【諾獎中的“基因”】“一基因一酶”的前世今生

【諾獎中的“基因”】

隨著科技的日益發(fā)展，人們對基因的理解越來越深刻，“基因”一詞也廣泛進入到人們的日常生活當(dāng)中。然而，將時鐘往回?fù)?00多年，當(dāng)時的人們并不知曉基因的存在。直到19世紀(jì)60年代，遺傳學(xué)家孟德爾通過著名的豌豆雜交實驗，提出了生物的性狀是由遺傳因子控制的觀點，但這僅僅存在于邏輯推理之中。20世紀(jì)初，遺傳學(xué)家摩爾根通過果蠅的遺傳實驗，認(rèn)識到基因呈線性排列于染色體上。但是基因是如何發(fā)揮功能的，一直沒有定論。1941年，美國科學(xué)家喬治?威爾斯?比德爾（George Wells Beadle）提出了“一基因一酶”假說，該理論認(rèn)為每個基因直接產(chǎn)生一種酶來影響新陳代謝過程中的一個步驟，從而幫助研究人員將基因定性為化學(xué)分子，并確定這些分子的功能?；谏鲜隼碚摶A(chǔ)，后續(xù)圍繞基因的相關(guān)研究呈現(xiàn)“井噴”式的發(fā)展。比如，圍繞各種基因的功能開展的研究。因此，喬治?威爾斯?比德爾和愛德華·勞里·塔特姆（Tatum Edward Lawrie，與比德爾共同提出“一基因一酶”假說）共同獲得了1958年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

雖然距這一理論提出已經(jīng)過去了80余年，但他的這一項“里程碑”式的發(fā)現(xiàn)對生物科學(xué)的發(fā)展具有重要奠基作用。今天，讓我們一起坐上“時空穿梭機”，回到當(dāng)時，一起走近這位偉大的科學(xué)家，回顧他是如何提出“一基因一酶”假說，并且得到諾貝爾評委的青睞，獲選1958年諾貝爾獎的這一過程。

早期教育和研究

比德爾1903年出生于內(nèi)布拉斯加州瓦湖，父母是農(nóng)場主。1907年，比德爾4歲時，母親過世，之后，他在父親和管家的庇護下長大。在三個子女中，父親對比德爾尤其喜愛，一度想讓他子承父業(yè)，繼承家里的農(nóng)場。然而，比德爾從小就對生物學(xué)尤其感興趣，高中時，科學(xué)老師鼓勵他考入大學(xué)繼續(xù)深造。

隨后，比德爾不負(fù)眾望，成功被內(nèi)布拉斯加州大學(xué)農(nóng)學(xué)院錄取。畢業(yè)后，他選擇繼續(xù)攻讀草類生態(tài)學(xué)的碩士學(xué)位，并在碩士期間對遺傳學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。1927年，他申請進入康奈爾大學(xué)攻讀博士研究生，在大名鼎鼎的科學(xué)家艾默生的實驗室研究玉米遺傳，并且和芭芭拉?麥克林托克（Barbara McClintock，1983年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎）共同學(xué)習(xí)。4年后，取得博士學(xué)位的比德爾又加入了遺傳學(xué)大師摩根新成立的生物研究所開展博士后研究。這時的比德爾采用的研究模型是當(dāng)時遺傳學(xué)研究“明星”-----果蠅，并且也取得了不錯的研究成果。

比德爾天資聰穎，加上刻苦的學(xué)習(xí)和優(yōu)秀的教育經(jīng)歷，讓他成為一名優(yōu)秀的科研工作者。此外，比德爾動手能力極強，他待過的實驗室里面都會有一些他自制的實驗儀器?？偠灾?，這些教育經(jīng)歷讓他掌握了深厚的遺傳學(xué)技術(shù)和相關(guān)知識，為后續(xù)的“諾貝爾獎研究”埋下了伏筆。

“一基因一酶”的發(fā)現(xiàn)

比德爾在研究果蠅時，發(fā)現(xiàn)果蠅不同的眼色可能是由于基因調(diào)控引起的。隨后，他發(fā)表論文表示：基因會制造不同的色素使果蠅有不同的眼色，而基因突變會擾亂這一過程。這樣的研究結(jié)果隱含了“一基因一酶”的假說。然而，苦于沒有直接證據(jù)，他只能在發(fā)表的論文中暗示生物體存在“一基因一酶”的可能性。

被廣泛應(yīng)用于遺傳研究的粉紅面包霉

1937年，比德爾與斯坦福大學(xué)的愛德華·勞里·塔特姆展開合作，分離并且確定了可以影響果蠅眼色的物質(zhì)，但是其他的研究小組比他們搶先一步發(fā)現(xiàn)并發(fā)表了研究成果（可見科研競爭之激烈）。比德爾并沒有氣餒，他和塔特姆經(jīng)過深度討論后決定更換遺傳系統(tǒng)更為簡單的實驗材料研究基因的作用。經(jīng)過近3年的尋找和嘗試，1940年，他們正式將果蠅實驗室改成粉色面包霉菌實驗室。他們設(shè)計了一套縝密的研究方案，包括：先用X射線照射面包霉菌，產(chǎn)生突變體，然后在含有氨基酸、維生素和其他有機物質(zhì)的完整培養(yǎng)基上萌發(fā)面包霉菌的孢子，然后將萌發(fā)的孢子轉(zhuǎn)移至缺少某些營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基上，向其中加入特定的化學(xué)物質(zhì)，來檢驗缺乏的是哪種營養(yǎng)物質(zhì)，從而確定基因編碼與酶之間的關(guān)系。即便如此，他們?nèi)匀徊淮_定試驗設(shè)計是否可行。他和塔圖姆約定，進行5000株菌的測試，如果全部失敗，他們就放棄這個實驗。幸運的是，當(dāng)他們測試到299株時，他們的實驗成功了。

隨后，他們進一步重復(fù)驗證了實驗結(jié)果，并且整理好數(shù)據(jù)，于1941年將研究成果發(fā)表于著名的《美國科學(xué)院院刊》。雖然從確定研究對象到發(fā)現(xiàn)和獲得明確結(jié)論只花了1年時間，這種“幸運”的背后其實是長年的積累和堅持。

“一基因一酶”錯了嗎？

后來，隨著人類對基因的進一步深入了解，“一基因一酶”假說發(fā)展成更為精確的“一基因一多肽”假說。1966年，羅伯特·霍利、哈爾·柯拉納和馬歇爾·尼倫伯格等科學(xué)家利用基因生產(chǎn)了相應(yīng)順序的蛋白質(zhì)，破譯了基因編碼20種氨基酸的遺傳密碼。隨后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)所有生物都使用一樣的遺傳密碼，從而為后續(xù)的基因工程提供了理論基礎(chǔ)。至此，生物的基因信息變得尤其重要，1985年，美國科學(xué)家率先提出“人類基因組計劃”，經(jīng)過10多年的努力，2001年，包含人體約2.5萬個基因的人類基因組工作草圖發(fā)表。

根據(jù)人類體細(xì)胞所擁有的染色體而繪制的“染色體組型圖”

此時，有人質(zhì)疑比德爾“一基因一酶”假說的真實性。因為，按照圖譜，人類有大約2.5萬個基因。但是實際上人類體內(nèi)的蛋白質(zhì)遠(yuǎn)超過2.5萬個。“一基因一酶”錯了嗎？其實不然，該假說揭示的是基因發(fā)揮作用的機制，明確了基因是通過其編碼的產(chǎn)物---酶或者蛋白質(zhì)發(fā)揮功能。該假說的提出是遺傳學(xué)發(fā)展史上的重要轉(zhuǎn)折點，開拓了生化和分子遺傳學(xué)等新領(lǐng)域，比德爾可以當(dāng)之無愧地被譽為現(xiàn)代生物技術(shù)的奠基人。

出品：科普中國

作者：徐樂天（湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授）

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