DNA model

發表 DNA 雙螺旋結構七十週年

發表 DNA 雙螺旋結構七十週年

發表 DNA 雙螺旋結構七十週年

1953 年 4 月 25 日,科學期刊《自然》雜誌刊登了華生 (James D. Watson) 和克里克 (Francis Crick) 所寫的論文〈核酸的分子結構:去氧核糖核酸之構造〉(Molecular structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid)。這篇論文僅短短兩頁,總共只有九百字,卻簡明扼要地提出 DNA 的雙螺旋結構,解開了遺傳基因如何組成之謎,堪稱達爾文的演化論之後,生物學上最重要的發現。

1953 年 4 月 25 日發表於《自然》期刊的 DNA 雙螺旋結構論文。

華生於 1950 年在印第安那大學取得博士學位,他原本認為 DNA 的分子結構太過複雜難以分析,因此從未深入了解。直到 1951 年,他參加了一場 X 光繞射的研討會,聽到來自倫敦國王學院的威爾金斯 (Maurice Wilkins)發表實驗結果,證實 DNA 是有規則的晶體,才決定投入研究。他立即在當年九月前往英國劍橋大學的卡文迪許實驗室,當時的實驗室主任正是用 X 光繞射分析晶體結構的創始人布拉格 (William Lawrence Bragg),若要揭開 DNA 的神秘面紗,這裡絕對是他起步的最佳選擇。

華生加入卡文迪許實驗室,馬上就和大他 12 歲的克里克一見如故,成為志趣相投的好朋友。當時已 35 歲的克里克還在為博士學位奮鬥,試圖用 X 光繞射分析蛋白質結構;他被華生的熱情感染,同意攜手合作一起破解 DNA 的構造。

當時最有可能率先達陣的無疑是化學巨擘鮑林 (Linus Pauling),他不但對 X 光繞射的技術相當熟稔,還以量子力學闡明化學鍵的本質,對於分子結構的掌握,絕對無人能出其右。華生抵達英國的七個月前,鮑林已經發現蛋白質中胺基酸規律的排列方式,其中包括 α 螺旋結構,鮑林隨即向 DNA 的結構進攻。

化學巨擘鮑林提出錯誤的DNA 三螺旋模型。

華生和克里克當然知道鮑林的聰慧與學識遠勝於己,但正因為鮑林才華洋溢,所以總是同時研究許多題目,他又自恃甚高,認為無人能匹敵,不會急於破解 DNA 結構,這就讓華生和克里克有機會後來居上。而且克里克和威爾金斯是多年好友,可以從他那裏獲得 DNA 的 X 光繞射相片,清晰度遠勝於鮑林手上的照片。

在國王學院進行 X 光繞射實驗的威爾金斯。

然而威爾金斯提供的照片仍不足以解開 DNA 的結構,他們只知道是螺旋狀,但究竟是由多少股長鏈組成、鍊與鍊之間如何連結仍毫無頭緒。到了 1952 年 5 月,華生和克里克更加焦慮,因為鮑林即將前來英國參加蛋白質結構的研討會,屆時一定會與國王學院的研究人員進行交流,便也能獲得他們手上所有的資料,那他們就毫無勝算了。

沒想到鮑林因為積極鼓吹反對發展核武,在當時麥卡錫主義的白色恐怖氛圍下,竟被美國政府懷疑是共產黨同路人,不但要接受調查,還遭到限制出境,因而無法前往英國參加研討會。華生和克里克鬆了一口氣,沒想到半年之後,鮑林竟然宣稱已經找出 DNA 的結構。他們透過到鮑林在卡文迪許實驗室做研究的兒子取得論文草稿,赫然發現鮑林犯了相當基本的化學錯誤,而建構出錯誤的三螺旋模型。

華生和克里克一則以喜一則以憂,擔心鮑林的論文一旦發表後,就會得到各界指正,鮑林加以修正錯誤後,很可能就會推導出正確的 DNA 模型。因此華生連忙在 1953 年初趕往國王學院,告訴威爾金斯這個消息,威爾金斯眼見事態緊急,便從抽屜拿出一張清楚呈現 X 形狀的 DNA相片。

關鍵的「第51號照片」

原來這是他的同事羅莎琳·弗蘭克林 (Rosalind Franklin) 所指導的研究生高斯林 (Raymond Gosling) 於 1952 年中就拍好的溼式 DNA 照片,但弗蘭克林還想用乾式 DNA 進一步驗證,因此先按下不理。由於弗蘭克林已經打算離開國王學院,高斯林便把相片交給未來的老闆威爾金斯。

弗蘭克林拍出關鍵的「第51號相片」,卻無緣獲得諾貝爾獎。

華生一看到這張「第51號相片」有如醍醐灌頂,立刻明白這幅 DNA 的身影已顯露出基本骨架。他回去劍橋和克里克討論後,很快在三月初完成 DNA 雙螺旋模型,並在著手論文前透過院方以正式管道通知國王學院,一則展現禮貌,一則確保率先發現。威爾金斯和弗蘭克林莫可奈何,只能各自也將自己的實驗與貢獻寫成論文,和華生、克里克的論文一起發表在 70 年前的今天出刊的《自然》雜誌。

了解這整個過程,就能理解為什麼華生和克里克在論文開頭,寫鮑林在三螺旋結構的論文發表前,讓他們先看到草稿;而文末要特別感謝威爾金斯和弗蘭克林。威爾金斯雖然未能列名共同作者,卻也無須遺憾,因為他最終還是於 1962 年和華生、克里克共同獲頒諾貝爾生理或醫學獎。至於弗蘭克林,已於 1958 年才 37 歲就因卵巢癌過世,自是失去獲獎的資格;只不過即使她未英年早逝,是否就能獲獎也仍是個疑問。

反倒是鮑林先於 1954 年獲頒諾貝爾化學獎,表彰他「對化學鍵本質的研究,及其應用於闡明複雜物質的結構」。1963 年,美、蘇、英三國終於簽署有條件地禁止核試爆條約,鮑林也因之前的積極運作居功甚偉,而在這一年獲頒諾貝爾和平獎。許多人相信當年他若沒有被限制出境,如期前往英國看到國王學院的 DNA 照片的話,應該會率先發現雙螺旋結構而拿到第三座諾貝爾獎

參考資料:

  1. Maurice Wilkins – Wikipedia
  2. 《毒舌頭與夢想家》,Michael White 著,齊若蘭 譯,遠流出版社

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