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老虎机和分子生物学(8) "精子形状"的噬菌体
送交者: 苦行僧 2018年12月01日18:09:32 于 [教育学术] 发送悄悄话

       就在Luria和Delbruck积极合作研究噬菌体的"互不相容"现象的机制的同时,一项新的技术在生物学上的应用给他们的研究带来了新的惊喜,这项技术就是电子显微镜技术。自从德国物理学家Hans Busch于1926年发明第一个电磁镜片以来,科学家们根据电子显微镜的作用机理不停地改进设计,希望它能逼近或达到其理论上将一个物体放大107 倍的极限。当时Luria 所能接触到的电子显微镜可以将物体放大84,000倍。

      在电子显微镜发明之前,由于即使用普通光学显微镜(10x 的目镜和100x 的油镜)放大1000倍,科学家们也无法看到噬菌体的存在,只好用几种不同的的方法来间接推算出噬菌体的大小。常用的方法包括:

1)超级过滤(ultrafiltration)。

2)超速离心(ultracentrifugation)。

3)辐射敏感测试(radiosensitivity ):由Luria率先于1941年使用。

4)扩散法(diffusion) :由D.M. Hetler 和J. Bronfenbrenner率先于1931年使用。

      根据这些方法推测出的噬菌体的大小应该是直径大约为10~100 nm的颗粒。体积为10 ~100 nm的噬菌体如果能用电子显微镜放大84,000倍,其大小大约为0.84~8.4 mm,这完全在常人的视觉分辨力的范围之内。

      于是,Luria与位于新泽西普林斯顿地区RCA研究实验室的生物物理和化学家Thomas F. Anderson合作,第一次在美国大陆发现大肠杆菌噬菌体是一个"精子形状"的颗粒。噬菌体拥有一个直径约为 80 nm的球状的头部和一个瘦小很多但长度约130 nm的尾部。其头部是由颗粒状物体组成的结构并不均匀图案。如果让这种颗粒同对它敏感的大肠杆菌混合,只需几分钟,它就会很轻易的吸附到大肠杆菌的表面。如果进一步让它们的接触时间延长到一定时间,大肠杆菌会被裂解,更多的噬菌体颗粒被释放出来。Luria通过电子显微镜观察到的噬菌体颗粒的大小与早期通过间接的推算出来的结果基本一致。噬菌体吸附在大肠杆菌表面及导致大肠杆菌裂解所需的时间与Delbruck报道的大肠杆菌逐级吸收和释放噬菌体的渐进式生长曲线非常一致。

      Luria认为,由于其精致的结构符合大家对生物大分子的理解,以及它的体积与Luria利用X射线辐射推导出来的"敏感体积"一致,因此遗传学家们应该会对他们的这一发现感兴趣,虽然他们大多不喜欢Luria用X射线辐射的方式来推算了噬菌体颗粒和基因体积的大小。

      的确,当看到Luria和Anderson给他看的噬菌体电镜照片后,美国第一位研究噬菌体的Bronfenbrenner兴奋地用手掌拍了一下额头,惊叹地说"Mein Gott! They’ve got tails!"(前半句为德语,后半句为英国,意思是:我的天啊!它们还有尾巴呢!)。当时在田纳西的范德比尔德大学(Vanderbilt University)教授物理学的Delbruck也马上就加入到合作的行列,一起利用麻州雪鱼角的海洋生物实验室(Marine Biological Laboratory,Woods Hole)的RCA电子显微镜对一系列细菌病毒作了更深入的研究,虽然他对噬菌体不是想象中原子的形状有点失望。

      很不幸的是,由于电子显微镜是由德国人发明的,德国人Helmut Ruska已经率先发现了噬菌体的电镜结构。只是由于第二次世界大战正在进行中,Luria和美国的生物学家们不知道敌对的德国人当时在这方面的研究进展。Luria和Anderson在论文的背景介绍中引用了Ruska关于细菌病毒的电镜结构的论文,但认为"Ruska虽然发现了噬菌体悬浮液中有一种"精子形状"颗粒可以吸附在细菌的表面,但他提供的证据本身并无法确定这些颗粒是噬菌体本身还是细菌的产物"(Ruska的论文是用德语发表了,用兴趣的朋友可以自行查阅作出自己的判断)。我推测,文章中的这段话可能是在发表之前不久Luria因得到了Ruska的论文而临时加入进去的

      这些工作为Luria赢得了古根汉奖(Guggenheim Fellowship)和他第一份正式的教职:印地安那大学(Indiana University Bloomington)的讲师职位(Instructorship)。在印地安那大学工作期间(1943-1950年),Luria发现了那台影响了分子生物学发展进程的老虎机,也培养了他的第一个博士研究生、后来因发现DNA双螺旋结构而被认为是二十世纪最有影响力的生物学家James Dewey Watson。


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  赞!多谢介绍现代科学发展史  /无内容 - 五十肩 12/01/18 (13)
    谢谢五十肩的关注。 - 苦行僧 12/02/18 (7)
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