“噬菌體侵染細(xì)菌實驗”過程的教學(xué)突破

李希明　梁磊

摘 要 從一個實驗操作者的視角，對噬菌體侵染細(xì)菌實驗的過程進(jìn)行思考。嘗試從實驗原理與假設(shè)、方法與步驟、結(jié)果與討論、誤差與分析等幾個層面，突破噬菌體侵染細(xì)菌實驗教學(xué)中的難題和瓶頸。

關(guān)鍵詞 噬菌體 實驗 教學(xué) 思考

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

“噬菌體侵染細(xì)菌的實驗”是探索遺傳物質(zhì)的經(jīng)典實驗。對該實驗的教學(xué)突破存在著下列難題：（1） DNA和蛋白質(zhì)哪一個是遺傳物質(zhì)？（2） 如何運用同位素標(biāo)記噬菌體的DNA或蛋白質(zhì)？（3） 觀察到什么現(xiàn)象才能說明對噬菌體起決定作用的是DNA，還是蛋白質(zhì)？（4） 如何對實驗產(chǎn)生的誤差進(jìn)行合理分析？……

要解決上述問題，必須深入地思考實驗中每個步驟的目的與原因以及該步驟的注意事項。

1 原理與假設(shè)

赫爾希和蔡斯在進(jìn)行噬菌體侵染細(xì)菌的實驗之前，已對T2噬菌體和大腸桿菌有了一些了解，其中包括：① T2噬菌體只由DNA和蛋白質(zhì)兩種化學(xué)成分組成；② T2噬菌體能夠在自身遺傳物質(zhì)的作用下，借助大腸桿菌，完成增殖過程；③ 組成T2噬菌體的蛋白質(zhì)分子含有S元素，而P元素幾乎都存在于DNA分子中；④ T2噬菌體是一種專門寄生于大腸桿菌體內(nèi)的病毒；⑤ T2噬菌體能夠特異性地吸附在大腸桿菌的表面；⑥ 相比較而言，T2噬菌體的密度小，大腸桿菌的密度大；⑦ T2噬菌體借助于大腸桿菌增殖一代所用的時間等。

這些瑣碎的知識構(gòu)成了赫爾希和蔡斯設(shè)計噬菌體侵染大腸桿菌實驗的實驗原理。學(xué)生如何利用這些知識，理解該實驗的假設(shè)與預(yù)期呢？

根據(jù)實驗原理中的第①、②條，可推測“噬菌體侵染大腸桿菌”的方式存在著3種可能性的假設(shè)：① 只有蛋白質(zhì)注入大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)；② 只有DNA注入大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)；③ 蛋白質(zhì)和DNA都注入大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)。

每一種假設(shè)都會有一種特定的預(yù)期結(jié)果，上述3種假設(shè)所對應(yīng)的預(yù)期結(jié)果分別是什么呢？需要思考：采用哪種實驗方法與步驟，才能將蛋白質(zhì)和DNA區(qū)分開！

2 方法與步驟

2.1 標(biāo)記

蛋白質(zhì)和DNA都非常微小，是肉眼看不到的分子。怎樣對它們進(jìn)行追蹤呢？

根據(jù)實驗原理中的第③條，不難推測，可采用放射性同位素標(biāo)記法，利用35S標(biāo)記蛋白質(zhì)，利用32P標(biāo)記DNA，分別對蛋白質(zhì)和DNA進(jìn)行追蹤。

事實上，除了S和P之外，蛋白質(zhì)和DNA還都含有C、H、O、N等元素，標(biāo)記這些元素可以嗎？如果標(biāo)記的是蛋白質(zhì)和DNA共有的元素，是無法將蛋白質(zhì)和DNA分子區(qū)分開的，無法弄清楚到底是哪種物質(zhì)侵染了大腸桿菌，因此只能標(biāo)記它們特有的元素。

那么，是對噬菌體的蛋白質(zhì)和DNA進(jìn)行“同時”標(biāo)記，還是將噬菌體分為兩組，一組標(biāo)記蛋白質(zhì)，另一組標(biāo)記DNA，也就是“分別”進(jìn)行標(biāo)記呢？其實，這與同位素的放射性自顯影技術(shù)有關(guān)。由于該技術(shù)僅能檢測到元素放射性的強(qiáng)弱，而無法分辨是何種元素的放射性，所以，只能是對噬菌體的成分“分別”進(jìn)行標(biāo)記。

2.2 培養(yǎng)

明確了是“同時”，還是“分別”標(biāo)記噬菌體的不同成分后，隨之帶來的問題：怎么標(biāo)記？是“直接”標(biāo)記噬菌體，還是“間接”標(biāo)記噬菌體？根據(jù)實驗原理中的第④條，噬菌體直接在培養(yǎng)基上是不能夠存活并增殖的，只有寄生在宿主細(xì)胞——大腸桿菌體內(nèi)，利用大腸桿菌的物質(zhì)來合成子代噬菌體。因此若想對噬菌體中的成分進(jìn)行標(biāo)記，就得先標(biāo)記大腸桿菌，通過親代噬菌體的侵染增殖，從而使釋放出的子代噬菌體帶上標(biāo)記，即只能夠通過“間接”的方式來培養(yǎng)并標(biāo)記噬菌體。不僅如此，在進(jìn)行實驗時，還要用已標(biāo)記好的噬菌體去侵染未被標(biāo)記的大腸桿菌才能得到實驗結(jié)果。這是因為如果大腸桿菌也被做了標(biāo)記，就分不清是哪種物質(zhì)在發(fā)揮遺傳作用了。

2.3 離心

用標(biāo)記的噬菌體侵染未標(biāo)記的大腸桿菌時，要不斷地“攪拌”（為方便實驗誤差分析，將攪拌的目的放在4.1中分析）試管中的大腸桿菌培養(yǎng)液，使吸附在細(xì)菌上的噬菌體與細(xì)菌分離。但是即使兩者已經(jīng)分離開，還是共同存在于大腸桿菌溶液當(dāng)中，依然無法區(qū)分是大腸桿菌中含有放射性，還是周圍的溶液中具有放射性。這個問題要如何解決？可從實驗原理中的第⑥條得到啟示，如果將噬菌體與大腸桿菌混合培養(yǎng)液放到試管中，根據(jù)兩者密度的不同，經(jīng)過離心處理，必然使密度大的大腸桿菌沉淀到試管下部，形成沉淀物，而密度較小的噬菌體則會分布在試管上部的上清液中，從而達(dá)到區(qū)分兩者的目的。

3 結(jié)果與結(jié)論

3.1 討論

對噬菌體侵染細(xì)菌實驗的結(jié)果預(yù)測見表1。

分析：

（1） 若出現(xiàn)第一組現(xiàn)象，則說明“原理與假設(shè)”中第一種假設(shè)“只注入蛋白質(zhì)”成立，進(jìn)一步說明T2噬菌體的兩大組分中蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)；

（2） 若出現(xiàn)第二組現(xiàn)象，則說明“原理與假設(shè)”中第二種假設(shè)“只注入DNA”成立，進(jìn)一步說明T2噬菌體的兩大組分中DNA是遺傳物質(zhì)；

（3） 若出現(xiàn)第三組現(xiàn)象，則說明“原理與假設(shè)”中第三種假設(shè)“同時注入蛋白質(zhì)和DNA”成立，進(jìn)一步說明不能判斷T2噬菌體的兩大組分中誰是遺傳物質(zhì)。

3.2 實驗的真實情況

（1） 結(jié)果：用35S標(biāo)記的一組感染實驗，放射性同位素主要分布在上清液中；用32P標(biāo)記的一組實驗，放射性同位素主要分布在試管的沉淀物中。

（2） 結(jié)論：T2噬菌體的兩大組分中是DNA進(jìn)入大腸桿菌并指導(dǎo)噬菌體的增殖，對于T2噬菌體而言，DNA是它的遺傳物質(zhì)。

4 誤差與分析

噬菌體侵染細(xì)菌實驗的大致步驟包括：標(biāo)記噬菌體（培養(yǎng)）→侵染未標(biāo)記大腸桿菌→（保溫）→（攪拌）→離心。

在實驗步驟中，主要實驗操作可能導(dǎo)致的實驗誤差。

4.1 攪拌

在3種可能性的假設(shè)中，蛋白質(zhì)或DNA只有一種注入大腸桿菌的情況要予以特別考慮。

若只有一種物質(zhì)注入，另一種沒有注入，例如只有DNA注入大腸桿菌，而蛋白質(zhì)沒有注入，那么蛋白質(zhì)可能以兩種方式存在，一種是不與大腸桿菌結(jié)合的游離狀態(tài)，另一種是結(jié)合在大腸桿菌表面的吸附狀態(tài)。因此，需要考慮噬菌體中的某種成分未注入大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)，但吸附在了大腸桿菌表面的情況。若使該種成分與大腸桿菌脫離，則需要攪拌處理。事實上，實驗原理第⑤條已說明了噬菌體的確可以吸附在大腸桿菌的表面。這就幫助解釋了，為何理論上用35S標(biāo)記的一組實驗，放射性同位素只分布在上清液中，而事實上，在沉淀物中也有較低的放射性。其原因就在于攪拌不充分，有少量被35S標(biāo)記的噬菌體（或者僅僅只是其蛋白質(zhì)外殼）仍然還吸附在細(xì)菌的表面，隨細(xì)菌一起沉淀下去。

4.2 保溫

噬菌體侵染細(xì)菌的過程需要在適宜的溫度條件下進(jìn)行，這是因為生命在代謝的過程中，酶要保持一定的活性，才能保證噬菌體在宿主細(xì)胞內(nèi)有效增殖。實驗原理第⑦條也顯示，保溫的時間長短是一個重要的實驗影響因素。換句話說，保溫時間的長短會對實驗結(jié)果產(chǎn)生極大的影響。這可以幫助解釋為何理論上用32P標(biāo)記的一組實驗，放射性同位素只分布在試管的沉淀物中，而事實上，試管的上清液中也有較低的放射性。這是因為如果保溫時間過短，則被標(biāo)記的噬菌體就不足以全部侵染大腸桿菌體，還會有一部分噬菌體沒有侵入大腸桿菌體內(nèi)。當(dāng)然，也有可能是保溫時間過長，部分大腸桿菌裂解釋放出了子代噬菌體。這兩種情況都可能導(dǎo)致本不該出現(xiàn)放射性的上清液中也有了放射性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孟德爾等.遺傳學(xué)經(jīng)典文選[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012：149-163.

[2] 張玉明.噬菌體侵染細(xì)菌實驗的教學(xué)設(shè)計[J].生物學(xué)通報，2012（7）：34-35.