罗莎琳德·富兰克林在发现DNA结构中被忽视的作用

2024-11-06 05:14来源:本站

  

  

  这是科学史上最著名的时刻之一:1953年2月28日,剑桥大学分子生物学家詹姆斯·沃森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)确定脱氧核糖核酸(DNA)的结构是双螺旋聚合物,即由两条DNA链相互缠绕组成的螺旋。DNA是携带任何个体特有遗传密码的分子。

  近10年后,沃森和克里克以及生物物理学家莫里斯·威尔金斯(Maurice Wilkins)因发现了他们所谓的“生命的秘密”而获得1962年诺贝尔生理学或医学奖。还有一个人在颁奖典礼上缺席,他的工作对发现DNA的结构至关重要。罗莎琳德·富兰克林是一位化学家和x射线晶体学家,1951年至1953年在伦敦国王学院研究DNA,她未发表的数据为沃森和克里克的突破铺平了道路。

  历史上的今天:1953年2月28日——DNA结构被发现

  富兰克林于1958年死于卵巢癌,享年37岁,他没有资格获得诺贝尔奖,诺贝尔奖不会在死后颁发。然而,在沃森的畅销书《双螺旋:1968年发现DNA结构的个人叙述》出版后,关于她在发现DNA结构中所扮演的角色以及她未能因此获得认可的争论开始沸腾,这本书对富兰克林的描述非常不讨人喜欢。

  “华生把富兰克林描绘成一种邪恶的形象——一个女学生,一个泼妇,”约翰·霍普金斯大学的医学历史学家纳撒尼尔·康福特说,他正在为这位著名的分子生物学家撰写传记。沃森还在他的书中提到,他和克里克在富兰克林不知情的情况下获得了富兰克林的数据,包括现在著名的51号照片,一张DNA的x射线图像,立即使沃森相信分子的结构一定是螺旋形的。

  沃森在《双螺旋》中对富兰克林的描写引起了一些人的强烈反对,他们认为她是背叛、性别歧视和厌女症的受害者,其中包括富兰克林的朋友安妮·塞尔,她在1975年出版了富兰克林的传记。康福特认为,这种观点也掩盖了富兰克林贡献中更为复杂的真相。正如他和马修·科布(Matthew Cobb)在2023年发表在《自然》(Nature)杂志上的一篇文章中所说的那样,对现有证据的重新考虑表明,富兰克林不应被视为烈士,而应被视为解决DNA双螺旋结构的平等贡献者。

  

  1951年,富兰克林加入了国王学院由约翰·兰德尔(John Randall)领导的一个生物物理学家团队,该团队使用x射线晶体学研究DNA。这种分子早在1869年就被发现了,但当时人们还不了解它的结构和功能。在法国一家政府运营的实验室学习了x射线晶体学之后,她已经是这项科学技术的专家了,这项技术包括向晶体结构发射x射线,并拍摄由结构中的原子衍射x射线产生的图案。通过测量图案的大小、角度和强度,研究人员可以创建晶体结构的三维图像。

  从一开始,富兰克林就与兰德尔的副手威尔金斯发生了著名的冲突,两人开始在很大程度上彼此分开工作。威尔金斯之前在x射线图像中发现了两种形式的DNA;富兰克林发现,通过调整标本室的湿度水平,她可以将结晶的、相对干燥的“A”型DNA转化为湿润的、准结晶的“B”型DNA。1951年11月,她在一次研讨会上分享了这些关于DNA的重要见解,沃森也参加了这次研讨会。

  “她那堂课的笔记非常详细,”康福特说,并补充说富兰克林最初认为A型和B型都是螺旋结构。“她将DNA描述为一个大螺旋,描述了两种形式并列出了它们的区别……并解释了结构如何根据样品室的相对湿度从a到B切换。”

  尽管捕捉到了B型DNA双螺旋结构的清晰证据——最著名的是1952年5月拍摄的51号照片——富兰克林还是选择了专注于干燥的A型DNA,这比B型DNA产生了更清晰、更详细的图像。这个焦点使她远离螺旋的想法,因为a形看起来并不是螺旋的。

  康福特说:“作为一名化学家和x射线晶体学家,她所做的是最有意义的。”“她不是生物学家,所以她没有意识到,在活细胞中,更多的水合B形式会更多地存在,因为细胞是一个非常潮湿的地方。”

  1953年2月,威尔金斯向他在剑桥的朋友沃森展示了51张B型DNA的照片,沃森和克里克正试图通过建立和分析物理模型来确定分子的结构。威尔金斯从雷蒙德·高斯林那里收到了这张照片,高斯林曾为威尔金斯和富兰克林工作,并与富兰克林一起拍摄了这张照片。

  沃森后来声称,看到51号照片后,他立即相信DNA螺旋一定存在。他在《双螺旋》(The Double Helix)一书中写道:“看到这张照片的那一刻,我张大了嘴巴,脉搏开始加速跳动。”在那之后不久,克里克的导师递给他一份关于富兰克林未发表的研究结果的报告,这份报告是克里克在1952年12月访问国王学院实验室时收到的。1953年2月底,沃森和克里克构建了他们的DNA双螺旋结构模型,并于同年4月在《自然》杂志上发表了一篇具有里程碑意义的论文。

  在康弗看来,谈到51号照片及其重要性,沃森对事件的描述并不完全正确。康福特说:“沃森(在《双螺旋》中)谈到,直到那时才意识到有A和B的形式……但富兰克林在1951年底就谈到了这一点,她和威尔金斯公开讨论了这个问题。”“我觉得他写这本书的时候,就好像这张照片是一把神奇的钥匙,因为这张照片很好地叙述了他的发现,使他能够把一门极其复杂、技术含量很高的科学浓缩起来,并与人交流。”

  康福特还驳斥了这样一种说法,即晶体学家富兰克林不理解她和高斯林10个月前拍摄的DNA B型x射线衍射图像的重要性。他说:“她太好了,配不上那样。”

  事实上,富兰克林当时更关注的是DNA的A型,而且当时他正准备离开国王学院,去伦敦的伯克贝克学院找一份新工作。然而,在她离开之前,富兰克林开始了一个新的实验笔记本,上面写着关于B型DNA的笔记。

  1953年2月下旬,富兰克林的笔记显示,她不仅接受了DNA是螺旋结构,可能有两条链;她还认识到,每条链上的核苷酸成分(或碱基)以一种使两条链互补的方式相互关联,从而使分子很容易复制。康福特说:“富兰克林的同事亚伦·克鲁格分析了她的研究笔记,说富兰克林离双螺旋结构只有‘两步之遥’。”“再给她几个月的时间,她肯定会得到它的。”

  威尔金斯和富兰克林(与高斯林一起)分别在1953年4月的《自然》杂志上发表了论文,在很大程度上支持沃森和克里克的DNA结构模型。当年6月关于双螺旋结构的最早报告是由所有三篇论文的作者签名的,这表明——正如康弗和科布在他们的文章中指出的那样——DNA的发现在当时被视为共同的努力,而不仅仅是沃森和克里克的胜利。

  在接下来的五年里,富兰克林带领一组研究人员研究脊髓灰质炎和烟草花叶病毒(TMV)等病毒的核糖核酸(RNA)。1956年,富兰克林被诊断出患有卵巢癌,她一直工作到1958年4月去世前几天。富兰克林离开国王学院后也与沃森和克里克保持着定期联系,甚至与克里克和他的妻子奥迪尔成为了好朋友。

  富兰克林被不公正地排除在诺贝尔奖之外,再加上沃森在《双螺旋》中明显的性别歧视形象,使许多人认为她是沙文主义和背叛的受害者。从更复杂的角度来看,这位科学家不仅对DNA结构的发现做出了同样的贡献,而且在至关重要的病毒学领域也是一位开拓者。

  康福特说:“富兰克林对RNA如何被包装在TMV的蛋白质外壳内有一系列令人难以置信的见解。”“她得到了广泛认可,被视为所在领域的顶尖人物。”

  

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