最早分离出脱氧核糖核酸的弗雷德里希·米歇尔是一名瑞士医生，他在1869年，从废弃绷带里所残留的脓液中，发现一些只有显微镜可观察的物质。由于这些物质位于细胞核中，因此米歇尔称之为“核素”（nuclein）。到了1919年，菲巴斯·利文进一步辨识出组成脱氧核糖核酸的碱基、糖类以及磷酸核苷酸单元，他认为脱氧核糖核酸可能是许多核苷酸经由磷酸基团的联结，而串联在一起。不过他所提出概念中，脱氧核糖核酸长链较短，且其中的碱基是以固定顺序重复排列。1937年，威廉·阿斯特伯里完成了第一张X光衍射图，阐明了脱氧核糖核酸结构的规律性。

1928年，弗雷德里克·格里菲斯从格里菲斯实验中发现，平滑型的肺炎球菌，能转变成为粗糙型的同种细菌，方法是将已死的平滑型与粗糙型活体混合在一起。这种现象称为“转型”。但造成此现象的因子，也就是脱氧核糖核酸，是直到1943年，才由奥斯瓦尔德·埃弗里等人所辨识出来。1953年，阿弗雷德·赫希与玛莎·蔡斯确认了脱氧核糖核酸的遗传功能，他们在赫希-蔡斯实验中发现，脱氧核糖核酸是T2噬菌体的遗传物质。

到了1953年，当时在卡文迪许实验室的詹姆斯·沃森与佛朗西斯·克里克，依据伦敦国王学院的罗莎琳·富兰克林所拍摄的X光衍射图及相关数据，提出了最早的核酸分子结构精确模型，并发表于《自然》期刊。五篇关于此模型的实验证据论文，也同时以同一主题发表于《自然》。其中包括富兰克林与雷蒙·葛斯林的论文，此文所附带的X光衍射图，是沃森与克里克阐明脱氧核糖核酸结构的关键证据。此外莫里斯·威尔金斯团队也是同期论文的发表者之一。富兰克林与葛斯林随后又提出了A型与B型脱氧核糖核酸双螺旋结构之间的差异。1962年，沃森、克里克以及威尔金斯共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。

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