开创分子生物学与遗传工程

——揭开生命的奥秘

生命，是自然界最奇妙的东西，使最聪明的人类也大惑不解。

在现代生物学中，没有哪一个分支能像遗传学那样得到迅速的发展。对于遗传问题，人类很早就注意和关心了。特别是在 1859 年达尔文发表《物种起源》后，他所阐述的进化论思想大大引起了人们探求生物进化规律和机制问题的兴趣。

19 世纪末叶，奥地利的一个修道士首创粒子遗传，奠定了生物遗传的基本法则；20 世纪初，美国人摩尔根发表基因学说，将遗传学之外表性状研究，拉入细胞核；1953 年，两位年轻科学家——沃尔森和克里克，建立了 DNA 双螺旋模型，确定了遗传基因的化学结构，使遗传学研究发生质的飞跃。以此为基点，人类已揭开生物工程、基因工程研究的序幕，并为未来的生物学世纪带来巨大希望。

生物的自我繁殖，使人类逐渐产生了遗传的概念。自古以来，人类就有了“种瓜得瓜，种豆得豆”的感性经验。但是，种瓜之所以得瓜的道理大约是在 120 年前才开始为人们所知。从 1859 年开始，奥地利布隆修道院修道士孟德尔，凭着他为科学献身的顽强意志和毅力，不断地探索着生物遗传的奥秘。经过七年坚持不懈的工作，终于在 1865 年向人们展示了豌豆杂交的遗传定律。在孟德尔看来，仅仅依靠自然选择等外因条件不可能形成新种，他认为生物的繁衍和进化必然有某种内部因素。

1900 年，孟德尔的遗传定律被埋没整整 34 年之后，终于为人们所发现。这一工作是由三位科学家来完成的。在那个时期，尽管生物的遗传问题没有取得大的进展，但是对于它的研究却一直在继续着。像荷兰的德·弗里斯、德国的柯灵顿、奥地利的切玛克都各自独立地在从事植物的杂交试验，分别得到了“杂种分离律”等与孟德尔一致的结论。他们都以为自己发现了全新的东西，并准备在 1900 年发表这一成果。就在他们最后去查阅这方面的资料文献时，意外地看到了孟德尔的文章。这就是被传为“科学道德佳话”的孟德尔定律的重新发现。它使孟德尔定律逐渐为人们所理解，并解释清楚了达尔文理论所不能解释的变异等问题。这才确定了孟德尔在生物学史上的重要地位，导致了遗传学理论在现代的迅速发展。

往往人类在跨入一个从前未知的领域时，求知的科学探索精神便开始作起“祟”来。孟德尔的豌豆杂交试验，使我们终于坚定了生物遗传是受一套遗传规律所支配的信念。但是，自从孟德尔的工作被重新发现以来，他所提出的遗传因子在活细胞中是否有物质基础，也就是说，生物遗传的物质基础是什么？是形而上学的东西还是某种充满神秘宗教色彩的事物？还是客观存在的物质实体等问题一直长期得不到解决。

本世纪 20 年代初，正当孟德尔理论正在悄悄地敲开细胞学大门之际，美国年富力强的科学家摩尔根正通过安装在门上的瞭望口观察这位“似曾相识又不识”的陌生来客。

最初，摩尔根对孟德尔的“遗传定律”并不十分热心，而且站在怀疑和反对者的立场上。可是不久，当他发现黑腹果蝇——这一绝好的遗传试验材料时，也就毅然决然地改变了他的立场。

摩尔根通过大量的试验，又发现了遗传学上的两个重要规律：“连锁”

和“交叉”。这种现象似乎向我们郑重宣布；孟德尔控制生物表型的“遗传因子’，即基因在染色体上呈线性排列。据此原则，1915 年，摩尔根把基因的交换频率作为衡量各个基因之间的相对距离，绘出了染色体的遗传图。

摩尔根及其研究小组的工作在遗传学发展史上是一个非同凡响的伟大壮举。他把过去争执多年的控制生物性状表现的孟德尔“遗传因子”，第一次与某个具体的染色体联合起来，终于找到了遗传物质基础的“大本营”，并成功地建立起一套新颖的染色体——基因遗传理论。

由于摩尔根对遗传学的卓越贡献，1933 年，他终于登上了瑞典斯德哥尔摩的皇家科学院礼堂的授奖台，摘下了遗传学史上第一项诺贝尔医学生理学奖的王冠。

可是问题远未结束，人们不禁要问：基因是怎样使生物的各种性状表现出来的呢？它是靠什么机制使豌豆的花变成各种颜色，使果蝇的翅膀形成卷缩，或者使人的头发成为黑色的呢？ 1941 年，英国生物化学家比德尔通过用红色面包霉作实验，获得了新的进展。他提出，每一基因都控制着一种酶的合成，而酶又催化着专一的生化反应，使机体表现出独特的性状。这就是著名的“一个基因一个酶”的学说。它为分子遗传学的诞生奠定了基础。

自从法国伟大的微生物学家巴斯德确认微生物是致病因子以来，微生物作为一门科学从一开始就是把它作为医学上的防治对象来研究的。由此也打开了另一条通往生命迷宫的大门。

在英国卫生部病理实验室供职的一位普通小医官格里菲斯

（F·Griffich），由于一次偶然的机会，不意将热杀灭的肺炎球菌光滑型（S 型）菌液一起注射到了小鼠体内。小鼠不久因患败血症死去。经解剖分析，从死鼠的心脏血液中分离出了一些 S 型的带荚膜的肺炎球菌，这种带关膜的菌液正是小鼠的死因。在抗生素发明之前，造成人死亡率最高的祸首就是这种带荚膜的肺炎球菌了。医学界对之也倍加关注。

这位小医官接着又证明，就是不通过小鼠这个中间体，在试管里也照样能重复这个试验，而且还可以反过来，从 S 型转化为 R 型。

正像巴斯德所说的，“偶然性只使有心人得意”，格里菲斯因此而成为第一个发现肺炎球菌遗传转化现象的人。但他毕竟只是一个医生，不是遗传学家，因而没有用遗传学的理论来确认这一类型转化为另一类型的深远意义。

研究遗传转化现象这个球，从英国越过大西洋，滚到了另一个美国医生的手里，没有离开医学微生物这个圈子。接球的是一个牧师的儿子埃弗利

（D·T·Avery）医生。埃弗利自幼多病，体重从未超过百磅，故从小就立志从医。人们因此给他起了个绰号，叫做“小宝宝”，取笑他是“一个最不能成才的人”。可是，谁能料到，就是这个被人们看不上眼的“小宝宝”，经过十年的专心研究，终于在 1944 年做出了一项划时代的试验。他通过一系列化学的和酶学的方法，最终证实引起肺炎球菌遗传转化的不是别的物质，而是 DNA。并且发现，即便把反应系统稀释到 9—10 倍，仍发生肺炎球菌从 R 型转化为 S 型的事件。这些转化因子还能一代代地传递给子孙。不仅如此，这种试验还可以扩大到其它细菌种属中。

埃弗里的著名遗传转化试验从此打开了理论生物学的大门，开创了分子生物学的新时代。由它发展起来的重组 DNA 技术，也成为拥有数十亿美元巨额资金的大工业。所以，不能埋怨巴斯德一开始就把微生物学研究引向医学

研究，从而使微生物的研究和利用整整被推延了 50 年。辩证地说，正是医学微生物的兴起，才促进了 DNA 的发现。科学史中这种曲径通幽、别有洞天的例子是屡见不鲜的。遗憾的是，埃弗利的发现长时期没有得到人们的承认，其中一个原因在于对“基因到底是什么？”“DNA 作为遗传转化因子的具体证据是什么？”人们还回答不上来。这就不是遗传学、化学和微生物学手段所能达到的了。DNA 研究的历史长河又把物理学家们卷了进去。

量子力学家薛定谔（E.Schrodinger）于 1944 年发表的《生命是什么》一书，明确指出，物理的规律和化学的规律，包括量子论和热力学第二定律等，同样可以用于细胞以至于基因分子的研究。基因分子的稳定性和量子力学的定律肯定有关系，并试图用量子力学的观点解释基因和突变的模型。书中专门讨论了“德尔伯里克模型”，引进了“密码传递”、“量子跃迁式的突变”等概念。这本书对 DNA 双螺旋结构的发现者沃森和克里克从事基因分子结构的研究有很大启发。

德国原子物理学家德尔伯里克同劳瑞亚、赫尔希结合，用噬菌体和大肠杆菌开展了一系列遗传学研究，成为闻名世界的“噬菌体小组”，建立起对遗传学研究有卓越贡献的“信息学派”。沃森正是这个学派的成员。今天，分子生物学的研究，大量应用大肠杆菌和噬菌体为材料，正是在他们多年研究的基础上开展起来的。

德尔布吕克的特殊贡献，还在于他将零星分散的、纯兴趣性的研究引导到学院式的正规研究的轨道上来；在于他将孟德尔的经典遗传学搬上了分子研究的舞台。例如，应用同位素标记试验，证明噬菌体遗传物质是 DNA 的决定性试验，DNA 分子双螺旋立体结构模型的建立，复制机理，乳糖操纵的学说，结构相互作用时的遗传规律等等。

英国晶体学家阿斯特伯里和贝尔纳（J.D.Bernal）有关生物大分子蛋白质和核酸晶体结构分析的研究，对 DNA 双螺旋结构的揭示有重要影响。1938 年，阿斯特伯里首次研究了 DNA 的 X 射线衍射图，得出 DNA 纤维有周期性和估算出分子量等初步研究成果。40 年代末期，贝尔纳实验室里的一个挪威籍研究生弗伯格认真作了一些关于 DNA 的晶体分析工作，不仅得出螺旋型结构的结论，而且还发现碱基和糖分子的互相垂直关系。以后维尔金斯和弗兰克林又系统而详细地研究了 DNA 的晶体结构。这些专门从事生物大分子晶体结构分析的科学家被称为“结构学派”，克里克和维尔金斯都是在这个学派中成长起来的。

克里克是英国人，一位靴鞋商的儿子，1916 年生。他曾在米尔山学校就读。1938 年从伦敦大学毕业后，主攻物理和化学。作博士论文的第二年，二战爆发，他进入特丁顿英国海军科研单位，在生产精巧的水雷方面做出了贡献。战后，受到薛定谔的《生命是什么？》一书的启发，确信用物理和化学去说明生物学的重要，决心研究生物科学。通过生物学家希尔（A·V·Hir）的帮助，他得到一笔为数不多的奖学金，于 1947 年进入剑桥大学。在那里，他按照精读计划自修了生物学。1949 年进入卡文迪什实验室，在佩鲁茨领导下作有关“多肽蛋白质 X 射线研究”的博士论文。这些研究对两年后他与沃森一起从事研究工作有直接的帮助。

维尔金斯原是新西兰人，在英国长大，1938 年毕业于剑桥大学物理系，是贝尔纳的学生。获博士学位后，在伯明翰大学从事电子在晶体中发光和运动的研究工作。二战期间曾参与原子弹的研制工作（曼哈顿计划）。后来由

于担心原子武器的巨大杀伤力在道义上的责任以及受薛定谔一书的影响转而研究生物学。战后，随兰德尔（J·T·Randal）到伦敦皇家科学院工作。贝尔纳和兰德尔都是英国晶体分析学派的成员。1950 年，维尔金斯开始研究 DNA 分子结构。他把 DNA 纤维作为探索 DNA 分子的理想材料，证实 DNA 收缩和展开时由正变负的双折射。同时，还研制出了具有一定特性的结晶纤维。他和同事们获得了第一张 DNA 纤维的良好的 X 射线衍射图象，更重要的是得出保持 DNA 纤维结晶的必要条件，如大气湿度等。但是，维尔金斯毕竟不是 X 射线衍射结晶专家。皇家学院为了深入进行 DNA 分子结构的研究，招聘了弗兰克林。

弗兰克林是一位银行家的女儿，曾在人才辈出的伦敦保罗女子工学院就读。她毕业于剑桥大学，读的是物理学。大学毕业后，从事煤炭分子细微结构的测定。1947 年，为法国巴黎全国药物局中心实验研究员。在短短三年左右的时间内，完成了一系列有关石墨化的论文。1951 年回英国后进入皇家学院，使那里的 DNA 分子结构工作走上了正轨。她关于 DNA 分子结构研究的出色成就对沃森、克里克的发现也有重大作用。弗兰克林不仅才华出众，而且为人敦厚，生活俭朴，不幸因癌症于 1958 年去世，年仅 27 岁。

正是在一系列实验和理论工作的基础上，沃森和克里克详细研究了他们所得到的各种数据。经过反复艰苦的探索和分析，并与各方面科学工作者交换意见，终于在 1953 年初提出了 DNA 双螺旋结构的分子模型，发表在同年 4 月的英国《自然》杂志上，实现了人类对遗传物质基础认识史上的一次划时代的突破。

这个分子模型表明：DNA 是由两股多核苷酸链以右手螺旋式围绕一根中心轴盘旋。两股链所包含的四种碱基（腺嘌呤 A、鸟嘌呤 G、胸嘧啶 T、胞嘧啶 C）不是杂乱无序的，而是在双螺旋内侧，通过氢键形成“碱基配对”，即 A 与 T 配对，G 与 C 配对，从而使两股多核苷酸链稳固地并联起来。两股链的走向相反，固磷酸二酯链和两个核糖连接的位置有第三碳原子 3C' 和第五碳原子 5C' 的不同，一条链是 3C' 到 5C' 的走向，另一条是 5C' 到 3C' 的走向。通常你这两条链为互补的脱氧核糖核酸链。为此，沃森、克里克和维尔金斯共同获得了 1962 年的诺贝尔生理医学奖。

在 DNA 双螺旋模型建立以后，关于基因是如何进行复制和传递信息的问题就变得明朗起来。DNA 双螺旋结构表示，DNA 的自我复制是以半保留的方式进行的，而且为遗传信息的传递指出了解决的途径。自 1953 年以后，科学家们根据 DNA 结构的特点，耗费了十年的精力，终于解开了生命的“密电码”。

遗传信息的传递是在两种意义上完成的，即纵向的 DNA 复制，横行的基因表达。这个过程不久就被克里克提出的著名的“中心法则”披露了。其大意是，由 DNA 到 DNA 的过程叫做复制，由 DNA 到 RNA 的过程叫转录，即所遗传信息进行一次转换，变成一种能被识别的形式。由 RNA 到蛋白质的反应叫做转译或翻译，也就是完成遗传信息到生命形体传递过程的最后一关。上述各步反应，都要在特殊的蛋白质——酶的催化参与下才能完成。

1970 年梯明和巴尔蒂姆分别在 DNA 肿瘤病毒中发现了能催化 RNA 合成DNA 的聚合酶，又称反应转录酶，这样，“中心法则”就得到了充实。

“中心法则”具有十分重要的意义，因为它合理地说明了细胞生命活动中蛋白质和核酸两类生物大分子的相互联系和分工。核酸专门贮存和传递信息，指导和控制蛋白质的合成；蛋白质的主要功能是进行新陈代谢以及作为

细胞结构的组成。但是，二者的关系又像螺钉与螺帽的关系一样，前者的功能要得以实现，必须依赖于后者的协助；后者的作用要想发挥，也必须得到前者的正确调控。生命活动的繁荣不衰就是在这两大类分子的相互作用中实现的。

至此，我们已把“揭开生命奥妙”这个动人的故事讲完了，但在 DNA 的基础上建立起的遗传工程给人类的来来展现出一片灿烂的前景，令人心向神往。

分子生物学经过二十多年的研究，在遗传密码的保存、传递、转录、翻译等方面都积累了丰富的资料，对 DNA 及与 DNA 的复制、切割、连接有关的酶也有了比较广泛的了解。20 世纪 60 年代末期，一门新兴的科学——遗传工程诞生了。所谓遗传工程，就是用人工的方法，把不同生物的核酸提取出来，在体外进行切割，彼此搭配，重新“缝合”，把不同生物的遗传信息组合在一起，再放到生物体中，创造出生物新类型。

以遗传工程为主要手段的生物技术在化工、能源、食品、采矿等许多产业部门都有广泛的应用前景。

在化工领域，利用生物技术，人们可以把不能再生的资源作为化工原料变为能够再生的资源。利用酶这种催化剂，人们可以在类似生物体温度、压力和 PH 值下以较快的速度进行化学反应。利用生物催化剂，还可以避免用金属催化剂带来的环境污染问题。另外，人们还可以利用酶生产农药、肥料和聚合物等。

在医药领域，利用生物技术可以生产胰岛素、生长激素、干扰素、免疫蛋白和抗生物质等。胰岛素是目前治疗糖尿病的唯一有效药物。利用生物技术人工合成胰岛素，可以大大地提高产量，降低生产成本，获得可观的效益。生长激素的人工合成，为人类医药发展又打开了一扇大门。利用基因工程人工诱发的干扰素，对于癌症治疗、慢性炎症、流感等病也有较大的疗效。

在畜牧业领域，遗传工程更将大显身手。美国“超级小鼠”实验的成功，为人类未来的食品发展带来无限的前景。另外，遗传工程技术还可以促进具有较大经济价值的植物的改良和开发，有效地防治家畜疾病等。

随着基因工程技术产品市场的日益兴隆，人们对该项技术的未来发展倾入了越来越多的关注。有人做了此技术在未来 10～20 年内出现突破的预测：

“2010 年将能生产成年动物的克隆，并广泛地运用于环境畜牧业；20 年内，利用生物技术制药取代目前的常规工业制药方法；医学上将要取得的第一个基因治疗的成就，是在成年人的血红蛋白疾病；2010 年可以全面开展遗传疾病的治疗；2040 年有望根除遗传疾病；2000 年将揭开细胞癌症病变机理；2010 年开始尝试癌症的基因治疗；50 年内可以商品化生产预防各种疾病的遗传疫苗”。

这是一幅多么令人神往的未来遗传工程的画卷！遗传工程新技术在我们面前打开了一个可能从未想象过的神话般的世界。因此说，遗传工程技术给我们的生活带来了一个飞跃，进入一个人工改造和合成新的生命形态的广阔天地，开辟了遗传学应用于人类生产和生活实践的新时期，为解决农业、工业、医学的人类所面临的重大课题提供了一个崭新的天地。