在 1968 年,史密斯还只是约翰斯 · 霍普金斯大学里一名初出茅庐的讲师。当时,他对基因重组很感兴趣——基因重组指的是细胞能将 DNA 切割成片段,然后再将这些片段重新组合成新的 DNA 序列的过程。史密斯说:“当时,谁都知道基因重组,这太常见了,每个生物体都有一套基因重组的体系,但是,没有人知道基因重组的运作细节。”
因此,他选择了一种名为流感嗜血杆菌(Haemophilus influenza)的细菌,研究它如何进行基因重组。流感嗜血杆菌和其他细菌一样,可以直接摄取来自外界或者供体微生物的游离 DNA 片段,并以某种方式把这些 DNA 片段整合到自己的基因组中。
细菌通过这种转化方式获得呈现新遗传性状的基因,这赋予了细菌新的特性,比如对抗生素的耐药性。但是,流感嗜血杆菌的基因重组是一把“双刃剑”。入侵的病毒(比如噬菌体)能够“劫持”细菌内部的基因重组“装置”,把自己的 DNA 注入宿主内部,利用宿主的蛋白质编译系统来构建自己所需的蛋白质外壳,从而能够进行不断的自我复制。
为了弄清楚基因重组的过程,史密斯用放射性同位素标记法标记病毒——首先用磷的放射性同位素标记细菌的 DNA,然后再用病毒侵蚀细菌。这些病毒在细菌内部增殖,于是它们的基因也同样标记有放射性同位素。然后史密斯和他的同事用这些标记有放射性同位素的病毒感染另一批细菌。在感染时,由于病毒会将自己的遗传物质插入细菌的 DNA,所以他们预计这一批细菌的 DNA 同样会携带放射性同位素。
至少,这是他们预期会观察到的现象。然而,史密斯带领的研究生肯特 · 威尔科特斯(Kent Wilcox) 用放射性同位素标记的病毒感染细菌后,却没有在细菌的 DNA 中检测到放射性。
阿尔伯认为如果限制性内切酶失控,这种酶就会不断切割细菌本身的 DNA,最终杀死细菌。他推测,流感嗜血杆菌可以通过用碳原子和氢原子来修饰 DNA ——这个过程称为 DNA 甲基化(DNA methylation),从而避免基因惨遭自己内部的限制性内切酶的“毒手”。他提到,限制性内切酶不能切割已经甲基化的 DNA,但它可以袭击来自病毒的未被甲基化的 DNA。
在威尔科克斯开展这个另人沮丧的实验的前一周,史密斯曾向他的实验室推荐了一篇证明阿尔伯假设成立的论文。论文作者是哈佛大学的学者马修 · 梅斯森(Matthew Meselson)和罗伯特 · 元(Robert Yuan),他们发现大肠杆菌中有一种能够切除外源 DNA 的蛋白质,换句话说,这种蛋白质就是限制性内切酶。威尔科特斯记住了这篇文章,他告诉史密斯他们可能是碰巧发现了另一种存在于流感嗜血杆菌中的限制性内切酶。
为了测试了这个想法,史密斯做了个巧妙的实验。他将病毒的 DNA 和流感嗜血杆菌的 DNA 分别置于两个试管中,然后往每一个试管里都加入细菌内部的蛋白质混合物。如果细菌确实产生了限制性内切酶,混合物中的酶就会把病毒的 DNA 切成碎片。
测序仪是几十年前被发明出的一种用来分析 DNA 序列的强大工具,直到今天仍在使用。不过,史密斯采用了一种更为简便的方法来辨别试管中 DNA 片段的长短:含有长链 DNA 的溶液比含有短链 DNA 的溶液更粘稠,所以史密斯用粘度计测量了两个试管中溶液的粘稠程度。结果正如他预料的那样,含有病毒 DNA 的溶液粘稠度很快就降低了,这就可以推断出病毒 DNA 被某些物质——很可能是流感嗜血杆菌内部的某些蛋白质——切成了小段。