开启DNA宝藏的钥匙——限制性内切酶的发现薛定谔所撰《生命是什么》，从物理学角度分析生命的本真，其精华之处在于“生命以负熵为生”之说。这为之后的分子生物学探索提供了最初的灵感。 “熵”代表系统混乱或无序的程度。“熵增”指混乱无序的程度增大，“熵减”或“负熵”则表示系统趋向有序化。薛定谔认为，非生命现象的运行路径是从有序经历平衡状态走向无序，而生命现象的运行路径则是由无序经历平衡状态走向有序。如果说薛定谔点亮了分子生物学的引路灯，那么，限制性内切酶的发现可以说是找到了开启DNA宝藏的钥匙。这把钥匙是美国微生物学家哈密尔顿 ·史密斯发现的。 史密斯出生于1931年8月23日，1952年获数学学士学位，1956年拿到医学博士学位。翌年，他服役海军总部，做了2年的药房负责人。他阅读了许多分子生物学的相关文献，了解了人体的46条染色体以及染色体异常等。最终，他开始自学生物学，慢慢转入到新兴的分子生物学领域。 人体染色体 史密斯受邀到霍普金斯大学工作，他发现这里有许多的实验者重复着相似的实验。史密斯与众不同，他不希望做“我也是”的重复实验，而是寻找不一样的实验内容。 每个生物体都有一套基因重组的体系，但一直没有人了解其中的细节。史密斯选择名为流感嗜血杆菌的细菌，和他的第一位研究生肯特·威尔科特斯一起研究流感嗜血杆菌的基因重组过程。
流感嗜血菌 流感嗜血菌会摄取来自外源的游离DNA片段，再将这些DNA片段整合到自己的基因组中。这样的转化方式赋予流感嗜血菌许多新特性，但同时也会被一些（如噬菌体一类）病毒利用。 流感嗜血菌通过插入自己的DNA，劫持细菌内部的基因重组“装置”，利用宿主的蛋白质编译系统构建自己所需的蛋白质外壳，从而进行不断的复制。 他们依照流感嗜血菌这个特点设计了一组实验：首先利用病毒的特点，让它们感染具有放射性同位素的流感嗜血杆菌在体内增殖，新增殖的病毒会具有放射性。随后再用新增殖的病毒侵染另一批正常的的流感嗜血杆菌。如果实验进展顺利，在正常的流感嗜血杆菌中可以检测到放射性。但结果出乎预料，肯特·威尔科特斯没有在第二批细菌中检测到放射性。史密斯以为是肯特在实验步骤中出现了错误导致失败结果，但肯特确定实验步骤没有出错。史密斯反复思考，忽然灵光一闪想：难道会是限制吗？ 此前，日内瓦大学的微生物学家沃纳·阿尔伯提出一种设想：有一种酶，可以通过切断病毒的DNA来限制病毒增殖。史密斯也曾给肯特推荐过哈佛大学马修·梅斯森与罗伯特·元的论文，这两位学者宣布发现了首个I型限制酶，证实了阿尔伯的猜想。肯特由此获得灵感，意识到可能有一种限制性内切酶的存在。 I型限制酶同时具有修饰及认知切割的作用，通常其切割位距离认知位可达数千个碱基之远，但并不能准确定位切割位点，所以实验上并不常用。 史密斯想到了一个简单的判别方案——粘度计进行检测：往一个装有足量DNA的试管中加入流感嗜血杆菌提取物，观察粘度变化。由于DNA的长度越长意味着粘度越高，如果粘度不变或增高，则代表其中不含有限制性内切酶；反之，如果粘度下降，则DNA被剪短。1968年5月28日这一天，实验显示粘度下降，说明某种限制酶在发生作用。
他们重复进行分离工作，终于找到了限制性内切酶。这是第一种II型限制酶（Hind II），能够精准“处决”外源DNA。同时，他们还发现了甲基化酶（这种酶通过用碳原子和氢原子保护细菌原有DNA免受Hind II的攻击）。 第二型限制酶只具有认知切割的作用（修饰作用由其他酶进行），所认知和剪切的位置多为短的回文序列，是遗传工程上实用性较高的限制酶种类。当史密斯将他们的研究过程和研究结果发表后，吸引了一大批科学家进行相关研究。限制性内切酶为分子生物学界带来了崭新玩法，HindII逐渐被当做一种精准化的工具，可以创造出前所未见的新DNA片段。 1993年，史密斯加入TIGR（基因组研究所），结识了TIGR的创始人文特尔，他们“一见倾心”。文特尔有着与史密斯极为相似的经历，但文特尔名声不太好，他在美国国立卫生研究院（NIH）工作时，因提出过于开创性方案，还总与人争执，揽获了“混蛋”恶名。 他们着手测定流感嗜血杆菌的基因组序列，采用文特尔提出的散弹枪定序法（Shotgun，又称鸟枪法）。这是一种广泛使用的为长DNA测序的方法，比传统的定序法快速，但其精确度较差。当时NIH认为文特尔过于开创性就是针对这种测定方法而拒绝提供经费。 他们把包含180万对碱基的嗜血杆菌基因组切成片段，对其进行测序，然后通过计算机把它们组装成一条完整的基因组序列。 1998年，文特尔创办塞雷拉基因组公司开始人类基因组计划，公开挑战了早已经启动的“国际人类基因组计划”。后者（美国、英国、日本法国、德国和中国的20所大学和研究中心）由政府支持，测序工作开展了8年，仅测定了基因组的3%。人类染色体（指单倍体）中所包含60亿对组成的核苷酸序列，预期15年绘制出人类基因组图谱。后来由于文特尔团队加入，竟提前3年竣工。 2010年起，史密斯领团队着手人工设计、合成和装配丝状支原体丝状亚种。他们将丝状支原体基因组移植到另一种山羊支原体细菌中，创造了全新的细胞，实现了第一个由人类制造并能够自我复制的新物种。 |
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