探索生命《生物學》76
1. 我們已經學到，細胞分裂之初，必須先複製包含基因的染色體內，染色體複製成二份再分裂，這樣每個子細胞都能分配到一份來自母細胞/親代細胞的基因。接下來我們將討論基因材料的化學性質。
2. 在這一章，我們將討論為什麼DNA被定義為基因材料？以及後續關於DNA分子結構的研究，並且說明DNA分子成為遺傳的媒介的關鍵；我們將更細膩地討論染色體複製的過程－「基因複製replication」。
一系列的實驗導引人類瞭解基因由DNA組成 A Series of Experiments Led to the Realization That Genes Are Composed of DNA
3. 如果基因位於染色體內，那麼，判斷基因化學性質的第一步必須分辨清楚染色體內有哪幾類化合物。這就是早期研究者努力去做的事情。
4. 1900年前，化學分析顯示大部分有機體的染色體含有蛋白質和DNA。接下來的數十年，大部分生物學家推測蛋白質可能是基因材料，因為他們覺得只有蛋白質的化學複雜度足夠記錄眾多的遺傳訊息。
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5. 在1928年，英國細菌學者Frederick Griffith發表關於肺炎雙球菌pneumococci的實驗，肺炎雙球菌是造成肺炎的細菌。
6. 肺炎雙球菌有二個品種，會致病的品種稱為S肺炎雙球菌，S是指細菌的肺炎雙球菌的菌落表面光滑smooth，另一個品種是無害的，稱為R肺炎雙球菌，R是指菌落表面粗糙rough。
7. Griffith實驗顯示，老鼠被注射活體的R肺炎雙球菌之後，可以繼續存活，老鼠被注射活體的S肺炎雙球菌之後很快就死了；如果老鼠被注射的是加熱殺死的S肺炎雙球菌，老鼠會繼續存活。這樣的結果並不令人意外，致病的S肺炎雙球菌必須是活的才是病原體。
8. 可是，他的另外一個實驗就比較複雜，對老鼠注射活的R肺炎雙球菌和加熱殺死的S肺炎雙球菌後，老鼠死了。為什麼無害的R肺炎雙球菌混入已經死掉的S肺炎雙球菌後會殺死老鼠呢？
9. Griffith檢驗死掉老鼠的屍體，發現裡面都是會致病的S肺炎雙球菌！這些S肺炎雙球菌怎麼來的？
10. 許多謹慎進行的實驗結果說服Griffith相信，活的R肺炎雙球菌透過死掉的S肺炎雙球菌細胞，轉變成S肺炎雙球菌。死掉的S肺炎雙球菌的遺傳基因進入到活的R肺炎雙球菌細胞裡，因此將R肺炎雙球菌轉變成S肺炎雙球菌。這樣的改變過程稱為轉化transformation。
11. 1940年代其他的研究顯示，從加熱殺死的S肺炎雙球菌抽取出來DNA放到R肺炎雙球菌的菌落，會造成R肺炎雙球菌轉化成S肺炎雙球菌，促成細菌轉化的因素是DNA。
12. 顯然，活的R肺炎雙球菌是從周遭媒介裡獲得S肺炎雙球菌的DNA才轉化的。跟蛋白質沒有任何關係。雖然實驗結果是如此，但是當時許多科學家還是無法相信DNA是基因材料。
13. 在接下來的10年，指出「DNA是基因材料」的證據持續變強。至少有30份不同的研究指出，細菌在DNA誘導下發生基因轉化。
14. 1952年卡內基基因實驗室的Alfred D. Hershey和Martha Chase對微生物的研究進一步提出新的證據。他們專注於研究一種會攻擊大腸桿菌的病毒，人類腸道內有很多這種病毒，這種能夠摧毀細菌的病毒稱為噬菌體bacteriophage。
15. 病毒是一種非常微小的致病原，病毒無法複製自己。相反地，病毒將基因材料輸入到細胞中，控制細胞機器，指揮細胞生產新的病毒顆粒。
16. 許多研究顯示，病毒顆粒virions的構造包含二部分：蛋白質外殼protein coat和核酸中心nucleic acid core。電子顯微鏡的觀察顯示，噬菌體病毒的構造比許多病毒更複雜。
17. 噬菌體的蛋白質外殼分為多面體的頭部，裡面裝載DNA，長長的尾部，包括中空的尾鞘和6支像腳的細長構造。
18. 電子顯微鏡顯示，當噬菌體顆粒黏上一個細菌細胞，它會用尾巴插上細菌細胞壁。沒有任何證據顯示噬菌體顆粒的蛋白質外殼曾進入過細菌細胞內（噬菌體顆粒的蛋白質外殼不會進入細菌細胞內）。
19. 在噬菌體黏上細菌細胞壁的20到25分鐘之後，細菌內就出現新的噬菌體，接著細菌細胞迅速爆破，釋放數百個新的噬菌體顆粒到周遭媒介。
20. 新誕生的噬菌體顆粒的基因，與啟動細胞複製的噬菌體的基因一模一樣，因此推測噬菌體注入到細胞內的及傳基因，利用細胞的胞器製造新的噬菌體。噬菌體繁衍的生命週期如下圖：
21. 1952年，Alfred D. Hershey和Martha Chase做噬菌體研究時，生物學家們還不太瞭解病毒的實際構造或病毒繁殖週期的細節。生物學家們只知道噬菌體主要是由DNA和蛋白質組成，而且噬菌體將基因注入細菌細胞中，然後驅動細胞機制產生新的噬菌體。
22. 基本上，DNA含有磷、沒有硫，而大部分的蛋白質含有硫、沒有磷。Hershey和Chase設計的實驗確定噬菌體注射到細菌內的物質只有DNA，沒有蛋白質，或者只有一點點蛋白質。
23. 首先，用放射性磷同位素35P與硫同位素35S的物質培養噬菌體，讓噬菌體的蛋白質含有含有放射性的硫同位素35S，並且DNA含有放射性的磷同位素35P。
24. 接著，將放射性的噬菌體與沒有放射性的細菌放在一起，給予充足的時間，讓放射性噬菌體能夠將它的遺傳物質注射到沒有放射性的細菌體內。
25. 然後科學家將細菌放入攪拌機打碎，先偵測細菌表面物質，結果發現細菌表面的殘骸，大多是硫同位素35S，只有少量的磷同位素35P，顯示殘留在細胞表面的是噬菌體的蛋白質外殼。
26. 再偵測細菌內的物質，結果發現裡面是35P，而沒有35S，顯示噬菌體只有將DNA注入細菌。此時，細菌體內已經利用噬菌體注入的DNA複製新的噬菌體顆粒。
27. 這個實驗支持肺炎雙球菌實驗的結論，肺炎雙球菌轉化是因為核甘酸（DNA），而不是蛋白質。
n 翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》；圖片來源／Biology-themiracleoflife、123RF、Hyglos.de、Dipity
