,在这一发现不久之后,这支研究团队就失散了。古兰德不幸在一场火车车祸中丧生,乔丹则搬去了澳大利亚的阿德莱德大学。因此最终对DNA确切结构的研究便留给了克里克和沃森,他们发现,氢键的存在迫使DNA链成扭曲的双螺旋排列。

虽然这三位诺丁汉大学的科学家没能与DNA结构建立起最后的联系,但他们所完成的工作对于DNA结构的研究可谓至关重要。克里斯在退休后回忆说:“事后想来,当时我们得到不仅是匆匆一瞥,而是清楚地看到了这一DNA分子间的连接,这就是通往地球生命的关键啊!”

文:Stephen Harding

译:小绵泡

原文链接:https://theconversation.com/the-forgotten-scientist-who-paved-the-way-for-the-discovery-of-dnas-structure-86978