CH6 DNA Double Helix
- 主要人物
- Francis Crick:1916年出生,英国物理学家、生物学家。卡文迪许实验室的学者。
- James Watson:1928年出生,美国生物学家。卡文迪许实验室的学者。
- Maurice Wilkins:1916年出生,英国物理学家、生物学家。伦敦大学国王学院的学者。
- Rosalind Franklin:1920年出生,英国物理学家、生物学家。伦敦大学国王学院的学者。
- 次要人物
- Lawrence Bragg:1890年出生,英国物理学家。沃森、克里克的上司。
- John Randall:1905年出生,英国物理学家。威尔金斯、富兰克林的上司。
- Max Delbruck:1906年出生,德国物理学家、生物学家。Phage Group的领导者。Alfred Hershey, James Watson, Seymour Benzer都曾是Phage Group的一员。
- Linus Pauling:1901年出生,美国物理学家、化学家、生物学家。
- Sydney Brenner:1927年出生,南非生物学家。克里克的三位毕生好友之一。秀丽隐杆线虫之父。
- Max Perutz:1914年出生,英国物理学家,克里克在卡文迪许实验室的同事。
- John Kendrew:1917年出生,英国物理学家,克里克在卡文迪许实验室的同事。
- Arthur Kornberg: 1918年出生,美国化学家、生物学家,1959年因为合成DNA和RNA获得诺贝尔奖,这有力地支持了四人组的工作。。
- Erwin Chargaff: 1905年出生,美国化学家、生物学家,在实验中发现了A=T, G=C。
我们终于来到了本书最激动人心的一章。这一章我们将见识四位伟大学者发现DNA双螺旋的过程。他们是:一位狂野的美国牛仔,一位和上司对着干的在读研究生,一位在曼哈顿造过原子弹的物理学家,一位在二战中收养过犹太儿童(Kindertransport)且志愿当过空袭看守的女性科学家。
同时,克里克在前言中说,他有三位毕生好友。其中两位,James Waston和Sydney Brenner,都将在这一章登场。
二战之后,伦敦大学国王学院的莫里斯·威尔金斯拍到了几张很好的DNA的X射线衍射图片。于是,1950年,他的老板约翰·兰道尔雇佣了一名有经验的X射线衍射学家,罗莎琳德·富兰克林,来帮助一起解析DNA的结构。不幸的是,威尔金斯和富兰克林工作上很合不来。
1951年,23岁的詹姆斯·沃森,作为访问学者来到了卡文迪许实验室。他一门心思想发现孟德尔、摩尔根所说的基因的实体到底是什么。值得一提的是,沃森22岁就拿到博士学位了(1950),而克里克37岁才拿到博士学位(1954)。我猜克里克对此应该很不爽,毕竟沃森这家伙连傅里叶变换都不会。
与此同时,远在大洋彼岸的莱纳斯·鲍林,在拿下了alpha helix之后,也去玩DNA的结构了。
故事的主线
克里克是从夫人那里第一次听说沃森的:一天,他回到家里,奥黛尔对他说,佩鲁兹刚刚来过,带着一个平头的美国小伙子想要让你认识。据克里克说,那时美国男常常留平头而英国男留长发。后来沃森入乡随俗,头发也越来越长。
沃森和克里克同样地年少轻狂、口无遮拦。他们总在一块讨论问题。一天,佩鲁兹和肯德鲁搓着手向大家宣布,他们决定把一间小屋子分给沃森和克里克,这样他俩扯淡的时候就不会打扰到大家了。
最开始,沃森和克里克认为1个碱基有好几种异构体,这让问题变得很复杂。后来,他们实验室的一位美国晶体学家Jerry Donohue告诉他们:在化学溶液中确实如此,但是在DNA中1个碱基几乎只有1种构型。
核心发现是——沃森坚定地认为A和T配对,G和C配对。他的这个结论不是基于逻辑推理,只是一种猜测。(克里克在这里写道,合乎逻辑的做法是用C2空间群去找对称性,这里我没看懂)
1953年上半年,沃森和克里克写了4篇论文探讨DNA的结构和功能。第一篇于1953年04月25日发表于Nature。这篇文章非常谨慎,仅仅提出了双螺旋的结构,没有猜测任何功能。5周之后,两人在Nature发表了第二篇论文,讨论了双螺旋的遗传学功能。
克里克本想在第一篇论文中就详细解释双螺旋的遗传学意义,但是沃森表示反对。他担心万一这个结构搞错了,他就made an ass of himself了(原文如此)。之所以在5周之内就改弦更张,是因为同一期的Nature发表了威尔金斯的文章和富兰克林的文章(这是兰道尔斡旋的结果),沃森、克里克高兴地发现伦敦的竞争者的X射线图竟然如此强烈地支持他们的双螺旋结构。
更多的细节
威尔金斯曾经在富兰克林没有同意且不知情的情况下给沃森看过一张她拍的极其优美的DNA的X射线衍射图,这张图在生物学的各大经典教材里均有亮相。但克里克表示,自己当时并没有看过这张照片,而沃森虽然看了,但是由于沃森不会Bessel function,他几乎啥也没看懂。
沃森和克里克劝说伦敦的两位同僚也用建模的方法去解决DNA的结构。但威尔金斯和富兰克林不为所动。沃森和克里克甚至把他们的DNA积木借给了威尔金斯,但威尔金斯从来没有拼过。克里克猜测,他们更喜欢solid的证据,他们希望把X射线衍射的数据用得越多越好,他们认为布拉格、鲍林、沃森、克里克这样的模型法是投机取巧。
克里克猜测,富兰克林对DNA对于生物学的重要性不太了解,也不太熟悉艾弗里的工作。因为,兰道尔本来想让富兰克林研究蛋白质溶液,他临时决定让她去搞DNA。1953年,由于和威尔金斯的紧张关系,富兰克林已经决心离开国王学院,离开DNA,去Bernal手下研究烟草花叶病毒。1958年,富兰克林因为癌症英年早逝,年仅37岁。在她生命的最后岁月里,她由家人们和朋友们轮流照顾,其中包括克里克和奥黛尔。1958年4月16日,这位伟大的科学家与世长辞。
沃森和克里克的高效的合作方式
- 克里克在书中多次强调:迷人的是DNA双螺旋,而不是发现它的科学家。但是,他和沃森发现DNA双螺旋的故事实在太过传奇。克里克当时还是研究生,他的课题是利用X射线衍射测定蛋白质结构,这也的确是他日后的博士论文题目;而沃森作为一名访问学者,他的工作是帮助肯德鲁研究肌球蛋白。说白了,DNA双螺旋是他俩不务正业时搞出来的。
- 沃森和克里克没有感到任何的外在压力,他们可以在一段时间内集中精力研究这个问题,然后搁下一段时间。
- 无论谁提出了一个想法,另一个人都会以一种直率但是毫无恶意的方式思考。
- 有很多人问过克里克,他俩偷偷花了多少时间在DNA的工作上。克里克回答说,这取决于你怎么定义工作。在两年内,两人经常讨论DNA,有时在实验室,有时在午饭后的散步,有时沃森在晚饭时两眼饿意地来到克里克的家,有时两人下午不上班而跑去河上泛舟。最后,在沃森笃定了AT配对,GC配对之后,两人只用了几周时间就做出了双螺旋模型。
发现双螺旋之后
论文发表后,来参观克里克实验室的人络绎不绝。沃森一度变得有些退缩,怀疑这只是黄粱一梦,直到他俩看到了国王学院的实验证据。
1953年,在Max Delbruck的支持下,沃森、克里克的论文的复印本被发给了参见冷泉港年度学术会议的每一个人,并且沃森受邀做报告。双螺旋于是名动天下。沃森、克里克受到的关注远远超过艾弗里,更远远超出可怜的孟德尔。
1954年夏天,Sydney Brenner在牛津大学拿到博士学位,他随后成了沃森、克里克在冷泉港的代言人。1957年,布伦纳来到剑桥,成为了克里克最亲密的搭档,他们共用一个实验室长达20载,直到1976年克里克转行去神经科学。
小布拉格当时得了重感冒,正好不在实验室,后来他看到模型,并理解了复制机制之后,立刻特别兴奋。从前的不快终于涣然冰释。
并不是所有人都支持双螺旋:生化学家Arthur Kornberg曾经告诉克里克,他本人去做DNA复制时,并不相信双螺旋模型和由此衍生的复制机制,但是他的实验证据却支持了这一点;Chargaff告诉克里克,他和沃森的第一篇论文有点意思,但第二篇论文提出的复制机制有点扯。
沃森和克里克的论文里,CG之间只有2个氢键。后来鲍林指出,CG之间应有3个氢键,兄弟俩也很快发现了自己的错误。可惜,在科学美国人的一篇文章中,配图里还是只有两个氢键。鲍林大为光火,问克里克是怎么回事,克里克去查,发现是编辑不小心搞错了。鲍林自己也曾经搭出一个错误的DNA模型。克里克本来以为,如果没有他俩,双螺旋将属于鲍林,但后者表示,如果没看过他俩的论文,自己可能一辈子也不会想出这个模型。
科学上,对于双螺旋仍有争议。碱基互补配对、反向平行,这两点很快被生化学家验证了。但是有些人提出,DNA应该是平行结构(即2条平行线),而不是双螺旋结构。这个观点最早由Gamow提出。1970s,还有两个小组支持这个观点。后来,有人用环绕数说明,平行结构是错的,双螺旋结构是对的。这部分超出了我的能力范畴,我没有看懂。
20世纪50年代早期,剑桥有一个规模不大且十分隐秘的生物物理学家俱乐部,名为哈代俱乐部。时至今日,当时的俱乐部成员已经有很多诺奖得主和皇家学会会员。但是,当时他们都相当年轻,默默无闻,只有一个FRS——Alan Hodgkin。有一次,哈代俱乐部聚会,沃森本来要做和双螺旋有关的演讲,但他不幸喝高了,什么话也说不出来。他指着双螺旋,结结巴巴地说:它多美啊,看,它多美啊。