“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)之母”解析DNA的過程和方法*——紀(jì)念英國科學(xué)家羅莎琳德·富蘭克林博士百年誕辰

陸瓊衡 （上海市婁山中學(xué) 上海 200051）

1962年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎得主之一的詹姆斯·沃森在其1968年回憶錄中肯定了羅莎琳德·富蘭克林對其研究成果的重要貢獻(xiàn)。2003年，時值DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)50 周年，沃森和克里克均坦承羅莎琳德對于他們發(fā)現(xiàn)DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用。至此，被譽為“DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)之母”的羅莎琳德·富蘭克林的豐功偉績已經(jīng)被全世界公認(rèn)。

1 輝煌的成果

1953年初是今人眼中解析DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的最后沖刺關(guān)頭。羅莎琳德曾以健康和寶貴生命為代價，艱辛探索而獲得的2 項科研成果，使沃森和克里克2 人在關(guān)鍵時刻彌補了最缺乏的必要基礎(chǔ)，以“堿基配對”規(guī)律的優(yōu)勢在《自然》雜志3 篇論文中排名第一（表1），摘取了9年后的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎。

表1 英國《自然》（Nature）雜志在1953年4月25日同期刊登3 篇關(guān)于DNA 結(jié)構(gòu)的論文

2 積跬步至千里——解析DNA 雙螺旋的過程和方法

羅莎琳德去世后，她在倫敦大學(xué)伯貝克學(xué)院最親密的同事和朋友亞倫·克盧格爵士（Aron Klug，1983年諾貝爾化學(xué)獎得主）通過詳細(xì)分析她交托保管的當(dāng)年在國王學(xué)院全職研究DNA 時收集的大量數(shù)據(jù)、撰寫的報告、發(fā)表的5 篇論文，以及記在紅色小練習(xí)本上的實驗筆記［2］，判斷出她在1953年初距解析DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)已僅咫尺之遙。克盧格在他于《自然》發(fā)表的2 篇文章中曾報道了羅莎琳德所取得的杰出成就［1，3］。

2.1 1951年11月第1 次建立B 型DNA 螺旋模型（表2） 1951年11月，富蘭克林在國王學(xué)院進(jìn)行了演講，對數(shù)據(jù)和最新得到的A、B 型DNA 的X射線衍射圖作了報告，沃森也聽了報告。

表2 羅莎琳德1951年11月報告的具體研究過程

2.2 1952年5月憑借“DNA 照片51 號”第2 次建立B 型DNA 模型 X 射線衍射的基本原理是：晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，當(dāng)一束單色X 射線入射到晶體時，原子間距離與入射X 射線波長有相同數(shù)量級，由不同原子散射的X 射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強X 射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。羅莎琳德之前在法國巴黎中央政府化學(xué)實驗室的3年學(xué)習(xí)使她精通于用X 射線衍射技術(shù)解決有機物構(gòu)造［5］。

1952年5月，羅莎琳德用X 射線束對準(zhǔn)一根超濕潤的DNA 纖維足足照射了62 h 后，第1 次得到一張極為清晰的DNA 照片“51 號照片：DNA 晶體X射線衍射照片（DNA Photograph 51）”,其簡單的十字紋清楚表明這是一個螺旋形分子。該照片至今仍被公認(rèn)為所有X 射線照片中最美之一［6］（圖1、圖2）。

圖1 羅莎琳德在拍攝X 射線衍射照片

圖2 51 號照片：DNA 晶體X 射線衍射照片（DNA Photograph 51）［7］

結(jié)合照片，羅莎琳德進(jìn)行了更為詳細(xì)的分析。她首先對B 型DNA 的物理參數(shù)進(jìn)行測量：她從衍射圖象的點及點的密集程度出發(fā)，并考慮衍射點的分布特點，將專門用于解決X 射線晶體衍射問題的帕特森函數(shù)（Patterson function）分析中的重疊法應(yīng)用于圖片分析，將衍射圖像詮釋為分子中的各種化學(xué)鍵的鍵長、鍵角等結(jié)構(gòu)要素，使所得結(jié)果更加可靠，完善了她此前1951年11月推斷的DNA 的輪廓，第2 次得出DNA 模型：DNA 應(yīng)為雙螺旋，2 條鏈向2 個相反方向伸展［5］。

2.3 1952年12月第3 次建立B 型DNA 模型 1952年底，羅莎琳德拍攝了堪稱完美的B 型DNA衍射照片，并分析得出：磷酸基團必定是在DNA分子的外部，堿基排列在內(nèi)側(cè)［5］。另外，按照布拉格父子（Bragg W.H.和Bragg W.L.）提出的布拉格公式，她計算出DNA 分子平均直徑和相鄰核苷酸之間的間距［8］：螺旋的直徑為20 ?，間距3.4 ?［5］。（1 ?=10-10m，即納米的十分之一）。1952年12月，富蘭克林將這些研究結(jié)果寫成報告后上交，被收錄在一份MRC 報告中，后來被分發(fā)給評審委員會成員?？死锟烁鶕?jù)報告中羅莎琳德的基本數(shù)據(jù)糾正了他在1951年11月報告會上記錄的錯誤。由此他認(rèn)為：這顯示DNA 擁有方向相反的雙股螺旋。

2.4 1953年2月24日得出結(jié) 論：A、B 2 種DNA皆為雙股螺旋 富蘭克林通過鍥而不舍的研究，還對A 型DNA 作了圓柱帕特森映射計算，確定了A型DNA 分子的密度、單位原胞尺度和含水量和對稱性（即翻轉(zhuǎn)180 度之后看起來還是一樣）［9］。在此基礎(chǔ)上她建議了一種包括直徑的精確測量、同軸纖維沿纖維軸向的間隔及螺旋的螺距的DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)。1953年2月24日，羅莎琳德得出A、B 2 種DNA 皆為雙股螺旋的結(jié)論。而4 d 之后，1953年2月28日，獲得富蘭克林2 項重大研究成果的沃森與克里克就宣布他們發(fā)現(xiàn)了雙股螺旋模型。羅莎琳德距離DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)僅一步之遙——就是“DNA 鏈上一對特定的堿基通過氫鍵構(gòu)成堿基對”。羅莎琳德也一直在思考怎樣將堿基嵌進(jìn)去。在她的筆記里體現(xiàn)了這位杰出的實驗科學(xué)家、優(yōu)秀的分析家知道里面有堿基，還談到過堿基的互換性（圖3）。相信她會以她的方式同樣從查伽夫（Erwin Chargaff）規(guī)則中很快發(fā)現(xiàn)這一特點。

圖3 羅莎琳德從1951年起使用的筆記本摘錄［10］

3 被世界公認(rèn)的“DNA 雙螺旋之母”

從1941年劍橋大學(xué)畢業(yè)后的17年的科研時間里，羅莎琳德矢志不渝、鍥而不舍，先后在煤的物理化學(xué)、DNA 的晶體結(jié)構(gòu)和病毒蛋白結(jié)構(gòu)這3 個領(lǐng)域里功勛卓著，后二者均有資格使她榮獲諾貝爾獎。DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)只是她完整流暢的才華表現(xiàn)中的一個成果。無論做什么，她都做到極致。哪怕由于長期暴露于X 射線下而罹患了癌癥，她都堅持樂觀工作，直到生命的最后一刻。她從不鉆營，毫不取巧，正如古語道：上善若水，水善利萬物而不爭。

自1968年以來，人們對于英年早逝的英國科學(xué)家羅莎琳德·富蘭克林博士不僅寄予深切緬懷、高度評價，而且著力于磨洗史海鉤沉，還原事實真相，對于這位品格高尚、成就超群的科學(xué)家予以全面承認(rèn)。2002年P(guān)atricia Hewitt 設(shè)立每年3 萬英鎊的富蘭克林獎［5］；英國皇家學(xué)會設(shè)立了“富蘭克林獎”；英國劍橋南部基因組園區(qū)的人類基因圖譜資源中心改名為富蘭克林中心［11］；2003年國王學(xué)院新建大樓以她和威爾金斯命名；芝加哥醫(yī)學(xué)院于2004年正式更名為羅莎琳德·富蘭克林醫(yī)科大學(xué)；歐-俄聯(lián)合研制的一臺現(xiàn)定于2022年發(fā)射的火星漫游車也以“羅莎琳德·富蘭克林”命名。

斯人已逝，一縷香魂隨風(fēng)散。唯有清晰梳理羅莎琳德·富蘭克林博士解析DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程和方法，才能贊同這位為人類科學(xué)事業(yè)獻(xiàn)身的卓越青年女性被譽為“DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)之母”乃是實至名歸。