早在艾弗里的實驗讓世人注意到DNA為「轉化因子」之前，遺傳學家就己經試圖了解遺傳物質——不論它究竟為何——如何能影響特定生物體的特徵。換句話說，孟德爾的「因子」如何影響豆子的外形，使它們變皺或光滑？
第一個線索出現於19世紀和20世紀交替之際，就在世人重新發現孟德爾的研究之後。加羅德（Archibald Garrod）是一位英國醫師，由於在醫學院的學習進展緩慢，又欠缺對待病人的良好態度，因此無法在倫敦的聖巴多羅買醫院（St. Bartholomew''s Hospital）行醫，只能朝研究方向發展。他對一類罕見的疾病特別感興趣，這類疾病共同的顯著癥狀是尿液的顏色很奇怪。其中有一種病症叫黑尿症（alkaptonuria），由於這種病的患者所排出的尿液在接觸到空氣後會變成黑色，因此得名，俗稱「黑尿布症候群」（black diaper syndrome）。儘管黑尿看起來挺嚇人，但黑尿症通常並不會致命，然而隨著黑尿的色素在關節與脊柱逐漸累積後，年老時會出現類似關節炎的癥狀。當時醫學界認為這些病患的尿液是因為腸道細菌所製造的物質而變黑的，但是加羅德卻認為，腸道內沒有細菌的新生兒也會出現黑尿，就表示這種物質是由人體本身所製造的。他推論問題在於人體化學機制的缺陷，以他的說法是「新陳代謝出了錯」，也就是說，這可能是某條生化路徑出現嚴重差錯的結果。
加羅德進一步觀察到，儘管黑尿症病患佔總人口的比例很低，但顯然比較常見於近親通婚的子女身上。到了1902年，他終於可以用重新「出土」的孟德爾定律來解釋這種現象。罕見隱性基因的遺傳模式如下：如果一對堂兄妹各自從同一位祖父母遺傳到黑尿症的一份基因，則他們結婚後生下的子女將有1/4的幾率會得到純合型（homozygous）基因（即同時擁有兩個隱性基因），並在未來罹患黑尿症。加羅德在結合生化與遺傳分析後，推論黑尿症是一種「先天的新陳代謝錯誤」。雖然當時沒有人真的了解他的研究，加羅德仍是第一位在基因與其生理影響之間找出因果關係的人。基因以某種方式控制新陳代謝的過程，而基因出錯（即突變）可能造成代謝路徑發生缺陷。
一直到1941年，比德爾（Gee Beadle）與塔特姆（Ed Tatum）發表了一項熱帶麵包霉的誘發突變研究時，重要進展才出現。比德爾在內布拉斯加州瓦胡（Wahoo）市郊長大，若不是高中科學老師鼓勵他朝其他領域發展，他很可能接掌家族農場。1930年代，比德爾先和以果蠅研究聞名的摩根在加州理工學院共事，再轉到巴黎生物理化研究院（Institut de Biologie Physico-Chimique），努力尋找基因如何發揮影響力，例如如何影響果蠅眼睛的顏色。他1937年來到斯坦福大學後，立即邀請塔特姆加入研究團隊，而塔特姆不顧指導教授的忠告答應了他。塔特姆在威斯康辛大學完成大學與研究所的學業，以牛奶里的細菌為研究主題（在這個乳酪之州，這個研究對象倒是不虞匱乏）儘管與比德爾共事可能會在智慧上有挑戰性，但塔特姆在威斯康辛的教授卻希望他能到乳酪農業領域就業，在經濟上比較有保障。對科學界而言，幸好塔特姆捨棄了奶油而選擇了比德爾。
比德爾與塔特姆發覺，果蠅對他們的研究來說太過複雜，要在像果蠅這麼複雜的生物身上找出單一突變所造成的影響，簡直是海底撈針。因此他們決定研究在各方面都簡單得多的紅麵包霉（Neurospora crassa，一種從熱帶國家的麵包上長出的橘紅色黴菌）。他們的計畫很簡單：釆取先前穆勒研究果蠅的做法，用X光照射紅麵包霉，造成突變，然後找出突變對黴菌的影響。他們追蹤突變影響的方法如下。當時已經知道，正常（未突變）的紅麵包霉可以在含有最簡單養分的基本培養基里存活，靠著這種基本食物，它們可以利用培養基里的簡單分子，以生化方式合成生存所需的較大分子。比德爾與塔特姆推論，能破壞任意一種合成路徑的突變，都會使經過X光照射的黴菌無法在基本培養基里生長；但是，如果提供它們「完整的」培養基，也就是其中包含了生存所需的所有分子，例如氨基酸與維生素，則它們應該能繼續生長。換句話說，即使突變造成黴菌無法合成某種重要的養分，但是只要能從培養基中直接取得這種養分，突變就變得無害了。
比德爾與塔特姆照射了大約5000個樣本，一一試驗它們是否能在基本培養基中存活。第一個樣本存活得很好，第二個也是，然後第三個……一直試到第299個，他們才找到無法在基本培養基中存活的菌株，不過如同預期，它能夠在完整的培養基里生存。第299號菌株成為他們分析的第一個突變菌株，其後又分析了更多。下一步是找出這些突變種喪失的究竟是哪一種能力。或許第299號菌株無法生存，是因為無法合成必要的氨基酸。於是比德爾和塔特姆將氨基酸加入基本培養基，但是第299號仍舊無法生長。會不會是維生素呢？他們又將大量維生素加入基本培養基，這次第299號終於成功生長。接著他們開始縮小範圍，每次只加入一種維生素，然後量測299號的生長反應。加入煙鹼酸，沒反應，核黃素也不管用，一直到加入維生素B6時，第299號才能在基本培養基中生存。X射線對第299號造成的突變，不知何故中斷了製造B6的合成路徑。但這究竟是如何造成的？比德爾與塔特姆知道，這類生化合成過程是由蛋白質酶所控制的，它們會催化合成路徑中個別的化學反應，因此他們認為自己發現的每個突變都會破壞特定的酶。而既然突變發生在基因上，酶肯定是基因製造的。當他們在1941年發表研究結果時，形成了一句流行標語，而它也總結出對基因運作的理解：「一種基因，一種酶。」
由於當時認為所有的酶都是蛋白質，因此大家很快就開始問，基因是否也為不是酶的細胞蛋白質編碼。率先提出基因可能把信息提供給所有蛋白質的，是泡令位於加州理工學院的實驗室。他和學生板野（Harvey Itano）研究血紅素（hemoglobin），這種紅血球中的蛋白質負責將氧氣從肺輸送至新陳代謝活躍的需氧組織，例如肌肉。他們專攻鐮形細胞症患者的血紅素，這種病也稱為鐮形細胞貧血症（sickle-cell anemia），是非洲人常見的基因病變，因此在非洲裔美國人中也很常見。鐮形細胞貧血症患者的紅血球細胞往往變形，在顯微鏡下呈現獨特的鐮刀狀，它們會造成微血管堵塞，使病人極為痛苦，甚至會致命。後來的研究為這種疾病常見於非洲人身上找到合理的進化解釋：由於瘧疾寄生蟲的生命周期中有一部分是在紅血球內度過，因此有鐮形細胞血紅素的人，在罹患瘧疾時，癥狀較不嚴重。人類的進化似乎替一些熱帶地區居民簽下了類似浮士德的魔鬼交易：以承受鐮形細胞造成的痛苦，換取減輕瘧疾之苦。
板野與泡令比較鐮形細胞貧血症患者與正常人的血紅素，發現這兩種分子的差異在於電荷。當時正值1940年代晚期，遺傳學家認為鐮形細胞貧血，是以孟德爾典型的隱性性狀來遺傳的。於是他們推論，鐮形細胞貧血必然是血紅素基因發生突變所引起的，這種突變對血紅素的化學組成造成影響。因此泡令重新修正加羅德所說的「先天的新陳代謝錯誤」，認為有些是「分子疾病」。鐮形細胞貧血正是一種分子疾病。
1956年，英格拉姆（Vernon Ingram）在鐮形細胞血紅素的研究上有進一步的發現，他的研究地點就是我和克里克發現雙螺旋的卡文迪什實驗室。英格拉姆使用新近發展出來的、可以識別蛋白質組合鏈中特定氨基酸的方法，精確找出板野和泡令所謂對分子總電荷造成影響的分子差異。這個差異起因於一個氨基酸：英格拉姆發現，在正常蛋白質鏈上第六個位置的谷氨酸，在鐮形細胞血紅素中被纈氨酸所取代。這確切證明了基因突變（在基因的DNA密碼A，T，G，C序列上的差異）可以直接「對應」到蛋白質上氨基酸序列的差異。蛋白質是生命的活躍分子，它們形成催化生化反應的酶，提供人體主要的構成要素，例如組成皮膚、頭髮與指甲的角質。DNA之所以能控制細胞、控制發育，乃至於整個生命，就是通過蛋白質。但是DNA內的編碼信息（由A，T，G，C構成的分子鏈），如何轉換至蛋白質（即氨基酸鏈）上？
我和克里克發表關於雙螺旋的說明後不久，陸續收到俄羅斯出身的知名理論物理學家伽莫夫（Geamow）的來信。他總是親筆寫信，還會加一些漫畫和塗鴉，有些與內容有關，有些沒多大關係。他在信上的署名總是一個簡單的「Geo」（後來我們才發現它的發音是jo）。他對DNA產生興趣，而且早在英格拉姆確切證明了DNA的鹼基序列和蛋白質的氨基酸序列之間的關聯時，就開始對DNA和蛋白質的關係