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PCR之父穆利斯

作者:yunmu  於 2019-12-22 20:05 發表於 最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

通用分類:文史雜談|已有2評論

PCR之父穆利斯

在今年逝世的著名科學家中,有一位是PCR的發明人美國科學家穆利斯Kary Mullis。他被認為是有史以來最為古怪的諾貝爾獎得主。

PCR (聚合酶鏈反應) 是在生物體外進行擴增特定DNA片段的技術. 它的問世大大加快了分子生物學的研究步伐, 同時開創了分子生物學走向實用的新天地, 今天, 這種方法還廣泛應用於生物化學,遺傳學,醫學,法醫學和考古學。

PCR可以在免疫系統產生任何抗體之前發現潛伏在細胞中的HIV病毒。它可以從留在犯罪現場的微量DNA分子識別犯罪分子。無論是體液中含量極低的微生物,還是遠古化石中的生物殘骸。不管是兇殺現場發現的頭髮血跡,還是交通事故所餘下的生物組織,只要能從中分離出微量的特定DNA,就能用PCR加以放大,進行對照判斷。

Mullis1944年出生於北卡羅來納州,雙親以務農為生,Mullis說過,小時候,他對觀察農村的生物很感興趣。他在南卡羅來納州哥倫比亞市長大,然後到喬治亞理工學院讀大學. 獲得化學學士學位后, 又到加州大學伯克利分校讀專註於細菌鐵轉運蛋白分子合成的生物化學博士,並於1973畢業。畢業后經過6年的博士后,才進了一家名叫Cetus的生物公司謀生。  

在改變了世界的一個星期五晚上,那是1983年的春天,39歲的 Mullis開著本田小車,帶著同為Cetus化學家的女友前往鄉間的小屋度周末。此時他與該女友的關係已經破裂了, 她不和他說話, 只在車上閉目養神。

 Mullis知道此段愛情已經無力回天,就努力把注意力引向車外。雖然已是春暖花開,但是車外一團漆黑,蜿蜒曲折的高速公路就像分離了的兩條DNA鏈,行駛汽車的燈光似乎引領著它們在不斷地複製。一段DNA反反覆復地複製的景象,在他的腦海里冒了出來。他想出一種方法可以把雙鏈DNA加熱分離成為兩條單鏈,然後幾乎無限次地複製它。

當時複製DNA的實驗過程費時費力,常常需要一周時間,緩慢且容易出錯。 顯而易見,如果他的想法能夠得以實現,這是飛躍性的進步。Mullis後來寫道,該技術公開后,一些分子生物學領域最優秀的人才疑惑地說:「這個過程很簡單。為什麼我沒有想到?」。是的,這個過程並不複雜:將要複製的DNA鏈通過加熱分離。然後用引物標記它們,該引物發信號通知DNA聚合酶開始複製。然後該過程循環重複地進行。

但是Mullis仍然讓該構想在腦子裡飛了一段時間,幾個月後才向領導和同事說出他的想法, 在領導支持下開展了實驗。開始,他嘗試了不同的升溫降溫,結果都是不盡人意。而Mullis又是個天生的情種,此時在男女關係上處理的不是很好,受到了批評。然而公司上層富有遠見,不但讓他集中精力探索PCR的方法,而且還先後派了幾個分子生物學出身的得力員工來幫助他攻關, 這彌補了他該方面的不足

這些員工對PCR的開發, 尤其是在分子生物學細節的動手能力方面, 確實幫了Mullis的大忙。特別是亞裔科學家 Saiki,技術一流,不怕繁雜,對每一個環節都精益求精,把可能的污染減少到最低程度,他做出來的結果比較乾淨靚麗,讓專家們眼前一亮。

PCR的過程中,需要反覆加熱分離和降溫,因為通常使用的大腸桿菌DNA聚合酶承受不了分離DNA鏈所需的高溫,所以每次冷熱循環后,都要 加入新的聚合酶,讓人不勝其繁, 大大增加了該技術的成本。1986年,Mullis提出要使用耐高溫酶來解決這個問題,並找到了文獻。

最早的一篇文獻是以華裔Alice Chien為第一作者的。去過黃石公園的人都知道那裡有熱泉,一般細菌遇熱就死翹翹了,但是,嗜熱菌卻能夠生活在熱泉中。Chien在該菌中成功地分離出耐高溫的聚合酶, 並寫成論文發表於1976年的Journal of Bacteriology上。

後來,Cetus公司的員工按照Chien在論文中描述的方法照樣畫葫蘆,純化出耐高溫的聚合酶。Saiki把它代替過去的普通聚合酶用於PCR,收效甚佳。該酶不但耐得住反覆加熱時的高溫,只需將其添加到反應中一次即可; 而且其特異性和生物活性都特別高,多次複製后也沒有明顯的雜帶。從那時起,PCR開始走向實用舞台,在多個領域大顯神通。

其實,Mullis的成功更多來自PCR的實效,而在學術發表上碰到了釘子。  他寫的有關PCR的論文先後投給了NatureScience,結果都被拒絕了。最後該文才於1987年落戶於影響因子只有2左右的Methods of Enzymology。現在,估計該期刊的編輯都在內心裡感激Mullis把那麼好的文章投給他們。

Mullis是個性情中人。雖然他已經結過數次婚,但他在諾貝爾獎演講中悲惜地說,儘管PCR成功了, 但是這並不能彌補他那個女友與他分手所帶來的遺憾.  他被描述為不耐煩的和衝動的研究人員. 他認為常規實驗室工作很無聊,在開車和衝浪時考慮自己的研究更有激情。在做博士後期間,他還去開過一家麵包店。

Mullis是一位具有無限好奇心的科學家,他寫過科幻小說,他以原始科學思想的運作方式,充滿激情和幽默談論過許多主題:從全球變暖到OJ Simpson的審訊,從有毒蜘蛛到HIV,從科學方法到占星術。

他也許是唯一一位自述與外星人相遇過的諾貝爾獎獲得者。他質疑HIV病毒感染真的會引起艾滋病,並認為目前並無足夠的科學根據證明這兩者的因果關係。 但是,如果著名科學家走出了他所精通的領域,常常與普遍人無異。但讓我們永遠記住他給人類進步做出的貢獻。

 主要參考資料

 Mullis KB, Faloona FA. Specific synthesis of DNA in vitro via a polymerase-catalyzed chain reaction. Methods Enzymol. 1987;155:335-50

 https://classic.esquire.com/article/1994/7/1/is-kary-mullis-god-or-just-the-big-kahuna

https://www.penguinrandomhouse.com/books/118542/dancing-naked-in-the-mind-field-by-kary-mullis/

https://en.wikipedia.org/wiki/Kary_Mullis

Chien A, Deoxyribonucleic acid polymerase from the extreme thermophile Thermus. J Bacteriol. 1976;127(3):1550-7.. 



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發表評論 評論 (2 個評論)

回復 fanlaifuqu 2019-12-23 08:56
PCR 的確是非常劃時代的實用技術,當然理論也高端。我當年特地去哈佛學,帶回單位用!
回復 yunmu 2019-12-23 11:44
fanlaifuqu: PCR 的確是非常劃時代的實用技術,當然理論也高端。我當年特地去哈佛學,帶回單位用!
是的. 謝謝分子生物學專家留言

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