【諾獎中的“基因”】

随着科技的日益發展，人們對基因的理解越來越深刻，“基因”一詞也廣泛進入到人們的日常生活當中。然而，将時鐘往回撥100多年，當時的人們并不知曉基因的存在。直到19世紀60年代，遺傳學家孟德爾通過著名的豌豆雜交實驗，提出了生物的性狀是由遺傳因子控制的觀點，但這僅僅存在于邏輯推理之中。20世紀初，遺傳學家摩爾根通過果蠅的遺傳實驗，認識到基因呈線性排列于染色體上。但是基因是如何發揮功能的，一直沒有定論。1941年，美國科學家喬治•威爾斯•比德爾（George Wells Beadle）提出了“一基因一酶”假說，該理論認為每個基因直接産生一種酶來影響新陳代謝過程中的一個步驟，從而幫助研究人員将基因定性為化學分子，并确定這些分子的功能。基于上述理論基礎，後續圍繞基因的相關研究呈現“井噴”式的發展。比如，圍繞各種基因的功能開展的研究。因此，喬治•威爾斯•比德爾和愛德華·勞裡·塔特姆（Tatum Edward Lawrie，與比德爾共同提出“一基因一酶”假說）共同獲得了1958年的諾貝爾生理學或醫學獎。

雖然距這一理論提出已經過去了80餘年，但他的這一項“裡程碑”式的發現對生物科學的發展具有重要奠基作用。今天，讓我們一起坐上“時空穿梭機”，回到當時，一起走近這位偉大的科學家，回顧他是如何提出“一基因一酶”假說，并且得到諾貝爾評委的青睐，獲選1958年諾貝爾獎的這一過程。

早期教育和研究

比德爾1903年出生于内布拉斯加州瓦湖，父母是農場主。1907年，比德爾4歲時，母親過世，之後，他在父親和管家的庇護下長大。在三個子女中，父親對比德爾尤其喜愛，一度想讓他子承父業，繼承家裡的農場。然而，比德爾從小就對生物學尤其感興趣，高中時，科學老師鼓勵他考入大學繼續深造。

随後，比德爾不負衆望，成功被内布拉斯加州大學農學院錄取。畢業後，他選擇繼續攻讀草類生态學的碩士學位，并在碩士期間對遺傳學産生了濃厚的興趣。1927年，他申請進入康奈爾大學攻讀博士研究生，在大名鼎鼎的科學家艾默生的實驗室研究玉米遺傳，并且和芭芭拉▪麥克林托克（Barbara McClintock，1983年諾貝爾生理學和醫學獎）共同學習。4年後，取得博士學位的比德爾又加入了遺傳學大師摩根新成立的生物研究所開展博士後研究。這時的比德爾采用的研究模型是當時遺傳學研究“明星”-----果蠅，并且也取得了不錯的研究成果。

比德爾天資聰穎，加上刻苦的學習和優秀的教育經曆，讓他成為一名優秀的科研工作者。此外，比德爾動手能力極強，他待過的實驗室裡面都會有一些他自制的實驗儀器。總而言之，這些教育經曆讓他掌握了深厚的遺傳學技術和相關知識，為後續的“諾貝爾獎研究”埋下了伏筆。

“一基因一酶”的發現

比德爾在研究果蠅時，發現果蠅不同的眼色可能是由于基因調控引起的。随後，他發表論文表示：基因會制造不同的色素使果蠅有不同的眼色，而基因突變會擾亂這一過程。這樣的研究結果隐含了“一基因一酶”的假說。然而，苦于沒有直接證據，他隻能在發表的論文中暗示生物體存在“一基因一酶”的可能性。

被廣泛應用于遺傳研究的粉紅面包黴

1937年，比德爾與斯坦福大學的愛德華·勞裡·塔特姆展開合作，分離并且确定了可以影響果蠅眼色的物質，但是其他的研究小組比他們搶先一步發現并發表了研究成果（可見科研競争之激烈）。比德爾并沒有氣餒，他和塔特姆經過深度讨論後決定更換遺傳系統更為簡單的實驗材料研究基因的作用。經過近3年的尋找和嘗試，1940年，他們正式将果蠅實驗室改成粉色面包黴菌實驗室。他們設計了一套缜密的研究方案，包括：先用X射線照射面包黴菌，産生突變體，然後在含有氨基酸、維生素和其他有機物質的完整培養基上萌發面包黴菌的孢子，然後将萌發的孢子轉移至缺少某些營養物質的培養基上，向其中加入特定的化學物質，來檢驗缺乏的是哪種營養物質，從而确定基因編碼與酶之間的關系。即便如此，他們仍然不确定試驗設計是否可行。他和塔圖姆約定，進行5000株菌的測試，如果全部失敗，他們就放棄這個實驗。幸運的是，當他們測試到299株時，他們的實驗成功了。

随後，他們進一步重複驗證了實驗結果，并且整理好數據，于1941年将研究成果發表于著名的《美國科學院院刊》。雖然從确定研究對象到發現和獲得明确結論隻花了1年時間，這種“幸運”的背後其實是長年的積累和堅持。

“一基因一酶”錯了嗎？

後來，随着人類對基因的進一步深入了解，“一基因一酶”假說發展成更為精确的“一基因一多肽”假說。1966年，羅伯特·霍利、哈爾·柯拉納和馬歇爾·尼倫伯格等科學家利用基因生産了相應順序的蛋白質，破譯了基因編碼20種氨基酸的遺傳密碼。随後，科學家們發現所有生物都使用一樣的遺傳密碼，從而為後續的基因工程提供了理論基礎。至此，生物的基因信息變得尤其重要，1985年，美國科學家率先提出“人類基因組計劃”，經過10多年的努力，2001年，包含人體約2.5萬個基因的人類基因組工作草圖發表。

根據人類體細胞所擁有的染色體而繪制的“染色體組型圖”

此時，有人質疑比德爾“一基因一酶”假說的真實性。因為，按照圖譜，人類有大約2.5萬個基因。但是實際上人類體内的蛋白質遠超過2.5萬個。“一基因一酶”錯了嗎？其實不然，該假說揭示的是基因發揮作用的機制，明确了基因是通過其編碼的産物---酶或者蛋白質發揮功能。該假說的提出是遺傳學發展史上的重要轉折點，開拓了生化和分子遺傳學等新領域，比德爾可以當之無愧地被譽為現代生物技術的奠基人。

出品：科普中國

作者：徐樂天（湖北大學生命科學學院副教授）

監制：中國農學會 光明網科普事業部

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