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“噬菌体小组”与设想不符的实验发现

已有 1105 次阅读 2021-6-9 10:40 |个人分类:医药|系统分类:科普集锦


意大利解剖和组织学家朱塞佩·莱维(Giuseppe Levi1872 –1965)在都灵教学期间,培养了三名诺贝尔奖得主学生:丽塔·莱维-蒙塔尔奇尼(Rita Levi-Montalcini1909 –2012)、卢里亚(Luria)和雷纳托·杜尔贝科(Renato Dulbecco1914-2012)。

莱维-蒙塔尔奇尼1960年发现了第一个生长因子,神经生长因子NGF。她的学生科恩(Stanley Cohen)于1962年鉴定出了表皮生长因子EGF,两人一起分享了1986年诺贝尔医学奖。

卢里亚和杜尔贝科的研究则涉及到噬菌体,他们与德尔布吕克(Max Delbrück)合作,一起发起“噬菌体小组”。两人均在二战中意大利军队服役,担任军医。杜尔贝科和莱维-蒙塔尔奇尼战后结伴到达美国。

卢里亚因犹太身份,于1938年就到了法国巴黎。不过,德国通过闪电战,在几个月内逼降法国,而卢里亚在德军到来之前,骑着自行车赶到马赛港口,登上了去美国的轮船。他在意大利罗马大学的放射学老师费米(Enrico Fermi1901-19541938年获诺贝尔物理学奖)帮助他得到了一份洛克菲勒基金会的资助。

卢里亚本身就对基因突变感兴趣,想找德尔布吕克合作,两人前期有通信联系。在美国相遇后,一拍而合。德布吕克希望通过噬菌体的研究,找到基因的真相。他称之为原子基因(atomic gene),而这一个原子基因,将决定生物的遗传,也即生命的本质。他和卢里亚一开始,想分离出正在复制的噬菌体。他们用两种噬菌体同时感染细菌,希望这两种噬菌体在感染过程(复制过程)中有快慢之分,当较快的噬菌体分泌水解酶来分解细菌的时候,得到复制较慢噬菌体的基因复制中间体。从而发现基因的真相。但是,他们失望地发现,一种病毒的感染会阻止另一种的感染。

 噬菌体小组的托马斯·福克斯·安德森(Thomas Foxen Anderson1911 -1991)在宾州大学使用电子显微镜,研究德尔布吕克提供的噬菌体样本,认为病毒远比想像得要复杂,其中既有蛋白,也有核酸。1943年,噬菌体小组公布了噬菌体的电子显微镜照片。他们仍朝着验证基因是蛋白质,和寻找原子基因的方向走去。

1943年,他们完成了一个经典实验:卢里亚-德尔布吕克实验(Luria–Delbrück experiment)。这个实验是卢里亚在印第安纳大学的一次教师舞会上观看老虎机时构思的。卢里亚知道,博彩业只是财富集中,并不是财富创造。当一名老师在玩老虎机时,卢里亚劝他:从概率看,投入100元,会输掉30元,一直玩下去会输光。但该老师很快赢得了大奖,顺便讽刺了卢里亚。

卢里亚由此想到,虽然博彩业的平均概率是玩家输,但玩家毕竟有赢得大奖的概率(虽然极低)。每名玩家都被大奖,以及设计的不同概率奖项吸引,而刻意忽视长期的平均概率。那么细菌对抗噬菌体感染的概率是如何的呢?

卢里亚将等量细菌(大肠杆菌)接种到多个含有T1噬菌体的琼脂上。如果突变是随机的,则抗(病毒)性菌落在每个琼脂上相同。结果发现,每个琼脂平板上的抗病毒菌落数量差异很大。经过德尔布吕克统计,数据呈现泊松分布,他还计算出每代有10−8–10−9的突变。这说明,(进化)基因突变是在没有选择的情况下产生的,而不是对选择(病毒因素等)的反应。

这一实验,启发了细菌学家们,开展了一系列耐药性研究。也启发了林德伯格(Lederberg)和塔特姆(Tatum)在1946年发现大肠杆菌的基因重组现象。虽然这一实验让卢里亚和德尔布吕克获得了诺贝尔奖,但是,这并不是德尔布吕克想要的结果。

卢里亚于1943-1950年期间,在印地安纳大学工作,他的第一个研究生学生就是沃森。后到达美国的杜尔贝科也在这里与他一起工作一段时间。

1945年,卢里亚、德尔布吕克和阿尔弗雷德·戴·赫尔希(Alfred Day Hershey1908-1997)一起在纽约冷泉港实验室发现,噬菌体需要宿主(大肠杆菌等)的细胞内资源才能复制。这又与德尔布吕克设想不符。

1952年,赫尔希与玛莎•蔡斯(Martha Chase1927-2003),利用放射性磷-32被用来标记T2噬菌体中的DNA(磷包含在DNA而不是蛋白质中),放射性硫-35被用于标记T2噬菌体的蛋白质(硫包含在蛋白质中而不是DNA中)。验证了DNA才是遗传物质,这完全推翻了德尔布吕克的假设。

同一时间,卢里亚与让·雅克·魏格尔(Jean-Jacques Weigle1901 –1968)等人通过一系列噬菌体实验,发现了限制性内切酶。而DNA的双螺旋结构也被确定。所以德尔布吕克再也不碰噬菌体了。而卢里亚则转向细菌研究,发现细菌素(bacteriocins,如乳酸链球菌素)能够在细菌的膜上造成孔洞,使离子通过。卢里亚、德尔布吕克、赫尔希三人因对病毒的研究共同获得1969年诺贝尔生理学或医学奖。


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我的《新药发现史》下编,即将与各位朋友们见面,敬请期待!




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1 郑永军

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