噬菌體感染實驗

基本介紹

• 中文名：噬菌體感染實驗
• 方法：同位素示蹤法
• 結論：注入宿主菌細胞內的物質是DNA
• 理論：甲硫氨酸和半胱氨酸含有硫

研究歷史

1952年，A.D. Hershey和M. Chase進行了證實DNA是噬菌體遺傳物質的噬菌體感染實驗。該實驗有力地證明了DNA是噬菌體遺傳信息的載體。

在分子生物學發展史上，有一個聞名遐邇的研究集體—美國長島冷泉港的噬菌體小組。噬菌體小組是由德爾布呂克（M.Delbriik）領導創建的。德爾布呂克最初學的是物理學，20年代末，曾到丹麥哥本哈根玻爾（N.Bohr）那裡作了兩年物理學的研究。玻爾是當時對生物學有濃厚興趣的少數著名物理學家之一，曾做過“光和生命”的公開演講，並於1933年發表同名文章。德爾布呂克受玻爾的影響，對當時蓬勃發展的遺傳學產生了濃厚的興趣。1937年，他決心放棄物理學的研究，到美國遺傳學研究的中心、摩爾根所在的加州理工學院生物系，專門從事遺傳學的研究。他很快選擇了與正在進行噬菌體研究的埃利斯（E.L.Ellis）共同合作。1940年他巧遇了從義大利來的、從事噬菌體研究的盧里亞（S.Luria），共同的目標使他們很快結合起來。1943年，德爾布呂克又遇到正在從事噬菌體研究的赫爾希（A.D.Hershey），此後，由他與盧里亞和赫爾希三人組成著名的噬菌體小組，吸引了許多科學工作者，開展了一系列的工作。他們一方面對噬菌體及其突變體進行系統的研究，取得了豐富的成果；一方面培訓了大批研究人員，為分子生物學的研究提供了理想的實驗材料和研究力量。他們的重要成就之一就是赫爾希一蔡斯（M.Qlase）的噬菌體感染實驗，它有力地證明了遺傳信息載體是DNA，明確闡明了基因的化學本質。德爾布呂克、盧里亞和赫爾希因其在噬菌體生物學方面的出色工作，於1969年一同獲得了諾貝爾醫學獎。

赫爾希和蔡斯兩人都是噬菌體小組的成員。他們在1952年進行了有名的噬菌體感染實驗，證明了DNA是遺傳物質。

噬菌體是一種寄生在細菌的細胞里，並破壞細菌的細胞的病毒（病毒是比細菌小而無細胞結構的最簡單生物）。噬菌體體積非常小，組成也極簡單，都由蛋白質和DNA組成。噬菌體的結構是外面包有一個蛋白質的外殼，緊包在裡面的物質是DNA。它的行動好像注射器那樣，先把自己附在細菌的外表面，爾後把它的內部物質（DNA）注射到細菌中去。這樣噬菌體就在細菌裡面大量繁殖起來，與此同時，細菌細胞中產生一種能溶解細胞外膜的酶，使細胞破裂開來，釋放出噬菌體去攻擊別的細菌。最後，由於感染迅速擴散開來，培養基里全部的細菌都被噬菌體殺死。

赫爾希和蔡斯設計了這樣一個實驗：即讓噬菌體去感染細菌，接著把噬菌體與細菌的懸浮液劇烈地震盪以除去附在細菌表面的噬菌體，再分別測定噬菌體蛋白質的量以及與細菌連在一起的DNA的量。結果發現大多數DNA留在細菌中，而大多數蛋白質已清除掉了。於是赫爾希和蔡斯得出結論：DNA是從噬菌體進入細菌的物質，噬菌體的蛋白質外殼都遺留在細菌細胞之外，是噬菌體的DNA主導著噬菌體的生命的繁衍，DNA確實是遺傳物質。

侵染實驗

理論基礎

構成蛋白質的胺基酸中，甲硫氨酸和半胱氨酸含有硫，DNA中不含硫，所以硫只存在於T₂噬菌體的蛋白質。相反，磷主要存在於DNA中，至少占T₂噬菌體含磷量的99%。Alfed Hershey和Martha Chase（1952）將宿主大腸桿菌細胞分別放在含放射性同位素³⁵S或³²P的培養基中，用³⁵S標記蛋白質，³²P標記蛋DNA。宿主細胞在生長過程中就被³⁵S或³²P標記上了。然後用T2噬菌體分別感染被³⁵S或³²P標記的細菌，並在這些細菌中複製增殖。宿主菌裂解釋放出很多子代噬菌體，這些子代噬菌體也被標記上³⁵S或³²P。

然後用分別被³⁵S，或³²P標記的噬菌體去感染沒有被放射性同位素標記的宿主菌，然後測定宿主菌細胞帶有的同位素。被³⁵S標記的噬菌體所感染的宿主菌細胞內很少有³⁵S，而大多數³⁵S出現在宿主菌細胞的外面。也就是說，³⁵S標記的噬菌體蛋白質外殼在感染宿主菌細胞後，並未進入宿主菌細胞內部而是留在細胞外面。被³²P標記的噬菌體感染宿主菌細胞後，測定宿主菌的同位素，發現³²P主要集中在宿主菌細胞內。所以噬菌體感染宿主菌細胞時進入細胞內的主要是DNA。

親代噬菌體	同位素的去向	子代噬菌體	實驗結論
^32P標記DNA	^32P標記DNA進入細菌體內	DNA部分有^32P標記	DNA分子在親代和子代之間具有連續性，是遺傳物質
^35S標記蛋白質	^35S標記; 蛋白質在上清液中（留在細菌外部）	外殼蛋白質無^35S標記

註： 1、噬菌體DNA複製及相關蛋白質的合成所需的原料、酶、場所等條件均來自於細菌。

2、噬菌體的代謝活動（如蛋白質的合成）是由噬菌體DNA來控制的。

侵染過程

噬菌體是寄生在細菌細胞中的病毒。一個典型的噬菌體的生活周期，可以分為3個階段：感染階段、增殖階段和成熟階段。

噬菌體感染實驗

（1）感染階段 噬菌體侵染寄主細胞的第一步是“吸附”，即噬菌體的尾部附著在細菌的細胞壁上，然後進行。侵入”。先通過溶菌酶的作用在細菌的細胞壁上打開一個缺口，尾鞘像肌動蛋白和肌球蛋白的作用一樣收縮，露出尾軸，伸人細胞壁內，如同注射器的注射動作，噬菌體只把頭部的DNA注重組的DNA人細菌的細胞內，其蛋白質外殼留在壁外，不參與增殖過程。

（2）增殖階段 噬菌體DNA進入細菌細胞後，會引起一系列的變化）：細菌的DNA合成停止，酶的合成也受到阻抑，噬菌體逐漸控制了細胞的代謝。噬菌體巧妙地利用寄主（細菌）細胞的“機器”，大量地複製子代噬菌體的DNA和蛋白質，並形成完整的噬菌體顆粒。噬菌體的形成是藉助於細菌細胞的代謝機構，由本身的核酸物質操縱的。據觀察，當噬菌體侵入細菌細胞後，細菌的細胞質里很快便充滿了DNA細絲，10min左右開始出現完整的多角形頭部結構。噬菌體成熟時，這些DNA高分子聚縮成多角體，頭部蛋白質通過排列和結晶過程，把多角形DNA聚縮體包圍，然後頭部和尾部相互吻合，組裝成一個完整的子代噬菌體。

（3）成熟階段 噬菌體成熟後，在潛伏後期，溶解寄主細胞壁的溶菌酶遂慚增加，促使細胞裂解，從而釋放出子代噬菌體。在光學顯微鏡下觀察培養的感染細胞，可以直接看到細胞的裂解現象。T₂噬菌體在37 ℃下大約只需40 min 就可以產生100-300個子代噬菌體。子代噬菌體釋放出來後，又去侵染鄰近的細菌細胞，產生子二代噬菌體。

實驗結論

由此可以得出結論：噬菌體注入宿主菌細胞內的物質是DNA，釋放出來的是跟原先感染細菌細胞一樣的噬菌體。可見在噬菌體的生活史中，只有DNA是聯繫親代和子代的物質。