艾弗里肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)史實(shí)的梳理與分析

趙婷婷

(天津師范大學(xué)教師教育學(xué)院 300387) 何一清* (天津大學(xué)教育學(xué)院 300072)

1 實(shí)驗(yàn)還原

艾弗里團(tuán)隊(duì)對(duì)肺炎雙球菌“轉(zhuǎn)化因子”的研究是揭露基因本質(zhì)的重要實(shí)驗(yàn)，與科學(xué)史上的眾多研究一樣，該實(shí)驗(yàn)也是在前人基礎(chǔ)上進(jìn)行的：早在1928年，格里菲斯已在小鼠體內(nèi)成功進(jìn)行了肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)；1931年，Dawson與Sia在試管內(nèi)(而非小白鼠體內(nèi))成功實(shí)現(xiàn)了體外轉(zhuǎn)化；1933年，Alloway將S型菌破碎、過(guò)濾后得到無(wú)菌提取液，并發(fā)現(xiàn)這種無(wú)菌提取液也可以引起轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的發(fā)生[1]。無(wú)菌提取液同樣能夠引起轉(zhuǎn)化給了艾弗里提示，說(shuō)明提取液內(nèi)含有被稱(chēng)為“轉(zhuǎn)化因子”的物質(zhì)。于是，艾弗里花了10年的時(shí)間對(duì)“轉(zhuǎn)化因子”進(jìn)行研究。由于艾弗里實(shí)驗(yàn)并不是檢驗(yàn)“轉(zhuǎn)化因子”究竟是哪種成分，而是提純“轉(zhuǎn)化因子”后加以鑒定，因此會(huì)牽涉到樣品純度的問(wèn)題。

艾弗里團(tuán)隊(duì)通過(guò)觀察菌落形態(tài)來(lái)判斷轉(zhuǎn)化活性，方法如下：對(duì)S型細(xì)菌提取液進(jìn)行處理，然后稀釋到不同梯度，加入含R型細(xì)菌的特定培養(yǎng)基中，如果菌落發(fā)生明顯變化，就說(shuō)明在相應(yīng)梯度下能夠發(fā)生轉(zhuǎn)化，能引起轉(zhuǎn)化的最低稀釋梯度就表征了提取液處理物的轉(zhuǎn)化活性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)除去多糖、蛋白質(zhì)和核糖核酸并不會(huì)引起轉(zhuǎn)化活性的太大變化。艾弗里團(tuán)隊(duì)將“轉(zhuǎn)化因子”不斷純化，最終提純產(chǎn)物轉(zhuǎn)化活性極高，在1.33×10-9g/mL的濃度下還可以引起4個(gè)平行實(shí)驗(yàn)中2個(gè)試管內(nèi)R型細(xì)菌的轉(zhuǎn)化[1]。他們對(duì)提純的“轉(zhuǎn)化因子”進(jìn)行了一系列物理、化學(xué)和酶學(xué)分析，最后確定“轉(zhuǎn)化因子”為DNA。但由于提純所得到的DNA純度并非100%，就連艾弗里自己在1944年所發(fā)表的論文中也謹(jǐn)慎地指出“當(dāng)然也有可能，前面談到的這種物質(zhì)的生物學(xué)活性并不是核酸的一種遺傳特性，而是由于某些微量的其他物質(zhì)所造成的”。但同時(shí)，他也自信地指出“有可靠的證據(jù)充分說(shuō)明它(DNA)實(shí)際上就是轉(zhuǎn)化因素”[1]?？上У氖?，由于蛋白質(zhì)雜質(zhì)的存在，這一劃時(shí)代的研究成果在當(dāng)時(shí)并未很快被科學(xué)家所接受。

2 被忽視的原因

為什么學(xué)界對(duì)艾弗里團(tuán)隊(duì)得出的結(jié)論并不信任呢？這種懷疑一定程度上與20世紀(jì)早期的一項(xiàng)錯(cuò)誤推論有關(guān)，即1915年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主威爾斯塔特曾宣稱(chēng)獲得了不含蛋白質(zhì)的酶，并得出酶不是蛋白質(zhì)的結(jié)論，但后來(lái)被證明他的制備物中未檢測(cè)到蛋白質(zhì)是因?yàn)槠浜窟^(guò)低，實(shí)際上酶活性還是來(lái)自于蛋白質(zhì)。于是學(xué)界擔(dān)憂(yōu)艾弗里的研究結(jié)果也有類(lèi)似的錯(cuò)誤[2]。

不過(guò)，對(duì)DNA作用的懷疑主要還是來(lái)自于“DNA無(wú)法承擔(dān)攜帶復(fù)雜的遺傳信息的任務(wù)”這一根深蒂固的認(rèn)識(shí)。在當(dāng)時(shí)，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到染色質(zhì)是由DNA和蛋白質(zhì)組成的，而基因又位于染色體上，所以遺傳物質(zhì)應(yīng)該是這兩者之一。不幸的是，當(dāng)時(shí)生物化學(xué)界的權(quán)威列文由于受到計(jì)量精度的限制，誤以為4種堿基含量都是一樣的，提出了4種核苷酸組合成一個(gè)單元，然后這些單元聚合形成DNA的“四核苷酸假說(shuō)”，這樣的DNA就與糖原一樣，是同一結(jié)構(gòu)高度重復(fù)的多聚體(如ATCGATCG……的高度重復(fù))，很難想象它能承載復(fù)雜的遺傳信息；而蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，氨基酸排列方式可以多種多樣。20世紀(jì)50年代前，大家都傾向于蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)。所以，艾弗里團(tuán)隊(duì)“DNA就是轉(zhuǎn)化因子”的結(jié)論在當(dāng)時(shí)很難被接受。

3 影響

雖然艾弗里團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論并未得到學(xué)界的普遍認(rèn)可，但也在一些人的心中激起了新的研究熱情，代表人物如奧地利科學(xué)家查戈夫。在20世紀(jì)40年代末，查戈夫運(yùn)用層析法和紫外分光光度法這兩種當(dāng)時(shí)的新方法來(lái)研究DNA，并提出著名的“查戈夫法則”。法則指出：①不同物種的DNA其堿基組成比例相差甚遠(yuǎn)，同一物種不同器官的DNA則組成一致；②DNA的4種堿基含量不同并存在規(guī)律，腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾比是1，鳥(niǎo)嘌呤和胞嘧啶的摩爾比也是1。該研究結(jié)果明顯推翻了“四核苷酸假說(shuō)”，因?yàn)樵凇八暮塑账峒僬f(shuō)”中，4種堿基含量是完全一致的，不同物種的DNA也不會(huì)有差別?！安楦攴蚍▌t”對(duì)于克里克和沃森建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)影響很大，同時(shí)也為人們接受艾弗里“DNA是轉(zhuǎn)化因子”的結(jié)論打開(kāi)了一扇窗，學(xué)界此時(shí)已經(jīng)做好了接受“DNA是遺傳物質(zhì)”的準(zhǔn)備。1951年，赫爾希和蔡斯通過(guò)同位素示蹤法進(jìn)行噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)。盡管他們?cè)谡撐闹械慕Y(jié)論下得小心翼翼：“含硫的蛋白質(zhì)在噬菌體增殖中不起作用，而DNA有些作用”[1]，但學(xué)界的反應(yīng)卻是迅速接受了“DNA是遺傳物質(zhì)”這一今天看來(lái)十分重要的觀點(diǎn)。除了他們實(shí)驗(yàn)本身的特點(diǎn)外，這也與艾弗里團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)為這個(gè)觀點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)有關(guān)。另外，幾年間人們對(duì)于DNA結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)又有了重要的進(jìn)展。

很遺憾的是，艾弗里于1955年去世，未能獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。他在世時(shí)也獲得過(guò)提名，但由于種種原因最終還是并未獲獎(jiǎng)。多年后，諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)承認(rèn)：“艾弗里于1944年關(guān)于DNA攜帶遺傳信息的發(fā)現(xiàn)代表了遺傳學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)重要的成就，他沒(méi)有獲得諾貝爾獎(jiǎng)是很遺憾的”[3]。歷史最終記住了這位科學(xué)家的成就。

鑒于艾弗里研究的重要意義，在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)運(yùn)用好科學(xué)史材料，挖掘其豐富的內(nèi)容，將這一研究對(duì)遺傳學(xué)發(fā)展的重要性和科學(xué)家認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯繎B(tài)度傳遞給學(xué)生，還可以引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)到不盲從于權(quán)威、勇于質(zhì)疑在科學(xué)研究中非常必要。