高中生物科学家小故事病理学家细菌学家艾弗里

病理学家、细菌学家艾弗里奥斯瓦德·西奥多·艾弗里（OswaldTheodoreAvery，1877-1955），美国病理学家和细菌学家、美国免疫学家协会主席、美国科学院院士和英国皇家学会会员、分子生物学的先驱之一，发觉了遗传物质的转化现象，指出引起转化现象的是细胞内的脱氧核糖核酸分子，而不是蛋白质，由此开启了探讨分子遗传学的大门。1877年10月21日，艾弗里诞生于加拿大的哈里法克斯市，从科尔盖特高校毕业获得文学学士学位后，艾弗里进入哥伦比亚高校深造，1904年，艾弗里以医学博士学位从哥伦比亚高校内外科医学学院毕业。关注医学发展的艾弗里对人类有限的医学学问感到不满，1907年，艾弗里进入纽约布鲁克林区的一家名为霍格兰试验室的私立机构对致病细菌的化学特征绽开深化的探讨。后来，艾弗里的一篇有关肺结核的论文引起了洛克菲勒探讨所医院负责人鲁弗斯·科尔的关注，鲁弗斯·科尔曾希望研制出一种能够治疗肺炎的血清，得知艾弗里的探讨内容之后，鲁弗斯·科尔邀请了艾弗里参加这种血清的研发过程。1913年，艾弗里进入了洛克菲勒探讨院，并在那儿将35载光阴投入到了对于一种肺炎双球菌的深化探讨中。自从1916年布里吉斯用极其严密的试验证明基因是位于染色体上的物质实体以后，很多生物学家都想进一步解决基因的物质本性问题。尽管富尔根于1924年已经证明DNA是染色体的一个主要组分，然而，由于20世纪20年头分析化学精确程度的限制，使当时的核酸化学权威莱文错误地认为DNA分子中含Ａ、Ｇ、Ｃ、Ｔ这4种不同核苷的4种核苷酸是等量的，进而又错误地提出DNA分子结构的“四核苷酸假说”，即DNA分子是由这4种核苷酸相互连接构成的一个“四核苷酸”；即使后来已查明DNA是很大的分子，“四核苷酸假说”却直到20世纪40年头仍被普遍接受，只不过修正为DNA是由这样的“四核苷酸”为单元再聚合而成的大分子。很难设想这样一种单调重复的分子结构如何体现基因的极大多样性。因此，人们的留意力很自然地集中于染色体的另一个主要组分——蛋白质。蛋白质由20种氨基酸组成，氨基酸的数目及其排列依次可以有极大的多样性。可是，作为基因的物质还必需能自我复制；人们又无法设想出蛋白质自我复制的机制。这是当时遗传学家的一大困惑。1928年，英国病理学家和细菌学家格里菲思进行了闻名的“格里菲思”试验（即肺炎双球菌体外转化试验），并提出在平滑型的肺炎球菌中有一种“转化因子”促成了粗糙型肺炎球菌的转化，但是格里菲并没有确定这种“转化因子”原委是什么。后来，艾弗里等人进一步对转化因子进行探讨，他们将S型细菌用去氧胆酸盐溶液漂洗数次，用乙醇沉淀，得到黏性的乳白色沉淀。将沉淀溶于盐溶液，然后用氯仿抽提2~3次除去蛋白质，再用乙醇沉淀。将沉淀溶于盐溶液，加入能够水解多糖的酶，在37℃水解4-6h，经鉴定溶液中的多糖已除去。再用氯仿抽提1次除去水解糖的酶和残留的蛋白质，然后用乙醇沉淀。他们就这样从75L培育物中得到10-25mg沉淀，然后将沉淀溶于盐溶液制成细胞提取物。他们首先用S型细菌的细胞提取物与活的R型细菌混合进行转化试验，并获得胜利。接着，他们将细胞提取物用不同的酶进行处理后，再与活的R型细菌混合进行转化。详细分这样几组：第一组，不作处理，作为比照，能够转化；其次组，细胞提取物经蛋白酶处理，能够转化；第三组，经RNA酶处理，能够转化；第四组，经酯酶处理，能够转化；第五组，经DNA酶处理，不能转化。艾弗里证明DNA是遗传物质示意图只有DNA酶能够阻挡转化试验，这表明被DNA酶消化分解的DNA极有可能就是细胞提取物中有活性的转化因子。接下来，他们分析了转化因子的理化特征：转化因子的分子量很大，氮磷比约为1.67，在260nm的紫外线照耀时具有最大的汲取峰值，检测DNA的二苯胺反应结果是强阳性，检测RNA的苔黑酚检测结果是弱阳性，两种检测蛋白质的方法结果都是阴性，等等。这些理化特征或测试反应的结果都与DNA的极为相像。在得出结论后，艾弗里并没有急于公布试验结果，在1943年12月提交试验报告之前，他进行了多次反复试验与验证。最终在1944年，艾弗里才与同事科林·麦克劳德和麦克林·麦卡蒂共同在《药品试验杂志》中刊登了他们的试验，并谨慎地表明DNA可能是遗传物质。艾弗里在论文的结尾处写道：“本文提出的证据支持以下观点：脱氧核糖类型的核酸是肺炎链球菌转化因子的基本单位。”艾弗里依据这些试验证据得出上述结论已经有足够的劝服力，但是当时科学界普遍认为蛋白质才是遗传物质，因此艾弗里在论文中也特别谨慎地说：“当然也有可能，这种物质的生物学活性并不是核酸的一种遗传特性，而是由于某些微量的其他物质所造成的，这些微量物质或者是吸附在它上面，或者与它亲密结合在一起，因此检测不出来。”艾弗里的结论一经发表就引发质疑。因为，转化因子意味着确定遗传性状的物质，由于“四核苷酸假说”的统治，人们无法接受DNA是遗传物质这个事实。一些科学家质疑的主要是转化因子原委是DNA还是和DNA混在一起的少量蛋白质。他们选择质疑，既与“细胞提取物不够纯”的实际状况有关，还与当时科学界深信蛋白质是遗传物质密不行分。20世纪初，科学家已经知道核酸是由很多核苷酸单元聚合而成的化合物。德国生化学家科赛尔发觉核酸由碱基、磷酸和糖组成，并探明白组成核苷酸的四种碱基。1909年，美国生化学家列文提出了核苷酸的概念，核苷酸是核酸的基本组成单位；他明确了核苷酸中核糖的结构，并将核酸细分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。在此基础上，列文提出了四核苷酸假说：四个互不相同的核苷酸连接构成四核苷酸，四核苷酸连接组成DNA分子。这个假说认为DNA链是单调重复的分子。这可能是因为列文在分析DNA结构时采纳了猛烈的提取方法，破坏了DNA的结构，导致他将DNA视作分子量很小（150Da）的分子。当时“四核苷酸假说”深化人心。进入20世纪，12种基本氨基酸被发觉，1940年，其他8种基本氨基酸也一一被揭示。20种氨基酸为基本单位的蛋白质好像含有多数困难且不重复的遗传信息。而艾弗里试验中的细胞提取物含有微量的蛋白质，因此，很多科学家就不接受艾弗里的试验结论。持怀疑看法的还有“噬菌体小组”的多位成员。噬菌体小组的核心人物是德尔布吕克、卢里亚和赫尔希。作为物理学博士，德尔布吕克想采纳还原论的思想，用简洁的试验方法，来探查生物的微观世界。噬菌体结构简洁，由蛋白质和核酸两种生物大分子构成，它作为试验材料恰恰符合德尔布吕克的要求。从1945年起，德尔布吕克、卢里亚和赫尔希每年在冷泉港组织噬菌体的学术探讨会与课程班。他们的热忱、专注以及严格的学术要求等赢得了一大批人的拥护和敬重，这些人形成了一个凝合力很强的群体。很多取得杰出成就的科学家都出自这个小组，如沃森、梅塞尔森、斯塔尔、杜尔贝科等。当时，德尔布吕克并不信任艾弗里的结论，在他心目中DNA只是一种单调乏味的大分子，怎么可能是遗传物质的载体呢？噬菌体小组的成员也大多不接受艾弗里的结论，而是信任四核苷酸假说。反对艾弗里的还包括他的同事、核酸探讨权威米尔斯基。当时，洛克菲勒探讨所的米尔斯基试验室是细胞核结构和功能的探讨中心。米尔斯基尝试从多种生物材料中提取核酸和蛋白质，1946年，他从肺炎链球菌中提取了核酸和蛋白质，并重复了艾弗里的试验，但是因为很难获得不含蛋白质的纯DNA，因此质疑艾弗里。1949年，米尔斯基发觉同种生物不同细胞中的DNA含量相同，体细胞中的DNA含量是精子的2倍。这个结论本可以支持DNA是遗传物质，但是米尔斯基仍旧不信任仅靠DNA而无蛋白质会携带遗传信息。科学家对艾弗里试验结果的怀疑主要集中在两个方面：（1）不少人认为，DNA并非遗传物质，而只是荚膜形成的生理过程中发挥作用的一种物质。然而，随后的试验证明，一些与荚膜形成无关的性状也会因DNA而导致转化。例如，1949年证明从青霉素抗性的S型肺炎双球菌中提取的DNA能使从青霉素敏感性的S型肺炎双球菌突变而成的R型细菌转化为青霉素抗性S型细菌；用链霉素抗性和敏感性肺炎双球菌做转化试验也得到类似的结果。这说明，用于这些试验的S型肺炎双球菌其DNA不但带有形成荚膜所需的遗传信息，而且还带有形成青霉素抗性和链霉素抗性所需的遗传信息。（2）更多的人则认为在艾弗里等所得的转化因子DNA中仍混杂有少量的蛋白质，而正是这少量的蛋白质才是实际起转化作用的物质。事实上，到1949年，转化试验已将作为转化因子的DNA纯化到所含蛋白质不高于0.02%的程度，此时的转化效率不但不减，反而增高。尽管在今日看来，艾弗里等的一系列试验及其得出的结论都很有劝服力，但在20世纪40年头，由于“四核苷酸假说”的影响，信任DNA是遗传物质的人是特别少的。在这极少数人中，有几位在以后取得了划时代的成就，他们都干脆得益于艾弗里等的探讨工作。奥地利诞生的美国生物化学家查格夫推断假如DNA真是遗传物质，那么，不同物种的DNA其分子组成应当是不同的。他采纳纸层析、紫外分光光度计测定、离子交换层析等分析技术对各种来源的DNA分子进行精确测定，结果发觉，同一物种不同器官的DNA其分子组成是相同的，不同物种之间则有很大不同；更重要的是，DNA分子中4种核苷酸的数量并不相等，但是Ａ总等于Ｔ，Ｇ总等于Ｃ，这被称为查格夫法则。他的论文在1952年发表，从而推翻了“四核苷酸假说”。在英国伦敦国王学院工作的威尔金斯在艾弗里等的论文启发下，从1946年起用Ｘ射线衍射法探讨DNA的结构。他在意大利那不勒斯的一次演讲促使听众中一位正在丹麦做博士后探讨的美国青年沃森确定转向DNA的探讨。沃森是闻名的“噬菌体小组”的成员，该小组以富有革新精神著称，因而支持沃森变更探讨方向的确定。沃森于1951年秋得偿所愿转到英国剑桥卡文迪什试验室，第一天就同正在那里攻读博士学位的克里克谈得很投机。克里克也是极少数几个重视艾弗里等工作的人，认为DNA能供应解开生命之谜的钥匙。沃森和克里克马上合作探讨DNA的分子结构。1952年，噬菌体小组的另一成员赫尔希与蔡斯合作，发表了他们用放射性同位素探讨噬菌体对细菌感染的探讨结果，有力地证明遗传物质是DNA而不是蛋白质，这更加坚决了沃森和克里克的信念。1953年初，威尔金斯向沃森和克里克出示他的同事富兰克林刚刚获得的一张精致的DNA分子Ｘ射线衍射照片，干脆导致了沃森-克里克DNA双螺旋结构模型的建立，完成了这一世纪伟业。沃森、克里克和威尔金斯同获1962年的诺贝尔生理学或医学奖。在1952年赫尔希和蔡斯的论文发表后，就有人提名艾弗里应获诺贝尔奖，但诺贝尔奖评比委员会却认为“最好等到DNA的转化机理更多地为人们所了解的时候再说”。晚年的艾弗里来到了美国的田纳西州生活。1955年2月20日，艾弗里离开人世，享年78岁。后来，评比委员会不得不承认：“艾弗里于1944年关于DNA携带信息的发觉是遗传学领域中一项最重要的成