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2020-07-31 09:28
什么是“基因工程”?

本文来自公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:邓子新,微生物学家、中国科学院院士,原文标题《4个字》,题图来自:视觉中国


“目前的地球面临着太多考验,有疾病危害、粮食短缺、人口膨胀、生态失衡、能源危机,我们的下一代怎么办?”科学家提出了用“基因工程”力挽狂澜!



我们人类历史上经历了多次的工业革命:第一次的工业革命是1765年以蒸汽机诞生为标志,把我们带进了蒸汽机的时代;第二次的工业革命主要是以半导体为标志,带我们进入了电子时代;第三次的工业革命则是以1946年美国人发明的第一台电子计算机为标志,带我们进入了信息时代。


那时候的计算机,跟我们今天的手机或者手提电脑非常不一样,大小可能要占我们这个房间的1/4甚至更大的空间,重量可能有好几头大象那么重。


但是不管怎么样,这台计算机的诞生把我们带进了信息时代。


那么,第四次的工业革命是一场什么样的革命呢?


1953年Waston和Crick发现了DNA双螺旋结构,可以说是开启了生命科学的新时代,这也是生命科学的这一次工业革命中的开端。


随着DNA双螺旋结构的发现,到了1956年,Arthur Kornberg发现DNA聚合酶,1966年发现氨基酸密码子,1970年发现了限制性内切酶,1975年研究出单克隆抗体,1982年第一个基因工程的药物——重组的人胰岛素被FDA批准上市,到了1983年发明PCR技术以后,我们今天的生命科学和生物产业发生突飞猛进的变化!


1990年,人类基因组计划启动;1997年,克隆的多利羊诞生;本世纪初,人类基因组计划完成,得到了完整的测序结果。



在生命科学的发展过程中,有很多是诺贝尔奖级别的结果,使得今天的生命科学迅猛发展。这是一个全新的时代!


DNA是生命的物质基础


我们回过头来看一看DNA是什么?


从化学结构上来讲,我们把DNA叫做脱氧核糖核酸——是G、A、T、C,4种碱基和核苷酸,再加上糖基组成的双螺旋结构物质。这种双螺旋结构编码了自然界千变万化的遗传现象,可以说是构成了我们生物界无穷无尽的遗传信息之源。



后来,我们了解到DNA实际上是遗传的物质基础,它编码基因转录成RNA,再翻译成蛋白质,这个叫中心法则。


这一个法则使得我们知道基因的作用和意义,基因控制着生物的遗传性状,一个基本的单位控制一个遗传性状,而若干基因构成一个生命体基因遗传信息的总和,我们把它叫做基因组。


DNA除了基本结构之外,还可以进行一些修饰:有的修饰是发生在碱基上,叫做DNA的甲基化。甲基化最初是细菌自我防卫的手段,为了保护自己的DNA不被外来生物的DNA所侵袭,所以给自己的DNA戴一个帽子,它编码了限制内切酶,不切它自己,只切外来的DNA。


后来发现原来这种标记非常的重要,基因的转录、翻译以及基因的表达、调控都受到甲基化的控制,所以出现了一个新的学科,也是得了诺贝尔奖的学科,叫“表观遗传学”。



除了DNA碱基上的甲基化以外,刚才主持人也提到有另外一种修饰,我们叫做“硫修饰”,这也是我的团队攻克了20多年的一个成果,从一个漫不经意、司空见惯、比芝麻还要小的偶然现象,最后阐明是在DNA的结构上有一种新的元素整入到DNA骨架上,我们叫做“磷硫酰化”。


这个磷硫酰化有很重要的生物学意义:可以作为一种全新的细胞防卫反应;也可以抗氧化、抗酸、抗碱、抗压力;可以促进生物细胞的生长……还有新的意义逐步地在发现,所以我的团队现在也还是在这个领域继续开拓着。


硫修饰就是把DNA骨架上五种蛋白合力,把DNA上面的半胱氨酸或者是硫酸根中的硫,从无机的转移到DNA骨架上面,是复制后的一种修饰。



为什么说DNA是遗传物质基础,而蛋白质不是呢?


跟大家分享一个最经典的故事——1944年,阿菲瑞做了一个非常著名的转化实验,他当时分别用蛋白质、DNA等去转化小鼠。结果用蛋白质转化小鼠,小鼠不得病,而用DNA转化小鼠的时候,产生了明显的致病效果。


进一步实验证明,单独用DNA转化时,小鼠会致病;而用DNA酶把DNA切成碎片后,小鼠不致病,这明显地说明是DNA在起作用!(DNA酶是一种蛋白质,它可以使DNA水解成碎片。)


这个实验证明了一个伟大的概念——“DNA是生命的物质基础”,由此现代生命科学揭开了序幕。


DNA编码的斑斓世界


DNA编码了色彩斑斓的生命世界:这个世界有人、有大猩猩,也有小得不能再小的病毒、细菌、真菌,也有完全灭绝的恐龙,我相信它也是DNA编码的,还有可能已经绝迹但是可能仍然存在于泰国的猛犸,俗称长毛象的可爱动物。



有可爱的大熊猫、滇丝猴、有传说中的野人,还有中华鲟这种可爱的鱼。


当然还有植物:像银杏树,珙桐、也就是俗称的鸽子树,桫椤等等。



长寿的龟鳖家族,它们可以本能的遗传繁衍;一些植物可以生活在非常贫瘠的土壤,可以在沙漠、在盐碱地上本能的适应;还有一些植物可以有神经控制的应激反应——像某种植物它可以伸开它的背膀正常的生活,当有昆虫侵扰它的时候,它会把翅膀束起,从而把昆虫包进去,非常的神秘!



所以,我们说DNA是生命之水。


DNA也是祸福之源


DNA的自然恐怖——流行性疾病。世界卫生组织说,这个世纪可能有一百多种流行性疾病,不光是感冒、禽流感、SARS、埃博拉……还有许许多多的疾病,包括早期肺结核等等。



这些疾病严重地威胁人类的生长、生存和发展,这些细菌看起来都很小,但是它们造成的危害,对如今的生物安全和社会安全来说是非常大的问题。



我尤其要提到狂犬病,因为我们国家的发病情况位居世界第二,是死亡率最高的病毒传染病。


狗、猫是很多人的宠物,我们如何找到既防病防害、又饲养宠物的平衡点呢?所以,社会控制必须提上议事日程。


除此之外,还有微生物会引起大约1700多种的植物病害,每年造成数以千万计的农业损失,有水稻纹枯病、小米的赤霉病、玉米的小斑病……包括瓜果蔬菜人参,可以说是不一而足。



还有一些微生物的恐怖,实际上是人为造成的,我们也必须加以认识:包括克隆人、克隆动物,有害的动物和有害的植物,或者是微生物,这些是我们要加以管控的;尤其是基因武器,如果控制得不好,它比核武器有过之而不及!


基因武器的研制,相对来说也不是那么复杂,因为它可以根据现有的一些病原菌,以及一些稀有的、不同民族的基因,民族专一性的一些基因,敏感性的、易感性的基因等,可以很容易制造出来,生产的工艺很简单、生产量又大,没有辐射、没有污染,成本也低。所以说是非常可怕的,而且是人为的。


所以,从这个意义上讲,我们要保护我们民族自己的基因,要保护尤其是那些易感性的基因不被国内外或者恐怖势力所利用。


另外,在今天的社会里还有众多的食品、药品安全问题,如果处理得不好,这是我们人类在自我犯罪,像苏丹红、瘦肉精、地沟油、毒豆芽,还有毒酒、假酒、硫磺姜……等等,这种都是我们人类活动在自己危害我们自己,必须要自我约束、自我管控。


对自然的危害我们可以通过科学的解决,对社会的、人为的危害,我们如何应对?这是包括今天在座的、包括科学家和社会,共同要意识到和认知的问题。


当然,DNA也是财富。


像“根瘤菌”——花生、大豆、苜蓿根部都可以结很大的瘤,这些瘤可以固定空气中许多的氮,它可以产生像硫酸铵这样的肥料,所以不用施肥就可以生长的枝叶繁茂,氮的很大一部分都是靠这种生物固定的。



还有一些细菌——像“假单胞菌”——它可以把寒冷空气中的一些水雾凝聚成雪花,用来来装点我们的江山;还有一些细菌可以在含钙的环境中形成钙的微晶体,可以保护古建筑,这样美丽的色彩实际上都是细菌在这里起作用,形成了微晶体。



“转基因”这个方面,像农业的转基因食品,更是超出了生物自有的一些固有有益性状:保鲜期长的番茄、抗除草剂的大豆,还有抗虫的棉——就是把苏云金芽孢杆菌的Bt基因转进去以后,可以杀死棉铃虫,不要再施什么抗虫的农药。


抗虫的玉米,也是把Bt毒素基因放进玉米里,它可以抗玉米病;还有抗除草剂的油菜;像抗病毒的木瓜,某些蛋白可以克隆到这种木瓜树里边去。


在动物方面,可以工程化凝乳酶,它产生的这种酶可以使牛奶凝固。


还有一些生长激素的基因,可以把它放到牛、马身上,使得他产生更多的、有益的制品。



新一代的基因产品里头,今天可以说是已经形成一个基因—一个品种—一个产业的格局。


跟大家分享个“黄金水稻”的例子。


在非洲很缺乏维生素A,而引起像失明、小儿的一些疾病,而当地的维生素A还不是一个很便宜的药,不是一般人用得起的。


如果把一些产生维生素A的前体,像胡萝卜素,这些基因给它装进去,水稻就可以产生这种前体物质,可以协助合成维生素A,吃了这种水稻可以解决非洲的麻疹、痢疾和双目失明等问题。


还有人工草皮。如今的草皮生长很慢也很低,我想大家进入了一个环境,如果长得像芦苇荡一样,你也不愿意进去。这些转基因的草皮生长慢,不用经常地割草,可以美化我们的环境。


还有像番茄、香蕉这样一些水果,如果把一些蛋白或者DNA整合到里面去,它可以产生像痢疾、肝炎、麻疹这样的一些疫苗,我们吃了这种水果就可以免疫了,就不用再打针、打疫苗。


还有像植酸酶,把这种酶植入到玉米里,可以做成动物的饲料,植酸酶可以在细胞里帮助消化吸收,形成动物所需要的营养。


还有向日葵,把草酸盐氧化酶的基因转到向日葵里边去,可以抗霉菌。


还有,我们可以把像蜘蛛织网的一些基因放到绵羊皮里,子弹都打不穿!


另外,像如今的抗草甘膦的种业里,是把草甘膦的一些抗原基因放进去,形成了一个产业。就说动物、植物都可以进行这种育种,我就不再举这种例子了。



另外,传统的动植物改良方面,可以通过把鲫鱼、鲤鱼的卵取出来,注射到金鱼卵里面去,实际上是把它们的messenger RNA注射到受精卵里,可以形成鲫金鱼和鲤金鱼,这是传统的动物育种。



今天的DNA技术——就是所谓的动物基因工程——可以创造新的物种,改变物种,赋予它一些全新的性状,可以用于动物器官的移植,解决人体某些器官移植时候的不足。


还有些遗传性疾病,我们要了解它是单基因控制的,还是多基因病,然后可以进行基因治疗,包括像癌症、心血管、脑血管、精神病、糖尿病、风湿病,还有免疫性的疾病,血友病,色盲、白化病……等等很多疾病。


遗传性的疾病可以通过知道它的机制、知道它是单基因病还是多基因病,进行追根溯源、进行基因治疗。“换基因”,这是治本的。


生物技术还可以增强我们的健康水平,像疫苗。


另外,我们可以“工程化”某些微生物,本来会产生某种酸破坏幼儿牙齿的釉质,如果这种微生物被改变以后,放到牙膏里去,这种产品就不会有这种破坏作用。对一个微生物的改造可以形成产业的增长点。


我再稍微谈一点药物,像“青霉素”可以说是现代药学的奇迹,尤其在二战期间拯救了成千上万的士兵的生命,在二战在中国战场上青霉素也是比黄金都要贵多少倍。


后来发现很多微生物都会产生,植物也产生一些抗细菌、抗真菌、抗病毒、抗糖尿病、降低胆固醇等等的物质,应用越来越广泛。



今天这个药物的市场经济价值非常之大,药物品种有一百多种,每年的市值300亿以上,整个药物市场占比超过20%。有十余种单品市值超过10亿美金。


解码DNA的天职


我们了解DNA、了解它的利和害。“趋势避害”是解码DNA的“天职”。


如今的地球面临着很多的威胁,人类的挑战很大,能源的危机、资源的危机,食品、药品还有生物物种的消亡……这都给我们人类提出了巨大的挑战。


石化资源开始短缺。化石的资源都是不可再生的,迅速枯竭,而且会产生大量的二氧化碳气体,排放到地球空间中。


又有垃圾焚烧等问题,环境污染越来越恶化。



如今大量的碳资源都不可再生,是指农副产品,没有充分利用。全球每年有1700亿吨的生物质,利用率只有3.5%,如果我们能够把利用率变成5%,比如用它生产燃料代替柴油或汽油,可能会达到全球的石油总量那么多。


我们每年生产的7亿吨秸秆,其中2亿吨被就地焚烧,这种现象要靠农业生物技术来改变它。


如今很多的产品可以通过生物炼制、发展细胞生物工厂来进行生物催化,把可再生的生物生产过程中的副产品,变成能源产品、生物材料、化工产品,比如洗涤产品、化工产品等。



在生物能源方面,可以生产各种不同的液体燃料,比如说乙醇,可以用来替代汽油、生物柴油等,作为柴油和航空燃料的替代品。


但是这些产品也存在着很多问题。比如说,乙醇附加值低、容易腐蚀储存设备、也不能管道运输等等;生物柴油是植物油和天然气、甲醇反应得到的,还存在一些问题,用发酵法生产柴油现在可能是出路。


但是,原料也是我们赖以生存的粮食。2006年美国大肆发展生物油,使得整个的玉米需求量增加,价格上涨76%。


所以,发展的方向是要用微生物的方法来改造代谢途径,用合成生物学的方法,而且要发展种植非粮的原料。



另外,把环境中大量的有毒有害化合物,像二恶英、多氯联苯、多溴联苯醚等等,靠微生物转化成为二氧化碳和水。



人类活动产生的很多垃圾要被焚烧,这种活动要靠人类自己来制约。最终要靠微生物技术来把它降解成二氧化碳和水。



像尼古丁,我们知道对身体是有害的,抑制神经中枢,麻痹心脏,血压升高等等,有一种微生物可以降解它,使得它变成二氧化碳和水。



石油也会污染环境,海边的一些生物一身油,根本就无法生存。


微生物也可以用来进行废水处理、土壤环境的修复等。



现在要构建超级微生物,使它生长快速,把很多降解环境废物的基因整合起来,使它能够对付地球上严峻的污染。


新的疾病不断地出现,我们还要发展“合成生物学的技术”。使得今后生产药物的过程,就跟摆拼图一样,我们把这些基因跟它的化学结构分解成不同的模块,了解清楚这些模块的基因功能,然后像拼图块一样拼出某种臆想的药物。比如,某一个药物改变一个羟基结构,颜色发生变化、功能发生变化。



这都是今后趋利避害的方向,所以说合成生物学是有广泛的前景。


生物学家和工程师联合起来,对生物进行重新布线和编程,若干年以后我们就可以生产更廉价的药,为汽车提供绿色的能源,为治疗癌症等等医学问题提供技术支撑和手段,改变我们生活。


这个世纪确确实实是生命科学的世纪,我们不了解、不理解生命科学,就无法理解这个世纪;不把握生命科学、不解码生命,我们就无法征服、无法改造生命,所以解码DNA趋利避害,是我们的天职和责任,是我们科学家和社会的共同责任!


本文来自公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:邓子新,微生物学家、中国科学院院士

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