北京理工大學出版社 2019-08-02

人們一般把沃森和克里克提出DNA分子的雙螺旋模型這一年作為分子遺傳誕生的日子。誠然，沒有這一發現就不會有分子遺傳學。可是如果把這一發現比喻為劃破天空的閃電，那麼可以說隱隱的雷聲早在遠處響起。拉開分子遺傳舞臺的幕布為時尚早，前奏曲的音響卻已釋出著分子遺傳學時代即將到來的資訊。演奏前奏曲的主要角色是誰呢？他們不是遺傳學家而是理論物理學家。或許生物學家習慣於觀察和實驗，而理論物理學家習慣於抽象思維，所以雖然孟德爾和摩爾根闡明瞭遺傳的基本規律，現在卻輪到物理學家來問基因為什麼這樣穩定，生命究竟服從於什麼規律。

1932年，著名量子物理學家波爾（NielsBohr）在一次國際光學醫療會議上，發表了題為“光和生命”的演講。他認為，物質結構還不足以充分說明生命現象，因此要在物理學的基礎上解釋生命之謎或許還缺少某些基本因素。

1935年波爾的學生德爾布呂克的一篇題為《關於基因突變和基因結構》的論文中認為遺傳學正是波爾心目中的缺少某些基本因素的學科，因為物理和化學都不足以說明遺傳學中的奧秘。德爾布呂克曾經和遺傳學家合作，透過射線處理果蠅以誘發突變來推算基因的大小。他們發現基因的大小類似於最大的分子，然而它具有不同一般分子的高度穩定性。

對於基因的穩定性的討論引起了另一理論物理學家薛定鍔（ErwinSchrodinger1887～1961）的注意。

原來細菌的單個細胞雖然肉眼無法視察，可是在固體培養基的表面由單個細菌經過多次細胞分裂得來的上億個細胞聚集在一起卻能形成肉眼可見的菌落，而菌落可以呈現種種相對性。例如在含有某些染料和乳糖的培養基表面能發酵乳糖的細菌的菌落呈帶有金屬光澤的深紫色，而不能發酵乳糖的突變型細菌的菌落幾乎是無色的；例如對於鏈黴素呈敏感狀態的細菌在含有鏈黴素的培養基上不能形成菌落，而對鏈黴素呈抗性的突變型細菌則在這上面能夠形成菌落；例如能自行合成某種氨基酸的細菌在不含這一種氨基酸的突變型細菌則在這上面不能形成菌落，等等。在大腸桿菌的染色體上已經標定位置的基因數以千計，多數基因在合適的培養基上能使細菌呈現相對性狀。

把基因的位置標定在染色體上，在遺傳學研究中這是一項基礎性的工作，但不是最重要的工作。突變型可以被用來研究生物體內種種生物化學反應過程如氨基酸和維生素的合成過程等。更為複雜的代謝過程如蛋白質合成、DNA複製過程的研究部分地儲存靠突變型。在利用突變型進行這些研究的程序中如果像當年比德爾和塔頓那樣等待突變型偶然出現的話，分子遺傳學便不可能發展得這麼快。在這裡定向地篩選突變型的手段的運用起著十分重要的作用。下面將扼要地介紹一種常用的手段。

青黴素專一性地抑制大腸桿菌合成細胞壁物質的反應而不抑制蛋白質等其他物質的合成。所以在同樣兩個培養有大腸桿菌的試管中加入相同量的青黴素，把一個試管放入冰箱，把另一試管放入溫箱，過了兩個鐘頭以後將發現前一試管中活菌數既不增加也不減少，後一試管中的活菌數則大幅度地減少。這是因為在溫箱中的細菌雖然不能合成細胞壁物質，細胞中的其他物質則在不斷地合成，終於細胞膨脹而破裂：在冰箱中的細菌因溫度不適於生長，所以細胞內部的物質和細胞壁物質同樣地不再合成，於是細胞得以保持平衡而免於死亡。利用這一原理便可以有效地篩選突變型。扼要地講，具體的方法是將經射線等誘變劑處理過的野生型在不含有有機物而含有青黴素的培養液中培養，在這裡面野生型的大腸桿菌因能生長而被大量地殺死，不能自行合成氨基酸或維生素的突變則因為不能生長而不被殺死，這樣突變型細菌便會得以“濃縮”而便於分離，為了再進一步提高分離突變型的效率，還可以採取一些輔助的手段，例如首先把經過“濃縮”的菌液接種在不含有任何氨基酸的固體培養基上，待菌落形成以後把菌落一一做上標記，然後再加上只含有各種氨基酸的培養基再進行培養，第二次生長的菌落便是不能合成某一種氨基酸的突變型。其他種種特殊的突變型也可以設計特殊的方法來“濃縮”。用大腸桿菌作為遺傳學研究的一大優點便是便於取得各種突變型。試想如果這樣許多突變型都是偶然發現的話，恐怕分子遺傳學時代的到來得推遲至少幾十年。大腸桿菌用作遺傳學研究材料的優越性還多著呢：培養基簡單，脈孢菌的培養基中需要加入生物素，大腸桿菌的培養基中除了一種糖以外都是無機鹽；大腸桿菌繁殖快，許多實驗只要隔一個晚上就可以看到結果；便於大量培養也是一個優點，試想要對果蠅複眼色素或它的合成中間產物進行化學分析需要飼養多少果蠅，要得到幾十、幾百克大腸桿菌細胞進行化學分析則是輕而易舉的事；大腸桿菌的細胞便於保藏，這一點有利於用為數眾多的株系（在細菌中稱菌株）進行遺傳學研究，不用時把菌株往低溫冰箱中一放，需要時從冰箱中取出，細菌便能復甦。那麼是誰首先採用這樣好的研究材料進行遺傳研究呢？故事不妨從賴特伯格的青少年時代講起。

細菌的遺傳學研究還在不斷地深入時，分子遺傳學劇中人物已經陸續登臺了。分子遺傳學已經深入到各個生命科學領域中去，而且也將永無止境地發展下去，不過作為一個劇本，內容不能沒有限制，這裡的敘述將限於作為分子遺傳學的奠基性工作的四個方面，它們也是基因工程的基礎：遺傳密碼、基因表達、基因調控、基因突變。