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如果说起双螺旋,你会想到什么?一段旋转楼梯,一根大麻花……当然,我这里想强调的是,双螺旋是复杂生命设计中最精妙的呈现,即我们DNA的结构。
你的空间想象能力如果足够好,请脑补一下:把一段铁轨沿着中线扭一下,就得到了一段双螺旋。这两条铁轨,我们称之脱氧核糖—磷酸骨架,而中间的每一条枕木,则是由可配对的两个碱基(A必须配T,G必须配C)通过氢键连接而成。不要小看“配对”这个词,正是因为这种匹配的专属特异性,才使得遗传可以高保真发生,才使得生命语言得以高效率传递。
DNA双螺旋结构模型
生命的本质是化学,化学的本质是物理。DNA作为生命的遗传物质,从形成的那一刻开始就是双螺旋了:无比精巧、无比合理、无比美妙,然而这个地球上的生命要知道,还得过几十亿年。“如果说我比别人看得更远些,那是因为我站在了巨人的肩上。”物理大神牛顿讲的这句话同样适用于生命科学。
● 1859年,达尔文已经知道了物竞天择,但还远远不知道其物质上的实证;
● 1865年,孟德尔已经发现了遗传变异,但还远远不知道其还原论的演绎;
● 1871年,米歇尔已经提纯出核酸,但还远远不知道这就是遗传物质的本体;
● 1909年,约翰逊已经提出了“基因”一词,但此时还仅仅是一个高度凝练的概念;
● 1911年,摩尔根已经提出了染色体遗传理论,但此时还不知道遗传物质是核酸还是蛋白质;
● 1944年,薛定谔已开始从物理的角度思考“生命是什么”,并尝试从核酸中找到“第五种力”;
● 1944年,艾佛里通过肺炎双球菌实验确证了遗传物质是DNA,但此时还不知道其分子基础;
● 1952年,鲍林已经抢先提出了DNA“三螺旋结构”,然而发表后被证明错误;
这一众巨人们的肩膀,都为了1953年4月2日的关于双螺旋结构的伟大发现而奠基。
每个人在呱呱落地的那一刻,人类对世界的认知可能是完全不同的,哪怕只差一天。比如你出生在1953年的4月1日,那么人类还不知道DNA的结构,但到了第二天,当世界顶级学术刊物《自然》将由詹姆斯·沃森(也即本书作者)、弗朗西斯·克里克,以及莫里斯·威尔金斯联合署名,题为“DNA双螺旋结构”的科研论文投稿后,这个消息则举世皆知。
值得一提的是,这篇文章从投稿、审阅到出版仅仅用了23天,这个创纪录的效率,从另一个角度证明了这件事情的伟大意义。(另一个必须提的是,这个发现还要感谢一位卓越的女性科学家罗莎琳德·富兰克林,正是她的关于双螺旋“51号照片”——一张史上最清晰的DNA X光衍射图像才启发了上面几位诺奖的获得者得出正确结论,而她本人则因卵巢癌英年早逝、无缘诺奖……)
从这一刻到之后的70年,围绕着这一基本结构,全世界最聪明的脑子逐步向生命科学汇集,而生命世纪的大幕也徐徐拉开。
沃森、克里克等人发现DNA的双螺旋结构
● 1958年,弗朗西斯·克里克提出了中心法则,从而理顺了从DNA到RNA再到蛋白质的关系;
● 1970年,吴瑞发明了引物延伸并将其应用于DNA测序,启发了桑格后续的测序技术;
● 1975年,桑格发明了第一个被广泛应用的DNA测序方法—双脱氧终止法,人类基因组解密在技术上有了坚实的依托;
● 1983年,穆利斯发明了聚合酶链式反应(PCR),使得微量DNA,即如今耳熟能详的核酸检测成为可能;
● 1985年,美国ABI公司发明了第一台DNA自动测序仪Prism 310,从而为大规模基因测序做好了工程化的准备;
● 1990年,人类基因组计划(HGP)启动,并于2003年完成,美英日德法中六国参与,花费38亿美金,华大基因代表中国完成其中1%;
● 2005年,高通量测序技术横空出世,通量指数级增加、成本指数级下降,使得人人基因组成为可能;
● 2015年,中国第一台测序仪BGISEQ-500由华大研制成功,自此中国测序技术逐步领先世界;
● 2022年,华大研究院的时空组学技术首次实现了细胞内DNA的空间定位,这一超高分辨率的成像技术使得DNA的工作状态一览无余;
“每览昔人兴感之由,若合一契,未尝不临文嗟悼,不能喻之于怀。”关于双螺旋的故事实在太多,原谅本人才疏学浅且笔墨有限,不能一一铺述。而围绕DNA的科学发现、技术发明、产业发展也正如其结构一般循环推动上升,不断地为人类的生命科学和生物技术产业贡献力量。种种精彩,尚请翻看亲历者原著,必然开卷有益。我可以确定的是,双螺旋的故事还在继续,而且会越来越精彩!
请允许我,用这篇发表于1953年4月25日的伟大而精悍的论文中最美妙的一句话结束:“我们已注意到,我们所提出的特殊配对模式,提供了遗传物质可能的复制机制。”(It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.)
这就是双螺旋之于生命的终极奥义。
是为序。
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