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九、细菌泄露的秘密


  在进一步揭开遗传秘密的探索过程中,人们曾利用细菌弄清了基因的物质基础。
  细菌之类的微生物也是遗传研究的好材料,甚至是比植物和动物更好的遗传学材料。因为它们的结构比较简单,细胞里含有的基因比较少。它们的生活史比较短,大肠杆菌在适宜的条件下,每30分钟就可以完成一代,也就是完成一次细胞分裂。
  细菌的种类很多。有许多种类对人有害,能引起疾病,危害健康。但是还有不少种类对人有益。例如,有一种腐败细菌,能引起尸体腐败,把复杂的有机物分解成无机物,使物质在地球上循环不止,为植物和动物提供丰富的养分。
  下面着重谈谈肺炎双球菌。这是一种致病的细菌,毒性很强。
  肺炎双球菌如果寄生在人体内,人就会患肺炎,如果不及时治疗,可能死亡。
  这种细菌如果寄生在小家鼠体内,小家鼠就会患败血症而死亡。
  肺炎双球菌是怎样使小家鼠致命的?从中又揭示出了什么秘密?
  英国微生物学家格里弗里斯的实验室里有两种肺炎双球菌:一种的细胞周围有一层厚厚的荚膜。荚膜的主要成分是多糖,也就是一种碳水化合物。它是有毒的类型,一进入小家鼠的体内,小家鼠就会发病致死。另一种的细胞周围没有荚膜。说来奇怪,这种细菌进入小家鼠体内不会使小家鼠患病,它是无毒的类型。
  1928年,格里弗里斯用这两个品种的肺炎双球菌对小家鼠进行了实验。
  他先把有毒型细菌加热杀死,然后把死细菌给小家鼠注射。小家鼠安然无恙。这是可以理解的,因为注射进去的是死的细菌。
  后来,他又把加热杀死的有毒型细菌和活的无毒型细菌混和在一起,注射进小家鼠体内。结果小家鼠发病死了。小家鼠怎么会死的呢?格里弗里斯进行了分析。他从死鼠体内分离出了活的细菌。
  是什么活细菌呢?   

  
  图3-9-1 1.注射无毒型细菌,小鼠不死。2.注射有毒型细菌,小鼠死亡。3.注射加热后的有毒型细菌,小鼠不死。4.注射活的无毒型细菌和加热后的有毒型细菌,小鼠死亡。

  是有毒型细菌。用显微镜观察,那是带有荚膜的细菌。
  他把这活细菌注射给小家鼠,小家鼠又得了致命的病症。于是出现了一系列的问题:
  这些活的有毒型细菌是怎么来的呢?
  是死的变成了活的吗?这不可能。
  是活的无毒型细菌转变成有毒型的吗?这是最可能的。
  但是,转变是怎么产生的呢?分明是活的无毒型细菌受到了死的有毒型细菌的影响,因为它们是一起注入小家鼠体内的。
  怎样影响的呢?
  这个问题,当时的科学水平还不能回答。
  到了40年代,科学有了很大发展。生物化学进步了,人们对核酸的知识了解也比较多了。
  人们研究知道,核酸和蛋白质都是大分子。核酸主要分布在细胞核里,而蛋白质一大半在细胞质里。
  经过生物化学工作者的进一步探索,弄清了核酸有两大类,一类是去氧核糖核酸,简称DNA;一类是核糖核酸,简称RNA。
  组成DNA或RNA的主要成分是核苷酸。一个一个的核苷酸前后连接起来,就成为一种直线结构,不分枝,像一个一个的氨基酸组成蛋白质那样。
  后来又知道,组成核苷酸的有3种成分:糖、磷酸和有机的碱基。但是人们还不知道DNA和RNA的功能。
  1944年,美国的生物学家亚弗利、麻克里奥和麦卡第合作,在格里弗里斯的肺炎双球菌转化实验的基础上进行了细致的工作。
  他们把有毒型的细菌杀死,磨碎它们的死细胞,提出了5种成分,有多糖、脂质、蛋白质、RNA和DNA。它们都是性质各不相同的有机物。
  他们把这些成分提出来以后,分别加进培养活的无毒型细菌的试管里。
  经过一段时间的培养,他们从各试管里取出细菌的样品,进行观察。
  于是,真相大白了:只有去氧核糖核酸能够使无毒型细菌转化成有毒型细菌。
  这说明了什么呢?
  这说明了多糖、脂质、RNA和蛋白质等成分都不是这种细菌的遗传物质,只有DNA才是这种细菌的遗传物质。
  细胞的遗传物质终于找到了。这是遗传学研究的又一个突破。
  但是,是不是其他生物的遗传物质也都是DNA呢?这在当时并没有弄清楚,只初步知道DNA的成分比较简单,是由4种核苷酸组成的。   

  
  图3-9-2

  1953年是值得纪念的一年。这一年,对DNA是遗传物质的研究,又达到了一个新的高度。
  以前,科学家只研究出DNA分子有两条长链。至于两条长链的关系是什么?它们又是以什么方式彼此发生关系而组成DNA的大分子的?这样重大的研究课题,都在这一年里揭晓了。
  美国的沃森和英国的克里克合作,进行了深入研究。他们提出DNA分子的结构模式,认为DNA分子是一种螺旋形的结构,每条长链都由四种核苷酸组成,如果分别用字母ACGT表示,就是C和G配对,A和T配对,两条长链相互扭曲盘旋在一起。
  他们在研究中发现,这种结构有新的变化。比方说,原来的结构如果是:
  那么,后来两条链分开,各自作为样板,每个成分各自配对,就由一个DNA分子变成了两个模样完全一样的DNA分子了:
  这就是说,DNA具有自我复制的能力,这是遗传物质必须具备的基本条件。   

  
  图3-9-3

  这是一个重大的发现。从此,遗传学的研究深入到分子里边去了。分子遗传学成为生机盎然的科学,迅速地发展起来了。
  接着又提出一个重要的问题:作为基因的化学分子DNA是怎么控制蛋白质的合成呢?
  经过科学家的实验知道,这是一个很复杂的过程,牵涉到细胞里的许多结构。如果长话短说,这个复杂的过程包括两个重要的步骤,就是转录和翻译。
  什么叫转录呢?
  转录就是DNA含有的遗传信息(基因),在一种叫做转录酶的干预下,转录成RNA的过程。这个RNA当然就含有基因的信息了。在这里,把RNA就叫做DNA基因的副本。
  翻译就是按RNA所含有的信息,把氨基酸一个一个按一定顺序连结起来,合成某种蛋白质的过程。也就是以RNA的信息来决定产生什么样的蛋白质。例如:
       酪氨酸酶基因DNA
              ↓(转录)
        酪氨酸酶的RNA
              ↓(翻译)
              蛋白质
              (酪氨酸酶)
  这就是说,基因(DNA)的分子成分就决定了蛋白质的组成。
  这个过程怎样实现的?遗传信息的分子基础又是由什么组成的呢?
  科学家们在细致的实验中发现,DNA或RNA所含有的遗传信息是由遗传密码组成的。遗传密码就是决定氨基酸的不同碱基的排列顺序的密码。
  前面谈到,DNA或RNA都是由核苷酸组成的,蛋白质都是由氨基酸组成的。核苷酸怎样成为氨基酸的遗传密码呢?
  DNA和RNA是由4种核苷酸(或4种成分)组成的。组成DNA分子的是A、T、C、G4种,而组成蛋白质的氨基酸有20种。4种核苷酸所含的遗传信息,怎么能决定蛋白质分子中20种氨基酸的排列顺序呢?
  假定一种核苷酸是一种氨基酸的遗传密码。4对20,遗传密码显然不够用。
  2个核苷酸的组合成为遗传密码,行吗?
  也不行。4种核苷酸,任意取出2个来,可以得到42=16种组合。16对20,遗传密码仍旧不够用。
  任意取出3个来怎样呢?43=64,可以得到64种组合,64对20,密码不但够用了,而且绰绰有余了。
  用3个核苷酸的组合作为遗传密码,那就好比用3个字母来组成一个字,代表一个意思,一个信号。
  科学研究已经充分证明,遗传密码确实是由3个核苷酸组成的;而且弄清楚了,各种氨基酸有各不相同的遗传密码:甲硫氨酸的遗传密码是TAC,酪氨酸的遗传密码是ATT和ATC,丙氨酸的遗传密码是CGA、CGT、CGC和CGG,等等。
  这就是说,有的氨基酸的遗传密码是1个,而有的氨基酸的遗传密码有3个以上。这样,用3个核苷酸所组成遗传密码的核酸,就可以用来控制蛋白质的合成了。
  假定某种蛋白质所含有的氨基酸和排列顺序是:
  甲硫氨酸、丙氨酸、酪氨酸、丙氨酸……
  那么,它的DNA分子中的遗传密码就是:
  TAC、CGA、ATT、CGA……
  于是,应用化学方法来分析某个蛋白质的氨基酸及其排列顺序,就可以知道是哪个基因遗传信息的遗传密码了。基因这个遗传单位或遗传信息,就由抽象的概念落实到具体的物质了。
  这一研究成果为定向改造生物的遗传性,使生物更好地为人类服务,开辟了一条崭新的途径。
  从肺炎双球菌的遗传性发生改变的实验,到弄清基因的物质基础,几乎花了整整25年,就是从1928年到1953年。时间所以那么长,主要是因为那个时期的科学发展的基础比较差。
  后来情况不同了。从1953年最终阐明DNA是遗传分子以后,大约经过了13年的努力,到了1966年,所有20种氨基酸的遗传密码都研究清楚了。
  到了70年代,有许多重要的酶也分离出来了。例如,一种专门用来切割DNA分子的酶,叫做内切酶,是从细菌里提取出来的,它会在一定的碱基位置上,像一把手术刀一样,把DNA分子切开。
  另一种酶叫做连接酶,在它的作用下,被切开或断裂的DNA分子又可以彼此连接起来。
  就在这些科学成就的指引下,遗传工程出现了。它标志着遗传技术又有了一个重大的突破。


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