艾弗里肺炎双球菌转化实验史实的梳理与分析

秦四哥

1实验还原

艾弗里团队对肺炎双球菌“转化因子”的研究是揭露基因本质的重要实验，与科学史上的众多研究一样，该实验也是在前人基础上进行的：早在1928年，格里菲斯已在小鼠体内成功进行了肺炎双球菌的转化实验；1931年，Dawson与Sia在试管内（而非小白鼠体内）成功实现了体外转化；1933年，Alloway将S型菌破碎、过滤后得到无菌提取液，并发现这种无菌提取液也可以引起转化现象的发生。无菌提取液同样能够引起转化给了艾弗里提示，说明提取液内含有被称为“转化因子”的物质。于是，艾弗里花了10年的时间对“转化因子”进行研究。由于艾弗里实验并不是检验“转化因子”究竟是哪种成分，而是提纯“转化因子”后加以鉴定，因此会牵涉到样品纯度的问题。

艾弗里团队通过观察菌落形态来判断转化活性，方法如下：对S型细菌提取液进行处理，然后稀释到不同梯度，加入含R型细菌的特定培养基中，如果菌落发生明显变化，就说明在相应梯度下能够发生转化，能引起转化的最低稀释梯度就表征了提取液处理物的转化活性。实验发现除去多糖、蛋白质和核糖核酸并不会引起转化活性的太大变化。艾弗里团队将“转化因子”不断纯化，最终提纯产物转化活性极高，在1.33x10-9g/mL的浓度下还可以引起4个平行实验中2个试管内R型细菌的转化。他们对提纯的“转化因子”进行了一系列物理、化学和酶学分析，最后确定“转化因子”为DNA。但由于提纯所得到的DNA纯度并非100%，就连艾弗里自己在1944年所发表的论文中也谨慎地指出“当然也有可能，前面谈到的这种物质的生物学活性并不是核酸的一种遗传特性，而是由于某些微量的其他物质所造成的”。但同时，他也自信地指出“有可靠的证据充分说明它（DNA）实际上就是转化因素”。可惜的是，由于蛋白质杂质的存在，这一划时代的研究成果在当时并未很快被科学家所接受。

2被忽视的原因

为什么学界对艾弗里团队得出的结论并不信任呢？这种怀疑一定程度上与20世纪早期的一项错误推论有关，即1915年的诺贝尔化学奖得主威尔斯塔特曾宣称获得了不含蛋白质的酶，并得出酶不是蛋白质的结论，但后来被证明他的制备物中未检测到蛋白质是因为其含量过低，实际上酶活性还是来自于蛋白质。于是学界担忧艾弗里的研究结果也有类似的错误。

不过，对DNA作用的怀疑主要还是来自于“DNA无法承担携带复杂的遗传信息的任务”这一根深蒂固的认识。在当时，人们己经认识到染色质是由DNA和蛋白质组成的，而基因又位于染色体上，所以遗传物质应该是这两者之一。不幸的是，当时生物化学界的权威列文由于受到计量精度的限制，误以为4种碱基含量都是一样的，提出了4种核苷酸组合成一个单元，然后这些单元聚合形成DNA的“四核苷酸假说”，这样的DNA就与糖原一样，是同一结构高度重复的多聚体（如ATCGATCG……的高度重复），很难想象它能承载复杂的遗传信息；而蛋白质结构复杂多变，氨基酸排列方式可以多种多样。20世纪50年代前，大家都倾向于蛋白质是遗传物质。所以，艾弗里团队“DNA就是转化因子”的结论在当时很难被接受。

3影响

虽然艾弗里团队的实验结论并未得到学界的普遍认可，但也在一些人的心中激起了新的研究热情，代表人物如奥地利科学家查戈夫。在20世纪40年代末，查戈夫运用层析法和紫外分光光度法这两种当时的新方法来研究DNA，并提出著名的“查戈夫法则”。法则指出：①不同物种的DNA其碱基组成比例相差甚远，同一物种不同器官的DNA则组成一致；②DNA的4种碱基含量不同并存在规律，腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔比是1，鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔比也是1。该研究结果明显推翻了“四核苷酸假说”，因为在“四核苷酸假说”中，4种碱基含量是完全一致的，不同物种的DNA也不会有差别。“查戈夫法则”对于克里克和沃森建立DNA双螺旋结构影响很大，同时也为人们接受艾弗里“DNA是转化因子”的结论打开了一扇窗，学界此时已经做好了接受“DNA是遗传物质”的准备。1951年，赫尔希和蔡斯通过同位素示踪法进行噬菌体侵染细菌的实验。尽管他们在论文中的结论下得小心翼翼：“含硫的蛋白质在噬菌体增殖中不起作用，而DNA有些作用”，但学界的反应却是迅速接受了“DNA是遗传物质”这一今天看来十分重要的观点。除了他们实验本身的特点外，这也与艾弗里团队的实验已经为这个观点奠定了基础有关。另外，几年间人们对于DNA结构的认识又有了重要的进展。

很遗憾的是，艾弗里于1955年去世，未能获得诺贝尔生理学或医学奖。他在世时也获得过提名，但由于种种原因最终还是并未获奖。多年后，诺贝尔奖评奖委员会承认：“艾弗里于1944年关于DNA携带遗传信息的发现代表了遗传学领域中一个重要的成就，他没有获得诺贝尔奖是很遗憾的”。历史最终记住了这位科学家的成就。

鉴于艾弗里研究的重要意义，在教学中应当运用好科学史材料，挖掘其丰富的内容，将这一研究对遗传学发展的重要性和科学家认真严谨的研究态度传递给学生，还可以引领学生认识到不盲从于权威、勇于质疑在科学研究中非常必要。

——赵婷婷.何一清.生物学教学2017年第4期