2016年08月24日訊 結構生物學家一直希望能可視化大分子結構，從而探索其功能。但這需要整合多種技術，十分復雜。與其他結構生物學家一樣，加利福尼亞大學（University of California）的Eva Nogales碰上了好時代。Nogales現在可以利用工具解決幾年前根本無法解答的分子機器相關問題。
Nogales和Jennifer Doudna--是的，就是大名鼎鼎的CRISPR-Cas9發明人--最近在合作的一個項目就是在探索這樣的問題。很多情況下，在DNA被CRISPR-Cas9剪切前，細胞內會形成一個由核苷酸構成的R環，Doudna和Nogales都對這個R環非常感興趣。Nogales等人對化膿性鏈球菌（Streptococcus pyogenes）中的R環進行了成像，得到了近原子分辨率的結構圖像，提示了在特定位點Cas9酶如何打開DNA。
這項工作最突出的兩個亮點是：1，科學家們快速地將功能與結構聯系了起來；2，他們把成像方法結合了起來。一個多世紀以來，結構生物學的首選方法一直是X射線晶體衍射法。但有些生物分子太大或太小，難以結晶，因此不能采用X射線法。一些分子在發揮功能時，會發生形態或朝向的變化，而結晶法無法捕捉這些動態變化。
現在，科學家們有一個龐大的成像工具庫作為晶體法的補充。一些方法，如低溫電子顯微鏡（cryo-EM）或化學家的核磁共振（nuclear magnetic resonance， NMR）成像，都能在不結晶的情況下，獲得接近原子分辨率的結構圖像，揭示分子的形狀、大小和方向。但并非所有的方法對細胞內所有蛋白質、核酸都有用。
經驗證明，沒有一個單一的方法足以探討在細胞中發生的動態行為和復雜的相互作用。最好的解決辦法是整合來自多個方法的圖像。
這種方法得到了諸多研究者的支持。加利福尼亞斯坦福大學（Stanford University）的結構生物學家Roger Kornberg指出，每個[方法]都能提供一些重要信息，結合起來，能實現1+1>2的效果。Kornberg由于在揭示基因轉錄的機制方面的杰出貢獻于2006獲得了諾貝爾化學獎。對于這一突破性的研究，他使用的是X射線晶體衍射法。現在，和其他的晶體學家一樣，他開始使用多種方法的結合。
Kornberg繼續分析RNA聚合酶II，但現在他把冷凍電鏡和晶體學結合起來。冷凍電鏡可用于不易結晶的分子，并且可用于解析較大的分子，但目前分辨率還比不上晶體學。Kornberg的實驗室還使用化學交聯和質譜來揭示鄰近蛋白質之間的關系，以及利用已知蛋白質的信息進行同源性建模。
Nogales和Doudna的團隊也使用混合方法來研究R環。Nogales表示，高分辨率的X射線晶體法無法解析完整的R環結構，所以他們用低分辨率的冷凍電鏡對完整的環結構進行解析。只有把兩者結合起來，研究者們才能真正揭示CRISPR-Cas9系統中R環的作用。
這種混合或綜合性方法有助于研究人員深入研究基礎科學問題，對藥物開發者也非常有用。細胞膜上發現的大蛋白質往往是治療靶標，高分辨率混合方法能揭示藥物與受體相互作用的原子細節。同樣，通過展示艾滋病毒、埃博拉病毒和其它病原體的包裝蛋白與免疫細胞相互作用的機制，誘導保護性反應，混合方法可能能夠幫助疫苗的發展。納什維爾范德堡大學（Vanderbilt University）的結構生物學家Jens Meiler表示，這些結構對于人們理解免疫系統的工作機制非常重要。
Noglaes總結到：這是混合方法的黃金時代。
夢想成真
歐洲分子生物學實驗室（European Molecular Biology Laboratory， EMBL）細胞生物和生物物理部負責人Jan Ellenberg表示，這個時代對很多生命科學家來說，是夢想成真的時代。這個夢想是從原子層面無縫銜接到細胞層面。這樣深入的理解自然能解答結構生物學的首要問題：一個分子的結構是怎么和其功能聯系在一起的？
結構生物學家工具箱中的每一種技術都提供了不同的視角。生物學家相信，使用混合方法構建的模型可以準確地反映分子或復合體在細胞中的行為。Meiler認為，你需要把這些技術結合起來，才能得到全面的答案。
X射線晶體長期以來一直是確定蛋白質原子結構的標準方法。成立于1971年的蛋白質數據銀行（Protein Data Bank， PDB）擁有的大約120000個模型中，約有90%來自晶體學研究。
但X射線晶體雖然分辨率高，但也具有局限性。首先，樣品要高度純化，以產生有序的晶體。科學家通過分析原子如何散射光來確定原子排布，從而確定分子結構。該技術需要有足夠的原子，以產生可測量的衍射圖案。并且每一個晶體必須是靜態的。因此，該方法不能揭示一個分子是如何運動的，以及如何起作用的，也不能揭示它是如何與其它系統互動的。
德國復雜系統研究所（Institute of Complex Systems）計算結構生物學小組組長Gunnar Schr？der指出，蛋白質不僅僅是一個單一的靜態結構，通常情況下，你想看到的是蛋白質的整個功能。Schr？der使用混合方法來理解蛋白的行為和與其它蛋白的互動。晶體能提供蛋白在脫離正常環境時的一個構象的快照。他還表示，結構生物學家需要其它方法來補充晶體結構的信息，并提高他們對蛋白質的形態和功能的理解。
許多蛋白質，如細胞膜上的藥物靶點，是靈活而不穩定的。為了讓這些蛋白質形成晶體，研究人員經常要在某種程度上改變它們。Meiler指出，改變樣本可能無法準確反映分子的原生狀態以及其在細胞內的排布方式。他把實驗和計算的方法混合，從而更好地理解分子結構。他繼續表示，對于很多生物系統來說，晶體法是很好的初始方法，但這個方法不足以提供功能方面的信息。
生物學家現在正在利用一系列的工具來建立更豐富、更精確的生物結構模型。混合方法得到的信息遠比單一方法豐富。冷凍電鏡和晶體法的結合就非常強大。雖然冷凍電鏡于20世紀80年代就問世了，但直到最近幾年才取得了分辨率上的突破，達到了2.2埃的分辨率，非常接近X射線結晶學的平均分辨率2埃。它可以產生蛋白質和其它大分子兩個或三個維度的圖像，這是其他方法無法實現的。
冷凍電鏡生產商FEI公司的首席科學家Jeffrey Lengyel表示，冷凍電鏡讓人激動的一點是，你可以啟動一個生化反應，然后把處于各個狀態的樣本冷凍起來。這樣，你可以確定多個構象的結構。
研究人員還可利用冷凍電鏡圖像，分析分子的運動。在加拿大多倫多兒童醫院（Hospital for Sick Children）的John Rubinstein于2015年5月發表了一項成果。他把10萬張冷凍電鏡圖像做成視頻，展示了真核V-ATP酶（細胞膜上轉運蛋白的酶）結構隨時間的變化。在今年早些時候發表的論文中，Nogales等人利用冷凍電鏡與同源模型，揭示了TFIID（一個大的、馬蹄形的、啟動基因轉錄的蛋白復合體）的結構。
一點點進步
Nogales等人使用的混合策略達到了10埃的整體分辨率，相比于以往分析TFIID的30埃分辨率是非常大的進步。分辨率的提高意味著科學家們能探索更多的問題：正如Nogales所說，“我們可以看到氨基酸與DNA相互作用。”
但冷凍電鏡要求標本被冰凍。這是不理想的生物樣品，因為冷凍的樣本遠遠脫離了自身動態、天然的狀態。核磁共振光譜（NMR）可以幫忙解決這個問題。Schr？der表示，核磁共振有一個很大的優勢--可以得到蛋白在正常狀態下的動態信息。他的實驗室通過整合NMR、冷凍電鏡和晶體學數據，得到分子模型。
NMR于20世紀40年代被首次應用到實驗中。研究人員通過在外加磁場中激發原子得到大分子結構。當原子回到靜息狀態時，它們內部磁場的變化可以被檢測到，從而反映出分子的原子結構。然而，核磁共振光譜只適用于相對較小的大分子或復合體。
結構生物學家也使用混合方法來解析超大復合體--這是過去無法完成的任務。Kornberg最新的成果（尚未發表）進一步拓展了他對RNA聚合酶II的研究，并使用混合方法描述了一個由50多個蛋白質和轉錄因子組成的巨大復合體。他表示，通過多個方法的結合，他們首次看到了整個復合體。每個方法都做出了同樣大的貢獻。
另一個超大型的目標是核孔復合體。這個膜蛋白復合體負責控制細胞核信息和分子的通過。2015年，Ellenberg等人使用一種混合方法來研究這種大型復合體。在過去，研究人員用晶體法和電子顯微鏡研究它，但他們無法獲得整個復合體的分子分辨率圖像，其整體結構在很大程度上仍然是一個謎。
Ellenberg的團隊第一次利用超高分辨率熒光顯微鏡對核孔復合體進行了成像。他指出，超分辨率熒光顯微鏡的分辨率可以達到30納米。為了提高分辨率，他們使用了一種名為單粒子平均的圖像處理技術，把分辨率提升到了10埃。冷凍電鏡的實驗證實了他們的結果。他們得到了核孔復合體的結構圖像。Nogales評價說，這樣的模型在以前是無法想象的。
同樣，多倫多大學（University of Toronto）的Rubinstein和Lewis Kay使用了混合方法打破了一些不可能。通過冷凍電鏡和核磁共振光譜的結合，他們解析了VAT酶（一種在降解蛋白中發揮重要作用的酶）的構象變化。他們通過借助冷凍電鏡解釋結構，以及核磁共振揭示動態變化，二者結合，完美展示了VAT酶工作時的情景。
仍有缺點
雖然混合方法能帶來更多的信息，但混合也會造成錯誤的疊加。因此，混合方法一個潛在的問題是，多個錯誤來源造成的誤差增加。正如Meiler所說，結構生物學家關注的一個核心問題是，如何在整合方法的同時，減小誤差，保證得到的模型具有準確性、精度和可靠性。
另一個障礙是多類數據集的共享和利用。任何一個技術都能得到豐富的信息，因此信息的共享非常麻煩。
Lengyel表示，每天都能生成百萬兆字節的數據。他希望，結構生物學領域可以向高通量的遺傳生物學領域學習處理數據超載的方法。雖然有能靈活地結合高分辨率晶體結構數據和冷凍電鏡圖的軟件，但其它方法得到的數據無法簡單地混合。例如，電子順磁共振光譜測量高分子的距離和方向，而冷凍電鏡產生密度圖。雖然這兩種數據結合在一起非常有用，但這兩種數據語言并不相同。Meiler提出疑問，這些數據如何整合？如何分享？
為了探討數據組織、共享和使用的最佳方式，幾十名結構生物學家于2014年10月齊聚英國歐洲生物信息研究所（European Bioinformatics Institute）。該會議由全球蛋白數據銀行（Worldwide Protein Data Bank）組織，是首個此類會議。
Schroder表示，目前，PDB存儲單個蛋白結構的數據。他認為，PDB應該增加蛋白各個構象的數據。細節越豐富，越有助于全面解析蛋白和大分子功能。
學界已經做出了一些努力：目前已建立二維電子顯微鏡模型的檔案庫（Electron Microscopy Pilot Image Archive）和三維（EMDataBank）。這些檔案庫由EMBL等機構提供資金，其中包含的數據可以共享、歸檔和分發。
另一個可能阻礙該領域的威脅是專業知識。Meiler指出，技術需要投資，但投資在教育科學家上也非常重要。他建議，結構生物學領域的學生都去學習每一種方法的優缺點，并至少精通一種方法。他還表示，我們需要培養新一代的科學家，這些科學家需要理解如何整合這些不同的技術。
最后，結構生物學家必須學會提問題，提新的、復雜的、以前被認為不可能的生物問題。Ellenberg還表示，有了混合方法，很多5年前他甚至以為直到他退休都沒法探索的問題都可以解決了。
抽象的價值
——數學與當代生命科學
吳家睿
20世紀中期，隨著蛋白質空間結構的解析和DNA雙螺旋的發現，形成了以遺傳信息載體核酸和生命功能執行者蛋白質為主要研究對象的分子生物學時代。分子生物學的誕生使傳統的生物學研究轉變為現代實驗科學。但是，在生命科學領域的實驗科學與其它實驗科學如實驗物理學相比，更多地是注重經驗，而非抽象的理論或概念。此外，這些生物學家們大多關注定性的研究，以發現新基因或新蛋白質為主要目標，對于定量的研究，如分子動力學過程等沒有給予足夠的重視。盡管如此，現代生命科學在20世紀的下半葉還是取得了豐盛的成果。正如美國科學院院長分子生物學家阿爾伯特(B. Albert)所說，“在一個基因克隆占主要地位的時代，當今許多優秀的科學家在不具備任何定量研究的能力下仍然取得了巨大的成績”。但是，隨著后基因組時代的到來，生物學研究者的定量研究能力和知識已不再是可有可無的了。
大勢所趨
英國生物學家保羅?納斯(Paul Nurse) 因細胞周期方面的卓越研究成為了2001年度諾貝爾生理學或醫學獎的得主。他曾在一篇回顧20世紀細胞周期研究的綜述文章中以這樣的文字結束：“我們需要進入一個更為抽象的陌生世界，一個不同于我們日常所想象的細胞活動的、能根據數學有效地進行分析的世界。”
也許基于同樣的考慮，2000年10月美國國家科學基金會（NSF）的主任科勒威爾(R. Colwell)在向國會提交的報告中，稱數學是當前所有新興學科和研究領域的基礎，要求下一年度對數學的資助要增加3倍以上，達到1.21億元美金。在這些增加的預算中，有很大的一部分被用來支持數學與其它學科的交叉研究，尤其是數學與生物學的交叉研究項目。
盡管數學一直在現代生命科學中扮演著一定的角色，如數量遺傳學、生物數學等。但真正體會到數學重要性的還是20世紀90年代生物學家。基因組學是這種趨勢的主要催化劑。隨著DNA序列測定技術的快速發展，20世紀90年代后期每年測定的DNA堿基序列以驚人的速度迅速增長。以美國的基因數據庫（GenBank）為例，1997年擁有的堿基序列為1x109，次年就翻了一番，為2x109；到2000年GenBank已擁有近8x109個堿基序列。同樣，在蛋白質組研究和轉錄組研究等快速推進的過程中，各種數據也在迅猛的增加。據估計，現在生物數據量可以達到每年1015字節。如何管理這些“海量”數據，以及如何從它們中提取有用的知識成為了對當前生物學家、數學家、計算機專家等的巨大挑戰。由此引出了一門新興學科：生物信息學(Bioinformatics)。此外，對細胞和神經等復雜系統和網絡的研究導致了數學生物學(Mathematical Biology)的誕生。美國國家科學基金委員會為此專門啟動了一項“定量的環境與整合生物學”的項目，以鼓勵生物學家把數學應用到生物學研究中去。幾乎在同一個時間，美國國立衛生研究院也設立了一項“計算生物學”的重大項目。
理解生命的新工具：模型
上面的論述也許會造成這樣一種印象，數學在現代生命科學中的應用主要是在“海量”數據的處理方面。可以這樣說，今天的確是有許多生物學家是從“計算”的角度來看待數學對生命科學的作用。然而，對于理解生命現象來說，計算是遠遠不夠的。當我們把通過基因芯片獲得的成千上萬的實驗數據喂進一臺計算機，讓計算機根據一定的運行程序吐出一堆堆的結論時，我們是否可以認為，我們已經理解了所要研究的生物學問題？不僅如此，我們也許還需要警惕，不要讓計算機代替我們的思考。
對于今天的生命科學工作者，數學的價值應該體現在“模型化”(Modelling)方面。通過模型的構建，那些看上去雜亂無章的實驗數據將被整理成有序可循的數學問題；通過模型的構建，所要研究的問題的本質將被清晰地抽象出來；通過模型的構建，研究者們的實驗不再是一種隨意的探索，而是通過“假設驅動”（Hypothesis-driven approach）的理性實驗，就如同物理學家們的工作一樣。
上個世紀的實驗生物學家把生命視為一個線性的系統，力圖以一種簡單的因果關系來解釋生命活動。通常在那些尋找新基因的研究者的內心深處，大多擁有一個“基因決定論”的愿望：一旦找到了某一種基因，就能解答一個生物學問題。癌癥有“癌基因”，長壽有“長壽基因”，聰明有“聰明基因”，甚至犯罪都是由一種“犯罪基因”所造成。但是，幾十年的研究軌跡，劃出的卻是一幅幅越來越復雜的圖案。以人類發現的第一個腫瘤抑制基因p53來說，自1979年發現至今，已有近2萬5千篇文章涉及到它；直接與p53相互作用的蛋白質多達數十種，新的還在發現之中。現在人們看到的p53已經是一個相當復雜的調控網絡。顯然，沒有數學模型的幫助，要理解和分析p53的功能將不是一件容易的事。不久前，發現p53的生物學家之一萊文爾(A. J. Levine)和數學家一起，建立了一個解釋p53調控線路的數學模型[1]。
數學不僅能幫助我們從已有的生物學實驗和數據中抽象出模型和進行解釋，它還可以用于設計和建造生物學模型，也許這些生物學模型在自然的狀態下是不存在的。在這種意義上說，基于數學模型和假設進行的生物學實驗將更接近我們所熟知的物理學和化學實驗，更多的依賴于抽象和理性，不再是一門經驗科學。
新世紀伊始，數學指導實驗已成為了現實。不久前，美國的科學家在《自然》（Nature）雜志上報道了他們人工設計的生物模型。普林斯頓大學科學家設計了一個自然界不存在的控制基因表達的網絡。這個網絡可以周期性的調控大腸桿菌內一個外源基因的表達[2]。在同一期雜志上，波士頓大學的生物學家也報告了他們相類似的工作[3]。這兩個工作的共同特點是，首先應用某種微分方程（兩個實驗室采用了不同的微分方程）進行推導和設計，然后再根據其設計去進行生物科學實驗，如構造基因表達質粒，進行檢測基因表達情況等。這些科學家認為：“這種‘網絡的理性設計’可以導致新型的細胞工程和促進人們對自然界存在的調控網絡的理解。”[2]
“萬物皆數也”
數學常常被人視為工具。它的確也是非常有用的工具。但是，只要是作為工具，就具有可替換性。“條條道路通羅馬”。工具就是道路，可以選擇途徑A，也可以選擇途徑B，只要能達到目的地就行。當然，有的可能是捷徑，有的可能是彎路。但它們畢竟都不是唯一的。就如同過去的生命科學研究，沒有數學也取得了不錯的成績。數學的應用顯然會對現在和今后的生物學研究有幫助，但生物學家不用數學行不行呢？
人類對自然和生命的關注，通常體現在兩個方面的問題：構成世間萬物的本質是什么以及如何去認識和探尋這種本質。前一類問題是屬于本體論，后一類問題則屬于認識論。如果采用這樣假設：生命的本質最終是體現在數學規律的構成上。那么，沒有數學顯然我們就不能真正和徹底地揭示出生命的本質。
DNA和蛋白質是兩類最重要的生物大分子。它們通常都是由眾多的基本元件（堿基、氨基酸）相互聯結而成的長鏈分子。但是，它們的空間形狀并非是一條平直的線條，而是一個規則的“螺旋管”。盡管在20世紀中葉人們就發現了DNA雙螺旋和蛋白質α螺旋結構，但至今為止，人們還是難以解釋，為什么大自然要選擇“螺旋形”作為這些生物大分子的結構基礎。
不久前，美國和意大利的一組科學家，利用離散幾何的方法研究了致密線條的“最大包裝”(Optimal Packing)問題，得到的答案是，在一個體積一定的容器里，能夠容納的最長的線條的形狀是螺旋形 [4]。研究者們意識到，“天然形成的蛋白質正是這樣的幾何形狀”[4]。顯然由此我們能夠窺見生命選擇了螺旋作為其空間結構基礎的數學原因：在最小空間內容納最長的分子。凡是熟悉分子生物學和細胞生物學的人都知道，生物大分子的包裝是生命的一個必要過程。作為遺傳物質載體的DNA，其線性長度遠遠大于容納它的細胞核的直徑。例如構成一條人染色體的DNA的長度是其細胞核的數千倍。因此通常都要對DNA鏈進行多次的折疊和包扎，使長約5厘米的DNA雙螺旋鏈變成大約5微米的致密的染色體。由此我們可以認為，生命遵循“最大包裝”的數學原理來構造自己的生物大分子。
細胞是生命的基本組成單元和功能單元。而細胞分裂（又稱為細胞增殖）是細胞最基本和最重要的活動。完成一次細胞分裂的活動稱為細胞周期。不同物種的細胞周期的時間長短是不一樣的，有著嚴格的調控。那么，是什么構成了細胞周期的“時鐘”？最近的研究表明，對于酵母細胞而言，一種細胞周期調控蛋白的磷酸化程度有可能被用作細胞周期運行的“時鐘”。這種被稱為Sicl的蛋白質上有9個位置可以被蛋白激酶CDK進行磷酸化。當它被加上第1個磷酸基因至第5個磷酸基團的時候，其分子的行為沒有出現變化。但是，一旦被加上第6個磷酸基團時，它就可以和一種稱為Cdc4的蛋白發生相互作用，然后被蛋白酶降解，從而導致細胞進入DNA合成期（S期），最后完成細胞分裂。研究者詳盡而深入的工作揭示出，Sicl蛋白的每一次磷酸化都有助于與Cdc4的相互作用，但只有到第6次或6次以上，其結合力才達到與Cdc4穩固的結合。此外，如果給Sicl蛋白人為裝上一段外源氨基酸肽段，一次磷酸化就能使Sicl與Cdc4結合并導致其降解，這時Sicl控制細胞周期時間的功能就會喪失[5]。這個研究成果很典型地揭示了細胞是如何通過數量的控制來實現其生命活動。
古希臘著名的數學家畢達哥拉斯(Pythagoras)曾給后人留下過這樣一個觀點：“萬物皆數也”。如果他的觀點是正確的，作為大自然的杰作——生命，一定也是按照數學方式設計而成的。因此，數學不僅僅能夠提升生命科學研究，使生命科學成為抽象的和定量的科學，而且是揭示生命奧秘的必由之路。
1925年摩爾根“基因論”的發表，確立了基因是遺傳的基本單位，它存在于細胞的染色體上，決定著生物體的性狀。但關于基因的化學本質是什么，它通過什么方式影響生物體的遺傳性狀，仍然不清楚。揭示基因的本質及其作用方式就成了當時生物學研究的核心問題。對這個問題的研究，開創了分子生物學這門新學科。分子生物學的建立和發展是生物學中信息學派、結構學派和生化遺傳學派研究成果結合的產物，是科學史上一次成功的由學科交叉融合而引起的科學革命。發現DNA雙螺旋的故事已為人們廣為傳頌，并作為生物學史上最具傳奇色彩的偉大發現而載入生命科學史冊
1．信息學派：信息學派主要是由一群對遺傳信息世代傳遞感興趣的物理學家組成，其代表人物是德爾布呂克（Max Delbrück）。德爾布呂克德國物理學家，1930年在美國洛克菲勒基金資助下，到丹麥哥本哈根理論物理研究所，跟隨著名物理學家玻爾（Niels Bohr）作博士后研究。1932年，玻爾在哥本哈根舉行的國際光治療大會上作了“光與生命”的演講。演講中玻爾提出了認識生命的新思路，認為對生命現象的研究有可能發現一些新的物理學定律。德爾布呂克深受玻爾思想的影響，決定轉入生物學研究。他認為，研究遺傳信息的世代傳遞的機制，基因是最好的切入口。德爾布呂克離開哥本哈根回到柏林后，與遺傳學家列索夫斯基（Nikola?. Vladimirovich. Timofeeff-Ressovsky）、生物物理學家齊默爾（Karl. G. Zimmer）合作，從量子理論的角度研究輻射與基因突變的關系，并于1935年出版了《關于基因突變和基因結構的本質》的小冊子。書中，他們用量子理論分析討論了輻射誘導的基因突變的規律，并給出了“基因的量子力學模型”。此模型認為，基因如同分子一樣，具有幾個不同的，穩定的能級狀態。突變被解釋為基因分子從一個能級穩態向另一個能級穩態的轉變。文章還根據計算，推斷了基因的大小。這就是著名的“三人論文”。“三人論文”是一篇完全用物理學的理論和方法對基因進行研究的文章。這篇文章的意義不在于其結論的正確與否，而在于它使許多年輕物理學家們相信，基因是可以通過物理學方法來進行研究的，從而推動了一大批杰出物理學家投入生物學研究。“三人論文”后來成為薛定鍔（Erwin. Schr?dinger）“生命是什么”一書討論的基礎。
1937年，在洛氏基金的資助下，德爾布呂克來到加州理工大學摩爾根實驗室進行遺傳學研究。在那兒他發現噬菌體是一種比果蠅更適合進行基因研究的材料，并與埃利斯（Emory. Ellis）合作，研究噬菌體的增殖、復制規律，建立了噬菌體的定量測定方法。1940年底，在費城召開的一個物理學年會上，德爾布呂克與剛來美國不久的意大利生物學家盧里亞（Salvador. Edward. Luria）認識了。盧里亞讀過“三人論文”，對德爾布呂克極為景仰。當時他剛獲得洛氏基金資助，在哥倫比亞大學準備開展X-射線誘導噬菌體突變的研究。共同的興趣使他們很快建立了合作關系。當時在美國還有一個進行噬菌體研究的科學家是華盛頓大學的赫爾希（Alfred. Hershey）。1943年，德爾布呂克約他在自己實驗室見面，并討論了合作研究計劃。這樣，一個以德爾布呂克—盧里亞—赫爾希為核心的“噬菌體小組”就形成了。
噬菌體小組的研究成果主要有：德爾布呂克與盧里亞合作進行的細菌突變規律的研究開辟了細菌遺傳學的新領域；1945年盧里亞和赫爾希分別獨立發現噬菌體的突變特性；1946年德爾布呂克與赫爾希又分別獨立發現，同時感染一個細菌的二種噬菌體可以發生基因重組，證明了，從最簡單的生命到人類的遺傳物質都遵循著相同的機制。噬菌體小組最值得夸耀的成果是50年代初證明了基因的化學本質是DNA。1944年艾弗里（Oswald. T. Avery）已經通過肺炎球菌轉化試驗發現，DNA是遺傳物質，但一直未獲承認。赫爾希和蔡斯（Martha. Chase）分別用35S（與蛋白結合）和32P（結合在DNA上）標記噬菌體，然后用它感染細菌，結果發現噬菌體只有其核酸部分進入細菌，而其蛋白外殼是不進入細菌的。表現為在感染噬菌體的細菌體內復制產生的后代噬菌體主要含有32P標記，而35S的含量低于1%。這清楚地證明，在噬菌體感染的細菌體內，與復制有關的是噬菌體的DNA，而不是蛋白質。1952年，這個結果發表后立刻被廣泛接受，對促進沃森（James Watson）和克里克（Francis Crick）確定DNA雙螺旋結構的突破，具有重要的意義。
噬菌體小組除了在研究遺傳信息的傳遞機制外，還從1941年起，每年都在紐約長島的冷泉港舉行研討會，并從1945年起每年暑期都舉辦“噬菌體研究學習班”。學習班課程主要為那些有志于投身生物學研究的物理學家們開設的。通過冷泉港學習班，擴大了噬菌體研究網絡，形成并鞏固了以德爾布呂克—盧里亞—赫爾希為核心的噬菌體小組在遺傳學研究領域的地位，到50年代初，噬菌體小組已成了一個影響很大的遺傳學派。
噬菌體小組早期的研究工作引起著名物理學家薛定鍔的注意，并引起了他對生命的思考。1943年，他在愛爾蘭的都柏林三一學院作了一系列演講，闡述了他對生命的思考。1944年，他將這些演講整理匯編成書出版，這就是被認為是分子生物學的“湯姆叔叔的小屋”的劃時代著作《生命是什么》。在此書中，薛定鍔討論了以噬菌體小組為主的信息學派的研究成果，尤其對德爾布呂克的“基因的量子力學模型”最為推崇。在討論這些研究成果的同時，薛定鍔認為“在有機體的生命周期里展開的事件，顯示了一種美妙的規律和秩序。我們以前碰到過的任何一種無生命物質都無法與之相比。”“我們必須準備去發現在生命活體中占支配地位的，新的物理學定律”。
《生命是什么》一書對生物學研究產生的影響是震撼性的。著名分子生物學家斯坦特（Gunther. Stent）指出：“在這本書里，薛定鍔向他的同行物理學家們預告了一個生物學研究的新紀元即將開始”，“不少物理學家受到這樣一個可以通過遺傳學研究來發現‘其它物理學定律’的浪漫思想的啟發，就離開了他們原來訓練有素的職業崗位，轉而去致力于基因本質的研究”。分子生物學的歷史表明，1950年代那些發動分子生物學革命的科學家，包括DNA雙螺旋結構的發現者沃森和克里克都是受薛定鍔此書的影響，而轉而進行基因的結構與功能研究的。
2．結構學派：20世紀30年代起，在生物學領域還有一群物理學家開始從事生物大分子的結構研究，這就是被稱為“結構學派”的物理學家。結構學派是由英國卡文迪許實驗室的布拉格父子，亨利·布拉格（William. Henry. Bragg）和勞倫斯·布拉格（William. Lawrence. Bragg）創立的。20世紀初，他們發現用X-射線照射結晶體可以在背景上獲得不同的衍射圖像。通過對衍射圖像的分析，就可以推出晶體的結構。他們用這個方法成功地確定了一些鹽類（如氯化鉀）等的分子結構。1915年，布拉格父子同時獲得諾貝爾物理學獎。1938年，勞倫斯·布拉格出任卡文迪許教授，開始將X-射線衍射技術推廣應用到對生物大分子（蛋白質、核酸）的三維結構研究。50年代初，當時在卡文迪許實驗室的佩魯茲（Max Peruts）領導下，正在進行二種蛋白質的結構分析。一是他自己領導的研究小組，進行血紅蛋白的結構研究；另一個是肯德魯（John Kendrew）領導的研究小組，進行肌紅蛋白的結構分析。此外，在倫敦的國王學院（King’s College）的威爾金斯（Maurice Wilkins）和富蘭克林（Rosalind Franklin）的研究小組正在進行用X-射線衍射的方法研究核酸的結構，并取得了很多有意義的成果。結構學派的生物學家們主要對生物大分子的結構感興趣，對功能研究則較少涉及。
3．生化遺傳學派：自從1900年孟德爾定律被重新發現之后，“基因是怎樣控制特定的性狀”的問題就成了遺傳學研究的主要問題之一。1902年，英國醫生伽羅德（Archibald Garrod）發現一些病孩患尿黑酸癥，病人的尿一接觸空氣就變成黑色。很快這種尿變黑的化學物質就被鑒定出來，即是由酪氨酸轉變而成的一種物質。伽羅德對患黑尿病患者的家譜分析發現，此病按孟德爾規則的方式遺傳。在進行一系列研究后，1909年伽羅德出版了《新陳代謝的先天缺陷》一書，指出黑尿病患者代謝紊亂是因為酪氨酸分解代謝的第一階段，即苯環斷裂這一步無法進行。因而伽羅德認為，苯環斷裂是在某種酶的作用下發生的，病人缺乏這種酶，所以出現黑尿癥狀。這樣就把一種遺傳性狀（黑尿）與酶（蛋白質）聯系起來了。但對遺傳因子與酶的這種預測性的設想，卻無法得到實驗證實。
1940年，比德爾和塔特姆（E.L.Tatum）開始用紅色鏈孢菌研究基因與酶的關系。他們用X-射線照射誘導產生鏈孢菌的突變體，發現了幾種不同的失去合成能力的鏈孢菌。他們通過對這些突變體雜交后代的遺傳學分析表明，每一種突變體都是單個基因突變的產物，并認為每一個基因的功能相當于一個酶的作用。由此，于1941年他們提出了“一個基因一個酶”的假說。按照這個假說，基因決定酶的形成，而酶又控制生化反應，從而控制代謝過程。1948年，米歇爾（F. Mitchell）和雷恩（J. Lein）發現，紅色鏈孢菌的一些突變體缺乏色氨酸合成酶，從而為“一個基因一個酶”的理論提供了第一個直接的證據。蛋白質是有機體基因型產生的最直接的表現型，決定了生物性狀的表現形式。因此“一個基因一個酶”（后改為一個基因一個蛋白質）的理論為以后DNA→RNA→蛋白質的“中心法則”提供了理論基礎，對認識基因控制遺傳性狀的機制具有重要意義。1958年，伽羅德和塔特姆獲得諾貝爾獎。
DNA雙螺旋結構的確立
1951年，沃森在意大利參加了一個生物大分子結構的學術會議，會上聽了英國國王大學威爾金斯關于DNA的X-射線晶體學的研究結果的報告十分興奮。沃森是噬菌體小組領袖人物盧里亞的研究生。博士畢業后，被盧里亞送到丹麥哥本哈根的克卡爾（Herman Kacker）實驗室做有關核酸的生物化學方面的研究。這使他迅速熟悉了核酸方面的知識，并確認基因的本質是DNA。他認識到，要解開基因的功能之謎，必需首先弄清DNA的結構。威爾金斯的工作給了他極大的啟示，在盧里亞的支持下，他來到了當時世界生物大分子結構研究的中心——劍橋的卡文迪許實驗室。在這里，他與弗朗西斯·克里克（Francis Crick）相遇。克里克畢業于倫敦科里基大學物理系，二戰期間在軍隊從事過磁鐵礦方面的研究。戰后在薛定鍔《生命是什么》一書的影響下，轉向生物學研究。當時作為一名博士研究生正在佩魯茲研究小組參加血紅蛋白結構的研究。沃森的到來，使他了解了DNA研究的新進展。他們一致認為，搞清楚DNA的結構是揭示基因奧秘的關鍵所在。倫敦國王學院的威爾金斯是克里克的朋友，這使他們很容易地獲得威爾金斯小組對核酸研究的新成果。沃森和克里克的合作，可以看成是生物學研究中，信息學派和結構學派結合。這個結合最終導致DNA雙螺旋結構的發現。
在沃森—克里克開始著手研究DNA結構之時，對DNA結構的資料還是比較零散的。當時已知：1。DNA是由腺嘌呤（A），鳥嘌呤（G），胸腺嘧啶（T），胞嘧啶（C）4種核苷酸組成；2。每個核苷酸的糖基因以共價鍵的方式與另一個核苷酸的磷酸基因結合，形成糖—磷酸骨架；3。這些核苷酸長鏈具有規則的螺旋狀結構，每3.4埃重復一次。但DNA分子究竟是由幾條核苷酸鏈組成，以及鏈與鏈之間通過什么方式組成螺旋狀分子，則仍然不清楚。1951年沃森—克里克曾提出一個三螺旋模型，1952年，鮑林也提出了一個三鏈模型，但隨即被否定，因與已知的DNA X-射線衍射結果不相符。DNA雙螺旋結構的確立主要由于以下的研究成果：1。1952年，沃森在威爾金斯那兒看到了富蘭克林在1951年拍攝的一張水合DNA的X-線衍射圖，圖片上的強烈的反射交叉清楚地顯示了DNA是雙鏈結構。這張圖給沃森印象極為深刻，決定建立DNA的雙鏈模型；2。1952年數學家格里菲斯（J. Griffith）通過對堿基間的結合力計算，表明A和T與G和C之間相互吸引的證據。同時從查伽夫（F. Chargaff）早先已確定的，DNA分子中，嘌呤堿與嘧啶堿之比為1:1的當量定律，也排除了堿基同型配對的可能性。此外，多諾休（J. Donohue）指出了堿基的互變異構現象。這些結果都肯定了DNA的二條核苷鏈中，A-T，G-C的堿基配對原則；3。1952年，富蘭克林DNA的X-線衍射結果已經準確地推測出，雙鏈分子糖—磷酸骨架在外側，堿基在內側的結論。富蘭克林還推測出配對堿基的距離為20埃，旋距為3.4埃。
根據上述資料，1953年沃森—克里克提出了一個DNA雙螺旋模型。這個結構符合已知的有關DNA的實驗資料，棄提示了DNA分子復制的可能方式，因而立即受到科學界的重視并很快被接受。DNA雙螺旋結構的發現，標志著分子生物學的誕生。此后的15年間，分子生物學取得迅速發展，其中具有重要意義的進展有：
1， 1968年克里克在他的《論蛋白質的作用》一文中，提出了遺傳信息的流向是DNA-RNA-蛋白質的著名的“中心法則”。1970年蒂明（Howard Temin）和巴爾的摩（David Baltimore）分別在RNA腫瘤病毒顆粒中發現“依賴RNA的DNA轉錄酶”（逆轉錄酶），證明了遺傳信息也可以從RNA流向DNA，從而完善了中心法則的內容。1975年，蒂明和巴爾的摩獲諾貝爾生理學或醫學獎。
2，1954年伽莫夫第一次把決定一個氨基酸的核苷酸組合稱之為遺傳密碼，并提出了“重疊式三聯密碼”假說。他通過計算給出了64種可能的三聯密碼。伽莫夫的假說的問題是：1，重疊密碼是錯誤的；2，認為DNA直接指導蛋白質合成是錯誤的。1961年克里克和布倫納（S.Brenner）通過實驗和統計分析否定了遺傳密碼的重疊問題，提出了“非重疊式三聯密碼”的假說，并通過實驗獲得證實。同年，尼倫伯格（M.W.Nirenberg）用生物化學的方法及體外無細胞合成體系，首次成功地確定了三聯尿嘧啶UUU.是苯丙氨酸的密碼子，揭開了破譯三聯密碼的序幕。到1966年就完成了所有20種氨基酸的密碼表1968年，尼倫伯格獲諾貝爾生理學或醫學獎。
3，.基因表達調控的“操縱子學說”的提出。1960年法國科學家莫諾（J. Monod）和雅各布（F.Jacob）發表了“蛋白質合成的遺傳調控機制”一文。在文章中他們正式提出了基因表達的操縱子學說。他們用大腸桿菌乳糖代謝調控系統為模型，揭示了半乳糖苷酶產生的基因調控機制，提出了結構基因、調節基因和操縱基因的概念，并證明了半乳糖苷酶（蛋白質）的產生正是這些基因相互作用的結果。操縱子學說的提出使對基因的研究從結構研究向功能研究的轉變，為深入揭示基因控制生物性狀（表型）的機制奠定了基礎。1965年莫諾和雅各布獲諾貝爾生理學或醫學獎。操縱子理論有力地證實了美國科學家麥克林托克（B.Mclintock）1951年在研究玉米遺傳特性時提出的“跳躍基因”（轉座子）的概念，為真核細胞基因調控的研究開辟了道路。1983年麥克林托克獲諾貝爾生理學或醫學獎。
4，基因工程枝術的誕生。1962年阿爾伯（W.Arber）提出細菌體內存在一種可以破壞外來DNA的酶。1970年史密斯（H.O.Smith）獲得了第一個DNA限制性內切酶。納桑斯則用內切酶將SV40病毒的DNA切割成一些特定的片段，并獲得了此病毒基因組的物理圖譜。1978年阿爾伯、史密斯和納桑斯獲諾貝爾生理學或醫學獎。此后又陸續發現了DNA聯接酶、DNA聚合酶，這些工具酶的發現為基因工程技術的出現奠定了基礎。1971年美國科學家伯格（P. Berg）用限制性內切酶和聯接酶將SV40的DNA與入噬菌體的DNA片段連接在一起，形成的雜種分子在大腸桿菌中成功表達，使跨越物種的DNA重組成為現實。基因工程作為一項新技術誕生了，它不但為農業、畜牧業和醫藥產業的發展提供了廣闊的發展空間，而且為進一步深入探索生命起源和開展人造生命（合成生物學）的研究提供了技術手段。伯格的工作為基因工程的誕生奠定了基礎，1980年伯格獲諾貝爾生理學或醫學獎。
從1953年DNA雙螺旋結構發現以來的半個多世記中，分子生物學按還原論的路徑迅猛發展，取得了許多重要進展。進入21世記以來，人類基因組計劃的完成，以及蛋白質組學等各種“組學”的出現，為從整體上認識遺傳、變異、及個體發育等基本生物學現象開辟了新方向。早已認識到基因組完全相同的卵孿生子之間在遺傳表型上可以表現明顯差異，顯示了基因型（Genotype）與表現型之間的復雜關系。近年來興起的表觀遺傳學（Epigenetics）研究表明，基因組可以通過DNA甲基化（DNA methylation），基因印記，母體效應，基因沉默，RNA編輯等方式改變基因表達的方式。這樣就為深入理解環境與遺傳的關系提供了可能，從而對醫學科學的發展產生深遠的影響。
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