高中生物科学家小故事分子生物学家诺贝尔生理学或医学奖威尔金斯

分子生物学家、诺贝尔生理学或医学奖威尔金斯莫里斯·威尔金斯（MauriceHughFrederickWilkins，1916-2004），英国分子生物学家，专注于磷光、雷达、同位素分别与X光衍射等探讨领域。因在伦敦国王学院期间与其同事富兰克林应用X射线衍射技术获得了高质量的DNA衍射图谱，使其与佛朗西斯·克里克、詹姆斯·沃森共同获得了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。1916年12月15日，威尔金斯诞生于新西兰，身为物理学家的父亲对科学挚爱的精神在童年的威尔金斯心中埋下了科学探讨的种子。由于父母是爱尔兰移民，6岁时他被带到了英国，进入爱德华国王学校学习。后来，威尔金斯进入圣约翰学院学习物理学。在此期间，有幸遇到了他的导师——闻名原子物理学家科克罗夫特。1938年，威尔金斯从圣约翰学院获得物理学学位，随后进入伯明翰高校物理系，成为闻名固体物理学家约翰·兰德尔博士的探讨助手，并攻读博士学位。1940年，威尔金斯凭借磷光理论和磷原子中被俘电子的稳定性机理的探讨而获得博士学位。二战中，还在英国国内平安部的威尔金斯参与了分别铀同位素的探讨工作，其探讨成果后来被用于制造行原子弹。1944年，他进入美国加利福尼亚高校伯克利分校，接着进行同位素的相关探讨。二战结束后，他对于自己参与的探讨成果被用于军事目的而感到懊丧，因此起先找寻其他有意义的探讨领域。这时候，他仔细阅读了薛定谔的《生命是什么》一书。薛定谔在书中指出物理学可以用来理解生命本身，开创了一个叫做生物物理学的领域。此书为迷惘中的威尔金斯指明白方向，引领他走上了生物物理学的探讨之路。后来，威尔金斯在苏格兰圣安德鲁高校成为一名物理学讲师，并加入自己的博士生导师约翰·兰德尔博士的生物物理学探讨小组。不久，威尔金斯跟随兰德尔博士将试验室迁到国王学院，并在这里建立了生物物理学试验室。在兰德尔的建议下，威尔金斯运用紫外显微技术探讨细胞的内部结构。当他兴奋地看到细胞中遗传物质的载体染色体时，意识到用显微镜对细胞进行整体探讨，无法揭示生命的本质。于是，威尔金斯将生物大分子分别出来，再对分子结构绽开深化探讨。所以，威尔金斯起先将X射线衍射技术应用于生物大分子结构的探讨，但是未经X射线衍射技术系统培训的威尔金斯在后续探讨中受到确定程度的限制。分子生物学探讨者从3个方面探讨生命的本质，并形成3个学派：结构学派、信息学派和生化遗传学派。作为结构学派的主阵地英国国王学院，以其先进的试验仪器为手段绽开了生物大分子结构探讨。在此间，威尔金斯选择了DNA分子结构探讨。1950年，在伦敦法拉第学会上，威尔金斯收到了瑞士化学家席格纳分发给参会人员的自制牛胸腺高度聚合DNA样品。威尔金斯探讨发觉，DNA纤维可以作为X射线衍射分析的极佳材料。于是，将其交给了比较擅长X光衍射的国王学院毕业生戈斯林。果真，不久一张令人兴奋的DNA晶体X衍射照片问世，从照片上的完备斑点可以看出DNA纤维为一种晶体结构，并且排列较有规律。试验胜利的一个重要缘由是DNA纤维的潮湿环境，这得益于之前蛋白质晶体探讨中保持潮湿环境状态，所得结果较为志向。这点对后来富兰克林的胜利供应了重要参照。但是，威尔金斯依据X射线衍射错误地得出DNA是单股螺旋，再加上试验室缺乏相关探讨专家，所以一段时间内对DNA的结构探讨进展几乎处于停滞状态。尽管如此，这些引起了后来很多科学家的极大爱好，这其中就包括了沃森和克里克。图1DNA晶体X衍射照片后来，威尔金斯受邀参与意大利那不勒斯的一个学术会议，在会议上，威尔金斯展示了X射线衍射技术应用于DNA结构方面的探讨成果，并公布了一系列衍射照片。这被台下的沃森所关注，他敏锐地感到这项探讨的重要性，并表示出与威尔金斯合作探讨的愿望。可缺憾的是威尔金斯并没有同意，事实证明这对威尔金斯来说是一个很大的缺憾，倘如他们能有效合作，凭借两者的学识优势，DNA结构发展的历程可能会改写，甚至会出现沃森——威尔金斯模型。对DNA结构探讨充溢热忱的沃森在卡文迪许试验室遇到了威尔金斯的挚友博士生克里克，克里克对DNA结构的探讨同样充溢憧憬。通过与威尔金斯的沟通与探讨，克里克系统了解了DNA结构，也正是两人的挚友关系为后来沃森和克里克获得DNA结构照片供应了条件。沃森和克里克的互补、相互指责及相互激励的通力合作成为后来胜利的基础。相比之下，威尔金斯并不很强的合作意识缺憾地使他的DNA结构探讨进展缓慢。在威尔金斯到美国进行学术沟通期间，一名X射线晶体学探讨专家罗萨琳·富兰克林被兰德尔邀请至国王学院，并改进了威尔金斯的试验仪器，使DNA的探讨有了很大的进展。但是，威尔金斯与富兰克林的探讨独立而竞争地进行，并没有产生有效的合作。威尔金斯与X射线晶体衍射专家斯陶克建立了威尔金斯探讨小组，富兰克林和戈斯林在威尔金斯的试验基础上绽开对DNA的探讨。威尔金斯探讨小组探讨了不同来源的DNA,发觉了衍射图像的相像性，得出了DNA结构的普遍性，但所获得的DNA衍射图片并不志向。而此时的富兰克林与戈斯林在DNA衍射方面探讨进展比较顺当。图2富兰克林拍摄的DNA衍射图谱在沃森对国王学院的一次访问中，威尔金斯出于学术沟通的目的将富兰克林的完备X射线衍射供应应了沃森，这使很多人感觉威尔金斯很不道德。倘如威尔金斯与富兰克林以联合发表的方式将资料赐予沃森会更规范，这一点威尔金斯做得有点欠妥，当然这次共享加速了DNA探讨发展的进程。其实，威尔金斯与富兰克林之间的关系还是比较融洽的。但是，沃森的自传著作《双螺旋》中对人物的描述有点失真，具有很强的误导性，特殊是对富兰克林的描述尤其苛刻，这使得人们把矛头指向了威尔金斯。我们必需明白一点，DNA结构的阐明是很多科学家作出重要贡献的结果，他们都应受到应得的荣誉。缺憾的是富兰克林由于疾病于1958年逝世而无缘共享这些荣誉，但是她的X衍射成果对DNA结构的阐明做出了巨大的贡献。1951年底，沃森和克里克依据威尔金斯和富兰克林的数据，曾提出过一个三股螺旋的DNA结构，但是与威尔金斯、富兰克林探讨时经过激烈的争辩，发觉了一系列错误，如把亲水性的磷酸基团放在螺旋内侧；没有用碱基，而用糖-磷酸作为螺旋的骨架；DNA含水量少算了一半等，因此该模型宣告失败。后来，沃森和克里克又进一步做试验，他们参考了富兰克林的DNAX衍射照片中的关键数据，在对查格夫规则（A-T，G-C）进行了合理说明的基础上，提出了DNA双螺旋结构模型。尽管双螺旋DNA模型有不行否认的优点，但是，当时文献中所用的X射线数据不足以严格地检验假设的结构。对此，威尔金斯与他的同事供应了可供引用的关于小牛胸腺DNA的X射线数据，这给DNA双螺旋模型赐予了坚决的支持。对此，沃森和克里克提出在论文里署上威尔金斯的名字，但是威尔金斯以没有干脆参与这一发觉拒绝了沃森和克里克，于是，1953年4月25日Nature杂志上发表了只署名了沃森和克里克的DNA双螺旋结构的经典论文——《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的结构》，而威尔金斯与史道克斯(A·Stakes)和威尔逊(E·R·Wilson)也在同一日在该杂志上发表了《脱氧戊糖核酸的分子构造》一文，同年10月24日，为了进一步说明这项试验工作，他与席慈(W·E·Seeds)、史道克斯和威尔逊又在《自然》杂志上发表了《结晶的脱氧戊糖核酸的螺旋结构》一文。威尔金斯在1953年4月的文章中首先谈到了他写作这篇文章的目的是“初步描述具有螺旋形而且以自然状态的形式存在的多肽链构型的一些试验证据”。他运用的样品是纤维状的DNA结晶体并使其保持在潮湿状态，试验中DNA纤维和照相底片都放置在垂直于X射线束的方向上（图3）。当单色X射线束垂直通过DNA纤维时就像通过一个光栅一样在照相底片上就会呈现明暗相间的X射线衍射图样，在衍射图上的纵轴和横轴分别以子午线和赤道线相称。图3X射线照相设置示意图在这篇论文中他运用的衍射图是富兰克林摄制的B型结构的DNA的X射线衍射图（图2）。他指出：X射线衍射图照片是由两个区域组成的，一个是由沿着这条链的碱基的有规则的空间排列确定的；另一个是由这条长链的空间构型确定的。他说：“阿斯特伯里建议的这个剧烈的0.34nm反射对应于沿着这条纤维轴中间的核苷酸的重复，然而这个约为3.4nm的层线并不是多核苷酸组成的重复而是由于链条构型的重复，当核苷酸具有比较高的密度的时候就引起了剧烈的衍射，在子午线上及旁边反射的削减马上可以得出具有平行于纤维轴的螺旋。这一段话说明白螺旋结构与衍射图间的相互关系可作如下详细说明。如图4所示，设核苷酸（或碱基对）之间的间距为h，则h＝0.34nm，在衍射空间（即倒易空间）中对应线段的长度h*＝1/h＝1/0.34，对应于衍射图上第10层线的衍射强度。设螺旋的螺距为p，则p＝3.4nm，在衍射空间（即倒易空间）中对应线段的长度p*＝1/p＝1/3.4，对应于衍射图上第1层线的衍射强度。图4螺旋结构与衍射图间的相互关系示意图接着，威尔金斯用贝塞尔函数作了进一步说明。在1953年4月的论文中，他画出了在直径为2.0nm处分布有半数质量，而其余质量沿着径向分布的螺旋在倒易空间中的贝塞尔函数的平方在层线上的分布曲线图（图5）。他说：“一个匀称的连续的螺旋给出了一系列对应于螺距的带有间隔的层线沿着第n层线强度的分布正比于第n级贝塞尔函数Jn的平方。通过每个贝塞尔函数最内部的最大值和原点画始终线，这条线与赤道线所成的角度大约等于螺旋元件与螺旋轴之间的角度。”他说明道：“在衍射图中在子午线及其旁边反射的不存在，对应于图10中一个空白区域AAA，是这个螺旋结构的干脆结果。而在衍射图中赤道及其旁边的空白区域对应于图5中的一个空白区域BBB。”这就说明在衍射图上衍射强度最大值呈十字交叉分布是螺旋结构X射线衍射的最显著的特征。图5单螺旋的贝塞尔函数的平方的分布曲线图在1953年10月发表的文章中，威尔金斯指出写作这篇文章的目的是“证明DNA是由两条缠绕在一起的多核苷酸链组成的”。图1是威尔金斯小组拍制的A型DNA的X射线衍射图，图中黑色矩形的高度正比于结构因子，其面积正比于总强度。这条连续曲线与螺旋结构的结构因子相对应。图6DNA的X射线衍射强度图关于螺旋的直径，威尔金斯在前一篇文章中谈到在衍射图上剧烈的衍射发生在1.7nm处，最大的直径为2.0nm。在本文中他从图6中第2层线和赤道上的衍射强度与螺旋直径为1.8nm的结构因子曲线的一样性，得出这个衍射是由严格规定的直径大约为1.8nm的螺旋产生的。威尔金斯还得出螺旋的厚度不小于0.35nm，他又依据在第1、第3层线上的强度分布对应于直径为1.0nm的螺旋的结构因子，从而推出“在这两个直径为1.8nm的螺旋之间的空间内，还有一个直径为1.0nm的螺旋”，而这后一个螺旋形是由一系列碱基对排列的形式确定的。威尔金斯还从A型DNA的X射线衍射图中，视察到唯一的接近子午线的反射在第11层线中心，由此，他推断出单股螺旋每一转包含有11个核苷酸。威尔金斯还指出，在DNA不完全结晶的状态中，碱基处在螺旋轴的平面上；在结晶的状态中，碱基的平面倾斜于螺旋轴。“假如核苷酸大略是由与纤维轴成65°倾角的一系列平面形成的，衍射图上强度的分布就能得到说明。”威尔金斯还通过对DNA晶体的含水量和密度的测量，明确提出在DNA的螺旋结构中包含有两条链。他说：“我们的测量表明，每个DNA的结构单位有22个核苷酸，可以确定在螺旋系统中有两条而不是3条核苷酸链，在一个螺距的长度内每条链上有11个核苷酸。”威尔金斯用大量的试验数据证明白沃森和克里克提出的DNA的双螺旋结构模型，并用详细的试验数据表示之。威尔金斯得出结论说：“整条磷酸基－糖链大约处在距离螺旋轴0.9nm处，形成两条间距为1.4nm、直径为1.8nm的螺旋。一系列碱基对与螺旋轴大约成65°的倾角，在两个直径为1.8nm的螺旋之间，形成直径为1.0nm的单股螺旋（图7）。这个模型作为一个整体与从X射线衍射数据推断出的结构对应得很好”。图7DNA双螺旋结构的模型威尔金斯在DNA双螺旋模型的试验建构中做出了巨大贡献，所以，威尔金斯