教科書之外

浴缸中的DNA

任何全部或部份浸在液體中的物體,都承受了大小相當於被排開液體的重量、但方向相反的推舉力。 ──阿基米德(古希臘科學家,於《論浮體》)

撰文/、插畫/陳文盛
2019-12

教科書之外

浴缸中的DNA

任何全部或部份浸在液體中的物體,都承受了大小相當於被排開液體的重量、但方向相反的推舉力。 ──阿基米德(古希臘科學家,於《論浮體》)

撰文/、插畫/陳文盛
2019-12


我初中就學游泳,現在還是旱鴨子一隻。我怪我的頭太大太重、身體密度太高。善泳的朋友叫我在水裡放輕鬆,自然會浮起來,還示範給我看。我也示範給他們看,我在水中放輕鬆,然後就慢慢慢慢沉下去。


後來有一次我到以色列開會,參加大會安排的死海旅遊。在那超鹹的海水中,我浮起來了!死海的鹽濃度是34%,密度1.24g/cm3。密度1.0g/cm3上下的人體泡在死海中,就大約有1/4的軀體會浮在水面(阿基米德原理)。我身體密度如果真的比水高,浮出的部份應該不到1/4。但是沉在水中和浮出水面的身體體積怎麼測量呢?人體的體積本來就很難量;我讀過有一種專門做這種事的機器,是要把整個人體泡在液體裡量。


這讓我想到DNA密度的測量。這課題是1950年代美國加州理工學院的梅塞爾森(Matthew Meselson)和史塔爾(Frank Stahl)開始研究的。這兩位年輕人當時在研究DNA複製模式,用兩種氮同位素(14N與15N)標幟大腸桿菌的DNA。為了分開這兩種密度相異的DNA,他們發展嶄新的「等密度離心技術」:讓DNA溶在高濃度(約7.7M)的氯化銫溶液中,再用超高速離心機進行每分鐘4萬5000轉的離心。在這超強離心力(約14萬G)下,溶液中的銫離子會稍微往離心管底部沉降,形成密度梯度:底部密度約1.8,頂部密度約1.6。DNA在密度比它低的地方會下沉,在密度比它高的地方會上浮,最後集中到氯化銫密度約1.7的位置(15N-DNA的位置比14N-DNA稍低)。這樣用浮力測出的DNA密度稱為「浮力密度」,有別於巨觀世界中用重量除以體積計算出來的密度。


有人會問:我們知道DNA的化學結構,可以算出它的重量,再除以體積不就得到密度嗎?沒錯,我們可以算出DNA分子的重量,但是體積怎麼知道呢?分子是原子構成的。但是我們只能大致估計原子的大小,因為原子的外圍是電子雲;電子雲沒有明確的界線,它只代表電子分佈的或然率。像DNA這樣複雜的分子,真不知道如何計算或測量它的體積。


其實我們不能這樣把DNA放在真空中考慮,DNA在水中也不是獨立存在。DNA很親水,懸浮在水溶液中,周遭的水分子則以氫鍵和去氧核糖及鹼基結合;雙螺旋形成的「大溝」和「小溝」規律結構,更讓水分子可以更緊密地附著上去。這些密切的交互作用都幫助穩固雙螺旋結構。後來DNA結構專家狄克森(Richard Dickerson)甚至建議把水納為DNA結構的第四種成份。梅塞爾森和史塔爾在氯化銫梯度中,測量到的是DNA和緊密附著的水與正離子整體的密度。在鹽濃度很低的情形下,水活性大約1,每個核苷酸上面大約有50個水分子附著,也就是說DNA分子上面罩滿了水分子。在用來分離DNA的氯化銫溶液中,水活性大約0.8,每個核苷酸附著的水分子還有大約8個。


我也曾經用分子量更高的硫酸銫(Cs2SO4)分離DNA。硫酸銫溶液在離心機中形成的密度梯度比氯化銫更陡,DNA在此呈現的浮力密度是1.4,比氯化銫低了0.3,因為硫酸銫溶液要載浮DNA只需1.4M,這個濃度下水活性超過0.9,每個核苷酸上面附著約18個水分子,浮力密度自然就較低。


微觀世界中,分子的沉浮逃不過周遭水和其他分子的影響。巨觀世界中,在死海漂浮的我也要注意,別讓海水灌入我的鼻孔。