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老虎机和分子生物学(6)弹珠枪、樱桃和苹果
送交者: 苦行僧 2018年11月25日18:11:14 于 [教育学术] 发送悄悄话

      由于Thomas Hunt Morgan 的巨大影响力,十九世纪三十年代的遗传学界普遍利用果蝇作为实验材料。当Herman Joseph Muller发现X射线辐射可以引起果蝇基因的突变后,Delbruck 和合作者也是使用果蝇为实验材料研究了基因的属性,并提出基因是一种分子的概念,当X射线辐射到基因上后,基因吸收了X射线的能量而使基跃升至更高的能量状态,因而表现出突变的性状。

      对于这种X射线的击打而诱发基因突变的方式,Luria 有一个很形象的类比:如果拿一把弹珠枪随机地击打一株结有樱桃的树上,打中樱桃的概率主要由几个因素决定,(1)打出的弹珠的数目,(2)樱桃的数量有多少,(3)樱桃的体积有多大。如果将樱桃树换成苹果树,那么弹珠枪打中苹果的机会就会比击中樱桃的机会大。同样如果将果蝇换成细菌和噬菌体,以细菌和病毒强大的繁殖力,用X射线辐射诱导突变的机率会大增,虽然在当时人们还不知道细菌是否含有基因,认为噬菌体只是一种蛋白质颗粒。根据弹珠随机击中樱桃和苹果的概率,可以推测出樱桃和苹果的体积。因此根据X射线诱导基因突变的频率,Delbruck推测基因的大小为9 μ。

      Luria推测,如果用一小束的分散的、低能量的X射线照射基因可造成突变,那么将结成很大一团、带有很高能量的α射线必须消费更多的能量,才能达到X射线诱变的效果,因为α射线贮运的能量很大一部分会被浪费掉。而如果一小束的低能量X射线无法达到诱发基因突变,那么辐射需要增加到什么剂量才能达到更有效的诱变效果,或将基因彻底破坏掉?

      然而,确认X射线辐射是否引起一个基因的突变远比确认弹珠枪是否枪击中樱桃或苹果困难得多,特别是对于发生在果蝇这种二倍体(每个基因都有两个考贝,分别位于两条姊妹染色体上)的生物上的突变。因为虽然果蝇细胞中也只有4对染色体,比人的23对染色体少了很多,但单个考贝的隐性突变如白色的眼睛会被野生显性的红色眼睛的基因掩盖住,在当代表现不出来,必须等到具有突变的雄性和雌性个体相互杂交后,在成千上万的后代中寻找数目很少的突变。

      对于理论物理学家Delbruck和医生Luria来说,用果蝇作为实验材料来研究基因的属性太复杂了,也无法准确地用数学方法进行统计分析。因此,两人分别在美国的西海岸的Pasadena 和法国的巴黎独立地开始了自己对噬菌体的研究。

      在加州理工学院访问的Delbruck没有选择去大名顶顶的、现代遗传学的奠基人Thomas Hunt Morgan的实验室研究基因,而是选择向获得生物化学博士学位才四年、名不见经传的Emory L. Ellis学习噬菌体分离和培养,并于1938年在加州理工学院的一个地下实验室里完成他的第一篇名为《噬菌体的生长》的研究论文的写作,1939年公开发表。该论文建立了一套常规的大肠杆菌和噬菌体的培养条件及筛选性状稳定的噬菌体的方法,发现用水稀释100倍后可以更好地保持噬菌体的感染能力,发现了大肠杆菌逐级吸收和释放噬菌体的渐进式生长曲线。

      而Luria也大约在相同的时间开始了他的"弹珠枪试验"。在1938年离开罗马到达巴黎后,作为访问学者,Luria开始同镭研究所居里实验室的物理学家Fernand Holweck及巴斯德研究所的E. Wollman合作研究噬菌体,并于1940年在《自然》上发表了他的第一篇关子噬菌体的研究论文《辐射对C16噬菌体的影响》,发现不管是X射线还是α/β射线,随着辐射剂量的增加,噬菌体的颗粒发生凝聚而沉淀,有感染活性的噬菌体的数量会对数性的下降。α射线的剂量必须增加到X射线剂量的7倍,才能达到与X射线相同的灭活噬菌体的效果。

      在到达美国后,Luria作为哥伦比亚大学Frank M. Exner研究助理,又于1941年在《美国科学院院报》发表了《X射线辐射导致噬菌体感染能力的失活一一一培养条件的影响》的论文。该文发现,虽然用Delbrück的方法将细菌的噬菌体裂解液用水稀释100倍可以增加其稳定性,然而如果将稀释过的噬菌体和未稀释过的噬菌体同时接受X射线辐射,未稀释的噬菌体中的细菌培养液可以保护噬菌体,让X射线对噬菌体的灭活能力大大减弱。同年,Luria和Exner还在《美国科学院院报》发表了《通过X射线灭活的方式来确定几种链球菌噬菌体的大小》的论文。根据"弹珠枪打击"理论,Luria在该文中估算出三种链球菌噬菌体的体积大约为26、33和43纳米(注:原文用mμ作单位)。

      由于相同的选择,在洛克菲勒基金会的资助下,这两位分别开始在美国东西海岸为分子生物学奠基的敌对国家的公民(Luria 来自意大利,Delbrück 来自德国,这两个国家都在同美国进行激烈的第二次世界大战)终于找到了一个机会来面对面地讨论彼此的工作,共同计划了一些需要合作完成的实验。这次会面发生在1941年新年的前两天由美国物理协会在费城举办的一次会议上。会议结束后,两人在新年的第一天就开始去纽约Luria 的实验室摆弄起了噬菌体。"噬菌体帮"(Phage Group)"三剑客"的核心开始形成。


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