DNA编码的指令如何说明比单个蛋白质更复杂的结构？

我们继续钟表的话题，不过现在想象一种机械装置，不是由钟表匠组装，而是将零件放在箱子里摇晃就能自行组装。滑稽吗？能不能设计出这种零件放在一起摇晃就能自行组装的钟表？需要什么样的零件？当然我们所知的钟表零件做不到，但病毒的确是这样形成的。

病毒是像钟表一样复杂的生物装置，但要小得多。病毒的分子组装就类似于在箱子里摇零件。这是如何做到的？首先，零件都很小，一旦悬浮在水中就会由于热运动自发跳动，这是所有极微小事物的特点。第二，零件是蛋白质，我们已经看到，所有蛋白质都有很精密的形状。第三，它们的表面具有能与其他病毒蛋白相互作用的分子特征。一旦适配，蛋白质之间就会紧密结合。

病毒能够繁殖，但并不生长，也没有独立于宿主细胞的化学代谢。在存在的大部分时间里它们都完全不活动，介于生命和非生命之间。病毒的繁殖很像塑料玩具的组装，零件的凸起与其他零件的凹槽相嵌。区别在于没有爸爸或妈妈来组装。同其他蛋白质一样，所有病毒蛋白质的形状都是由特定的氨基酸序列决定。形状（以及相应的表面特性）决定了它能结合什么样的形状。将一个病毒蛋白质放到正在成形的病毒的正确位置上所需的所有信息都编码在其结构的细节里。

可能没有哪种活细胞能抵抗一切病毒的感染。幸运的是，病毒具有高度的特异性，任何特定的病毒都只能感染有限种类的细胞。感染细菌的病毒尤其容易研究。它们被称为抗菌素或噬菌体。名为T4的抗菌素是被研究得最多的细菌病毒之一。它完全由蛋白质和DNA组成。这种病毒相对较大也较复杂，很适合用来说明自组装的潜力。T4的DNA编码了274个基因，分别对应病毒组装和繁殖所需的274种不同的蛋白质。其中一些蛋白质是改变受感染细菌细胞的代谢的酶；一些则是合成T4的DNA所需的酶；还有一些参与274个基因的表达。大约有50种蛋白质用于建造其怪异的外壳，当病毒从一个濒死的细胞中释放出来时，外壳可以保护其DNA。这个外壳还用于在遇到下一个适合的细菌细胞时对其进行感染。T4的外壳由40种3500多个蛋白质分子组成。图4.6画出了它的结构。DNA隐藏其中，缠绕在“头部”。幸运的是这种病毒不会感染人类细胞。

与其怪异的结构相比，它的形成更让人吃惊。并没有什么小精灵围着它用微小的锤子将所有零件装到一起。这个结构是自组装的。其中的3500个蛋白质都只能与特定的伙伴分子匹配。这本身倒没什么；毕竟，汽车零件就是以特定的方式组装到一起。但汽车无法自组装。汽车零件的设计并不是让你可以将它们放到一个大箱子里摇晃，然后就能组成一辆车。蛋白质很小，受周围快速运动的水分子影响，会不断跳动。当相互匹配的形状发生接触，就会结合到一起。每一次结合都会产生新的结合点，可以让另一个蛋白质结合。这建立了一个组装顺序。只有前两个蛋白质结合到一起，第三个蛋白质才能结合，然后第四个才能结合，依次进行。这样蛋白质就以特定的顺序被添加到生长的结构上；从而从随机混合的蛋白质溶液中就能自发出现特定的结构。

这种组装通过3条并行的“组装生产线”进行（图4.7），头、尾和长尾纤分别组装，最后才组装到一起形成完整的噬菌体。在头部与尾部相连之前，它会利用被感染细胞提供的能量装入T4的DNA。

图4.7 T4噬菌体的组装（参见注释4）

这个过程很像图2.10中的自组装拼图游戏，但结构是3维的，图块是蛋白质。拼图和病毒的形成都有赖于让形状能以预先确定的方式精确组合的目的性信息。对于拼图，设计图块的信息是由人的大脑创造。对于T4，信息编码在病毒的DNA中。如果没有说明这些组块细节的指令，病毒（或自组装拼图）就永远都不可能出现。

自组装病毒与第2章讨论的分子砖块以及新科学（NKS）系统都属于同一类活动。这类系统通过组装计算物理图样和结构。计算的规则——程序——包含在组装部件的形状和化学结合特性中。

细胞中的许多活动也是基于自组装蛋白质结构的活动。实际上，整个细胞甚至整个躯体都可以视为大量自组装事件的产物。小部件以特定的方式组成大部件，反过来又成为更大更复杂结构的基础。在已存在的结构之上建立预先确定的结构。从这个意义上可以说细胞就是活的计算机。细胞中几乎所有的结构最终都依赖于用DNA语言编码的指令，DNA决定了蛋白质和RNA，它们的相互作用以及它们的形成。