A Man for All Sequences Frederick Sanger

2013 年 11 月，人類基因組測序先驅之一克雷格·文特爾 (Craig Venter) 形容一名男子去世，稱其為“20 世紀最重要的科學家之一！”然而，儘管只有四人獲得過兩項諾貝爾獎，但他從未成為家喻戶曉的人物，甚至拒絕了爵士頭銜，因為他不希望人們稱他為“先生”。
弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）對生命化學的研究做出了關鍵貢獻。與發現DNA雙螺旋的沃森和克里克不同，他在理解上並沒有實現巨大的飛躍。相反，正如他的自傳文章標題“序列、序列和序列”所表明的那樣，桑格的主要成就在於發現分子是如何組裝的。
這些不是普通的分子，可能由少數原子組成。它們是對生命至關重要的巨大而復雜的分子：蛋白質和DNA。

用化學解釋生物學

20 世紀 30 年代末，桑格是劍橋大學的一名本科生，他選擇閱讀包括生物化學在內的科目，後來指出，“用化學來解釋生物學的想法似乎令人興奮……”他選修了生物化學高級課程，最終獲得了與一個研究蛋白質的團隊取得博士學位。
然後，桑格加入了劍橋大學的一個團隊，專注於蛋白質的氨基酸分析。氨基酸與典型的酸（例如強力的硫酸和硝酸）完全不同，而是具有碳原子鏈（有時是碳原子環）以及氫、氮和氧原子的有機分子。已知的天然氨基酸約有 500 種，但蛋白質中僅發現 22 種天然氨基酸。
當桑格開始他的研究時，人們知道氨基酸是蛋白質的組成部分。然而，有人認為，即使單個蛋白質是由特定的氨基酸組合製成的，但其實際結構可能因分子而異。桑格通過創建蛋白質分子的第一個序列證明情況並非如此。
該團隊專注於胰島素，一是因為它具有醫學重要性——調節碳水化合物和脂肪代謝——二是因為它可以以純淨形式購買。桑格的測序工作採用了多種新技術，包括色譜法，它可以分離胰島素分子碎片產生的化學物質。
這是一項艱苦、乏味甚至危險的工作。桑格後來回憶起一段時期“我們被關在地下室的實驗室裡，旁邊就是實驗老鼠”，還有一次燒瓶爆炸，損壞了一名學生的眼睛。桑格還嘗試使用染料使碎片出現在色譜儀上。他放棄了其中的一種，因為它與蛋白質的作用不太好，並且當實驗室其他人員的生物製劑全部變成鮮紅色時，引起了他們的抱怨。
在研究早期，桑格意識到每個胰島素分子實際上是由兩條氨基酸鏈形成的。最終，在他和同事研究了這些片段後，他計算出了每條鏈的確切序列，並確定了它們是如何連接在一起的。
測序工作歷時十多年，為其他人效仿發現其他蛋白質結構鋪平了道路。桑格因此獲得 1958 年諾貝爾化學獎。“蛋白質是自然界中最複雜、最神秘的物質之一，似乎與我們所謂的生命特別密切相關，”Arne Tiselius 教授在演講中說道……確定這些複雜巨型分子的確切構建方案似乎是當今科學研究中最大的問題之一。”
蒂塞留斯還表示，“阿爾弗雷德·諾貝爾的意圖是，他的獎項不僅應該被視為對所取得成就的獎勵，而且還應該成為對未來工作的鼓勵”——而桑格則要證明自己不是諾貝爾奇蹟。

桑格法 DNA 測序

桑格經歷了他所謂的“艱難歲月”，但沒有取得重大成功，直到 1962 年搬到劍橋新的分子生物學實驗室。在這裡，他受到了弗朗西斯·克里克（Francis Crick）等DNA螺旋研究人員的影響，並對核酸（RNA和DNA）產生了興趣。
核酸測序方面進展甚微，儘管它們僅由四種成分（稱為核苷酸的單體）組成。部分問題在於它們的龐大尺寸，單個 DNA 分子中有數百、數千甚至數百萬個核苷酸。
一個美國團隊使用與蛋白質相似的技術對一種小 RNA 分子進行了測序。但由於這種方法需要分析片段，對於大多數核酸來說速度太慢。
桑格尋求一種更快的方法來分離 RNA 片段，並回憶起他為數不多的突然興奮的時刻之一，當時一名技術人員走進實驗室，揮舞著一張漂亮的膠片，膠片上有清晰、圓形、分離良好的斑點——代表迄今為止從未出現過的碎片。只形成了條紋狀的、未解決的圖像。
他的團隊轉向 DNA，並開發了後來被稱為 DNA 測序的桑格方法。這涉及將 DNA 分子分成兩條鏈，然後克隆每條鏈。但該方法不是只涉及 T、G、A 和 C 核苷酸的克隆過程，而是引入了每種核苷酸的特殊變體，這些變體會連接鏈，但不允許它們進一步生長。
這意味著克隆過程可能會包含 T 的變體，以便起始 AGTCAGTCT 的鏈可以形成整個序列，以及較短形式的 AGTCAGT 和 AGT。通過對其他三個變體運行該過程，形成了 DNA 鏈的所有其他可能的部分。將所得混合物引入凝膠中，微弱的電荷將它們分開——將較短的線拉得比較長的線更遠。
桑格負責首次完整測定 DNA 分子的序列——對細菌病毒 DNA 中的 5375 個構建模塊進行測序。他的方法也被用於確定人類 DNA 序列。
這項工作使桑格成為 1980 年諾貝爾化學獎的三位獲得者之一。三年後，他 65 歲退休。但他的名字仍然存在於英國桑格研究所活躍的基因組研究中。桑格同意為此使用他的名字；補充道，“最好是好的。”