是 研究 ATP 的 合成 ， 後來 才 轉向 DNA 合成 的 研究 ， 並 首先 成功 在 試管 中 建立起 體 外 DNA 合成 的 系統 。 他 在 試管 中 放入 DNA 當 模板 ， 四 種 核苷酸 （ dATP 、 dTTP 、 dGTA 、 dCTP ） 當做 合成 DNA 的 前驅物 ， 再 加入 大腸 桿菌 細胞 的 萃取物 。 後者 基本 上 是 把 細胞 打破 之後 ， 用 離心 除去 細胞 外殼 後 剩下 的 細胞質 。 它 含有 各 種 酶 ， 包括 催化 DNA 合成 的 酶 。 孔伯格 的 這 個 體 外 系統 就 可以 讓 前驅物 合成 DNA 。 下 一 步 就 是 設法 用 各 種 物理 和 化學 方法 ， 把 催化 DNA 合成 的 酶 純化 出來 。 他 在 1956年 成功 了 。 他 分離到 一 個 DNA 合成 酶 ， 將 它 命名為 「 DNA 聚合酶等 I 」 （ DNA poly merase I, Pol I ） 。 孔伯格 開始 用 Pol I 做 DNA 合成 的 研究 。 他 發現 Pol I 催化 DNA 合成 的 時候 ， 是 以 一 股 DNA 當做 模板 ， 合成 新 的 一 股 。 這 新股 上 的 鹼基 序列 和 模板股 的 鹼基 序列 是 互補 的 。 也就是說 新股 的 C 對應 模板股 的 G ； 新股 的 A 對應 模板股 的 T 等 。 這 結果 支持 雙螺旋 模型 的 G-C 與 A-T 的 互補 配對 關係 。 此外 ， Pol 米 I 合成 新股 的 方向 是 從 5' 往 3' ， 和 模板股 的 方向 （ 從 3' 往 5' ） 相反 ， 這 也 支持 DNA 雙股 的 「 反 平行 」 。 華生 與 克里克 的 雙螺旋 模型 正確性 更加 堅定 了 。 三 年 後 ， 孔伯格 因為 這 項 成就 獲得 諾貝爾獎 。 Pol I ， 當 科學家 對 它 了解 更多 之後 ， 就 覺得 它 應該 不 是 負責 大腸 桿菌 染色體 複製 的 酶 ， 因為 它 催化 合成 的 速度 太 慢 了 ， 每 秒鐘 才 合成 大約 20 個 核苷酸 。 照 這 個 速度 ， 大腸 桿菌 的 染色體 要 五 天 才 能 複製 完畢 。 此外 ， 它 合成 DNA 的 續航力 也 太 差 ， 合成 一 小 段 （ 大約 20 ~ 50 核苷酸 ） 後 就 會 掉下來 ， 必須 再 重新 附著 上去 才 能 繼續 合成 。 1969年 ， 魯卡 （ Paula De Luca ） 與 凱恩茲 分離到 一 株 Pol I 的 突變株 ， 它 失去 Pol I 的 活性 ， 雖然 對 紫外線 比較 敏感 ， 但 還是 好好 活 著 。 這 更 支持 Pol I 不 是 複製 染色體 的 酶 。 （ 現在 我們 知道 Pol I 有 參與 協助 複製 ， 但 它 的 角色 可以 被 取代 。 還 有 ， 它 參與 DNA 的 修復 ， 所以 沒有 了 它 ， 細菌 修復 紫外線 傷害 的 能力 降低 。 ） __UNDEF__ 1971年 ， 孔伯格 的 次子 湯瑪斯 （ Thomas ） 與 格夫特 （ Malcolm __UNDEF__ Gefter ） 從 大腸 桿菌 分離到 另 一 個 DNA 聚合酶 II （ 簡稱 __UNDEF__ Pol II ） ， 但是 後來 發現 Pol II 也 不 是 染色體 複製酶 ， 因為 失去 了 Pol II 的 突變株 也 可以 存活 。 他們 再接再厲 ， 在 隔年 發現 了 DNA 聚合酶 III （ 簡稱 Pol III ） 。 這 個 酶 在 細胞 中 存在 的 數目 很少 ， 而且 是 由 九 個 不同 的 次 單位 結合 起來 的 ， 難怪 很 難 分離到 。 這 個 酶 才 是 真正 複製 大腸 桿菌 染色體 的 酶 。 它 合成 DNA 的 速度 很 快 ， 高達 每 秒鐘 1000 核苷酸 ， 而且 續航力 很 強 ， 一 附著上 DNA 開始 複製 就 不 太 會 掉下來 ， 因為 它 有 一 個 結構 次 單位 會 勾住 DNA 滑動 。 有 了 Pol 。 III ， 生化學家 才 得以 仔細 研究 DNA 複雜 的 複製 機制 。 解決 纏繞 問題 DNA 合成 和 複製 的 機制 慢慢 被 研究 清楚 了 ， 但是 複製 的 時候 雙股 纏繞 的 問題 還 沒有 解決 。 這 個 問題 的 契機 ， 出現 在 1968年 的 夏天 。 這 契機 的 發現 者 ， 是 加州 大學 柏克萊 分校 來自 台灣 的 王倬 。 王倬 當時 就是 在 研究 DNA 纏繞 的 問題 。 B形 DNA 雙螺旋 模型 代表 DNA 處在 位能 最 低 （ 最 「 輕鬆 」 ） 狀態 的 形態 ， 雙螺旋 的 兩 股 大約 每 10 個 核苷酸對 互繞 一 次 。 以 一 條 1000 鹼基對 的 DNA 而言 ， 兩 股 要 互繞 大約 100 次 最 輕鬆 。 如果 兩 股 只 互繞 95 次 ， 不足 5 次 ， 它 就 處於 不 舒服 的 狀態 。 互繞 不足 的 現象 如果 發生 在 一 條 線狀 的 DNA 分子 ， 它 的 兩 端 沒有 束縛 ， 所以 可以 自由 旋轉 ， 讓 互繞 次數 補足 。 但是 ， 如果 互繞 不足 的 是 一 條 環狀 的 DNA ， 兩 股 都 是 連續 的 分子 ， 互繞 的 次數 無法 改變 ， 於是 互繞 次數 的 欠缺 所 產生 的 張力 ， 會 使 整 個 環狀 DNA 扭繞 起來 。 這樣 雙螺旋 在 立體 空間 產生 的 進一步 螺旋 纏繞 ， 稱為 「 超螺旋 」 （ superhelix ） ， 亦即 （ 雙 ） 螺旋 再 纏繞 的 螺旋 。 超螺旋 如果 是 由於 互繞 次數 不足 所 造成 的 ， 稱為 「 負 超螺旋 」 ； 反之 ， 互繞 次數 過多 也 會 產生 超螺旋 ， 稱為 「 正 超螺旋 」 。 負 超螺旋 DNA 是 前述 加州 理工 學院 的 維諾格拉德 最先 發現 的 。 他 和 梅塞爾森 與 史塔爾 合作 發展出 氯化銫 密度 梯度 超高速 離心 技術 之後 ， 繼續 發展 這 方面 的 技術 。 他 在 離心 多瘤 病毒 （ polyoma 。 virus ） 的 環狀 DNA 時 發現 負 超螺旋 的 現象 。 後來 其他 實驗室 使用 他 的 技術 ， 也 陸續 發現 更多 的 超螺旋 DNA 。 幾乎 從 任何 細胞 中 萃取出來 的 環狀 DNA ， 都 呈現 「 負 超螺旋 」 。 最 常見 的 是 細菌 的 質體 ， 此外 ， 環狀 的 細菌 染色體 也 都 是 處於 「 負 超螺旋 」 狀態 。 至於 什麼 樣 的 機制 會 促使 環狀 DNA 處於 「 負 超螺旋 」 狀態 ， DNA 處於 這樣 的 張力 下 有 什麼 生理學 意義 ， 那 時候 都 沒有 人 知道 。 I __UNDEF__ 王倬 當時 就是 在 使用 維諾格拉德 的 技術 分離 超螺旋 DNA 時 ， 得到 一 個 意外 的 發現 。 王倬 在 自傳 中 如此 回顧 ： 「 … … 發現 純然 是 意外 的 。 我 在 研究 DNA 的 負 超螺旋 ， 有 一 個 細胞 樣本 和 其他 的 不 吻合 … … 當 我 回到 我 的 筆記本 看看 這 個 樣本 有 什麼 不 一樣 ， 我 發現 我 把 細胞 萃取液 放 在 離心機 中 轉 太 久 ， 比 平常 久 很多 ， 溫度 也 比較 高 。 時間 比較 長 是 因為 我 突然 必須 帶 我 女兒 到 醫院 ， 我 把 機器 設 在 『 保持 』 。 溫度 太 高 最 可能 是 我 設定 錯誤 了 。 」 那 個 「 不 吻合 」 的 樣本 中 環狀 DNA 失去 了 負 超螺旋 。 負 超螺旋 不會 沒 事 自己 消失 ， 王倬 猜測 這 DNA 負 超螺旋 的 消失 是 一 個 酶 的 作用 。 這 個 酶 應該 是 純化 過程 中 殘留 在 樣本 中 的 ， 也就是說 大腸 桿菌 具有 消除 負 超螺旋 的 酶 。 於是 他 開始 嘗試 從 大腸 桿菌 純化 這 個 酶 ， 經過 幾 個 月 的 實驗 工作 ， 終於 把 這 個 酶 純化 出來 ， 證實 它 可以 放鬆 負 超螺旋 。 王倬 把 這 個 酶 命名為 「 ω 蛋白 」 。 戴爾布魯克 等 人 用 當時 熱門 的 「 標靶 理論 」 分析 X 射線 的 致變 效應 。 標靶 理論 是 輻射 生物學 的 基本 數學 模型 。 它 假設 細胞 （ 或 生物 ） 擁有 一 個 或 多 個 標靶 ， 會 受到 輻射線 的 打擊 破壞 。 當 所有 的 標靶 都 損壞 了 ， 細胞 就 會 產生 某 種 效應 ， 譬如 突變 或 死亡 。 戴爾布魯克 等 人 將 基因 看做 接受 X 射線 激發 的 離子化 效應 的 標靶 。 他們 從 誘導 突變 所 需 的 最 低 X 射線 強度 ， 估計 它 涵蓋 的 體積 大約 是 十 個 原子 距離 的 立方 （ 103 ） 。 這樣 的 體積 可以 包含 大約 一千 個 原子 。 一千 個 原子 多 大 呢 ？ 當時 還 不 知道 基因 就 是 DNA ， 不過 我們 用 DNA 的 尺度 估算 的話 ， 一千 個 原子 大概 相當於 40 個 核苷酸 ， 或者 20 個 核苷酸對 。 也就是說 ， X 射線 產生 的 離子化 在 這 個 最 小 範圍 內 ， 就 可能 造成 基因 的 突變 。 X 射線 的 突變 研究 還 告訴 我們 ， 不 是 所有 的 電磁波 都 能夠 有效 地 誘發 突變 ， 只有 某些 特定 波長 （ 也 就 是 特定 能量 ） 的 電磁波 才 容易 造成 突變 。 這 表示 基因 分子 能夠 和 特定 波長 （ 能量 ） 的 輻射線 交互作用 產生 變化 ， 造成 基因 分子 的 改變 ， 從 一 種 結構 變成 另 一 種 結構 。 這樣 產生 的 突變 效果 常常 是 跳躍式 （ 非