大肠杆菌中 DNA 的复制
DNA 复制时,留一条旧链、造一条新链——靠「称重」得到证明。
当 DNA 复制自身时,它是留住旧的,还是从头全新造一份?两位年轻的科学家,靠「称量」这个分子、看它停在哪里,回答了这个问题。
核心想法
沃森与克里克说过,DNA 是两条扭在一起的链,彼此互为镜像。他们猜测:要复制自身,这个分子会像拉链一样解开,让每条旧链充当模板,去造出一条新的搭档。如果真是如此,那么每一份新拷贝都将是一半旧、一半新。可那毕竟只是猜测,没人真正看见过。
梅塞尔森与斯塔尔找到了一个能让答案现身的办法。他们先把细菌养得 DNA 变「重」,再让它们在普通的「轻」食物里生长,一代一代地盯着 DNA 到底有多重。结论干净利落:经过一轮复制,每个分子都恰好是半重的——留住一条旧链,造出一条新链——正如沃森与克里克所预言的那样。
它是如何诞生的
1950 年代中期,双螺旋发表之后,生物学家面对一个尖锐的悬而未决之问:像 DNA 这样的分子,究竟是怎样复制的?看上去有三种可能的答案,却无从在它们之间作出抉择。加州理工的两位年轻研究者马修·梅塞尔森与富兰克林·斯塔尔,恰好发明了一件新工具:把 DNA 放进盐溶液里高速旋转,让盐形成一道密度梯度,于是每个分子都会漂到与自身「体重」相称的那一层。
他们意识到,这能为那场争论一锤定音。先给细菌喂一种重的氮,再切换成普通的轻氮,他们就能眼睁睁看着重的旧物质被轻的新物质稀释——而条带的图样,会揭示自然采用的是哪一种复制方案。1958 年的这个结果如此清晰而优雅,以至于它常被称为「生物学中最美的实验」。
它为何重要
双螺旋是一个美丽的结构,但结构并不等于机制。这个实验把一个满怀希望的猜测,变成了确凿的事实:DNA 复制自身,确实是在每个新分子里留住一条旧链。这一个结果,锚定了我们对遗传、突变、DNA 修复,以及每一个活细胞中那套复制机器的理解——它也作为一个范例,示范了如何把实验设计得如此干净,使答案几乎无可争辩。
一个可以想象的画面
想象一条拉链,由两半组成,而这两半只与彼此咬合。要造出两条新拉链,你不会把两半都从头做起。你会把拉链拉开,给每一半旧的,都配上一半全新的、能与它咬合的。于是你有了两条完整的拉链,而每一条都是一半旧、一半新。再来一次,最初那两半旧的,依然还在其中——完好无损地被传了下去,每一代各得一半——而周围则环绕着越来越多全新的物质。那种对一半旧物的忠实保留,正是梅塞尔森与斯塔尔抓拍到的、这个分子所做的事。
它的位置
这个实验,是本馆两座里程碑之间的桥梁:它印证了沃森与克里克 1953 年双螺旋所暗示的机制,也为后来的分子机器——聚合酶、修复酶——以及最终像 CRISPR 这样、去读写正是此处被证明会被保留的那些链的工具,铺平了道路。如果说沃森与克里克给出了结构,那么梅塞尔森与斯塔尔,便给出了这个结构在生命中如何运作的证明。
问题所在
方法——给 DNA 贴标签并「称重」
条带说明了什么
两条结论
1. The nitrogen of a DNA molecule is divided equally between two subunits which remain intact through many generations.
2. Following replication, each daughter molecule has received one parental subunit.