通常使用恰當的酶把這個大分子打碎，然後這些小的碎片被相互分離並測序。得到足夠的結果後，這些結果被一個程序安裝在一起形成一個完整的序列。這個過程必然是相當緩慢並且冗長乏味的，常常陷入持續的領悟和篩分中，而且這種方法也很難用於大DNA分子……看起來想要測序遺傳物質我們需要一個合適的新方法。
——弗雷德裡克·桑格（Frederick Sanger），
諾貝爾獲獎講演，1980年12月8日
我發現自己走進黑暗走廊的一間無窗的房子裡，這間房子位於我曾提到的36號樓的二層，它將是我在國家神經紊亂和中風研究所（NINDS）的新項目的研究室。這座建築是馬里蘭州貝塞斯達（Bethesda）的國家健康研究所的一群無計劃地佔用山林農田建造的複雜建築之一。為了建設和裝備這個實驗室，我花了幾十萬美元，為了啟動我在分子生物領域的新研究事業，現在我有一筆100多萬美元的年度預算。把我在布法羅的研究小組的大多數成員帶來後，我就可以很快開始研究了。
在國家衛生研究大院裡，有數百名全國頂級的研究人員在我們的周圍一起工作，我們可以和他們相互合作。在我們樓下是馬歇爾·尼倫伯格（Marshall Nirenberg）的實驗室，他因為破譯了遺傳密碼，揭示了怎樣由一個基因中的DNA的三個「字母」編碼一個氨基酸過程，氨基酸是構成蛋白質的單位，從而與人分享了諾貝爾獎。他和他的NIH的精英們可以教我們新的東西，有助於激發我們的新奇想法。我在貝塞斯達學會的技巧和產生的興趣在我以後的生命中起了意義深遠的影響，也給我日後產生解讀基因組的興趣奠定了基礎。這裡真是研究者的天堂。
但我深知享受愉快必須付出的代價。正如每一次漂亮的週末航行總是伴隨著充滿狂風和驚濤駭浪的海上的累人的旅程。在NIH享受頂級科學工作的同時我也受到了它的影響，我不得不和一些行動遲緩的政府官僚機構打交道。我是以最高的民用服務等級——15級10等進入NIH的。問題是分配給我的實驗室的人力資源明顯沒有按這個等級委派。最典型的是：當某位政府機構忠實官員遇到一些麻煩時，他採取了一個小小的抵制方案：把我的文件夾扔到抽屜的最底層並把它忘諸腦後。我不得不打電話詢問我的薪水並確認一些必要的事宜，因為他們找不到我的文件而發生一些不愉快的事情。幸虧羅斯威爾·帕克還一直將我作為相關基金的研究員發放工資，否則，我可能會幾個月沒有工資。當最終對質此事時，這個人力主管承認是因為害怕搞亂程序而決定什麼也不幹的。
這並不是唯一的摩擦起因。本來承諾有一個固定職位給克萊爾的，同時也給幾個關鍵的人員諸如多琳·洛賓遜（Doreen Robinson）和馬丁·史瑞夫（Martin Shreeve）安排職位以便他們可以跟我從布法羅轉入NIH。但是在我到NIH不久，我被叫到學術主任歐文·柯賓（Irven Kopin）的辦公室，被告知克萊爾一定會得到固定職位，但是必須在一年或更久以後，因為他們覺得她的科學資歷低於他們的標準。
尋找一套新房子被證明同樣比我們預期的要難，因為在華盛頓附近，生活消費水平相對較高。一套比我們在布法羅的又小又舊的房子要幾十萬美元，而布法羅的是8萬美元。我們的不動產代理芭芭拉·羅德貝爾（Barbara Rodbell）是馬蒂·羅德貝爾（Marty Rodbell）的妻子，正是他聯繫我們來NIH的。芭芭拉剛開始賣房子，而我們是她的第一個（也是唯一一個）客戶。
我們在馬裡蘭的西爾弗斯普林（Silver Spring）買了一套住所，這也是我們唯一可以支付得起的，它是一座價值10.8萬美元的有兩個臥室的市內別墅。我們和愷撒——我們的一條6個月的荷蘭卷尾獅毛小狗，它的名字源於它在我們的生存空間中的絕對支配地位——算是有可安身之所。我也為我的8.5米長的凱普島瑞遊艇（一次幾乎導致我們的經濟出現問題的放縱產物）找到一個泊位，位於馬裡蘭蓋爾斯威爾（Galesville）的哈特格斯（Hartges）遊艇園。西河在這裡通行無阻地注入切薩皮克海灣，形成了幾千海里的海岸線和巨大的停泊地點。當地經濟支柱是煙草和捕蟹，這使得這個地方有濃濃的懷舊情結，特別是那些有燒木頭的壁爐和跳棋格子的桌子的雜貨鋪更加重了這種風格。
一個週末，我計劃到海灣航行探險，探險是我的職業和個人熱情的交匯點。在前往蓋爾斯維爾的路上，沉醉于飛車的我始終敏銳地盯著後視鏡看有沒有無標誌的警車，我自然會注意到任何的不尋常的事情，比如坐在一輛褐色福特車前排的兩個可疑的人。不管我變換車道還是選擇複雜的路線前往蓋爾斯維爾，這輛特殊的福特車始終跟在我的後面。一到達哈特格斯我很快就忘了這條神秘的尾巴。但一天的航行後，在我回西爾弗斯普林的路上它又出現了。我開始擔憂那輛福特車，疑惑是否我的反戰抗議的日子回來困擾我了，因為現在我已是一名政府高級僱員了。如果我知道那輛車中的人會對我日後的研究方向產生重大影響的話，我就不會這樣多疑了。
下週一早上，當我發現有兩名穿黑套裝打領帶的男子在我的狹窄的NIH辦公室等我時，我的擔心看起來似乎是發生了。當我走進來時，他們站起來並出示了身份證，他們是美國國防部的。他們解釋說，他們來此是想要跟我談談用我的研究探索神經毒氣以及相關生物戰爭試劑。這個要求是有道理的，因為我正在研究的受體蛋白正是神經毒素的作用對象。儘管這個話題很嚴峻，但是聽到他們感興趣的是我的研究內容而不是我個人，我還是鬆了一口氣，請他們坐下說話。
他們要我從事的研究的基本思想很簡單：是否可以開發神經毒劑附著的在體內引起傷害的相同的蛋白質來檢測神經毒劑的存在？這些蛋白質是否可以當作誘餌來吸收空氣中相當微小的神經毒劑，並借助精細化學分析通過微弱的光信號的閃爍來警告其周圍的人員，已受到毒劑攻擊？
雖然我當時正在研究的特別腎上腺素受體不能得到作此用途的足夠劑量，但是信使化學物質乙酰膽鹼作用的煙酸乙酰膽鹼受體可以得到足夠的量，我認為，我們可以將這種物質作為替代品。可以說，這正是他們所願意聽到的。乙酰膽鹼傳遞神經信號給各種各樣的肌肉，包括控制呼吸的膈肌。神經性毒劑如塔崩（Tabun, GA），梭曼（Soman, GD），和沙林（Sarin, GB）阻礙一種稱為乙酰膽鹼酯酶的關鍵酶的活性，這種酶分解和排除乙酰膽鹼。化學毒劑在幾分鐘就起作用了，通過加重人體對神經刺激的傳遞，從而導致神經系統的短路，最終使膈肌癱瘓讓人窒息。
因為乙酰膽鹼還對大腦的數個位點也起作用，所以非軍事科學家們也對該受體感興趣。尼古丁引發位於神經末梢的那些受體位點，增加腦中多巴胺的消耗，多巴胺是另外一種信號分子，它反過來在神經科學家們所謂的「犒賞通道」上發揮作用，從而導致吸煙者的渴望感受。
乙酰膽鹼受體已被約翰·林德斯特姆（John Lindstrom）成功地提純，他當時在聖迭戈的索爾克研究所（Salk Institute）。約翰很高興以相當高的價格為我提供這種蛋白質，有一點我認為是合理的，如果讓我們努力去分離它將會是相當艱辛的。這樣，他就會得到國防部的錢去進行他的基礎研究，而我也可以解決怎樣幫助政府檢測神經毒劑。
但是政府的官僚腦袋並不是一個統一協調的實體。NIH的官僚作風使得我從國防部拿錢難度加大了很多。科學家們不會把政府的錢轉入NIH，他們通常直接在工作中把錢花掉。儘管有人說我太商人作派了並且我的確不需要額外的錢，最後一個25萬美元的機構間轉賬還是以我的名義被安排儲存在NIH的一個特殊賬戶裡。
一旦我的實驗室成立，我們就隨時可以從人腦中分離或克隆腎上腺素受體基因，這將為我們提供其分子結構和其神秘的工作方式的新線索。在這個意義上，克隆意味著基因的複製，通常是把它放在實驗室裡置入大腸埃希氏桿菌中，隨著細菌的繁殖，我們想研究的基因複製也完成了。事實上，克隆一個基因也意味著在細胞或染色體中找到它以便我們能揭露基因用來製造蛋白質的DNA處方——既然這樣，對腎上腺素有反應的大腦中的受體蜂擁而至。為了達到這一目的，我們必須隔離受體蛋白質，計算出它的氨基酸序列，然後推論出能夠拼出這些序列的可能的DNA編碼。
這個描述使過程聽起來簡單容易。實際上，要花10年的辛苦。相同的工作現在只需花少部分時間，甚至幾天的工夫，這裡面也有我的一部分努力。不過讓我們回到20世紀80年代，那時分離和研究人體內微量的蛋白質是很艱難的。
為了使微量的受體蛋白質達到我們能開始基因捕獲的數量，我想利用最近開發的叫高性能液體色譜（HPLC）的新技術。用這種方法，人類細胞膜的成分在清潔劑中被溶解成脂肪和油脂，然後使它們穿過柱狀物質把它們分開。每個蛋白質的前進速度取決於它的大小或負荷，所以越小越敏捷的分子穿越得越快。
採用這一新方法，我需要有經驗的人。我僱用了安東尼·克拉維奇（Anthony Kerlavage），他已經在加利福尼亞大學聖迭戈分校和蘇珊·泰勒（Susan Taylor）一起做過高性能液體色譜蛋白質的提純工作。發展分子生物技術的力量就必須研究蛋白質，為此我建立了一支青年小組，由北卡羅來納州的一個博士後鍾富榮（Fu-Zon Chung音譯）和兩個從布法羅來的實驗室技術員珍妮·高科因（Jeannine Gocayne）和邁克·菲茨傑拉德（Michael FitzGerald）組成。
當我的小組全力製造純化受體時，我們最後發表了30篇有關受體結構和功能的不同方面的科學論文。當受體的設計被解構出來時，更重要的發現之一是，大自然是多麼節儉，一次一次地使用相同的結構，幾乎沒什麼變化。我們對於蠅蕈鹼乙酰膽鹼受體（乙酰膽鹼受體的亞型）和α腎上腺素受體（一類腎上腺素受體）結構的分析顯示它們的基本結構是類似的，儘管它們被認為是人體內不同的神經遞質。這對科學界來說是令人驚奇的，科學界普遍認為，不同受體屬於不同的研究領域。結果，很多人拒絕接受我們的發現直到幾年後受體基因被排序出來，發現它們是極為相似的。
兩年內，雖然我們的士氣正遭受挫敗，但我們的努力卻取得了重大進步，我們的目標就在眼前，我們正從少量提純的受體上獲得第一個氨基酸序列。我們被杜克大學（Duke University）的羅伯特·萊夫科維茨（Robert Lefkowitz）團隊打敗了，他們與梅克（Merck）製藥公司合作提純和克隆來自火雞的紅細胞的腎上腺素受體。他們的成功使這個領域的每個人都很興奮，包括我。我召集我那失望的小組成員在一起，提醒他們這是我們研究領域的早期結果，大多數發現還有待我們挖掘。我們應該逐漸趕上他們並且充分利用萊夫科維茨的克隆人腦中的稀有腎上腺素受體這一突破性發現。
為了取得進展，我們充分利用基因密碼中的互補鹼基對——雙螺旋的2條單鏈——的連接方式。在他們那次極具洞察力的1953年的重大突破中，沃森和克裡克已經通過鹼基對配對的方式計算出一條DNA鏈是怎樣輕鬆地被複製成一個互補鏈的。這反過來反映了當細胞分離時，它們是怎樣複製染色體中的DNA的。在基因字母表中的4個鹼基中，他們發現A總是與T對應，C總是與G對應。把雙螺旋分成2條單鏈，這個簡單的規則幫助生成一個互補鏈。同樣地，如果你重組一串單獨的鹼基對，那個相同的規則就確保它會粘到一個互補鏈上——實際上，這就給你一個DNA探針，它與人類染色體的巨大環境中的一個單獨基因相附著。
我們以兩種方式充分利用這個互補的鹼基對繼續探索人類腎上腺素受體的基因密碼。首先，我們能利用已取得的小部分的人類受體蛋白質序列推斷相應的DNA序列，並且用它作為一個探針搜索人類基因組中的基因。接著，我們利用進化遺產：火雞腎上腺素受體基因很可能有一個類似的人類受體的基因密碼。換句話說，我們從火雞受體基因本身開發DNA探針：如果它們黏結在互補的人類DNA，它們就會顯示相等的人類基因。通過把一個放射性標記貼到任何一種探針上，我們能通過確定探針附著處的放射性斑點來評估我們的成功。
但是，仍然有一個實際問題有待克服。我們首先需要得到適合操作這些試驗的人類基因組：甚至就像它在細胞裡一樣以染色體的形式打包起來，這個編碼還因太大無法操作。把人類基因密碼分裂成易處理的碎片對搜尋基因來說是至關重要的。如果你把人類細胞中所有的DNA補充物拿走，把它分裂成碎片，你最終就會得到科學家們稱之為文庫的東西。有兩個基本類型的DNA文庫：基因組文庫和互補DNA文庫。
基因組DNA文庫可以通過特殊的限制酶製造出來，利用這種酶把人類染色體切割成片段，每一片段大約由1.5萬～2萬個DNA鹼基對組成。為了能處理這些人類DNA片段，我們也需要一個複製和儲存的方法，就像一本書需要印刷和裝訂一樣。在複製過程中，將人類DNA的每個片段都附著在一個噬菌體DNA上，噬菌體可以感染細菌，並且能夠在其中繁殖。當這個經過處理攜帶的病毒被用來感染埃希氏大腸桿菌時，它攜帶著人類DNA。在皮氏培養皿表面塗上受過以上感染的埃希氏大腸桿菌，在細菌菌落上就會生長出清晰的斑點，病毒已經把埃希大腸桿菌殺死。這些斑點被稱為空斑，它們包含數百萬的病毒微粒——因此包含數百萬最初人類DNA片段的複製品。
互補DNA文庫以細胞中的另一遺傳物質信使RNA為材料，它被用來執行基因組的命令合成蛋白質。我們的基因密碼只有3%負責編碼蛋白質，所以集中RNA合成蛋白質，我們最終得到一份更簡明的人類DNA密碼的「工作副本」（一個典型的基因能包含100萬個鹼基對；相反，轉錄的RNA可能只有1000個鹼基）。換句話說，這個文庫揭示了一個方法：大自然的複製者把整個基因密碼轉錄成一段相當小的信使RNA，它僅代表特定細胞或組織需要的基因遺傳信息。
信使RNA本質上是中轉站。為了將它從細胞中分離出來，以便於直接解讀，我們通過一種叫反轉錄酶的酶，將RNA複製成DNA的穩定形式。它被稱為互補DNA（cDNA）。通過分離人類RNA產生cDNA，你將得到人類基因組的濃縮版本，其中包含易讀形式的蛋白質編碼基因。就像基因組文庫，互補DNA文庫的大小都必須處理成能夠處理和複製的形式。大自然再次提供了解決方案。通過隔離在組織中工作的信使RNA，把RNA轉變成互補DNA片段，然後把這些片段插到一個質粒中，它是一個小的環狀DNA，並為細菌攜帶指令，互補DNA文庫就被製造出來了。當埃希氏大腸桿菌被感染上質粒，它將再次為文庫裡的書提供「印刷機」。因為每一個細菌將包含人類cDNA的不同片段，當細菌複製時（分裂成子代細胞），親代和子代細胞將包含相同的人類基因片段。
儘管肉眼看不見這些DNA片段，但是用科學工具可以觀察它們。稀疏地展開包含人類cDNA的埃希氏大腸桿菌，注意讓兩個細胞絕不會互相接觸，單個的群體將開始生長。最終，當有斑點出現時，每個群體將包含數百萬的相同細菌細胞（克隆體），所有這些群體都具有相同的人類cDNA片段。在一個小皮氏培養皿中，可能有幾萬到幾十萬這樣的單個群體，從而得到一個人類DNA的巨大文庫。
使用任意類型的文庫，利用互補DNA粘貼在一起的方法，搜尋受體的工作現在可以開始了。用一張濾紙就可能把DNA從皮氏培養皿中移出來，培養皿中正在用基因組文庫或cDNA文庫培養埃希氏大腸桿菌。然後將濾紙整夜浸入探測受體的DNA探針溶液中。為確定它是否被束縛在文庫中的互補DNA上，探針被附加了放射性標記——通過與一個放射性核素32P交換DNA中的磷原子。然後清洗濾紙以便去掉沒有附著任何DNA片段的放射性探針，然後晾乾，放到一個X射線膠卷盒裡好幾天。陽性菌落和噬菌斑——表示放射性探針已經粘在目標DNA上——在顯影的X線上呈現黑色斑點。將皮氏培養皿與膠卷重疊，陽性菌落和噬菌斑就能被識別，它們的DNA被分離和擴增。
並不總是很容易發現不穩定的編碼少量蛋白質的信使RNA。以一個難以捉摸的膜蛋白質為例，比如腎上腺素受體，在每個細胞中只有幾千個蛋白質分子。結果，編碼受體蛋白質的RNA信息也是稀少的。利用捐獻給醫學科學的人腦中的基因物質，我們必須檢測超過100萬的cDNA菌落，才能找到一個包含製造腎上腺素受體信息的cDNA菌落。一旦我們培養一個菌落產生一批足量的這種DNA，我們就能用測序DNA的過程把它解讀出來——算出4個核甘酸（CGAT）的順序，它們形成了糖和磷酸鹽的DNA外部骨架中的「橫檔」。我們可以用兩種基本測序方法來讀出DNA中這些鹼基對的順序。一種方法是弗雷德裡克·桑格在劍橋的英國醫學研究委員會分子生物學實驗室（Medical Research Council's Laboratory of Molecular Biology）裡發展出來的，他是一個專注的研究者（同樣也愛好划船），他曾經說自己是「有良好的思想，卻不太擅長講話」。第二種方法是哈佛的沃利·吉爾伯特（Wally Gilbert）的工作，他被描述為一個「政治掮客，一個有宏偉目標的男人」[1]。雖然桑格和吉爾伯特在1980年共同分享了諾貝爾獎，但是過去10年間完成的大多數序列是桑格設計的方法的一個直接擴展。桑格是一個有著驚人才能的科學家，他能解決生物界一些高難問題。1975年5月桑格因為他的首批DNA部分序列而得到大家的敬重，然後繼續得出一個噬菌體基因組的首批完整序列：細菌病毒（噬菌體）的基因密碼中有5375個鹼基對，被稱為φ-X174。接著桑格測序了大約17000個人類線粒體（我們的細胞中的能量工廠）中的DNA鹼基對，標誌著首批人類基因組工程的開始。考慮到他有這麼多的顯著紀錄，桑格是雙諾貝爾獎獲得者就不足為奇了（第一次諾貝爾獎，是由於1958年他對於蛋白質結構的工作，當時他拆開了大約50個組成胰島素分子的氨基酸），儘管他的學術影響巨大，得到同行的敬重，但是桑格是一個安靜的、謙虛的、不招搖的人。他說：「我沒有多少學術才氣。」
桑格在劍橋和阿蘭·考爾松（Alan Coulson）一起開創的DNA解讀方法涉及到用DNA聚合酶製造無數的DNA分子複製體。複製DNA聚合酶必須放在DNA的基本片段液中，即核甘酸中。酶從每一個源DNA鏈的末端閱讀，用核甘酸製造新的複製體。桑格的貢獻是把另一成分「末端核甘酸」加到這個溶液中，「末端核甘酸」的每個核甘酸用32P做放射性標記，這樣命名末端核甘酸是因為，當它們在培養的複製體中合併時，它們會隨著末端聚合酶的活動，用放射性週期標記培養鏈的結束。這一過程在任何階段都可能發生，大量DNA分子複製體是在試管中製造的。結果是DNA不同長度的片段的混合物，每片段都是以放射性標記的C, G，A或T上結束，依賴於哪一個鹼基標記32P。
這些片段然後在電場作用下，通過平板凝膠，按DNA分子的大小被分離開。現在人們能讀出它們的序列是因為DNA的最大片段在平板凝膠中移動速度慢。四個核甘酸上C, G，A, T的標記是相同的，都能在X線膠捲上產生相同的黑色標記，人們必須對每個片段進行四次檢驗，每次檢驗出對應密碼中的一個鹼基。一旦DNA聚合酶和每一個不同的終止核甘一起被識別（以便在一批中，所有的C都被標記，另外所有的G都被標記，其他兩個也一樣），它們就被分放在相同的凝膠平板體的4個鄰近的泳道上。當片段分離後，一個泳道顯示DNA片段以一個C結束，另一個就顯示以一個G結束，其他兩個也一樣。