陳文盛教授多年廣納無數參考書籍、重要論文，並給予授課、演講，決定將這近百年科學史整理撰寫成書。描寫每個重大實驗背景學理深入淺出，更生動刻畫科學家探索碰撞的心路歷程，呈現重大科學進展的歷史感與研究精神。

撰文/陳文盛    責任編輯/徐淨

問題的思考、策略的選擇和結果的詮釋，都和科學家個人背景、教育經驗很有關係。除此之外，時空機緣也是研究成敗的重要因素。科學發現過程不像大眾想像般依循一條直線前進，而是充滿了錯誤、曲折、意外和運氣。

失敗的故事不會出現在教科書中，但是他們都可以幫助我們對科學研究的本質和發展有正確且踏實的理解。本書娓娓道來科學家如何思考批判、設計實驗，都是學子們重要的科普教材。

指導老師給學生或者計畫書規劃的研究題目，通常是有可預期的結果，但是，當學生脫離這個課題，他就將踏上陌生且高風險的發現之旅。兩個最明顯的例子是：華生和克里克的DNA雙螺旋結構，以及梅塞爾森(Matthew Meselson)和史塔爾(Frank Stahl)的DNA半保留複製模型。

這兩項研究既不受指導教授引導，也不是研究計畫所規劃的。克里克和梅塞爾森當時都還是研究生，在進行別的論文題目。他們都是抽空從事這些「課外活動」，跌跌撞撞圓了他們的夢。

前所未見的化學反應

DNA雙螺旋結構於1953年問世，在這個時期，DNA複製的研究是科學家相當關注的課題，一來是它的生物學重要性，二來則是因為它代表一種奇特的新型化學反應。化學家從未接觸「複製」這樣的化學機制，面對這新款的化學反應，化學家沒有前例可援引，必須從基本的機制做思考。

華生和克里克提出互補的複製機制是對的嗎？如果是對的，如何進行？細胞用什麼酶催化DNA複製呢？這個問題吸引了鮑林(Linus Carl Pauling)的最後一個研究生梅塞爾森。雙螺旋結構問世這年，梅塞爾森剛進入加州理工學院鮑林的實驗室。

隔年3月，法國巴斯德研究所的莫納德到加州理工學院給了一場演講，提出一個有趣的問題：當乳糖出現的時候，細菌細胞中會出現分解乳糖的酶活性。這個活性是來自細胞新合成的酶，或者是由本來在分解別的糖的酶改變而來？(見第九章)

梅塞爾森聽了演講後，心想：這問題說不定可以用同位素做實驗回答，亦即用不同的同位素標記舊的和新的蛋白質，這樣就可以追蹤。至於有什麼同位素可以用呢？那個時代，最普遍的同位素是重水，重水含氫的同位素氘(重量是氫的兩倍)，是當時原子能工程很重要的材料。

之後有一天，梅塞爾森去找加州理工學院生物物理學家戴爾布魯克，提出利用重水標示蛋白質的想法，應該可以用來研究DNA的複製問題。與此同時，梅塞爾森因緣遇見了未來的研究夥伴史塔爾，史塔爾已安排畢業後要到加入戴爾布魯克的研究團隊，當貝爾塔尼的博士後研究員。

實驗從餐桌開始

用重量來區分DNA分子的條件是DNA分子必須一樣長才可以；用密度來區分則不受限於同樣長度的DNA，實驗過程中DNA斷裂成不同長度也沒關係。可是DNA的密度是多少呢？要用什麼密度的溶液來測試呢？

他們一開始在家裡嘗試。梅塞爾森回憶說：「第一個實驗，我們在餐桌上做……我放很多糖到玻璃杯中，加滿水，然後剪下一片指甲丟進去，只是要看它會不會浮……我們不知道DNA真正的密度是多少……指甲還算類似吧。我沒記錯的話，在最濃的糖水中，指甲也沉了。我們需要密度更高的東西……我們走到客房掛的週期表前……從鈉往下一直唸到銣、然後銫，這是這類自然元素最後一個。」

DNA的密度沒有人知道，但是噬菌體的密度是1.51。於是他們尋找密度接近1.51的溶液或溶劑，拿來做離心實驗。當時在加州理工學院離心專家維諾格拉德(Jerome Vinograd)的傾囊相授下，學會使用當時最夯的Spinco Model E機型。

離心浮沉

Model E是屬於分析式超高速離心機，非常龐大，長寬都超過一般人的身高。離心速度可以高達每分鐘6萬轉，相當於289,000G的離心力。它備有即時照相系統，可以在離心進行中用光學系統拍攝離心管中分子的位置。

他們起初用幾種溶液離心測試T4噬菌體，結果T4都沉下去。他們就在找密度更高的溶液，發現氯化銫(CsCl)飽和溶液的密度是1.91，就拿來做離心實驗，沒想到T4浮起來了。這就有希望了。

梅賽爾森他們還發現在超強離心立場下，氯化銫會形成一個梯度，底部和頂部的密度差異，可以達到大約0.2。

他們測試單一樣本DNA在一個適當密度(1.7)的氯化銫溶液離心。發現DNA往同等密度的氯化銫溶液移動、聚集。成功了！DNA在氯化銫梯度溶液中的密度顯然是1.7。

1957年5月，梅塞爾森看到有一家公司在賣氮的同位素15N，15N沒有放射性，只是重量高於一般的氮元素14N。以此標記，發現15N和14N的DNA可以分開得很好，就決定使用15N做真的實驗。

複雜的比較簡單

接下來的問題是，要拿什麼生物做複製實驗呢？他們首先嘗試噬菌體T4，因為噬菌體容易大量培養，DNA也很容易純化。可是，沒想到他們所得到的結果很亂，不同密度的DNA沒有明確的分佈，無法得到什麼結論。

其中一個因素應該是噬菌體在感染的細胞中複製不只一次，實驗收集到的子代DNA也不知道是第幾代的後代。另外他們當時並不知道的是，T4 DNA在複製過程中會進行大規模的交換，所以他們觀察的子代不但已經複製多次，還發生過重組，怪不得得到雜亂的結果。

9月，他們改用大腸桿菌做實驗，乍看之下似乎系統變得更複雜，其實結果剛好相反。他們成功了。

10月中，史塔爾要到密蘇里州應徵新工作，梅塞爾森不想等待，決定單獨進行實驗。史塔爾建議他要分兩次做，第一次先在14N培養細菌(合成舊的DNA)，再換到15N培養(合成新的DNA)，第二次反過來做，不要兩個實驗一起做。因為單獨一個人同時做兩個實驗，會手忙腳亂、搞亂掉。

梅塞爾森沒聽他的建議，兩個實驗一起做，結果真的搞混了。不過，他說：「我洗出照片，看到3條明顯的帶。我知道那應該只有兩個帶才對。我把樣本搞混了。但是看到3個清晰的帶，特別是中間的那一條，我就知道答案了。」

第二天，他再做一次，這次學乖了，只做一個，從14N換到15N。11月，史塔爾回來了，他們兩人再做另一個，從15N換到14N。這兩次都成功了。

孟德爾之夢：基因的百年歷史
著者            陳文盛
出版社        遠流出版公司
出版日期    2017年10月1日
定價           360元
頁數           269頁
ISBN           978-957-32-8122-1

>>本文刊登於《環球生技月刊》Vol. 49