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1951年1月，富兰克林开始在国王学院进行研究工作，她所任职的部门是医学研究委员会（Medical Research Council，简写为MRC）中，由物理学家约翰·蓝道尔主持的生物物理研究单位。原本富兰克林的研究主题应该是蛋白质的X射线晶体衍射，不过到了国王学院之后，蓝道尔重新指派她投入DNA化学结构的研究。这所实验室还有另外两位成员正在进行这项研究工作，分别是莫里斯·威尔金斯与他的学生雷蒙·葛斯林。与威尔金斯之间的误会当富兰克林进入实验室时，威尔金斯正好前去度假。虽然蓝道尔曾在一封信中指派富兰克林独立研究DNA，并且从威尔金斯手中接收研究。但是威尔金斯并未看过，当威尔金斯回到国王学院之后，便与富兰克林产生误会。威尔金斯认为她是自己的助手，而富兰克林则认为威尔金斯不应干涉她的工作。发现DNA的两种型态现在已知自然界中的三种DNA型态，由左至右分别是A型、B型与Z型。其中B型为标准型态。威尔金斯与葛斯林从1950年便开始分析DNA结构。其中威尔金斯在一场研讨会中，从瑞士科学家鲁道夫·席格纳（Rudolf Signer）手上得到（无偿提供）一种纯DNA样品，这种样品淬取自小牛胸腺，其性质比较适合X射线衍射分析。它干燥时呈细小的针簇状，一旦遇潮会变成一团黏胶状物质。后来富兰克林与葛斯林发现了DNA的其中两种型态，在潮湿状态下，DNA的纤维会变的较长较细，称做A型；而干燥的时候则变得较短较粗，称为B型。后来A型是由富兰克林进行研究，B型则是交给威尔金斯。DNA双螺旋结构的研究到了1951年11月，富兰克林提出了A型DNA的X射线衍射图，并进行了一场演讲。这时候沃森正好在剑桥大学中由威廉·劳伦斯·布拉格主持的卡文迪许实验室研究蛋白质结构。沃森与克里克得知了这些讯息之后，便开始尝试排列DNA的螺旋结构，当时他们的模型是三股螺旋。沃森与克里克曾经邀请富兰克林、威尔金斯与葛林斯参观他们的三股螺旋结构模型，富兰克林在看见这些模型之后，做了许多的批评。这些批评使沃森与克里克被上司布拉格要求终止DNA结构的研究。富兰克林与葛斯林制作的讣闻，用来悼念A型DNA（结晶状DNA）的双螺旋结构。同一年中，国王学院的科学家们已经大多接受B型DNA的结构为螺旋型（详细结构尚未明了），不过对于A型DNA是否也同样是螺旋型，富兰克林则仍持怀疑态度。她与葛斯林曾开玩笑地制作了一份讣闻，悼念结晶状DNA（A型DNA）失去的螺旋结构。1952年5月富兰克林与葛林斯经过了一场长时间的研究，获得一张B型DNA的X射线晶体衍射照片，并且将专门用来解决X射线晶体衍射问题的帕特生函数（Patterson function）应用在图片分析。这张照片称做“照片51号”，曾经被X射线晶体衍射先驱之一约翰·贝尔那（John Desmond Bernal）形容为：“几乎是有史以来最美的一张X射线照片。”但是她并未发表研究成果，而且由于A型结构的数据仍不足以支持螺旋型，因此富兰克林继续将研究焦点放在A型DNA。除了晶体衍射照片之外，1952年11月，富兰克林也提出了一份报告，这些研究结果被收录在一份用来提交给访问委员会（visiting committee）的“MRC报告”当中，其中说明A型DNA的对称性，意思是DNA的结构即使翻转180度之后看起来还是一样。克里克认为这显示DNA拥有方向相反的两股螺旋。此外，这篇报告也指出了磷酸根之间的距离以及它们位在DNA上的位置。1952年11月，另一位化学家莱纳斯·鲍林也开始研究DNA结构，他认为DNA应该是外侧为碱基，以及内侧为磷酸（实际的情形是双股、外侧磷酸与内侧碱基）。并且与沃森、克里克在当时都认为DNA的结构应该是三股螺旋。莱纳斯·鲍林很快的发表了一篇论文，但是这篇论文很快的被沃森与克里克指出错误，并经由他在剑桥大学的儿子彼得·鲍林（Peter Pauling）的传达得知。由于沃森也把这篇论文拿给富兰克林看，因此富兰克林后来亲自寄了一封指出错误的信件给莱纳斯·鲍林。1953年1月，威尔金斯由于以为沃森与克里克早已不做DNA结构的分析，因此将照片51号拿给沃森过目，并且详细的解释相关的研究结果。这使得沃森与克里克取得了布拉格的同意，并在2月4日重启对DNA结构模型的建构，以及在2月8日请求威尔金斯同意他们也进行相同研究，此时威尔金斯才知道自己先前可能已经透露太多。同时卡文迪许实验室在MRC的代表，也是访问委员会的成员之一马克斯·培鲁兹（Max Ferdinand Perutz），也在克里克的要求下，将MRC报告拿给沃森与克里克观看。虽然这篇报告并非机密，但是透露研究成果给竞争对手的行为却让蓝道尔大为光火。在布拉格与蓝道尔的介入下，《自然》（Nature）期刊于1953年4月25日同时发表三篇论文，顺序是以沃森与克里克为先，再来是威尔金斯等人，最后是富兰克林。其中富兰克林的论文是与葛斯林共同发表，论文名称是《胸腺核酸的分子结构》（Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate）　沃森与克里克在论文中提及他们是受到威尔金斯与富兰克林等人的启发，但并未详细说明，也没有致谢。而威尔金斯与富兰克林，则是在论文中表示自己的数据与沃森和克里克的模型相符。富兰克林到了伯贝克学院之后，在约翰·贝尔那旗下工作，开始将X射线晶体衍射技术应用在研究烟草镶嵌病毒（TMV）的结构，并且由农业研究委员会（Agricultural Research Council，ARC）提供资金。1954年，她与克鲁格（Aaron Klug）开始进行长时间的合作研究。1955年富兰克林发表一篇论文，指出所有TMV颗粒的长度皆相同，这个结果与当时著名病毒学者诺曼·皮里埃（Norman Pirie）的想法矛盾，而最后证明富兰克林的结果正确。　1954年之后，她和沃森与克里克之间的关系开始有所改善，沃森一方面成为她在病毒研究上的讨论伙伴，一方面也援助富兰克林的研究经费。富兰克林经常到剑桥大学与克里克讨论研究，并且曾经与克里克夫妇一同到西班牙旅游。后来的几年，富兰克林仍然继续将心力专注在TMV等病毒之上。她的团队在1955年完成了TMV模型。此外她也研究了病毒对植物（包括马铃薯、芜菁、番茄与豌豆）的感染，以及TMV病毒中的核糖核酸（RNA）。

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