DNA背後的「黑暗女神」,她才是DNA結構的真正發現者,卻被遺忘了半個世紀

2021-01-19 化學加

怎樣思想

就有怎樣的生活



1953年4月25日

一篇題為《脫氧核糖核酸的結構》的論文發表在著名期刊《Nature》上

這一篇短短的不足千字的論文

卻在生物界引起了軒然大波



沃森與克裡克的論文


在此之前

生物學家們的研究還處於宏觀階段

即便格裡菲思、艾弗裡等人的實驗

已經證明了DNA是遺傳物質

可DNA到底是什麼樣的

在那個顯微鏡還僅僅能達到300nm解析度的時代

根本不可能看得到


可是1953年的這篇論文

卻打開了分子生物學的時代

當那個完美的雙螺旋形狀出現在人們的眼中

人們不由得感嘆造物主的神奇




不出意料

9年之後

這篇文章的作者沃森、克裡克與威爾金斯

共同獲得了諾貝爾生理學與醫學獎

這是自然科學領域的最高榮譽

當然應該頒給這三個分子生物學的奠基人


頒獎臺上,沃森、克裡克和威爾金斯享受著鮮花與掌聲

在他們的獲獎感言中

甚至都沒有提到那個人

那個已經在4年前去世

卻比他們三個人都更應該獲得諾貝爾獎的人




她被譽為DNA的「第一夫人」

DNA背後的「黑暗女神」

她的工作為DNA的結構確定提供了決定性的依據


若是沒有她

沃森與克裡克幾乎不可能在那個時候研究出DNA的雙螺旋結構

然而在很長的一段時間裡

她都被人所遺忘



羅莎琳·愛爾西·富蘭克林(Rosalind Elsie Franklin)


這個名為羅莎琳·愛爾西·富蘭克林(Rosalind Elsie Franklin)的女子

才是DNA雙螺旋結構的真正發現者




富蘭克林是個出色的物理化學家、結晶學家、X射線衍射技術專家

1920年的7月25日

她出生於倫敦一個富裕的猶太家庭


她的叔父是第一位進入英國內閣的猶太人

她的阿姨是女性參政權與工會活動的介入者

而她的父親

則是倫敦工人學院的教授(後成為該校校長)




在這樣的家庭中長大的富蘭克林少了一分富家女的驕縱

卻多了一分新時代女性的獨立與對夢想的渴望


15歲的她就暗暗決定要成為一名科學家

儘管父親並不希望她走上科研的道路

畢竟在那個時代

科學界對女性還是存在著或多或少的歧視

可執拗的富蘭克林還是執意走了下去



少女時期的富蘭克林


18歲的她從倫敦聖保羅女子學校考到了劍橋大學

3年後,當她順利完成學業走出劍橋大學之時


她卻沒能拿到正式的學位

只擁有一個「名義上的學位」(decree titular)

這只是因為在那個時候

劍橋大學並不授予女性「文學士」學位(BA Cantab.)



劍橋大學


這並沒有澆滅富蘭克林對於科學研究的熱情

從劍橋畢業後

她來到了羅納德·諾裡什(1967年諾貝爾化學獎獲得者)的實驗室工作


1942年

由於第二次世界大戰的需求

她進入了不列顛煤炭利用協會

又是3年的時間

25歲那年,她通過了博士論文的答辯

拿到了物理化學的博士學位




戰爭結束後

富蘭克林前往法國巴黎工作

她在巴黎的國家中央化學實驗室裡工作了3年

學習X射線晶體衍射技術

正是在這裡

富蘭克林關於煤炭研究的一些論文讓她漸漸在國際上有了名聲



X射線晶體衍射技術在晶體結構檢測上的應用(羅布砂礦粉晶衍射圖)


1950年

富蘭克林受聘前往倫敦大學國王學院任職

她原本的研究主題應該是蛋白質的X射線晶體衍射

可她的上司——物理學家約翰·藍道爾卻給她派了新的任務


當時,DNA的化學結構的研究正是熱點領域

無論是化學、物理或是生物學家

都希望能儘快破解DNA的結構秘密




在藍道爾的安排下

富蘭克林開始了對DNA結構的研究

在這間實驗室裡

還有著兩位成員,威爾金斯與葛斯林

當富蘭克林進入實驗室的時候

威爾金斯正好在休假


按照藍道爾的安排

富蘭克林可以自己獨立研究DNA

不用受到他人的幹涉

並且接手威爾金斯的工作

可正在休假的威爾金斯顯然不知道這件事情



莫裡斯·威爾金斯


當威爾金斯度假歸來

不知情的威爾金斯以為富蘭克林是藍道爾給自己派的助手

在威爾金斯的「指手劃腳」下

富蘭克林一下子就火了


從小就獨立而倔強的她十分惱火威爾金斯對自己工作的幹涉與打擾

在這間只有3個人的實驗室裡

氣氛一下子降到了冰點



實驗室裡的富蘭克林


威爾金斯顯然不喜歡這個孤傲的搞技術的「女副手」

富蘭克林也一點都看不慣這個「智商不夠高」卻喜歡摻和她研究的傢伙

兩個人的私交十分的惡劣

甚至到了互相不說話的程度



實驗室裡的威爾金斯


那時候的科學界

世界各地的科學家們還會互相討論自己的研究結果

然而,對女科學家的歧視卻處處存在


女性甚至不被準許在高級休息室裡用午餐

她們被排除在科學家間的聯繫網絡之外

被排除在對了解新研究動態、交換新理念、觸發靈感十分重要的交流之外




雖然富蘭克林當時已經在科學界有了一定的聲譽

可她仍然被這樣的歧視束縛著

就連她的實驗樣品

一種萃取自小牛胸腺的純DNA樣品

也是由威爾金斯在一場研討會中拿到的


拿到實驗樣品

富蘭克林很快開始了自己的研究

她利用自己在X射線衍射領域的知識

對樣品進行了研究


她發現,乾燥時候的樣品

會呈現出細小的針簇狀

而當樣品與水接觸,變潮溼後

又會變成一團黏膠狀物質




敏感的富蘭克林發現

這是DNA的兩種形態

當DNA乾燥的時候,會變得較短較粗,她給DNA的這種形態取名A型

當DNA潮溼的時候,會變得較長較細,她給DNA的這種形態取名B型


憑藉著自己豐富的經驗和實驗技巧

富蘭克林很快拿到了高清晰度的B型DNA的X射線衍射結構分析


她初步判斷B型的DNA是一種螺旋形的結構

還按照布拉格父子提出的布拉格公式計算出了DNA分子平均直徑和相鄰核苷酸之間的間距等數據


DNA的三種構型(從左至右分別為A型、B型和Z型)


由於DNA易吸水也易脫水

並且水分子主要被吸引在DNA鏈中的磷酸基周圍的特性

富蘭克林運用Patterson函數分析中的堆積法

推測出磷酸基團應該在DNA鏈的外面

而鹼基則位於鏈的內部

這是第一次提出這樣的模型

也是為最終闡明DNA的結構邁出了最重要的一步


比起B型DNA

乾燥的A型DNA的各種數據沒有B型那麼清晰而明顯

她還不能確定A型DNA是否一定是螺旋型

她還曾經玩笑的給A型DNA寫了訃告

稱其告別了螺旋型的結構


因此

富蘭克林的研究焦點一直都放在A型DNA上

為了避免威爾金斯的幹擾

富蘭克林直接把B型DNA的結構研究交給了威爾金斯

自己專心研究起了A型DNA的形態



富蘭克林與葛斯林製作的訃聞,用來悼念A型DNA(結晶狀DNA)的雙螺旋結構


1951年11月

富蘭克林提出了A型DNA的X射線衍射圖

並進行了一場演講

當時的沃森正好在劍橋大學的卡文迪許實驗室裡研究蛋白質的結構


在卡文迪許實驗室

沃森遇到了克裡克

兩個對DNA結構都有強烈興趣的科學家一拍即合

當下決定要合作研究DNA的分子結構



沃森與克裡克


資料有限的沃森與克裡克提出了DNA分子的三螺旋結構模型

富蘭克林也被沃森與克裡克邀請到了實驗室裡

參觀兩人的三螺旋結構模型


沒想到的是

當富蘭克林看到兩人提出的模型

卻沒有想像中的驚喜

反而是一臉的嫌棄


在她看來

沃森與克裡克走上了之前那些研究DNA結構的人的老路

根本沒有認真進行研究

什麼三螺旋結構,簡直就是胡說八道




富蘭克林的批評讓沃森與克裡克的上司很不開心

也停止了對沃森與克裡克的研究支持

責令他們不準繼續研究DNA

威爾金斯也以為沃森與克裡克早已經沒有在進行DNA結構的分析


1953年1月

威爾金斯與沃森和克裡克相約一起吃午餐

在富蘭克林不知情的情況下

威爾金斯將她的B型DNA的X射線衍射照片帶給了沃森與克裡克

那張被稱為「照片51號」的DNA的X射線衍射照片清晰的顯示出了B型DNA的化學結構

在威爾金斯的解釋中

沃森與克裡克了解到了關於DNA化學結構的大部分信息



DNA的X射線晶體衍射圖(「照片51號」)


這張照片讓沃森與克裡克茅塞頓開

結合著之前的研究結果

兩個人很快就研究出了DNA的化學結構

提出了DNA分子的雙螺旋結構模型


而直到這個時候

醉心於研究A型DNA的化學結構的威爾金斯仍然被蒙在鼓裡

她不知道自己的研究結果被別人看到了

也不知道沃森與克裡克的研究竟然已經走到了這一步

1953年3月

富蘭克林離開了國王學院

前往同屬倫敦大學的伯貝克學院

而她並沒有帶走她的研究成果



倫敦大學伯貝克學院 Stratford校區


知道這個消息的威爾金斯喜悅之情溢於言表

威爾金斯給克裡克寫了一封信

說到「黑暗女士」(指富蘭克林)已經離開了他的實驗室

他們終於可以開始向大自然的秘密前進




來到了伯貝克學院的富蘭克林整理著自己之前的研究資料

當她將自己的實驗數據都整理成文

正準備投稿發表的時候


她愕然的發現

沃森與克裡克破解DNA化學結構的消息已經傳遍了大街小巷

於是,她只能將自己的論文做了適當的修改

也同時提交到了《Nature》雜誌上



DNA的化學結構及基本數據


1953年4月25日

《Nature》雜誌上的3篇論文揭開了分子生物學的研究序幕

可作為DNA化學結構的第一發現者

富蘭克林的論文卻只能作為DNA雙螺旋的一個補充證據

而DNA雙螺旋結構真正發現者的榮譽

落在了沃森與克裡克的身上


即便自己的研究成果在不知情的情況下被使用

即便沃森與克裡克的論文中未經她的許可擅自使用了她的圖片

富蘭克林也只是笑了笑

反而為兩人的發現感到高興




DNA雙螺旋結構的發現無疑是現代生物學發展的裡程碑結果

各種榮譽與掌聲將沃森與克裡克捧到了全世界的面前


而富蘭克林

卻一心轉向了TMV(菸草花葉病毒)的研究中

她帶領著她的團隊完成了TMV模子

研究了TMV對植物的傳染

以及TMV蛋白質外殼裡包裹的RNA

她還研究了會引起小兒麻痺症的脊髓灰質炎病毒

得到了美國國家衛生院的資助



感染了TMV的植物


1956年,富蘭克林感到身體不適

她的腹部像是裝了很多水的袋子一樣腫了起來

經過檢查,醫生發現她患上了卵巢癌

那年,她只有36歲

兩年後,1958年4月

富蘭克林結束了她短暫卻輝煌的一生




她身為女性

卻始終有著一顆與男性一般奮鬥、獨立的心

她天資卓絕,在煤炭、DNA結構、X射線衍射、病毒研究方面都有所建樹

卻因為時代對女性的偏見而錯失了一個又一個的機會

她處於一個「充滿敵意的環境

如果她覺得自信和備受支持

她可能就會擁有驚人的想像力」




屬於DNA雙螺旋結構的發現者的掌聲沒有給她

1962年的諾貝爾獎

也只是給了沃森、克裡克與威爾金斯


當然富蘭克林的英年早逝是她沒有拿到諾獎的重要原因

可如果她還活著

她真的能拿到本應該屬於她的諾貝爾獎嗎?




在沃森的書《雙螺旋》中曾經詆毀過富蘭克林的形象與功績

而更多的介紹DNA雙螺旋結構的書籍與文章更是提都沒提她的名字

在那時候

富蘭克林更像是那個DNA背後的「黑暗女神」

幾乎沒有人知道她的名字


半個世紀的時光過去了

富蘭克林的貢獻才終於得到了承認

2003年

倫敦大學國王學院將新大樓命名為富蘭克林-威爾金斯館

2006年

英國為了紀念她對發現DNA結構的貢獻而設立了「富蘭克林獎章」

沃森也終於承認了富蘭克林的工作

說「富蘭克林的貢獻是我們能夠擁有這項發現的重要依據」



富蘭克林獎章


她只是生錯了時代

不然應該會有更傑出的成就

相關焦點

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    在DNA分子中,兩條DNA單鏈圍繞一個假想的共同軸心形成右手雙螺旋結構,雙螺旋的螺距為3.4nm,百徑為2.0nm;雙螺旋的外側是DNA鏈的骨架(backbone),由交替出現的、親水的脫氧核糖和磷酸構成;鹼基位於雙螺旋的內側,兩條單鏈中的嘌呤和嘧啶以疏水的、近於平面的環形結構彼此接近,平面與雙螺旋的長軸相垂直;一股鏈中的嘌呤鹼基與另一股鏈中位於同一平面的嘧啶鹼基之間以氫鍵相連,稱為鹼基互補配對或鹼基配對
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