生命的秘密：DNA双螺旋

（文 / 曹玲）

( 詹姆斯·沃森 )

发现双螺旋

1953年4月25日，英国学术期刊《自然》杂志刊登了一篇名为《脱氧核糖核酸的结构》的论文，作者是詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）。论文的开头写道：“我们希望提出脱氧核糖核酸（DNA）的分子结构，这种结构的新特性具有重要的生物学意义。”

这篇简短的文章可能是《自然》有史以来发表的最著名的文章。沃森和克里克利用X射线晶体学的测量结果和化学推理，提出DNA分子是由两条聚合链缠绕而成的双螺旋结构。他们写道：“我们提出的这种特定配对原则，立即揭示了遗传物质一种可能的复制机制。”

令人感慨的是，论文当时并没有引起多大波澜。1953年《自然》杂志一共发表了7篇关于DNA结构和功能的论文，但只有一家英国全国报纸《新闻纪事》（News Chronicle）提到双螺旋。沃森和克里克当时也并不是DNA分子结构研究领域中最优秀的科学家，他们在该领域涉猎并非最深。实际上，他们先前在该领域的研究成果几乎是一片空白。他们没有最先进的实验设备，甚至对生物化学也了解不多。

等到DNA涉及蛋白质合成的雏形机制初现的时候，生物学领域才开始真正对这一结构感兴趣。1962年，论文发表9年后，他们和另一位科学家威尔金斯因为在DNA分子研究方面卓越的贡献，分享了诺贝尔生理学和医学奖。

( 弗朗西斯·克里克 )

60年前，这两位名不见经传的科学家怀着渺茫的希望，揭开了分子生物学最根本的谜团。回想起来，很多人都有可能在那一段时间里取得成功，然而后人纪念的却是沃森和克里克。2003年，美国《时代》杂志在纪念DNA双螺旋结构发现50周年时写道：“破解大自然的奥妙并不是只需要聪明的脑瓜和经过严格的科学训练，还需要灵活通达的想法、百折不挠的韧性以及相当的运气。”

沃森在他的回忆录《双螺旋》（The Double Helix）中不经意揭示了这一道理。这本回忆录在1968年首次出版发行时引起轰动，成为当年的畅销书。克里克也在回忆录中恰当总结了原因：“我认为，詹姆斯和我应该得到的最大赞誉是：我们选对了研究方向，并且持之以恒地钻研。没错，我们的确是在一片混乱中找到金子的，但最根本的事实是：我们一直在挖金子。”

这种优雅的螺旋首先出现在克里克的妻子奥迪尔（Odile）笔下，当时论文配图是她所画，黑白线条勾勒的双螺旋结构异常简朴。如今，双螺旋已经成为人类文化的一部分：电影里，艺术作品中，甚至广告里都可以见到。我们现在知道，DNA是一个动态的、弯曲的线圈，它不断地缠绕、解开，热火朝天地制定自己的计划。

DNA的特性由它的形状决定。双螺旋结构的每个梯子都由A、T、C、G中的两个字母组成，A和T配对，C和G配对。如果你把梯子从中间劈开，破坏配对的碱基，随后能获得两个完全一样的分子。这样的变化时刻在你体内发生着，分解复制的速度大约是每分钟3000个字母。同样的过程不停地发生在地球上每一个细胞内，细菌的分解复制速度是人类的10倍。

DNA是一个编码，是一种以基因形式储存生物数据的手段。这个编码在上世纪60年代被系统地破解后，人们发现生命惊人的保守。如果DNA是字母，它拼写的词汇就是氨基酸，氨基酸又组成了蛋白质。地球上所有的生命体使用同样的字母，同样的加密方式和同样的词汇，无论是细菌、蓝鲸、向日葵、蘑菇，还是你和我。

正是这种一致性，催生了生物技术的工业革命。上世纪70年代初期，美国加利福尼亚的科学家发明了不同物种间DNA片段交换的方式，生物从此能通过设计获得特别的性状。“事实上人类1万年前就通过育种和农业从事了类似的工作，但有了DNA编辑工具的出现，我们突然不再受物种性别的约束。基因修饰已经成为生命科学几乎每一个方面的支柱，为我们了解生命和疾病提供了无数的进步。”《创造：生命的起源和未来》（Creation: The Origin of Life/The Future of Life）一书的作者亚当·卢瑟福（Adam Rutherford）在《卫报》中写道。

用DNA储存信息

“DNA是一个信息储存格式，它难以置信的稳定，我们能够从各种死去很久的生物中提取有意义的DNA，包括猛犸象和穴居人。”剑桥大学遗传学家尤恩·伯尼（Ewan Birney）对本刊说，他是继人类基因组计划之后最伟大的基因组研究项目DNA元件百科全书项目（ENCODE）的负责人。

从上世纪90年代，人类开始思考DNA能否作为数据存储设备。2010年，美国科学家克雷格·文特尔（Craig Venter）宣布他们成功制造出世界第一个人造生命细胞，这个含有1.08M碱基基因组的支原体细菌被称为“辛西娅”。今年1月，伯尼所在的研究小组在如灰尘大小的微量DNA中编码了739KB的信息，包括154首莎士比亚十四行诗，马丁·路德·金“我有一个梦想”的演讲视频，以及克里克和沃森发表于1953年的那篇论文。他们把信息发送到德国一个实验室，信息被解密的错误率为零。

伯尼称，这个过程涉及将数字化信息的1和0转换成四个字母的DNA碱基序列，然后这些序列被合成到DNA片段中，数据读取也非常简单，让机器读取DNA分子，使其转换成计算机编码即可完全恢复这些信息。

在测试中这项技术虽然仅能存储739KB的数据，但是这种方法若应用于手掌般大小的人造DNA便可容纳下这个地球上30万亿亿字节（30亿TB）的数据。“这样的存储方式有自己的优缺点，缺点在于人工合成DNA的成本太高，优点在于它不需要任何动力去储存和运输，并且保存也非常容易，从理论上来讲，这些数据可以安全存放许多个世纪。”他说。

目前，这项技术只被用来存档。它读写都很缓慢，但信息密度远远高过蓝光光盘和硬盘驱动器。“虽然读取739KB花了两个星期，但未来技术进步将会缩短这个时间。DNA是一个能够存储40亿年信息的格式。”伯尼说。

虽然生命利用DNA编码信息和复制的原则是固定的，但是对于分子而言并非如此。在过去数年间，人类试图重塑生命的语言。最初组成DNA碱基是4个字母，现在已经增加到至少6个，多了P和Z。2007年，佛罗里达州盖恩斯维尔的应用分子进化基金会的生物化学家史蒂夫·贝内（Steve Benner）所在的团队改进了非自然碱基对系统，并研发了P-Z对。

“在DNA中引入一个人为创建的碱基对可以增加遗传字母，扩大遗传信息，提供新的生物技术与特定的新组分结合为核酸和蛋白质。而且，人为增加生物系统的遗传密码符号对化学家来说是一个巨大的挑战。”贝内对本刊说。

最开始他认为，DNA是自然界最愚蠢的一项设计。理由在于，双螺旋结构配对碱基之间是通过氢键结合在一起的，氢键的结合力非常弱，很容易被水分子破坏，可细胞里含量最丰富的恰恰就是水分子。“如果换作是你，你会放心用这么脆弱的一种方式将重要的遗传信息遗传下去吗？如果让一位化学家来设计DNA，绝对不会拿出这样一种方案。”

虽然自然界似乎有它自己的理由，可是贝内等人还是决定尝试一下，对DNA来一番彻头彻尾的改造。他们花了几十年时间来研究DNA的基本构造，并开发出了除A、T、G、C之外的其他碱基。这种人造碱基也可以与天然碱基配对，还能够像天然碱基一样复制。“我们希望最终能利用这些人工遗传物质，得到一种能够储存更多遗传信息的新物种，甚至是一种完全不使用天然碱基，只利用人工碱基的新物种。”他说。

目前，贝内发现的新字母并不意味着什么，就好像我们往英语里加了几个字母，暂时还无法进行拼写。不过科学家们已经利用这些人造碱基来检测病毒，也有可能被广泛地应用于医药行业的各个领域。

去年4月，剑桥大学一个由维托·皮聂鲁（Vitor Pinheiro）领导的研究团队有了更进一步的发现，他们重新设计了双螺旋梯子的支架，被认为是在合成生物学道路上迈出的重要一步。过去的30亿年，地球生命物质仰赖两种分子结构储藏和记录遗传信息，即DNA和RNA，皮聂鲁创造了第三种：XNA。这是6种人工合成聚合物的通称，在许多关键功能上可替代DNA。

在自然界，DNA和RNA都会遇到很多危险。酸会分解组成它们的梯子，酶会瓦解它们的支架。但XNA似乎没有这些问题。“它们对酶和极端的酸碱性刀枪不入，在其他艰苦条件下也能完好应付。它们就像指甲一样坚韧。”皮聂鲁对本刊说。

“任何多聚物都可以储存信息。是什么让DNA和RNA特别呢？是因为储存在内的基因能够获得并且复制。”他说。由于XNA的碱基和DNA中的一样，因此XNA链条和DNA链条之间还可互相结合，实现遗传信息的传递。与DNA一样，XNA能够储藏遗传信息并通过自然选择而进化，与DNA一样可被精细操控。

由于人造的XNA在分子构成上与DNA并不完全相同，说明DNA不一定是携带生命遗传密码的唯一载体。“有人认为，地球上的生物之所以都采用了DNA来携带遗传信息，是因为地球生命起源之初，环境中相应种类的分子数量较丰富。而在宇宙中其他地方，也许存在遗传方式不相同的生命形式。”

在生物学家眼里，我们正步入后基因时代，DNA本身的性质已经被修改，人类因为各种目的对其进行改造。今年夏天，全球最大的合成生物学会议将在伦敦帝国理工学院举行，这个迅速成熟领域的创作者们将聚集在一起，试图把混音工具变成混杂电路，就像电子技术的先驱一样制定组件标准，让新技术的出现变得更容易。这个电路看起来像电子器件，但实际上是精心设计和组装的DNA，来执行特定的逻辑功能。他们期盼合成生物学能解决各种全球性问题，比如食品、燃料和粮食生产等等。

争议与之通行

人类基因组计划已经完成了10年，最初在沃森的带领下，科学家通读了我们自身代码中所有的30亿个字母。数以千计的人在数百个实验室里研究人和其他物种的基因，今年4月，古代鱼类腔棘鱼最新加入了基因组俱乐部。为了更多人的利益最大化，科学家发现的所有基因组数据都是公开的、不受专利限制的。

然而，目前的法律认为，别人可以拥有你的基因。人类2万多个基因中已有超过两成涉及形形色色的专利，包括阿尔兹海默症、结肠癌、哮喘等。基因专利带来的独占权可以持续20年之久，在此期间非所有权人使用该专利基因进行医学研究、诊断或治疗都将受到限制。

今年4月15日，美国最高法院再次开庭审理涉及两个乳腺癌基因的专利案。这是此领域最主要的法律案例，判决结果将对生物医学界产生深远影响，所以这一事件备受外界关注，美国最高法院预计今年6月就这一专利案做出裁决。

这起案件涉及代号为BRCA1和BRCA2的两个乳腺癌基因，其发现方万基公司早在1998年就被授予利用这些基因的专利。万基公司还在此基础上开发出诊断这两种基因是否变异的方法，每次诊断收费3000～4000美元。据报道，万基公司上一财年从这两种基因的相关专利中获利超过4亿美元，占其总收入的比例超过八成。该公司还要求禁止其他公司开发类似诊断方法。

2009年，代表多个医疗集团、患者及研究人员的美国公民自由联盟、公共专利基金会等就此向最高法院提起上诉。他们认为，基因是大自然的产物，万基公司不应获得“独霸”上述基因的专利，这种专利将阻碍而不是促进创新。

2010年，美国联邦巡回上诉法院认为该公司获得这项专利是理所当然，这同时也能给这些科技公司动力。而诉讼方则认为，万基公司可以获得“方法”的专利，但不能获得“对象”的专利。有人说:“鸡蛋黄油能做饼干，饼干能申请专利，鸡蛋黄油能吗？”

诸如此类的泥潭还有很多，比如基因歧视、基因隐私、基因鸿沟、设计遗传上完美无缺的婴儿、克隆人、生物武器等话题，每一个都足够人们担忧。充满了修改、混合和重新设计的生物学，被指责为“扮演了上帝的角色”。“然而这正是我们一直做的。我们接受自然界，修改、塑造、重新设计它来适应我们的需求。”伯尼说。有些问题诸如基因专利或许很快会得到解决。

很多人有一种发自内心的信仰，认为我们不应该在这些基本的问题上摆弄自然。“所有新的努力都充满了争论，我们的责任是让DNA技术蓬勃发展，同时让社会做出明智的决定如何分享其果实。”伯尼说。我们处于一个黄金年代，一个从双螺旋结构开始的新时代。“每个黄金时代都有紧张、危险和恐惧这类成分。”美国历史学家斯塔夫理阿诺斯在《全球通史》的后记中写道。生命科学的黄金时代也同样如此。 生物技术dna提取DNAdna科学科普秘密沃森生命dna复制专利基因结构dna双螺旋双螺旋基因合成