落秋中文

DNA能够传递生物的性状（第2页）

卢里亚灵光一闪

在两人的共同研究中，最为重要的就是关于大肠杆菌突变的研究。大肠杆菌在感染噬菌体后会溶解，但其中也有一些会产生耐性（抗性）的。关于噬菌体变异出耐性的原因，有两种说法。

其一，是大肠杆菌自身所具有的生理性环境响应机制（在这里特指对噬菌体的响应）；其二，是自然出现的突变。不过，即便发现大肠杆菌出现了变异，但却无法区分这究竟是突变，还是接触噬菌体所导致的变异。

卢里亚怎么也想不出个好法子来，为了散心，就和朋友一起去参加聚会游玩。聚会上，大家都围着老虎机[1]欢闹个不停，唯有卢里亚很是清醒，“反正也肯定中不了”。朋友却很起劲地说“万一中了呢”，拉动着老虎机的拉杆，硬币却是越花越多。卢里亚苦笑着说“你看吧”，却没想到此时发生了奇迹。朋友竟然中了头奖。奇迹一次又一次地发生，朋友赚得盆满钵满。这时的卢里亚也意识到自己中了头奖。“原来是这样，我明白了！”卢里亚的喊声响彻聚会现场。他终于找到了能够分辨大肠杆菌变异情况的方法。

卢里亚灵光一闪的想法，可以简单地这样说明：如果大肠杆菌是因为接触噬菌体而变异出了耐性菌，那么只要保持噬菌体和大肠杆菌混合的浓度及培养条件不变，那么耐性菌出现的比例就总会是相同的；而如果耐性菌是因为突变产生的，那么即便培养条件相同，耐性菌也总会是随机出现的。这就像是在老虎机上抽中头奖一样！

实验数据显示，耐性菌的出现是随机的。德尔布吕克利用卢里亚的数据建立起了数学模型，史上首次计算出了突变率（1943年）。利用物理学的方法论来分析生命的奥秘，这正可谓是德尔布吕克和卢里亚两人的胜利。之后，又有其他许多研究者紧跟他们的步伐，利用耐药性和X射线来研究大肠杆菌的突变。大肠杆菌和噬菌体也作为遗传学、分子生物学的模式生物被确定下来。

再来为大家介绍卢里亚的两项成就：其一，是预言了限制性核酸内切酶的存在；其二，是用电子显微镜拍摄了寄生在大肠杆菌上的噬菌体的照片。限制性核酸内切酶是切割DNA的酶，对于重组DNA技术而言是不可或缺的，也是分子生物学中必需的一种工具。电子显微镜1939年发明于德国。商用版本的电子显微镜正巧在卢里亚前往美国时上市，并在1941年被进口至美国。

在当年12月，受卢里亚委托拍摄了大肠杆菌和噬菌体的照片的，其实是托马斯·安德森。这张电子显微镜照片，后来成了找到证明DNA就是遗传物质的决定性证据的关键。

赫希的苦难

找到这一证据的，是本节的第三位主角，阿弗雷德·赫希。他在德尔布吕克与卢里亚携手之初（1940年）就和他们一起利用大肠杆菌和噬菌体开展研究。他也取得了不少成绩，其中让他声名鹊起的那项研究，直接揭示了DNA正是传递生命性状的遗传物质本身，这就是著名的“赫希–蔡斯实验”。

赫希在1950年赴任冷泉港实验室（也就是召开“夏令营”的地方），他对噬菌体的电子显微镜照片很感兴趣。受卢里亚委托拍摄大肠杆菌的安德森同时也是赫希的朋友。通过细致观察几张照片，赫希发现噬菌体的头部呈正二十面体形，头下有细细的外鞘，外鞘的底部有名为“刺突”的足状结构。

噬菌体看来会凭借刺突附着在大肠杆菌表面，然后将外鞘插在大肠杆菌的细胞膜上。在大肠杆菌表面，还能看到噬菌体的破损残骸。

赫希心想，难道说噬菌体是通过外鞘将头部的内容物送入大肠杆菌内侧，从而溶解大肠杆菌的吗？（实际上，之后人们也的确在外鞘的顶端发现了能够在细胞膜上开洞的酶）。如果真的是这样，那么噬菌体在复制时所需要的，就只有噬菌体头部所储存的“某种物质”了。

通过对噬菌体进行化学分析，可知它是由核酸（此处为DNA）和蛋白质构成的。噬菌体送入大肠杆菌之中，并进行自我复制时所必需的“某种物质”，应该就是DNA或蛋白质其中之一，或者两者皆是。想要确认这一点，就需要给噬菌体的DNA和蛋白质做标记（贴标签）加以区分。

赫希选择的是当时最新的技术，使用放射性同位素作为“示踪剂”（tracer）。放射性同位素，简单来说就是比普通的元素拥有更多中子的元素。中子多的元素中，有一些原子核并不稳定，会崩溃并释放出能量（辐射和热）。这也就是核电的原理。同位素在生物体内基本上也发挥着同样的作用。因此，用少量放射性同位素来替换生物分子中的原子，就能够检出微量的辐射，从而确定生物分子在生物体内的位置。

赫希想到可以用DNA内含有而蛋白质不含的元素磷（P），以及蛋白质内含有而DNA不含的硫（S）来做标记。不过其实也存在含有磷酸根的蛋白质（比较有名的有牛奶中的酪蛋白和卵黄磷蛋白）。针对这个实验，更加准确的说法是噬菌体的蛋白质不含磷。

赫希让当时自己指导的研究生玛莎·蔡斯担任助手，开始实验（这也是实验被称作“赫希–蔡斯实验”的原因）。磷的同位素32P和硫的同位素35S放入培养液中，没想到噬菌体很轻易地就将其吸收了。

不过，困难才刚刚开始。大肠杆菌感染噬菌体后，赫希却找不到将做好标记的噬菌体顺利地从大肠杆菌表面分离的方法。如果噬菌体一直附着在大肠杆菌表面，那就无法判断示踪剂究竟是进入了大肠杆菌，还是残留在噬菌体身上。微生物大肠杆菌的表面实在是过于微观了，用手分离噬菌体当然是无法完成的工作。不过，赫希心想，毕竟都是在培养液里，要是用力搅拌的话，说不定能分离开来。

家用搅拌机怎么样

毕竟是全世界第一次有人开展这样的实验，自然没有什么专用的工具。赫希和蔡斯尝试了种种方法：搅拌如果太用力，会连大肠杆菌一起打碎；而如果单纯用手摇晃容器，也无法将噬菌体和大肠杆菌分离。他们不断尝试、摸索，失败了很多次。这种原创性的工作，是研究的艰辛之处，也是有趣的地方。

打破僵局的，是一位女同事随口说的一句：“家用搅拌机怎么样？”把能找到的实验器具全都试了个遍的赫希与蔡斯，恐怕也把这句话当作是救命稻草了吧。尝试一番之后却没想到，大肠杆菌和噬菌体的分离工作开展得异常顺利。

他们使用的是华林牌[2]的搅拌机，作为冷泉港实验室一宝，被保管至今。这个实验也被称作“破壁机实验”，因为日语所指的搅拌机，其实在英语中是破壁机的意思。

成功分离大肠杆菌和噬菌体之后，分别分析两者，会发现噬菌体身上只有DNA进入了大肠杆菌当中，而蛋白质则没有进入。这也就意味着，噬菌体在复制时所使用的信息只有DNA。这个实验直接证明了生物的性状是由DNA决定的，基因是由DNA构成的。更详细地说，由蛋白质等物质构成的生物的形态，是由DNA的信息所决定的。

分子生物学自德尔布吕克始，因卢里亚的参与而获得极大发展，然后由赫希发现“基因是由DNA构成的”。他们三位获得诺贝尔奖也是理所应当的（1969年）[3]。时代的天平，开始向DNA倾斜。

[1]一种零钱赌博机，因筹码绘有老虎图案而得名。老虎机有三个玻璃框，框内有转盘，转盘上绘有多个不同的图案，投币之后拉下拉杆，转盘就会开始旋转，停止旋转后，如果三个转盘出现特定的图案（比如三个相同）就会吐钱出来，出现相同的图案越多，奖金则越高。

[2]即Waring牌，又译“皇庭牌”，美国厨房电器品牌，产品包括破壁机、烤箱、咖啡机等。

[3]但同样参与了实验的玛莎·蔡斯却与诺贝尔奖无缘。