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创世新说

2010-03-16 50页 pdf 183KB 17阅读

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创世新说 创世新说 一 明天的太阳 1.奥妙无穷的新技术 当我们走进大小书店或驻足街头书摊时,都会看到排列着各种各样名为 《基因工程》、《分子生物学世界》等有关应用生物工程的书籍;当你打开 电视机或收音机时,常常会看到绚丽夺目、妙趣横生的“遗传工程初探”、 “人与自然”等有关生物工程的画面,听到有关生物工程与人类生产生活等 重大关系的精彩报道。这一切都充分表明了生物工程已成为人们关心的热门 话题。通过各种宣传媒体传播的生物工程的特辑、专辑或讲座,也使人们开 始了解有关的新知识。 正如瓦特发明蒸汽机从而引起十...
创世新说
创世新说 一 明天的太阳 1.奥妙无穷的新技术 当我们走进大小书店或驻足街头书摊时,都会看到排列着各种各样名为 《基因工程》、《分子生物学世界》等有关应用生物工程的书籍;当你打开 电视机或收音机时,常常会看到绚丽夺目、妙趣横生的“遗传工程初探”、 “人与自然”等有关生物工程的画面,听到有关生物工程与人类生产生活等 重大关系的精彩报道。这一切都充分明了生物工程已成为人们关心的热门 话题。通过各种宣传媒体传播的生物工程的特辑、专辑或讲座,也使人们开 始了解有关的新知识。 正如瓦特发明蒸汽机从而引起十八世纪的工业革命一样,生物工程的应 用和发展,也会引起二十一世纪世界工业和经济发展的深刻变革,为人类提 供广泛可以利用又可再生的资源,生产出对生活必不可少的物质和化合物。 人工操纵生命、创造新的生命类型的伟大业绩,将会逐渐成为现实。但是, 到底什么是生物工程呢,让我们先从最基本的遗传变异讲起。 俗话说:“种豆得豆”、“种瓜得瓜”,“龙生龙、凤生凤、老鼠生的 儿子会打洞”,这就是遗传现象。生物把自己的遗传性状相对稳定地传给后 代的特性即为遗传性。由于生物具有遗传性,生物的物种才能得以生存、繁 衍,才能“生儿育女、传宗接代”;同时,人类利用这一特性,为我们的生 产、生活服务。例如养猪生猪,养牛生牛,人们才能吃上美味的猪肉、喝上 可口的牛奶;但是,任何一个物种,亲代与子代之间(如父亲和儿子之间), 子代个体之间(如孪生兄弟或姊妹之间),无论形态结构或生理特性,都不 会完全相同,换句话说,他们之间既相同又不完全相同,这种差异就叫变异。 例如,中国有12亿人口,但没有两个绝然相同的人。所以我们常常听到人们 说:“×××与他爸爸像极了”,可从没听过“他们父子之间像得无法区别” 的说法,即使同卵双生的兄弟亦如此。 应该着重指出的是:遗传的稳定性是相对的,而变异则是绝对的。变异 多半是变坏了的,例如,产量越来越低,原有的优良性状消失等,而变好的 只是极少数,例如产量越来越高,优良性状得到巩固、发展,甚至出现了原 来所不具备的新特点并可遗传给后代。 生物进行遗传和发生变异的物质基础是什么呢?是脱氧核糖核酸(简称 DNA),DNA可以分为很多小的片段,人们通常把每个小片段叫做基因。科学 研究表明:基因能表达出生物的各种性状,像美国人的蓝眼睛、英国人的高 鼻子等等,都是由基因所决定的;一旦基因发生变异,就有可能引起生物的 性状发生改变。 既然生物的遗传和变异是由基因所决定的,那么,人们能否通过改变基 因的方式从而改变或控制生物的性状呢?是肯定的! 七十年代开始迅猛发展的生物工程技术,就是根据前面所说的理论为根 据,企图按照人类设想的蓝图,通过人工操作,以创造新物种的重要途径。 什么是生物工程,它是以生命科学为基础,利用生物体系和工程学原理, 提供商品和社会服务的综合性科学技术。 它以生命科学(特别是遗传学、微生物学、生物化学和细胞学)的理论 和技术为基础,结合化工、机械、电子计算机等多种现代工程技术,充分运 用分子生物学的最新成就,自觉地操纵遗传物质,按照我们的需要,根据我 们设计的蓝图,定向地改造生物或者生物的功能,在短时间内,创造出具有 超远缘性状的新物种,再通过合适的生物反应器(如发酵罐等),对这类具 有巨大潜在价值的新物种,例如“工程菌”或者“工程细胞株”进行大规模 的培养,以生产大量有用的代谢产物或者发挥它们独特的生理功能。 利用生物工程技术,已取得了极大的成功。例如,1982—1983年美国科 学家将一种大型老鼠的生长激素基因分离出来后,转入另一种小型老鼠体 内,于是创造出了人类第一批人工巨型鼠之后,接着又将人的生长激素基因 引入小型老鼠体内,结果产生了一种比未转入人生长激素基因的对照组小型 鼠大 18—100%的巨型鼠,而且引入的这些生长激素基因还能遗传给后代; 利用这种技术,还培育出了比普通猪大50%的大型猪、绵羊猪,人们不仅可 以从其身上得到猪肉、火腿和香肠,而且还可得到优质的羊毛;最近报道, 中美合作在水稻中分离出了一种抗水稻叶枯萎病的基因,如果把这种基因转 移到高产水稻品种中就能得到抗叶枯萎病的新品种⋯⋯更多的令人振奋的成 果,将在后面有关内容中介绍。 可以毫不夸张地说:生物工程,是生命科学中的后起之秀,是一门对人 类福利和社会进步起最大作用的技术,是一门对现代生命科学发展发挥着重 大贡献的技术,是一门充满潜力和美好前景的技术。它像一轮初升的红日, 光芒四射,蒸蒸日上,因此,我们把它比作“明天的太阳”。 生物工程技术的奥秘,对我们具有不可抗拒的诱惑力。但是,我们不能 等待大自然的恩赐,而应采用现代生物工程技术向大自然索取,这是时代赋 予我们的伟大使命! 2.巧夺天工的魔术师 由于生物工程是按照人们预定的目的,设计好生物“蓝图”,在实验室 经过有预见性的、精确而严密的实验过程,通过对生物材料的人工操纵,创 造出人们预想的结果,再通过一系列生物工程的技术,以获得新产品为人类 服务。因此生物工程技术既能解决某些物理或化学手段能够解决的问题,也 能解决某些物理或化学手段不能解决的问题。它所涉及的技术类型多样,主 要有DNA重组技术、基因合成、细胞融合、细胞培养、微生物发酵、分离纯 化和仪器设计等等。 随着科学技术的发展,周边学科的相互渗透,要想简单指出生物工程所 涉及的领域、范围实在是太困难了。是否可以这样说,生物工程,犹如“魔 术师”的手,已伸向各个领域,创造出了魔术般的奇迹。小到日常生活琐事, 大到人类社会日常生活中的重大问题。 如果将生物工程应用于工业领域,则构成了生物工业,如化学工业领域 (包括香料、人造调味品、塑料、纺织品⋯⋯)、能源领域(包括甲醇、乙 醇、沼气、氢气、生物新能源⋯⋯)、生物冶金学领域(细菌冶炼铜、金、 铀⋯⋯)。另有食品、医药、国防、环境保护等等。 生物工程的核心是基因工程,而生物工程的基础则是微生物工程。下面 我们用生物中的微生物为例子,以表解形式(图 1)看看生物工程所涉及的 领域及其与我们的密切关系。 此表解分门别类的表示了微生物通过生物工程技术的系列化人工操纵所 产生的多种多样的物质以及所涉及的各种应用领域。这些产物和所涉及的具 体技术和部门分别有食品工业、制药工业、酶制剂工业、饲料工业、发酵工 业、化学工业、机械工业、基因工业、石油工业、矿业、酿造业、医疗卫生 事业、污水处理、仪表、宇宙开发、计算机等。 值得注意的是,随着生物工程的发展和外延,并与其它高技术汇合,将 会形成某些新的产业。 例如生物信息产业和生物医学产业。生物工程与现代信息技术中的微电 子技术、计算机技术汇合,将会出现一个全新的当代高科技前沿领域——生 物芯片和生物计算机技术。这是一些先进工业国在发展生物电子学方面工业 竞争的焦点;生物工程与现代医学技术、新材料技术汇合,将会出现另一个 当代高科技前沿领域,脑移植技术、人工器官的研究和移植等生物医学产业。 大致情况请见图2。 虽然生物工程前程似锦,但它也可能给人类带来潜在的危险:一是生物 灾害,例如“生物污染”、“生物暴力”、“生物战争”;二是可能会出现 一些当代医学尚无法对付的致病微生物或新物种;另外还涉及到某些社会学 问题,在发展生物技术工程的同时,还应注意与人类优良的伦理、道德、观 念等传统相衔接,例如人的性别控制、借腹怀胎都将逐渐成为可能,甚至人 的无性生殖也会成为现实。这些如果处理得不好就会酿成一系列社会问题。 总之,随着时代的发展,生物工程所涉及的领域将会愈来愈广,与周边 学科、技术相互渗透加速,与人类生存发展的关系也将更加密不可分。 3.千年古木吐新枝 生物工程是一项具有悠久历史和近期突破的新兴高技术。按照人们对生 物物质的认识观察水平,我们大致把它划分为三个阶段:宏观的生物“个体 水平”阶段,这一时期人们对于生命现象的认识仅限于感性和记叙;随后进 入显微的“细胞、亚细胞水平”阶段,人们对生物的结构功能已能进行较系 统深入的研究;从本世纪五十年代以后,科学家开始对生命的本质进行深入 研究并取得了重大突破,从而使生物工程进入了精密定量的“分子水平”阶 段。让我们通过各种实例来看看生物工程的现状。 在我们的日常生活中柴米油盐酱醋茶,衣食住行日用品,几乎都离不开 生物工程。“山西陈醋”、“镇江香醋”、“生抽王”酱油等等调味佐料, “茅台”、“人头马”、“白兰地”等国内外名酒,还有泡菜、豆豉、酸牛 奶、干酪和面包等都是通过微生物工程技术酿制的。“龙井”、“毛尖”、 “碧螺春”等名茶的焙制也离不开生物技术。每天做饭烧的“柴”,实际上 就是一种“生物能源”,随着人们生活水平的提高,广大农村也会丢掉“吹 火筒”,燃起“煤气灶”,即不烧植物秸梗,改用煤或液化气。由于资源有 限,人们正在通过生物工程技术,制造“生物油田”、培育“石油树”等。 谈到穿,大家有目共睹,各种新兴的纺织面料层出不穷,现在人们正在利用 生物工程技术,模仿蜘蛛吐丝一样,研制生产出更多、更好、更美的纺织品。 日常用品的品种则更多,例如塑料包装、塑料用品,它给人们带来了许多方 便,增添了生活色彩。但也给人类带来了困惑,不易分解,被称为“白色垃 圾”,目前人们正在开发应用“生物塑料”,不久,我们就可克服“化学塑 料”的缺点。“民以食为天”,至于每天吃的“大米”,各种“点心”,更 离不开生物工程。 当今人类社会虽已进入信息时代,但是,能源、资源、粮食、人口、环 境等五大危机却严重地困扰着我们。生物工程对于缓和、解决这些重大社会 经济问题,更是休戚相关,“唇齿相依”。 小小的地球,已经超负荷维持着50亿人口的生存。可是,现在人口仍以 1500万/年的速度激增,而人均耕地面积锐减,到 2000年可能只有 1.5亩/ 人,粮食增产却又十分缓慢,致使不少人仍苦苦挣扎于饥饿线上,即使富粮 国家,慢性粮食不足也将成为国家的重要课题。中国是一个农业大国,占世 界7%的耕地却养活了世界21%的人口,的确是一个奇迹。但粮食问题仍是 我国的重大课题。在国家高技术规划中,提出了向生物工程要粮的战略。随 着“绿色革命”之后,将掀起农业上的“基因革命”的浪潮,就是把有用基 因,通过基因“枪”或运载“火箭”等传递到培养的农作物组织、细胞或原 生质体中去,使之能稳定的整合和表达,提高农作物的优良性状、改良品质、 增加产量。目前在大豆、马铃薯、蕃茄、菸草和油菜中都获得了转基因植物, 有的已进行了田间试验。这些转基因植物,具有抗病虫害或抗寒、抗盐碱、 抗干旱等“天不怕、地不怕”而又高产的新特性;“无土庄稼”也崭露头角。 人类所需的各种营养物质,以往主要靠植物、动物来提供,现在正应用 生物工程,以动植物的废弃物质为原料,通过微生物发酵工程,在发酵罐中, 生产出能与动植物蛋白质等相媲美的“微生物肉”——菌体蛋白。由于该技 术不受环境气候条件的影响,这样就能够稳定的、批量的供给人类必需的动 植性的蛋白质。更有趣的是,有人利用发酵罐培养分散的植物离体细胞来获 取一种红色天然化妆品原料或作为外敷药物;有人利用可转化离体培养的棉 花细胞成为纤维细胞,用于生产“棉花纤维”,并可人为控制纤维的长度、 粗细和品质;还有,给每棵植物建造一个“微型氮肥厂”,这也是生物工程 应用于农业的重要课题。 俗话说:“肥多粮多”。当前,各种化肥在农业增产上起了很大作用, 但对土壤生态环境也造成了不利影响,且成本较高。而“瓜与豆间作”或“瓜 与豆轮作”能够提高土壤肥力,这是农民都知道的事实,是我们的祖先早在 2000多年前就总结出来的经验。它实际上就是利用根瘤菌与豆科植物如大 豆、蚕豆等的根系共生,把空气中的氮素固定下来,成为作物的氮肥,从而 提高土壤肥力,即使少施肥或不施肥也能高产。可是很多重要的经济作物, 如水稻、小麦、棉花等却不能与根瘤菌“和平共处”,共生固氮,必须施用 大量氮肥。科学家们正企图通过生物工程技术,将根瘤菌的固氮基因转移到 上述农作物的根系周围大量存在而又不能固氮的微生物或致根瘤微生物细胞 中,或者干脆将固氮基因引入这类农作物细胞中去,给每棵植株都建造一个 “微型氮肥厂”。这种新品种,不但可满足自身肥料的需要,还可在土壤中 积累一定量的氮肥供其它作物吸收利用,据估计,利用该技术所消耗的研究 经费,可能仅为常规法发展氮肥工业以达到同样效果的 1/200以至 1/2000。 真可谓“一本万利”! 另外,利用花粉培养技术和组织培养技术,采用“工厂”或“实验室” 代替“种子田”和“苗圃”,已培育出多种“花粉植株”、“无土种苗”和 “人工种子”等。同时具有土豆和西红柿特点的“土豆西红柿”,白菜和甘 蓝特点的“生物白蓝”等新奇品种也纷纷问世。 畜牧业是农业的一个重要组成部分。利用生物工程,已培养出比普通猪 大一半的大型猪,还有既长高级绵羊毛又有优质猪肉的“绵羊猪”、自动脱 毛的大绵羊等。通过无性繁殖,选择生产能力强的公牛和母牛,可使100头 奶牛的产奶量高于2800头的产量。 医药是生物工程捷足先登的领域,目前已获得了广泛应用,取得了或正 在取得巨大的效益和成果。它将导致医疗科学更深刻的革命。诸如各种疫苗、 医用酶和酶抑制剂、干扰素、抗生素、激素、单克隆抗体⋯⋯。例如能促进 人体生长的生长激素的生产,采用发酵工程技术以后,每450升发酵液中的 含量,相当于6万具尸体所得。 单克隆抗体是近年出现的新药,它是通过细胞融合技术而得到的一种杂 交瘤细胞,该细胞具有只产生一种特异性抗体又能长期增殖的特性,在医学 上可用于精确诊断各种疾病,如心血管疾病、溃疡、感染和卵巢、乳腺、肺、 肝等肿瘤,并可提供高效治疗剂,尤其能制成“生物导弹”。 “生物导弹”又名“药物导弹”,是一种专一性、定向性极强的药物。 大家知道军事上攻击性极强的导弹,主要由运载体和弹头两大部分组成。“生 物导弹”亦大致相同,只是它的运载体是特导性极强的单克隆抗体,而“弹 头”则是对肿瘤细胞有着巨大杀伤力的药物,比如某些致病微生物的毒素、 蛇毒蛋白、相思子毒蛋白等。有的药物不到一毫克便可置人于死地。当这些 药物被制成“生物导弹”后,既可大大减少用药量,又有极强的定向性,专 门攻击癌细胞,尤其对深层肿瘤的治疗更具广阔前景。预计2000年左右将有 一批“生物导弹”投放市场。 能源危机严重制约着社会经济的发展,人类生活水平的提高。生物工程 技术能为缓和或解决这一危机作出贡献。 当今所用燃料主要是煤和石油,由于大量消耗而又不能再生,而且这些 燃料还严重污染环境,因此人类将面临能源危机和严重社会问题。寻找新的 可再生的能源,充分开发利用已有的能量资源,便成为当今科学技术所迫切 关心的课题。目前,科学家正从以下几方面进行研究探讨: 用细菌替代酵母菌而大量生产乙醇,利用基因工程菌,将木屑、纤维和 不能食用的植物“加工”转换为乙醇,其价格比谷物生产的酒精低廉一倍。 例如巴西的石油完全依赖进口,而国内蔗糖过剩,于是就地取材,用甘蔗为 原料来生产乙醇,解决了全国汽车燃料的50%左右;改革传统发酵工艺,利 用固定化技术增殖酵母生产乙醇,其发酵周期还不及老工艺的1/10,不仅提 高了产量,还可减少能量消耗60%。 寻求新能源 现在发现有些植物或微生物蕴藏着极其丰富的可被利用的 新能源。例如:生长于沙漠、干旱地的“石油”树,每年每棵树可产50克“石 油”;海南有一种高大乔木—油楠,一棵15米高的树可流出几十斤“柴油”; 巴西有一种“柴油树”流出的油可作为汽车发动机的燃料;美国有一种名为 霍霍木的种子,含有50%的液体蜡;另有单细胞藻类如丛粒藻含碳氢化合物 量占细胞干重的15—75%;有的细菌,如果在含淀粉和其它营养物的培养基 中培养,每5毫克淀粉便可产优质的能源—氢气5毫升;就是大家都爱吃的 菠菜,其叶绿体进行水光解后也可产生氢气。 利用废水、废渣、生产沼气采用固定化细胞装置,如果每天处理 1万 8 千吨废水便可获得大量沼气,其能量相当于2700吨汽油;在我国广大农村, 利用废水、废渣、人畜粪尿也可生产大量沼气,用作燃料或照明等。 用于石油的第二次、第三次开采,尽量发掘石油资源,提高石油开采量。 生物工程技术除了应用于农业、医药、新能源开发之外,对于控制人口 增长、增强人体健康、延缓人体衰老、新生婴儿保健等方面也将起到不可估 量的作用。现在控制人口增长最基本的方法是使用避孕套、避孕环或服用某 种药物等,这些均有其弊病。现在发现,从细菌中获得避孕药物,有效避孕 期可达一年之久。这一发现,为大量制备细菌避孕疫苗开辟了新的途径,并 为实现免疫性避孕带来了可喜的希望。再如,将生物工程菌引入新生婴儿消 化道,就能防止某些疾病,确保婴儿安康。 生物工程技术在消除污染、净化环境并同时获得大量有用物质等方面同 样有着极大潜力。不少科学家认为:未来的废渣、废气、废水的治理,主要 依靠生物工程技术。 4.明天的太阳更绚丽 “小荷才露尖尖角”,本世纪崭露头角的生物工程已带给人类巨大的福 利,当今世界所面临的能源、资源、人口、环境等巨大的危机都将随着生物 工程的发展而有效缓解。 生物工程的未来是一幅多姿多彩无比广阔和美好的图景。 未来的新能源 长期以来,人类所采用的能源主要是石油、煤和天然气以及铀等。但是 这些资源是有限的。有人曾预测地球上的石油最多还能用100年,煤最多也 只能再用200年。不论此说法是否准确,但是它说明了一个事实,即上述能 源的枯竭在不久的将来将是不可避免的。 自从本世纪70年代世界上接连两次发生石油危机以来,对再生能源利用 的研究已在世界范围内形成了一个高潮。再生能源是指太阳能、水力、风力、 波动力、潮汐、地热和生物体等。它具有资源是无限的、能再生和永不枯竭 的特点,同时使用起来对环境也不会产生污染。 然而其中最具吸引力的是利用生物工程技术将太阳能转换为化学能或电 能,或者说将生物体中贮存的化学能转变成各种液体或气体燃料的化学能。 进行光合作用的生物包括陆地上的和海洋中的,都可看成是连续不断的太阳 能转换器,而且是能反复使用的换能器。 每年地球上来自太阳的能量达8×1023卡,而其中只有 0.05%的太阳能 (即 4×1020卡)经光合作用合成有机物质而积累起来,每年合成有机物的 量为 2×1011吨,这些有机物的总能量是目前全世界消耗能量总和的 70倍。 地球上存在的石油、煤、天然气等也都是由光合作用生成的生物体转化而来 的。 由此可见,利用生物工程对于开发生物资源,解决能源危机,具有何等 重要的意义。未来生物工程的应用将使人类的能源取之不尽用之不竭,并且 使自然环境更有益于人类的生存。 “民以食为天” 随着世界人口的不断增加,人类对粮食的需求越来越大。“民以食为天”, 粮食问题是人类面临的最大问题,生物工程的发展将从根本上解决这一问 题。 据统计,目前世界粮食的增长50%是应用生物工程的成果。利用生物工 程,首先,人们可以培育出高产、高品质的种子:既能防病、防虫、抗干旱、 耐肥,又具有较高的营养价值,贮藏性好,并适于机械收获、减少作业次数、 降低劳动成本。其次,人们还可以培育出既有营养又有好味道的新品种。如 现在已培育出土豆西红柿等。再次,还可以培育出能在沙漠、寒冷地区和盐 碱地等广大未被利用的土地上生长的种子,以扩大耕地面积,适应人口增长 的需要。 利用生物工程,还可以将占空气4/5的氮气固定到土壤中作为肥料。实 际上,现在世界上农作物所需氮肥的80%是由固氮微生物提供的。通过生物 工程固氮可以大大增加肥料,提高农作物的产量。另外,在已有的近百万种 昆虫中,对人类有害的只有200多种,并且大多数有生物天敌,所以可以利 用生物农药代替化学农药,不仅治虫效果好,而且对作物、环境和人畜无毒 害、无污染。 利用生物工程,还可以生产出快速生长的巨型牛、巨型猪、巨型鸡等高 产量、高品质的动物新品种,生产更多的肉、鱼、蛋、奶等。甚至还可以模 拟和仿效牛等动物“吃的是草,挤出的却是奶”的功能一样,进行动物蛋白 的工业化生产。 并且,农业生产和畜牧业生产在未来都可以向工业化发展,像工厂一样 生产动、植物产品。如蔬菜的生产可以进行快速生长、采摘、净化、包装等 一条龙生产线式的生产。 总之,利用生物工程可以大大提高粮食产量,使人类丰衣足食。 “抗癌导弹”及其它生物工程的发展和应用与医药工业发展的关系愈来 愈密切。生物工程可以开发出从自然界和化学合成中无法得到的新药品,或 者大大降低现有药品的成本。医药工业将逐步从化学合成工业过渡到生物工 程工业,使得一些过去十分昂贵只能服务于少数人的药品,变得价廉物美而 服务于所有的人。胰岛素、生长激素、干扰素、疫苗、酶及新的抗生素等都 将在近期获得重大突破。 举例来说:美国治疗一个白血病患者,因所用的药物成本昂贵,要花费 15 000美元,现在应用生物工程技术,使得成本大大下降,只需要花费300 美元,以后的花费还将进一步减少;再如治疗一个侏儒病人所需的生长激素, 因目前只能从死人的脑下垂体中提取,1克的售价为 5 000美元,因此目前 只有 1%的患者能够得到治疗,这一状况也将随着生物工程的发展而从根本 上改观;死亡率较高的心血管病如应用新型尿激酶,给病人带来极大痛苦的 糖尿病如应用新型生物制品胰岛素都将得到彻底预防和根治;另外发病率较 高的乙肝、流行性感冒等,也可由生物工程生产的新疫苗而进行有效的预防 和治疗;再如目前威胁人类健康和生命的癌症也将利用生物工程将单克隆抗 体与极毒的化学药物结合在一起而制造出“抗癌导弹”进行有效治疗。 总之,人类所面临的各种疾病都将随着生物工程的发展而制造出的成本 低、疗效好的新型药物进行良好治疗,使人类免受疾病的困扰。 自然环境的保护神 人类赖以生存的环境,由于人类自身数量的急剧增加和盲目的工业化 等,已造成严重的破坏和污染,并由此使人类遭受着自然界的沉重惩罚。 森林被大量砍伐、许多动植物濒于灭绝;水土流失、土壤贫瘠化、沙漠 化、旱涝灾害不断;酸雨、粉尘频降,气候反常;废气、尘埃充满城市上空; 废物、废水倾入河湖、农田,鱼虾死亡、农田被毁;农作物受到污染,并直 接损害着人类的健康。曾几何时,一些地区天不再蓝、水不再清,再没有鸟 语、花香,疾病却随之滋生。 环境的保护和建设已成为当今人类面临的最严峻的挑战之一。 面对挑战,人类最有力的武器就是生物工程。利用生物工程既能培育和 种植产量高、营养丰富、味道好的优质粮食作物,又能生产大量充足和味美 的动物蛋白质,由此可以充分节约耕地,有效控制森林、牧场等的滥伐乱垦 以保持水土;同时能利用生物工程培育出能在干旱、沙漠、盐碱、严寒等地 带土壤中和各种恶劣自然环境中快速生长的绿色植物,使大地处处披上绿 装;利用生物工程既能不断快速生产可再生的植物,形成无穷无尽的植物资 源,又能将其转化成较干净的燃料如乙醇、氢气等,代替易造成污染且面临 枯竭的石油、煤、天然气等;利用生物工程还将能生产既更有效又对人畜无 害的生物农药,代替现在某些危害剧烈的化学合成农药,减轻对环境的污染; 还能利用生物工程技术取代部分化工合成法进行某些化工产品的生产,减轻 化工合成过程对环境的污染;同时,生物工程将能利用微生物冶炼某些矿石, 以降低现有冶矿工艺对环境造成的污染;生物工程技术也将大大降低燃煤废 气中的 SO2,避免形成酸雨;生物工程对生活及工业废水、废物的处理将既 有效、经济,又能产生出新的有用物质,“变废为宝”。 生物工程在人类赖以生存的环境的保护和建设中将发挥越来越重要的作 用。 二 生物工程的体系 生物工程,充满着无限生机和美好前景的体系,仿佛一座珍藏着无数珍 宝的迷宫,充满了神秘色彩。 它既包括与“上帝”媲美能创造新物种的遗传工程,又包括能随意使生 物变大变小的细胞工程;既包括能使生物反应于刹那间完成的酶工程,又包 括能给人类带来众多福音的微生物工程;既包括在基因工程的基础上“青出 于蓝而胜于蓝”的蛋白质工程,又包括将各类生物工程转化为生产力的生化 工程。 下面,让我们一起走进这奇妙的生物工程体系。 1.与“上帝”媲美——遗传工程 我们生活的这个星球上,生存着亿万种种类各异的生物。它们(包括人 类)从诞生之初便经受着大自然的严格选择。在这个选择过程中,成千上万 的物种灭绝了,而那些经受过长时间变异的积累之后,生理条件与外界环境 相适宜生命力强盛的物种,逐步取代了旧的物种,摇身一变,成为地球的新 主人。与此同时,新的一轮选择又开始了⋯⋯就在这样反反复复、周而复始 的选择与淘汰中,物种把好的结构与功能通过遗传保留了下来,在不断变化 的环境中继续向前发展。 通过遗传与变异积累的自然进化,耗去了生物相当漫长的岁月,一个新 物种的产生往往需要上百万年时间。能不能在一个相对较短的时间内很快地 创造新的生物类型呢?传统的办法是强制不同的生物之间进行杂交,然后从 其后代中选出良种。但是,不同种生物之间的杂交,往往是无法做到的,比 如老鼠和细菌、绵羊和猪之间。 为什么不可以把老鼠的某一个或者几个基因(遗传物质),如胰岛素基 因,安插到细菌的细胞中去,让细菌来生产我们所需要的一些物质呢?这在 一般人看来,简直是异想天开。但是,科学家们并不这样认为,他们很早就 开始致力于这项工作的研究,希望有朝一日,生物学方面的新发现能够使人 类生活得更加幸福。随着分子生物学的迅速发展,生物遗传的分子机制也被 逐步认识。到了本世纪60年代,经过几代科学家的努力,一门崭新技术—— 遗传工程的诞生使这个想法成为了现实。 什么是遗传工程呢?就是把不同生物的遗传物质(基因),在体外进行 人工“剪切”、“组合”和“连接”,使遗传物质重新组合在一起,然后通 过载体(如微生物质粒、噬菌体、脂质体等),转入微生物细胞或者其它细 胞体内,进行繁殖,使所需要的遗传物质在细胞内表达,产生出人类所需要 的产物,或者创造出新的生物类型。通俗地讲,就是把具有某种遗传信息的 基因,用一种比较巧妙的人工方法取出来,然后又用比较巧妙的人工方法把 它“介绍”进另一种生物的细胞里,使那个细胞发生定向的变化,使它能够 依照人们的愿望发挥作用。这就创造出了生物新品种,使生物能够更好地为 人类服务。 要了解遗传工程,首先就得了解什么是遗传物质,怎样获得遗传物质。 因为细胞是生命的基本单位,遗传信息就存在于细胞里,我们先从细胞开始 说起吧。 生命来源于细胞 大自然孕育了数百万种绚丽多姿、形态各异的生物。然而,无论这些生 物如何千差万别,它们都拥有一个最基本的共同特点:都是由细胞组成的(病 毒不具有细胞结构)。 组成生物体的细胞可以是一个,也可以是许多个。由一个细胞构成的生 物体叫单细胞生物,如细菌以及某些原生动物和低等植物。由许多细胞构成 的生物叫多细胞生物,高等动物、植物和人都是多细胞生物。一般来说,多 细胞生物所含细胞数是不固定的,成年人的细胞约有 6×1013个。一个有机 体含有如此众多的细胞,我们就不难想象,一个细胞该有多么微小。 细胞的形状千姿百态、多种多样,有球形、椭圆形、立方形、柱形、扁 平形、棱形、星形、多边形等等,如下图。另外,还有些细胞的形状是可变 的,如变形虫和白细胞。细胞形态的差异,一般是与它们所执行的生理机能 和所处的环境条件有关。神经细胞担任传导刺激的任务,它的胞体高度异化 成树枝状突起,有的突起可长达1米以上,这样就大大增加了它与其它细胞 的接触面;具有收缩机能的肌细胞,多伸展呈细长形或者棱形;彼此相互紧 密连接的细胞(如动物的上皮细胞)多为扁平形、立方形或者柱形;游离细 胞则多为圆形或椭圆形。 构成生物体的细胞,根据其结构特征,可以分为原核细胞和真核细胞两 大类。20世纪 50年代以后,由于电子显微镜的使用和生物学技术的发展, 人们已经逐渐认识到原核细胞与真核细胞的重大区别。原核细胞在进化上处 于较原始的阶段,结构简单,构成的生物种类也相对比较少;而真核细胞在 进化上处于较高级的阶段,结构较复杂,构成的生物种类相对繁多些。 典型的原核细胞——细菌,是遗传工程中的重要宿主细胞。研究和认识 细菌细胞的结构,是分子生物学的重要内容之一。细菌的结构可以分成两个 部分:一是不变部分或者称为基本结构,如细胞壁、细胞膜、细胞核和核糖 体,是全部细菌细胞所共同拥有的;二是可变部分或者称为特殊结构,如鞭 毛、荚膜、芽孢等,这些结构只在部分细菌的细胞中发现,可能具有某些特 定的功能。 构成高等动物体、植物体以及人体的细胞都是真核细胞,它们虽然在形 状、大小和功能上各不相同,但基本结构是一样的,都是由细胞膜、细胞核 和细胞质以及各种细胞器构成的。在植物细胞膜的外面,还有一层细胞壁。 结构和功能相同的细胞紧密地集合在一起,构成动物、植物及人体的各 种组织。各种不同的组织结合在一起行使一定的生理功能,则构成器官(如 植物的根、茎、叶,动物的感觉器官、消化器官等)。各种组织和器官有序 地结合在一起,彼此配合工作,就构成了一个完整的生物有机体。 基因——遗传的基本单位 我们常听说“这孩子长得像他父亲”,表明父亲的某些性状通过某种方 式在子代身上表现了出来,这种现象一般被称为遗传;我们也常听说“这孩 子长得既不像父亲,也不像母亲”,这种说法表明这个孩子具有他的父母所 没有的某些特点,这种子代与亲代存在差异的现象,称为变异。研究遗传与 变异的学科则称为遗传学。 古典的遗传学基本停滞于观察、描述生物性状及从事植物杂交试验方 面。到了1900年,奥地利学者孟德尔发表的遗传学《植物杂交试验》中 的遗传规律被重新证明并为科学家们所接受以后,遗传学的研究便同当时方 兴未艾的细胞学研究相结合,发展到细胞遗传学阶段。1953年,沃森和克里 克提出了 DNA双螺旋结构模型之后,使生物的遗传与变异的研究深入到分子 水平,分子遗传学从此诞生。随着遗传学的不断发展和深入,人们逐渐弄清 了基因的本质并揭示出遗传的机理。从 60年代开始,科学家分离出单个基因 并进行了转移,开始了遗传工程的研究。可见,人类研究生命,目的不仅仅 在于探讨生命的本质,更重要的是为了改造生命,征服自然,造福于人类。 孟德尔从事植物的杂交试验,引进了一种称为遗传因子的东西,即后来 人们所说的基因。但是基因是什么,它存在于细胞中的什么地方,当时科学 家们还无从知道。 到了1940年左右,随着生物学的不断发展,科学家们通过卓有成效的工 作取得大量的实验证据,表明一切生物的遗传物质都是核酸,核酸存在于细 胞核中,而基因就是核酸分子上具有遗传效应的功能单位。科学研究的每一 步发展,都凝结了科学家的毕生心血。虽然有些发现也存在偶然的成分,但 “机遇往往是属于那些有准备的头脑”的人。正是由于这些默默无闻、不畏 艰难的科学家们的辛勤研究,人类社会的科学水平才不断提高。 生物体各种性状的控制,都是通过基因上的遗传密码达成的。在生物个 体的发育过程中,遗传信息经过转录和翻译,使后代表现出与亲代相似的遗 传性状。1958年,克里克提出了 DNA(脱氧核糖核酸)的复制、转录和 RNA (核糖核酸)的转译的中心法则,后来克里克又将中心法则补充。 所谓中心法则是指遗传信息自我复制时是从DNA到DNA;转录时,以 DNA 作为,在酶(一种生物催化剂)的作用下合成 RNA;而转译则是由转录 来的 RNA)顺序决定蛋白质中氨基酸顺序的过程。由于生物体的生命活动过 程主要是通过蛋白质来实现的,所以DNA→RNA→蛋白质的过程,就是生物体 由遗传特征到生命活动特征的表现。 了解了基因和中心法则以后,我们便可以知道,通过改变基因的组合, 便可以改变生物的特征,这就是遗传工程的基础。 遗传工程的实现 遗传工程是本世纪60年代发展起来的一门边缘科学,它综合了生物学、 工程学等许多学科的知识,使用了许多最新实验手段。掌握和发展这门科学 技术,人们就能够更加有效地改造生物,这就意味着人类对自然将会有更大 的自由,人类征服自然界的夙愿将会成为现实。 怎么实现遗传工程呢?或者说,遗传工程的一般过程是什么呢?经过多 年的摸索和总结,科学家们把它分成了三个步骤:基因的获得;载体的选择; 基因的重组和转移。 ①基因的获得 遗传工程是一项非常细致的科技工作。要进行这项工作,科学家们首先 就要进行研究,查明哪些生物含有他们所需要的基因,并且能够取出他们所 需要的基因。如何查明和取出所需要的基因呢?这需要经过无数次科学实 验。这些科学实验的背后,蕴藏着科学家们辛勤的汗水。他们采取各种方法, 选择各种对象进行实验。通过十几年的科学研究,现在至少有两种方法可以 用来获得人所需要的基因:一是从某种生物体中分离出来;二是采用人工的 方法进行合成。 ②基因的分离 核酸分子就像我们常见的绳子一样盘旋缠绕而成链状,一条核酸链上少 则含有几个基因,多则上千个,基因仅仅是核酸分子上的一个小小的区段。 要将基因片段从核酸分子上解离下来,就必须破坏基因片段与核酸分子其它 片段之间的连结,这种连结是依靠核酸分子中两个核苷酸间的作用力——磷 酸二酯键来完成的。很显然,我们不可能像外科手术那样直接进行操作,打 开这种连结。而且也不可能在显微镜——无论是普通显微镜还是电子显微镜 下进行操作。由于基因的分离是在分子水平上进行的,因此,人们借助进行 分子手术的特殊工具——核酸分解酶来获得某一生物的基因片段。 我们知道,在化学中,催化剂能够使一个不能进行或者缓慢进行的化学 反应在较短的时间内迅速完成,而它本身的性质却没有改变。酶就是一种催 化剂,是由有生命的细胞产生的,可以对生活细胞中进行的多种多样的物质 转化起催化作用。核酸分解酶是专门作用于核酸中两个核苷酸间的磷酸二酯 键的。根据酶的作用方式,核酸分解酶可以分成两种:核酸外切酶和核酸内 切酶。 核酸外切酶作用在DNA双螺旋分子末端的单链部分上或者作用在单链的 DNA分子上,从这些部分切下单个的核苷酸。在进行基因分离时,DNA分子片 段可能会产生一些缺口或者受到损伤,有一种连接酶能够专门对这些缺口和 受到损伤的部位进行修补和连接。 核酸是由一个个核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的,每个核苷酸分子由 三个部分组成:核糖、磷酸和碱基。DNA与RNA的区别主要在于核糖的不同, 而不同的DNA(或者RNA)分子总是以它的碱基顺序相区别的。 核酸内切酶专门作用在DNA分子内部的磷酸二酯键上,使核酸分离成更 小的片段——寡核苷酸。不过,它们并不是一遇到磷酸二酯键,就胡乱切割 的,而是选准目标进行切割。也就是说,核酸内切酶这种手术刀并不是通用 的,它们对DNA的切割具有专一性。 图5是几种常用的核酸内切酶和它们所识别的顺序。为了简化,我们用 C、T、A、G表示四种不同的碱基,其中 C与 G、A与 T互补配对。表中的箭 头指向表示对应的核酸内切酶所能断裂的磷酸二酯键。 表中的内切酶 EcoR Ⅰ、EcoR Ⅱ和 Hind Ⅲ切割DNA后,留下的末端有 2~4个碱基长度的单链部分。仔细看一下,我们便会发现,这两个游离的末 端旋转 180°以后竟然完全相同。当它们和被同一种酶切割而成的末端相遇 时,就会由于碱基的互补,而恢复成原来的碱基顺序。因此,在分子生物学 中一般称这种末端为粘性末端(另外还有平齐末端)。这种粘性末端十分奇 妙,在遗传工程中也非常有用。正是根据这一特性,才能把不同来源的 DNA 分子经过同一种限制性内切酶切割以后组合在一起。在遗传工程中,为了能 够获得完整的基因,一般采用切点比较少的,也就是识别顺序比较长的核酸 内切酶。 到这里,也许有人感到疑惑:既然核酸内切酶是由生活细胞产生的,那 么它对于自己细胞内的DNA发生不发生切割作用呢? 不要感到疑惑。核酸内切酶只作用于外来的DNA,即外源性DNA。所谓外 源性DNA,就是说,这种DNA分子不是宿主细胞原有的,它的成分另有特点。 自己细胞所产生的内切酶一般对于自己细胞内的DNA不发生作用,例如EcoR Ⅰ对大肠杆菌中的DNA不能进行切割,如果能够发生作用,岂不等于自杀? 怎样利用核酸内切酶分离基因呢?一般这样进行:从生物体的特定细胞 里取出染色体,用物理的或者化学的方法去除附着在其上面的蛋白质(如果 有蛋白质的话),剩下的就是染色体上的DNA分子。取出了DNA分子以后, 就可以用一定的核酸内切酶来对它进行处理了。经过处理的DNA分子,就在 某些特定的位置上断裂了,由此可以得到DNA碎片或者个别的基因。但是这 不一定是所需要的基因,还需要进行实验。通过一系列的实验来进行分析, 获得人们所需要的基因。 ③基因的人工合成 基因一旦被人们所认识,就不再局限于只有生物体才能制造和提供了。 在实验室里,照样可以人工合成出所需要的基因来。 现在有两种方法可以人工合成基因:人工化学合成和酶促合成。 人工化学合成比较复杂,一般只局限合成比较小的核酸分子。20年前, 有一位科学家用化学方法合成了一种激素基因,由这种基因翻译生成的激素 只含有14个氨基酸残基。这种基因的合成是按照设计要求,由单核苷酸连接 形成寡核苷酸,然后再使两个寡核苷酸片段互补的部分配对,余下的不配对 的单链部分,再与另一寡核苷酸片段配对,就这样按照预先设计连接下去。 连接处单链上的缺口,经连接酶的作用,形成磷酸二酯键。如此,所需要的 目的基因就产生了(见图6)。 酶促合成,指的是以mRNA(信使核糖核酸)作为模板,在反向转录酶的 作用下合成与mRNA互补的 DNA单链,再经过加倍,形成双链 DNA。前几年, 科学家们用小鼠的胰岛素mRNA制成DNA,转移到大肠杆菌体内,从大肠杆菌 中获得了只有高等动物体内才能产生的胰岛素分子。 至此,与传说中上帝可随意创造万物一样,能够定向改造生物、制造新 生命的遗传工程已经完成了第一步。 ④基因运载体的选择 遗传工程中,有了目的基因,那么怎样把它导入受体生物的细胞中去呢? 科学家们设想,有这样一种载体,就像摆渡的船只,把行人从此岸送到彼岸, 它能够自由地出入细胞;还能够被限制性核酸内切酶切去一部分,可以连接 外源性DNA,并将外源性DNA导入受体;并且能够自我复制。 根据这几点设想,科学家们选中了两类运载体:一是病毒(包括噬菌体), 一是细菌的质粒。 病毒是没有细胞结构的寄生物。在寄主细胞以外,它们没有生命现象。 一旦进入寄主细胞以后,它们就开始产生代谢作用了。病毒的基本成分是核 酸和蛋白质,大部分病毒的核酸是 DNA。病毒的核酸是病毒的遗传物质,它 一般位于病毒内部的中央部分,蛋白质包裹在核酸的周围。 在一般人眼里,病毒总是同某些恶性的传染疾病(如流行肝炎、乙型脑 炎、爱滋病)等紧密相连的,人们往往谈“毒”色变,不愿接触它。其实只 要你懂得一些安全防卫知识,病毒就不那么可怕了。科学家们常用它来做各 种实验。 现在常用来作为运载体的病毒是一些温和性病毒,主要有感染细菌的病 毒,即噬菌体。噬菌体也能够侵入除细菌以外的其它生物细胞。 先用化学方法,将噬菌体DNA分离出来,然后使用与切割目的基因相同 的核酸内切酶处理分离出来的噬菌体 DNA,使其产生粘性末端。用这个含有 粘性末端的DNA作为载体,在连接酶作用下,与目的基因进行重组。至于重 组的方法,将在后文中进行介绍。 温和性噬菌体进入受体细胞以后,不会引起宿主细胞中的DNA分解,它 可以跟宿主DNA整合在一起。这样,不管在哪种情况下,噬菌体都可能成为 基因的运载体。 质粒存在于细菌细胞的细胞质中,是独立于染色体、比较小、呈环状的 DNA分子。质粒不是细菌生存所必须的。在细菌体内,它可以独立地复制、 稳定地进行遗传。 作为运载体的质粒,要有能够被核酸内切酶识别并作用的位点,还要有 选择标记。前者比较好理解,只有这样,才能切割产生粘性末端,与目的基 因结合。至于选择标记,是让人们能够知道它是否存在,是否已经进入了受 体细胞以及在受体细胞内的扩增情况。形象地说,就如同在化学反应中用颜 色反应来判断某种化学物质是否存在一样。例如,大肠杆菌质粒PSC101是经 过科学家改造的对四环素具有抗药性的质粒,用PSC101作为运载目的基因的 载体,并将它导入受体大肠杆菌中,在含有四环素的培养基中进行培养。在 正常情况下,大肠杆菌的生长会被四环素抑制或者大肠杆菌被杀死,而有 PSC101存在则不会发生上述现象,从而说明,目的基因已经进入了受体细菌 细胞。 质粒的分离一般是用溶菌酶(一种能分解细胞壁的酶)把细菌细胞壁分 解掉,从中取出内含物,再采用物理的或者化学的方法,把质粒与其它成分 分开,然后用内切酶处理质粒,使它能够与目的基因结合。 ⑤基因的重组与转移 在完成了获得目的基因和选择载体的基础上,接下来就是使制备的目的 基因与运载体结合在一起。这种外源性DNA和载体DNA相互结合的过程称为 基因与载体的重组。由于产生粘性末端的方法有所不同,因此,实施这一过 程的途径,大体上可以分为两种: 限制性内切酶法准备导入受体的外源性 DNA,在限制性核酸内切酶的作 用下,DNA分子两端产生单链的粘性末端。而环状质粒在限制性核酸内切酶 的作用下,开环成链状 DNA,两端也是粘性末端。如果是使用的同一种限制 性核酸内切酶进行处理,则外源性DNA和质粒DNA的粘性末端是互补的。在 连接酶作用下,由于碱基互补配对,两者能够相互“粘合”,成为一个较大 的链状 DNA(两端仍然是粘性末端),而后两端粘合形成一个新组合的杂交 质粒环。可见,这种方法既简单又高效。 人造粘性末端法将所需的目的基因和载体DNA在特定条件下,把一种DNA (如载体 DNA)的两端任意添加数个脱氧核糖核苷(如 dT);在另一种 DNA (目的基因)两端添加数目相等的具有互补碱基的脱氧核糖核苷(dA)。然 后,将两种DNA片段进行混合,由于两者末端含互补碱基的单链,容易实现 DNA重组。 目的基因的质量究竟怎么样呢?是否符合设计要求?这就得看它们在受 体细胞里是否能够执行正常功能,产生预定的基因产物。因此,将目的基因 插入运载体之后,接下来的就是将它导入活细胞受体中,并且让它得以表达, 这个过程称为基因转移。 基因转移的通用方法是:用氯化钙处理受体细胞,提高其细胞膜的透性。 这样只要在低温下进行温育,重组DNA便可以进入受体细胞。不过,即使在 极其严格的条件下,大约在105~6个DNA分子中也才只有一个 DNA分子能够 进入受体细胞。那么,怎样才能知道目的基因是否进入了受体细胞呢?最直 观的方法是利用运载体的选择标记。在前面谈基因运载体的选择时我们已经 对选择标记作了介绍,这里不再赘述。 确定受体细胞中含有目的基因以后,把它分离出来,扩大培养,获得一 定的群体,纯化后提取 DNA,然后对提取出的 DNA进行基因结构分析,鉴定 它与原来的基因是否一样。外源基因能否在新的环境(受体细胞)中正确地 表达,即利用宿主细胞的材料,正确地进行转录、转译,形成有功能的蛋白 质,是关系到遗传工程是否真正有价值的问题。 1.其它生物DNA,受到核酸内切酶作用,产生DNA碎片 2.DNA片段(目的基因) 3.大肠杆菌(受体细胞) 4.质粒(载体) 5.经同一核酸内切酶作用后开环的质粒 6.开环质粒与外源DNA片段形成重组质粒 7.导入重组质粒的大肠杆菌 8.经过增殖形成的大肠杆菌细胞系 9.表达外源基因,产生出所需物质 遗传工程的应用 目前,遗传工程已经成为“应用生物学”中生机勃勃的生长点,它引起 了生命科学的一场重大革命。 通过遗传工程,人类进一步认清了基因的活动规律,深入地了解了细胞 核和细胞质的关系,给遗传病的防治和癌症的攻克提供了新途径。自从1981 年以来,科学家们就开始利用遗传工程,叫细菌来创造人所需要的生物因子, 已经正式投入市场的遗传工程产品有干扰素、生长激素等十多个品种。人类 存在许多遗传病,已有记载的遗传病已经在两千种以上,现在,不少遗传病 如半乳糖血症、糖尿病等已经可以用遗传工程方法进行治疗。癌症是人类的 大敌,每年世界上死于癌症的有400—300万人。一提起癌症,有人甚至感到 毛骨悚然。的确,癌症对人类的健康造成了严重的威胁。癌症的种类很多, 但是它们直接或者间接跟基因有关系。现在,遗传工程已经成为分析癌症病 因的强有力的工具。特别值得一提的是,通过遗传工程的方法,我们知道了 癌细胞可以逆转为正常细胞,例如由一种病毒引起的小鼠肿瘤细胞,在高温 时可逆转为正常细胞。毫无疑问,癌症的治疗已经指日可待。 通过遗传工程,可以利用外源性DNA来定向地创造出生物新品种,控制 生物(甚至人类)的进化方向,使生物更有效地为人类服务。1983年,美国 科学家将菜豆贮藏蛋白基因引入向日葵,形成了自然界从未有过的“向日 豆”;同年,科学家们将大白鼠的生长激素基因注射到小白鼠的受精卵内, 成功培育出所谓“超级鼠”,其体重比一般的品种增加两倍。有关转移外源 DNA到动物受精卵,培育基因转移动物的研究正在蓬勃发展,目前已在猪、 羊等动物上得到表达。可以预料,随着新型运载体的发现,人类创造自身, 与“上帝”媲美将会变成现实。不敢想象到的一些人间奇迹可能会由此出现, “超人”可能会由此真正诞生。 遗传工程在给人类带来幸福的同时,也可能会招致祸害。如在进行遗传 工程的操作时,可能会把致癌基因或者其它基因插入到生物中从而创造出新 的生物。这种有致癌基因的生物或者危险性新物种,如果人为或者不慎从实 验室中逸出,得到扩散,就会成为真正意义上的生物武器,危害人类及其环 境。 2.胜过美猴王的“金箍棒”——细胞工程 金箍棒是传说中龙宫的镇宫之宝,在美猴王孙悟空的手心里,它可大可 小,全凭猴王的兴致!将来,细胞工程学家就像美猴王一样,他可以根据预 定的设计,用细胞工程学的方法,任意地改变或者创造细胞和生物有机体。 早在本世纪之初,科学家们已经能够在实验室中,把人体的细胞取出来, 放在瓶子中进行培养,而且能够从细胞培养物中分离出可以用来治疗不少疾 病的抗生素、疫苗等。 到了30年代末,科学家们开始在植物细胞的试管培养方面取得成功。他 们把单个的细胞从植物有机体中分离出来,将它进行培养和一系列的处理, 这样的一个细胞就可以分化发育,成为一棵植株,而且这棵植株具有母体植 物的全部信息。例如,把牡丹的花粉取出来以后,经过培养,它就可以长成 牡丹苗,成熟以后就能够盛开美丽诱人的牡丹花。这也就是生物学中通常所 说的植物细胞的全能性。 目前,以植物细胞全能性为基础的植物组织和细胞培养技术已经能够培 育各种试管植物一千多种;运用植物的花药培养技术也已经得到多种优良品 种;从未被病毒感染过的植物生产、花卉苗木的快速大量繁殖已经收到明显 效益;体外受精、胚胎培养为植物和动物品种的优化提供了新的途径;由癌 细胞和脾细胞融合而成的杂交瘤,它所产生的单克隆抗体被称为“生物导 弹”,在征服危及人类生命的恶魔——癌症将发挥重大作用。人们将这一门 技术领域称作为细胞工程,它是生物工程的主要组成部分之一。 谈到这儿,我们给细胞工程下一个简单的定义。它就是应用细胞学的方 法,按照我们人类的需要和预定的设计,有目的、有计划地保存、改变和创 造新细胞及其遗传物质,从而产生新的种或者品种。细胞工程在新技术革命 浪潮中占有重要的地位。 实际上,细胞工程只是一个大类,还可以将它分成好几个小类。例如, 拿不同的体细胞进行杂交的,叫做细胞融合;在不同生物的细胞之间更换细 胞器或者细胞核的,叫做细胞器移植或者细胞核移植;将体外受精的卵细胞 拿到体内进行发育的,称为胚胎移植,等等。下面,我们举一些例子,逐一 进行简单介绍。 泡马豆和人造小鼠 也许你不太熟悉这两样东西。它们都是通过细胞融合的方法创造出来的 生物新品种。 多少年来,菜农们梦寐以求自己的菜地里能够生长出这样一种植物:它 的地面以上部分硕果累累,坠满了营养丰富、香甜可口的番茄,而地面以下 部分则结满了贮藏着淀粉、蛋白质等大量营养物质的大土豆。这就是“泡马 豆”(Pomato),它的名称是由马铃薯(Potato)和蕃茄(tomato)的英文 字母字头字尾
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