【諾獎(jiǎng)中的“基因”】“一基因一酶”的前世今生

【諾獎(jiǎng)中的“基因”】

隨著科技的日益發(fā)展，人們對(duì)基因的理解越來(lái)越深刻，“基因”一詞也廣泛進(jìn)入到人們的日常生活當(dāng)中。然而，將時(shí)鐘往回?fù)?00多年，當(dāng)時(shí)的人們并不知曉基因的存在。直到19世紀(jì)60年代，遺傳學(xué)家孟德爾通過(guò)著名的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，提出了生物的性狀是由遺傳因子控制的觀點(diǎn)，但這僅僅存在于邏輯推理之中。20世紀(jì)初，遺傳學(xué)家摩爾根通過(guò)果蠅的遺傳實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到基因呈線性排列于染色體上。但是基因是如何發(fā)揮功能的，一直沒(méi)有定論。1941年，美國(guó)科學(xué)家喬治?威爾斯?比德爾（George Wells Beadle）提出了“一基因一酶”假說(shuō)，該理論認(rèn)為每個(gè)基因直接產(chǎn)生一種酶來(lái)影響新陳代謝過(guò)程中的一個(gè)步驟，從而幫助研究人員將基因定性為化學(xué)分子，并確定這些分子的功能。基于上述理論基礎(chǔ)，后續(xù)圍繞基因的相關(guān)研究呈現(xiàn)“井噴”式的發(fā)展。比如，圍繞各種基因的功能開展的研究。因此，喬治?威爾斯?比德爾和愛德華·勞里·塔特姆（Tatum Edward Lawrie，與比德爾共同提出“一基因一酶”假說(shuō)）共同獲得了1958年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

雖然距這一理論提出已經(jīng)過(guò)去了80余年，但他的這一項(xiàng)“里程碑”式的發(fā)現(xiàn)對(duì)生物科學(xué)的發(fā)展具有重要奠基作用。今天，讓我們一起坐上“時(shí)空穿梭機(jī)”，回到當(dāng)時(shí)，一起走近這位偉大的科學(xué)家，回顧他是如何提出“一基因一酶”假說(shuō)，并且得到諾貝爾評(píng)委的青睞，獲選1958年諾貝爾獎(jiǎng)的這一過(guò)程。

早期教育和研究

比德爾1903年出生于內(nèi)布拉斯加州瓦湖，父母是農(nóng)場(chǎng)主。1907年，比德爾4歲時(shí)，母親過(guò)世，之后，他在父親和管家的庇護(hù)下長(zhǎng)大。在三個(gè)子女中，父親對(duì)比德爾尤其喜愛，一度想讓他子承父業(yè)，繼承家里的農(nóng)場(chǎng)。然而，比德爾從小就對(duì)生物學(xué)尤其感興趣，高中時(shí)，科學(xué)老師鼓勵(lì)他考入大學(xué)繼續(xù)深造。

隨后，比德爾不負(fù)眾望，成功被內(nèi)布拉斯加州大學(xué)農(nóng)學(xué)院錄取。畢業(yè)后，他選擇繼續(xù)攻讀草類生態(tài)學(xué)的碩士學(xué)位，并在碩士期間對(duì)遺傳學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。1927年，他申請(qǐng)進(jìn)入康奈爾大學(xué)攻讀博士研究生，在大名鼎鼎的科學(xué)家艾默生的實(shí)驗(yàn)室研究玉米遺傳，并且和芭芭拉?麥克林托克（Barbara McClintock，1983年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)）共同學(xué)習(xí)。4年后，取得博士學(xué)位的比德爾又加入了遺傳學(xué)大師摩根新成立的生物研究所開展博士后研究。這時(shí)的比德爾采用的研究模型是當(dāng)時(shí)遺傳學(xué)研究“明星”-----果蠅，并且也取得了不錯(cuò)的研究成果。

比德爾天資聰穎，加上刻苦的學(xué)習(xí)和優(yōu)秀的教育經(jīng)歷，讓他成為一名優(yōu)秀的科研工作者。此外，比德爾動(dòng)手能力極強(qiáng)，他待過(guò)的實(shí)驗(yàn)室里面都會(huì)有一些他自制的實(shí)驗(yàn)儀器。總而言之，這些教育經(jīng)歷讓他掌握了深厚的遺傳學(xué)技術(shù)和相關(guān)知識(shí)，為后續(xù)的“諾貝爾獎(jiǎng)研究”埋下了伏筆。

“一基因一酶”的發(fā)現(xiàn)

比德爾在研究果蠅時(shí)，發(fā)現(xiàn)果蠅不同的眼色可能是由于基因調(diào)控引起的。隨后，他發(fā)表論文表示：基因會(huì)制造不同的色素使果蠅有不同的眼色，而基因突變會(huì)擾亂這一過(guò)程。這樣的研究結(jié)果隱含了“一基因一酶”的假說(shuō)。然而，苦于沒(méi)有直接證據(jù)，他只能在發(fā)表的論文中暗示生物體存在“一基因一酶”的可能性。

被廣泛應(yīng)用于遺傳研究的粉紅面包霉

1937年，比德爾與斯坦福大學(xué)的愛德華·勞里·塔特姆展開合作，分離并且確定了可以影響果蠅眼色的物質(zhì)，但是其他的研究小組比他們搶先一步發(fā)現(xiàn)并發(fā)表了研究成果（可見科研競(jìng)爭(zhēng)之激烈）。比德爾并沒(méi)有氣餒，他和塔特姆經(jīng)過(guò)深度討論后決定更換遺傳系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)材料研究基因的作用。經(jīng)過(guò)近3年的尋找和嘗試，1940年，他們正式將果蠅實(shí)驗(yàn)室改成粉色面包霉菌實(shí)驗(yàn)室。他們?cè)O(shè)計(jì)了一套縝密的研究方案，包括：先用X射線照射面包霉菌，產(chǎn)生突變體，然后在含有氨基酸、維生素和其他有機(jī)物質(zhì)的完整培養(yǎng)基上萌發(fā)面包霉菌的孢子，然后將萌發(fā)的孢子轉(zhuǎn)移至缺少某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基上，向其中加入特定的化學(xué)物質(zhì)，來(lái)檢驗(yàn)缺乏的是哪種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而確定基因編碼與酶之間的關(guān)系。即便如此，他們?nèi)匀徊淮_定試驗(yàn)設(shè)計(jì)是否可行。他和塔圖姆約定，進(jìn)行5000株菌的測(cè)試，如果全部失敗，他們就放棄這個(gè)實(shí)驗(yàn)。幸運(yùn)的是，當(dāng)他們測(cè)試到299株時(shí)，他們的實(shí)驗(yàn)成功了。

隨后，他們進(jìn)一步重復(fù)驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且整理好數(shù)據(jù)，于1941年將研究成果發(fā)表于著名的《美國(guó)科學(xué)院院刊》。雖然從確定研究對(duì)象到發(fā)現(xiàn)和獲得明確結(jié)論只花了1年時(shí)間，這種“幸運(yùn)”的背后其實(shí)是長(zhǎng)年的積累和堅(jiān)持。

“一基因一酶”錯(cuò)了嗎？

后來(lái)，隨著人類對(duì)基因的進(jìn)一步深入了解，“一基因一酶”假說(shuō)發(fā)展成更為精確的“一基因一多肽”假說(shuō)。1966年，羅伯特·霍利、哈爾·柯拉納和馬歇爾·尼倫伯格等科學(xué)家利用基因生產(chǎn)了相應(yīng)順序的蛋白質(zhì)，破譯了基因編碼20種氨基酸的遺傳密碼。隨后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)所有生物都使用一樣的遺傳密碼，從而為后續(xù)的基因工程提供了理論基礎(chǔ)。至此，生物的基因信息變得尤其重要，1985年，美國(guó)科學(xué)家率先提出“人類基因組計(jì)劃”，經(jīng)過(guò)10多年的努力，2001年，包含人體約2.5萬(wàn)個(gè)基因的人類基因組工作草圖發(fā)表。

根據(jù)人類體細(xì)胞所擁有的染色體而繪制的“染色體組型圖”

此時(shí)，有人質(zhì)疑比德爾“一基因一酶”假說(shuō)的真實(shí)性。因?yàn)椋凑請(qǐng)D譜，人類有大約2.5萬(wàn)個(gè)基因。但是實(shí)際上人類體內(nèi)的蛋白質(zhì)遠(yuǎn)超過(guò)2.5萬(wàn)個(gè)。“一基因一酶”錯(cuò)了嗎？其實(shí)不然，該假說(shuō)揭示的是基因發(fā)揮作用的機(jī)制，明確了基因是通過(guò)其編碼的產(chǎn)物---酶或者蛋白質(zhì)發(fā)揮功能。該假說(shuō)的提出是遺傳學(xué)發(fā)展史上的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，開拓了生化和分子遺傳學(xué)等新領(lǐng)域，比德爾可以當(dāng)之無(wú)愧地被譽(yù)為現(xiàn)代生物技術(shù)的奠基人。

出品：科普中國(guó)

作者：徐樂(lè)天（湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授）

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