科学历史学家普遍认为,20世纪50至70年代是AUC迎来的首次“繁荣期”。
截至1951年,Spinco E型超速离心机已售出超过70台,而到了60年代初期,该机型的销售数量将增至四倍以上。
Dr. Arnold Beckman
在1954年之前,Jonas Salk和Albert
Sabin使用超速离心机分离脊髓灰质炎病毒,这为随后推出的脊髓灰质炎疫苗拯救了全球数百万人的生命,并且其医学价值至今无法估量。即使在今天,脊髓灰质炎病毒模型系统仍然有助于了解其他有害的RNA病毒,如西尼罗病毒、SARS病毒和埃博拉病毒等的生物学特性。
同年,化学家、pH计和其他分析仪器发明者,曾任加州理工学院教授的Arnold Beckman,意识到AUC技术的潜力,购置了一台Spinco超速离心机。随后,他在自己公司内部成立了Spinco分部,即贝克曼仪器公司。
很快,美国几乎每个生物化学部门都配备了一台AUC仪器,多为Spinco E型,主要用于常规沉降系数测定和分子量测定。
Arnold Beckman公司以及如今的贝克曼库尔特生命科学事业部,成为全球AUC技术的引领者,至今这一地位无可撼动。
然而,推动20世纪中叶AUC“繁荣期”到来备受赞誉的不仅仅是Beckman。许多人都为此做出了贡献,但生物化学家Howard K. Schachman与Beckman齐名。1948年,Schachman加入了伯克利分校,与帕萨迪纳的Beckman Instruments公司距离不到400英里,这个巧合与AUC的发展息息相关。
几十年后,Schachman在其关于“超速离心机钟情往事”的文章中,强烈鼓励Spinco公司的Ed Pickels改进超速离心机,例如添加吸收光学元件 —— 这与30年前Svedberg尝试的类似。Schachman在推动AUC集成单色仪和瑞利干涉仪方面功不可没。20世纪50年代AUC技术在这些方面的改进,在一定程度上促使Schachman最终成为核糖体发现的关键人物,这一发现对人类理解蛋白质合成机制起到了重要推动作用。
Portrait of Howard Schachman
Beckman与Schachman之间的第二次巧合可以追溯到1945年,当时Schachman在旧金山度蜜月时为美国海军建造了一台超速离心机,这为他与Morris Hanafin结识提供了契机。Hanafin当时正在寻找超速离心机的创建者,而Schachman告诉他应该找的人就是Ed Pickels。
这次注定的会面促成了Hanafin与Pickels的合作,共同创建了Spinco公司。Spinco在成立后不到十年便被Arnold Beckman收购,最终生产了Schachman钟爱的AUC仪器。
20世纪50年代,Schachman并非唯一尝试改进AUC基础技术的领军人物。在1958年,Matthew
Meselson与Franklin Stahl进行了一次创新性的改进,使用高浓度氯化铯在超速离心机实验中分离核酸,以解决DNA复制问题。他们在Spinco E型分析型超速离心机上的实验,利用密度梯度证实了DNA的半保留复制机制,被广泛认为是“最出色的生物学实验”。
尽管Schachman无疑会赞同学界对该实验的高度评价,但他可能并不完全认同Meselson的AUC方案。在休假期间,他在马塞诸萨伍兹霍尔海洋生物实验室遇到了Meselson的一个学生,发现这位学生对超速离心机持避讳态度。Meselson之所以如此,是因为担心学生操作不慎可能导致机器故障,甚至引发事故,因此禁止学生接近超速离心机。
Schachman对此感到困惑和懊恼,因为他深信Meselson的担忧毫无根据。因此,他毫不犹豫地为自己的学生提供了操作AUC的机会。
1959年,Schachman出版了《生物化学中的超速离心》一书,厚达272页,成为AUC领域的重要教科书。这本书标志着AUC领域一个重要的十年的结束。整个20世纪60年代,Schachman与Jack Williams、David
Yphantis、K.E. van Holde等人继续利用AUC开展开创性的工作。这些工作加深了人类对蛋白质、核糖体、DNA和病毒的理解,尤其在后来被称为“动荡十年”的时期,对科学的贡献显著。
Meselson和Stahl的经典实验
在这样的背景下,1958年,Matthew
Meselson和Franklin Stahl开展了一项被誉为“最美生物学实验”的经典研究。这项实验旨在验证沃森和克里克提出的DNA半保留复制假说。他们选择了大肠杆菌(E.coli)作为实验材料,开始了他们的探索之旅。他们将大肠杆菌置于含有重氮同位素^15N的培养基中培养,让细菌的DNA全部被^15N标记。这就像 是给DNA分子穿上了一件特殊的“重衣”。随后,他们将这些细菌转移到含有普通氮同位素^14N的培养基中,开始了DNA复制的观察。
在每一代细胞分裂后,Meselson和Stahl都会收集DNA样本,并使用Beckman Model E型分析型超速离心机进行高浓度的氯化铯溶液密度梯度实验。这一系列操作,就像是用科学魔法,将DNA的重量和密度转化为可视化的证据。
实验结果显示,在切换到^14N培养基后的细胞分裂中,DNA样本出现了两条不同的密度带。一条带代表了含有^15N的原始DNA,另一条带则代表了含有^14N的新合成DNA。最关键的是,他们观察到了一种“杂合”的DNA,其密度介于两者之间,表明它由一半^15N DNA和一半^14N DNA组成。这一发现,排除了全保留复制的理论,为半保留复制提供了直接证据。
随着细胞继续分裂,杂合DNA的密度带逐渐减弱,而较轻的^14N DNA条带逐渐加深,这表明新合成的DNA链完全由^14N构成。这一过程,如同一部精彩的侦探小说,逐步揭开了DNA复制的神秘面纱。
Meselson和Stahl的实验以其简洁而优雅的设计,不仅证明了DNA复制是半保留的,更被誉为“最美生物学实验”。他们通过精确的实验设计和对生命奥秘的深刻理解,成功地揭示了DNA复制的秘密,为人类对生命的认知开辟了新的篇章。他们的工作不仅揭示了生命的本质,还展示了科学探索的美妙与和谐。这个实验的故事,如同一部科学史上的经典之作,将永远激励着后来的科学家们,去追求知识的真理,去欣赏科学探索过程中的美丽和惊奇。
在这项生物学的探索之旅中,分析超速离心密度梯度离心实验扮演了至关重要的角色。正因该分析方法的精确性,DNA分子在氯化铯梯度中根据其密度不同沉降到相应的位置,实现了精确的分离。通过这种技术,科学家能够直观地观察到DNA分子在离心管中的分布情况,从而为DNA复制模式提供了直接的视觉证据。它不仅证实了DNA复制的机制,还展示了科学探索的力量和美丽。这项技术的运用是科学方法论的一个典范,它的故事将永远激励着科学家们追求知识的真理,欣赏科学探索过程中的美丽和惊奇。通过这项技术,我们得以一窥生命最深层的奥秘,并为人类对生命的认知开辟了新的篇章。
分析难题得以解决
1962年,Hiroshi
Fujita发表了《沉降分析数学理论》(Mathematical Theory of Sedimentation
Analysis),这标志着AUC发展史上的又一个重要里程碑。
几年前,Fujita已经解决了一个长期存在的难题,即扩散综合效应和溶质沉降系数浓度依赖性如何影响沉降边界的形状。
Fujita的第一部专著被广泛认为是未来13年超速离心实验数学分析的典范。直到1975年,Fujita出版了《超离心分析基础》,这一书籍对AUC领域的显著发展起到了重要作用。