DNA合成機制的發現
一、生平簡介：
Arthur Kornberg於1918年3月出生於紐約的布魯克林，父親為Joseph Kornberg，母親為Lena Katz Kornberg.。Arthur Kornberg為一名猶太裔的美國人，早在中學時代，他就展現出了超強學習能力以及優異的學業成績，這讓他獲准以15歲的稚齡就進入紐約市立學院就讀，並於1937年獲得學位。由於當時美國正處於經濟大蕭條時期，就業機會慘澹，因此大學畢業後，Arthur選擇進入了紐約羅徹斯特大學醫學院繼續進修醫學士學位。在1941~1942年間，也就是Arthur
Kornberg執業的時候，他逐漸對已制式化的診斷模式(出現哪一類病徵就該施予哪一類的藥物)感到厭煩，真正引起他興趣的是造成這些病徵背後的生理機制。後來，他被徵調到National
Institute of Health (簡稱NIH)美國公共衛生單位當醫官，這兩年的時光裡，他完全沉浸於營養研究實驗中(研究老鼠在各種條件下對維生素和礦物質的需求)，根據他後來的自述中提到“這和從前在病院應付形形色色混亂局面的醫學經驗相比，經過詳細設計、可有明確答案的實驗工作，反而帶給我更多的成就感。”1
他透過對葉酸的研究，了解到食物中所儲存的化學能必須先轉化為ATP才能夠被細胞所利用，後來又從別人的報告中得知，每一個獨特的酵素都是由一個對應的基因所負責製造的，從此揭開了他對酵素研究的序幕。
首先，為了在酵素方面得到更專業的訓練，他到紐約大學醫學院Severo Ochoa教授(1959年諾貝爾生理醫學獎的另一位獲獎者，發表RNA合成的機制)的實驗室進修一年，之後又在華盛頓大學待了半年，這段時間裡他學會了分光光度計的分析方法以及酵素的分離、純化技術。1947年，Arthur
Kornberg重返NIH並在該機構成立了酵素研究部門，幾年內發現了輔?在細胞內的合成機制以及phosphopyruvate的形成管道，並且於1950年起，開始尋找合成DNA和RNA的酵素。1952年，Arthur
Kornberg轉換工作跑道，出任華盛頓大學細菌學系(後改為微生物學系)的教授兼系主任，在此期間他發現了DNA的合成機制，其自述中提到“為了找出合成核酸聚合物的酵素，首先我們必須知道這些聚合物的基本建材是什麼(核?酸)，而細胞又是如何製造這些組件的。接下來則要澄清這些基本單元是如何在酵素的幫助下，一步步進形核酸的生物合成，組裝出DNA和RNA分子。”2
1955年，他終於順利地從大腸桿菌中分離出DNA聚合?，這也為他和他的老師(Severo Ochoa)贏得1959年諾貝爾生理醫學獎的殊榮。
1959年之後，Arthur Kornberg轉至史丹佛大學教書並在該校創立生物化學系，並且於1968年與產業界建立合作關係(擔任生物膜和中間代謝方面的研究顧問)，直到1980年，他辭去了顧問工作，開始創立自己的生技公司：DNAX，而他的名言“生技公司的核心競爭力就在研發能力，如果沒有研發，一切都是徒勞無功的”也成為業界的中心教條。
Arthur Kornberg目前為史丹佛大學醫學院的生物化學榮譽教授，他的著作包括《DNA複製》（DNA
Replication）以及自傳《對酵素的熱愛：一名生化學家的探險之旅》（For the Love of Enzymes︰The Odyssey of
a Biochemist），並且於1996年出版新作《金色雙螺旋》(The Golden Helix)，敘述這些年來他參與生物科技發展過程的觀察與心得。3
二、ＤＮＡ的合成機制：
1957年，Arthur Kornberg從E. coli分離出一種酵素，可以在適當的環境條件下，於試管內合成出新的DNA
strand。他將之稱為DNA polymerase，如今我們已知DNA polymerase可分為3種type，當年Arthur Kornberg所發現的正是DNA
polymeraseⅠ。E. coli細胞內的DNA polymeraseⅠ為一由928個胺基酸所組成的單一多?鏈，分子量109kD，具有5’->3’
polymerase、5’->3’ exonuclease以及3’->5’ exonuclease活性。在體外的DNA合成實驗中，需要有一段template
DNA、primer以及DNA polymeraseⅠ的substrate dNTP(dATP、dTTP、dCTP、dGTP的總稱)。由於DNA
polymerase本身不具有起始合成能力，因此必須由primer(一小段能與template DNA互補的序列)先與template DNA行成雙股螺旋構造，然後DNA
polymerase才從primer的free 3’-OH開始，以5’->3’的方向，依照與template DNA互補的模式(A-T；C-G)將一個個已被水解成dNMP的分子合成為一股新的DNA。
Fig.1 DNA合成機制
DNA polymerase以5’ -> 3’的方向形成一股與template DNA完全互補的DNA。(Source：Kornberg,
A., Enzymatic synthesis of ribonucleic acid, Nobel Lecture, December
11, 1959)
Fig.2核苷酸聚合
聚合過程中，dNTP會被水解為dNMP的型式，並釋放出焦磷酸分子(pyrophosphate)。(Source：Garrett
& Grisham, 1999. Biochemistry, 2nd ed., Saunders College
Publishing, p.992)
三、1959年諾貝爾生理醫學獎頒獎辭
H. Theorell教授
王立卡洛林斯卡醫科大學諾貝爾生理學‧醫學獎選考委員會委員
兩位陛下、各位王族及各位來賓
“如果生命可以繼承，那就牽涉到兩個”<To maa man vaere hvis livet skal
lykkes>這是感傷的丹麥老歌之主題。這首歌的作者，想像的兩個是指男與女間的事情有兩件，但恐怕不知道，站在更基本的生理學觀點，自己的觀點是多麼正確。<生命之傳承>必須有兩個要素。一種是蛋白質，另一種是核酸。它們之間的關係，較以言語描述還更類似男女關係，與在造人之際需要男女一樣，蛋白質與核酸間的相互作用，是生命中唯一的，也是普遍重複的基本機構。形成病毒、細菌，以及動植物而連綿不斷的物質中，就是其他物質發生變化，但蛋白質與核酸永遠是支持生命之要素而長存。這兩種物質都具有一定的特質，其共同點是分子非常大，由幾千個小單位形成，這些單位像珍珠鍊子一般，互相串連成鏈狀並成為螺旋形。各個螺旋互相結合，成為蛋白質與核酸，或者包括兩種的，複雜的串連。在與“巨大分子”的混雜中，生命反應像緊密編織的線一般巧妙的進行。
構成蛋白質之成分有胺基酸。所有生物的蛋白質中之胺基酸，約有20種。而核酸的基本成分核?酸，是由含氮鹽基、糖與核磷所成。天然核酸中的核?酸，最重要的八種都含磷酸，含氮鹽基共有五種形式，糖則有兩種，一種是“核糖”，另一種為“去氧核糖”，前者較後者多含一個氧原子。這看似不重要的一原子之差，事實上有很大的影響。核酸由此特徵分為兩個不同系列，而各有不同的機能。這事實上是非常大的差異，這也成為今天在此台上，迎接兩位得獎人的理由。
Arthur Kornberg合成的“去氧核糖核酸”，主要是存在於染色體的遺傳物質。Severo Ochoa合成的“核糖核酸”，則有幫助於蛋白質的合成機制。瑞典的科學家Torbjorn
Caspersson，在闡明後者的事實扮演了重要的角色。他與其他研究者的發現，使得核酸參與蛋白質的合成，得到最後的結論。然而其正確的化學機能尚未明瞭。核酸與蛋白質是生命的兩大要素，所以也可能是蛋白質反而促使核酸合成。當得知蛋白質以酵素型態，實際上與生物學界所有化學反應有關係時，這個可能性更為升高。在試管內精製合成核酸的蛋白質，並闡明其反應之基本機構，是Ochoa與Kornberg名垂青史的功績。
這些物質的鏈所排列的各種構成成分之順序，絕非任意，而是按各分子及各生物種類，有一定的規則排列，這在蛋白質部份已經得到證明，在核酸想必也不會錯。
人的孩子長大鐵定是人，蛇的子孫長成後一定是蛇，是因為其構成成分之順序不變所致。經過數千年，遺傳因子有了變化，或種類發生變化，是因為其順序發生混亂所引起。這些構成成分的排列順序有無限的可能性，因此，地球上的生物形態，可以使之千變萬化，舉例來說，我們將26個英文字母任意組合，則可以寫出全部母語(英語)及外國語所表達的事物。構成蛋白質的胺基酸與英文字母約為同數目，所以，可將蛋白質的分子比做100、1000或10000個文字組合的單字。自然界何其寬厚，賜給我們組成達天文數字的各種組合之可能性。但在此還可以考慮另外一個因素，就是胺基酸的不同，不但有引起變化之可能，為了透過其酵素的活性以調節其他的代謝，也是有其必要。各自由四個不同的核?酸組成的兩種核酸，如果各分子是由100甚至10000的核?酸單位所成，那麼其組合的可能性可達驚人的數字。因此，或許我們會想，大自然要正確地排列構成成分，設法製造核酸那樣的物質，實在是非常大膽的嘗試。
數年前Ochoa與Kornberg在各自的研究室，開始研究這個問題，Ochoa選擇核糖核酸的合成系統，Kornberg則以去氧核糖核酸之合成系統為研究方向。兩者都在一連串絕妙的研究中，雖然未曾直接做共同研究，但可能在私誼方面，互相巧妙的運用對方的成果，同時達到結局。與其他所有的人一樣，他們也得以善加利用前人得到的研究成果，在此試舉出幾位研究先進。有趣的是構成核酸的含氮鹽基之一的組合嘌呤的先例尿酸，是Carl
Wilhelm Scheele與Torbern Bergman兩人，於1776年同時在瑞典發現。這與今天諾貝爾獎要頒給兩位的事情十分相似，使我們記起瑞典在化學領域的偉大時代。德國科學家Albrecht
Kossel因闡明核酸的含氮鹽基之化學性質而獲頒1910年的諾貝爾獎。另外，英國科學家Alexander Todd詳細闡明核酸的化學性質而獲得1957年的諾貝爾化學獎。然而，引導Ochoa與Kornberg邁向成功的，是他們自己在相關的領域中，以前所做的優異研究。兩人在此之前，就已使用細菌從事研究。Ochoa由醋酸菌，Kornberg由大腸菌得到高純度的酵素樣品。Ochoa的酵素是，比核糖核酸所含的核糖核?酸，多兩倍磷酸基的核糖核?酸去製造核糖核酸。這時分離一半磷酸基，使核?酸相互結合而產生巨大分子。如此形成的，在今天我們能證明的範圍內，與天然的核酸並無差別。Kornberg的酵素雖然類似，但以不同的反應模式製造去氧核糖核酸。在反應開始時，需要先加入少量核酸為引子之結論，基本上對兩者都很重要。如果不加入則酵素就“不知道”該製造哪一種核酸。各種酵素若有作為嚮導的引子，就像熟練的排版機，立刻開始複印到手的原稿，在此可以見到製造同類生命本身的原則。有些研究者早已料到有這種機構在運作，但實際去做實驗去證明更為重要。Ochoa的酵素，帶給我們極有趣的，以酵素合成「簡單的核酸」之可能性。
為使大家得以理解，今天表揚的這些發現，在最近的將來會朝向哪一個方向發展，在此舉例說明。其他科學家們，尤其是美國的S. S. Cohen證實，一種細菌性病毒T2的核酸，含有化學上與細菌略有差異的含氮鹽基，又如果受T2噬菌體感染，則此不同的核酸立刻在細菌中形成。Kornberg對此機構成功地加以詳細說明。也就是說，T2噬菌體好似最惡劣的掠奪者，在感染4分鐘內，產生許多特別的酵素，破壞細菌在合成正常的核酸所需要的核?酸，將之改造為T2噬菌體所需要的不同核?酸，以使細菌破滅。
我們確信在不久的將來，Ochoa與Kornberg的研究，將引導在生化學、病毒研究、遺傳學及癌研究，獲得重要發現。這兩位在了解生命機制方面，為我們帶來進步。
各位同事，親愛的朋友，Severo Ochoa教授、Arthur Kornberg教授。約在130年前，Friedrich
Wohlery在J. J. Berzelius的研究室，以無機之材料合成尿素。這件事發生在斯得哥爾摩的市中心，在現在我們站的位置之半英里內。從此他在生物與非生物間架起最先的橋樑。現在您們在此領域有了第二種的基本發現，也就是在試管內，製造生命的兩大要素之一。
本人代表王立卡洛林斯卡醫科大學，向您們表達由衷的祝賀，並請接受國王陛下親自頒發諾貝爾生理學‧醫學獎。(全文摘自引用資料4)
四、資料來源：
引用資料
1. Arthur Kornberg著,涂可欣,李千毅 譯,金色雙螺旋,2000年9月28日初版,天下文化,p.27。
2. Arthur Kornberg著,涂可欣,李千毅 譯,金色雙螺旋,2000年9月28日初版,天下文化,p.31。
3. Arthur Kornberg著,涂可欣,李千毅 譯,金色雙螺旋,2000年9月28日初版,天下文化,扉頁導讀。
4. 橘井文化事業有限公司編譯,諾貝爾獎 生理學‧醫學(1951~1990),民79年11月初版,橘井文化事業有限公司,p.89~92。
參考資料
1. NOBEL e-MUSEUM 網址：http://www.nobel.se/
2. Kornberg, A., Enzymatic synthesis of ribonucleic acid,
Nobel Lecture, December 11, 1959.
3. Garrett & Grisham, 1999. Biochemistry, 2nd ed.,
Saunders College Publishing.,p.992
4. Wayne M. Becker & Lewis J. Kleinsmith & Jeff Hardin,
2000. The World of The Cell, 4th ed., Addison Wesley
Longman, Inc.,p.540
5. Arthur Kornberg著,涂可欣,李千毅 譯,金色雙螺旋,2000年9月28日初版,天下文化,p.24~p.32。