DNA生命對科學(xué)和社會(huì)的影響

鄧子新

DNA生命對科學(xué)和社會(huì)的影響

鄧子新

專家簡介：

鄧子新，中國科學(xué)院院士，第三世界科學(xué)院院士。著名微生物學(xué)家。上海交通大學(xué)教授。

一、DNA是生命之水

人類歷史經(jīng)歷了四次工業(yè)革命。第一次是1765年誕生的蒸汽機(jī)，把我們帶入蒸汽機(jī)的時(shí)代。之后進(jìn)入電子時(shí)代，那時(shí)候主要以半導(dǎo)體為主要元件。隨后我們進(jìn)入了信息時(shí)代，以1946年美國發(fā)明了電子計(jì)算機(jī)為標(biāo)志，當(dāng)時(shí)的電子計(jì)算機(jī)非常大，大約是一間半的教室大，有六只大象重。運(yùn)算速度還趕不上我們的手提電腦。但是它非常重要，把我們帶入了信息的時(shí)代。第四次工業(yè)革命把我們帶進(jìn)了生命科學(xué)的時(shí)代，研究生命的現(xiàn)象和本質(zhì)的時(shí)代。這個(gè)時(shí)代是以沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)為標(biāo)志的。從表面上看DNA是簡單的堿基排成無限長的距離，實(shí)際上每個(gè)不同基因編碼都有規(guī)律性的，是有作用的，在細(xì)胞內(nèi)組成雙螺旋立體的結(jié)構(gòu)成為我們今天生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。

隨著沃森和克里克發(fā)現(xiàn)雙螺旋，后面的時(shí)間里生命科學(xué)不斷發(fā)生由量到質(zhì)的變化，這里面有一些標(biāo)志性的成果，比如發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶，氨基酸密碼子，限制性內(nèi)切酶，研制出單克隆抗體，1982年FDA批準(zhǔn)第一個(gè)基因工程藥物重組人胰島素，1983年發(fā)明PCR技術(shù)，90年代啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃，隨之出現(xiàn)克隆羊，到這個(gè)世紀(jì)初期人類基因組測序完成，真正使得我們今天進(jìn)入高速發(fā)展的生命科學(xué)世紀(jì)。

在生命科學(xué)的發(fā)展歷程中，人類如何證明是D N A，而不是蛋白質(zhì)，是遺傳因子呢？今天看來非常簡單，用蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化小鼠，蛋白質(zhì)不能使小鼠得病，而用DNA轉(zhuǎn)化小鼠的時(shí)候小鼠得病了，用DNA加上蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化小鼠，這時(shí)候也致病了，如果把DNA切斷后轉(zhuǎn)化小鼠又不致病了。所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了DNA是致病的重要遺傳因子，也就是物質(zhì)的基礎(chǔ)。隨后證明基因是一個(gè)個(gè)小片斷或者大片斷DNA構(gòu)成的，編碼了生物體的遺傳現(xiàn)象，儲(chǔ)存了現(xiàn)在生物群無窮無盡的遺傳信息資源。作為一個(gè)人來講，個(gè)別的基因編碼了我們的性格，說、笑、眉毛、眼睛，無數(shù)基因的組成構(gòu)成了我們今天的基因組，是生命遺傳物質(zhì)信息的組合構(gòu)成了基因組，就是DNA在決定著我們的細(xì)胞。今天這個(gè)社會(huì)可以看到DNA編碼了色彩斑斕的生命世界，這個(gè)世界有人，有大猩猩，有熊貓，還有小的不能再小的病毒、細(xì)菌、真菌，今天這個(gè)多姿多彩的世界無一不和DNA有關(guān)。

二、DNA是禍福之源

DNA是生命之水，但是DNA也是禍福之源。跟我們生活息息相關(guān)的流行性疾病，比如說非典、禽流感、甲流，早期的肺結(jié)核，早已成為威脅人類健康的最大威脅之一。這些疾病可以通過微生物介導(dǎo)，可以通過空氣傳播，通過血液傳播，通過水、食品傳播。這些微生物了不得，諸如艾滋病病毒，狂犬病、肺結(jié)核細(xì)菌，SARS、禽流感、H1N1等等，這樣的病毒威脅著我們的生命。社會(huì)安全、公共安全與我們對這些微生物的防控是息息相關(guān)的。還有一些社會(huì)活動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生疾病，如狂犬病是死亡率最高的病毒性傳染病。狗是一種寵物，但是如果我們管理不好，可能會(huì)帶來一些社會(huì)公共安全問題，現(xiàn)在我們國家狂犬病的發(fā)病率位居世界第二。不光對于動(dòng)物，還有些微生物會(huì)引起植物的病害。有1700多種植物會(huì)患由于微生物引致的農(nóng)業(yè)病害，像水稻、小麥、玉米、棉花，還有一些像蔬菜、水果、煙草、人參等許許多多的植物病害。這些病害影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也影響了我們的生活健康，直接或者間接地影響到我們。比如說水稻的病害，每年造成水稻面積的15%以上都感染病害。這些都是微生物，本質(zhì)都是DNA所造成的侵害。

同時(shí)DNA還有人為的恐怖，剛才說的是自然引起的，當(dāng)然有些與人有關(guān)系，但是還有一些是明顯的人為恐怖，比如說克隆人，克隆其他有害動(dòng)物、農(nóng)作物或微生物。第二方面像基因武器。基因武器通常是利用人類不同的人種，或者種族之間的差異。我們跟大猩猩、跟熊貓、跟豬相比，90%以上的基因都是一樣的，有時(shí)可能就是百分之一點(diǎn)多的差異造成種族之間的差異，這個(gè)如果受到攻擊，可能就使我們面臨某種基因武器的威脅?；蛭淦魇菤⑷瞬灰娧绻貌坏娇刂颇承┓矫姹群宋淦饔羞^之而無不及。而且這樣的武器生產(chǎn)規(guī)模小，但是快速、產(chǎn)量高，沒有輻射，也沒有煙火，很難檢測。成本很低，殺傷力強(qiáng)，無特殊傷口，難以及時(shí)搶救。沒有特殊標(biāo)記，也難以隔離。只有少數(shù)研制者知道其遺傳密碼，所以防控是非常困難的。這種情況下，科學(xué)和社會(huì)面臨另外的一個(gè)任務(wù)是發(fā)展以毒攻毒的反基因武器，發(fā)現(xiàn)和保護(hù)我們的種族特異性和易感性基因。這種科學(xué)研究是任重道遠(yuǎn)的。

DNA不光有自然、社會(huì)、人為的威脅，同時(shí)它也是財(cái)富，像豆科植物，花生、大豆、木薯，可以形成很大的瘤子，這個(gè)瘤子可以固定空氣中游離的氮?dú)?，像工廠里面生產(chǎn)出來的硫酸銨，只有氨態(tài)的氮才能被植物吸收，根瘤菌固定了自然界生物固氮總量的一半以上，這是為人類造福的生物。另外還有轉(zhuǎn)基因的產(chǎn)品，通過轉(zhuǎn)基因可以產(chǎn)生保鮮期長的番茄、抗除草劑的大豆，可以產(chǎn)生抗蟲棉，主要是Bt毒素殺死棉鈴蟲，還可以產(chǎn)生抗蟲的玉米，抗除草劑的油菜，抗病毒的木瓜。還可以通過凝乳酶把奶制品凝聚起來，同時(shí)通過動(dòng)物生長激素的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移到牛、羊身上去。這些都是轉(zhuǎn)基因的動(dòng)物和植物產(chǎn)品，可以有抗蟲、抗病、保鮮的作用，這些都是好的方面，我們要加以利用。像這樣的產(chǎn)品在不斷的產(chǎn)生，例如黃金水稻，尤其在非洲是很缺乏維生素A的，一般的民眾也買不起藥物補(bǔ)充維生素A，如果能夠產(chǎn)生維生素A含量高的水稻，吃了這種大米就可以使得很多非洲小孩減少失明、痢疾、麻疹等疾病，這就是為什么這種水稻稱為黃金水稻。另外，比如草皮，我們在很多環(huán)境優(yōu)美的地方看到的那種矮矮的，既抗蟲、又生長緩慢的就是通過轉(zhuǎn)基因方式得到的。另有一些痢疾、肝炎、麻疹蛋白，可以賦予植物某些功能，人吃了這種轉(zhuǎn)基因植物就可以不用再注射抗體，也不需要注射疫苗了。還有向日葵，可以把草酸鹽相關(guān)的基因轉(zhuǎn)入向日葵里面得到抗霉病的植株；生物防彈衣，可以把蜘蛛一些基因轉(zhuǎn)入到山羊皮里面去，提高它的堅(jiān)韌性，又輕巧而不笨重；至于魚，通過DNA改造，可以使魚快速的生長，既美味，又提高它的營養(yǎng)價(jià)值。這些都是DNA技術(shù)帶入我們的生活，使得我們的生活更加幸福。

動(dòng)物方面，我們可以通過驢和馬雜交產(chǎn)生騾子，可以把金魚和鯉魚雜交以后產(chǎn)生鯉金魚。同時(shí)利用現(xiàn)在的基因技術(shù)，還可以改變物種，賦予新的形狀，用于器官移植。我們用動(dòng)物生產(chǎn)人的某些器官，解決器官方面的資源短缺。我們可以找到單基因、多基因病，為一些遺傳病找到新的治療方法，可以改變或延長我們的壽命?，F(xiàn)在生物技術(shù)與人的生活質(zhì)量有很大關(guān)系，我們可以把一些微生物通過工程化的操作，得到一些產(chǎn)品添加到牙膏里面，用這種牙膏來刷牙，可以保護(hù)牙齒、潔凈牙齒。這些都是通過DNA技術(shù)可以完成的。另外一方面還有微生物藥物，青霉素堪稱上世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，小小的分子在二戰(zhàn)期間拯救了成千上萬的生命。后來發(fā)現(xiàn)這類藥物抗細(xì)菌、抗真菌、抗病毒、抗糖尿病、抗癌癥等等，功能越來越多，很多的廠家可以生產(chǎn)這樣的藥物。但是微生物藥物生產(chǎn)的過程也受到了DNA的影響，微生物病毒，如噬菌體，會(huì)在藥物生產(chǎn)過程中用基因DNA進(jìn)行“搗蛋”，把微生物感染了。所以微生物是非敵非友，有些時(shí)候是我們的敵人，有些時(shí)候是我們的朋友，我們要處理這種“搗蛋”的，要弘揚(yáng)這種為我們造福的。

D N A技術(shù)市場規(guī)模和經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大，僅藥物這一項(xiàng)，品種就達(dá)100多個(gè)，全球市值超過300億，我們國家占市場份額20%，有十余種單品市值超過10億，所以市場經(jīng)濟(jì)價(jià)值非常巨大。從這個(gè)意義上講，DNA可以給我們帶來財(cái)富。

三、趨利避害是解碼DNA的天職

DNA是生命之水，也是禍福之源，如何趨利避害是我們解碼DNA的天職。今天這個(gè)社會(huì)面臨很多威脅，如疾病的危害、糧食的短缺、環(huán)境的污染、人口的膨脹、生態(tài)平衡遭到破壞、能源危機(jī)、資源匱乏，以及生物物種的消亡等。繁花似錦的世界中，危機(jī)時(shí)時(shí)可以看到。地球化石資源短缺，環(huán)境日益惡化，有很多都是人為的，化石資源是不可再生的，三廢的排放使我們的生態(tài)面臨威脅，造成環(huán)境危機(jī)。當(dāng)然也不排除有些是自然的損害。

在能源危機(jī)方面，今天的生物質(zhì)資源，不像煤炭資源、石油資源是不可再生的，生物資源是我們可以加以培養(yǎng)的，是可以繁殖的，這是可以再生的資源，像木質(zhì)素、纖維素、碳水化合物等等。全球年產(chǎn)1700億噸生物質(zhì)，如果有5%的利用率，相當(dāng)于目前全球石油利用的總量。我國每年有7億噸秸稈，其中2億噸被就地焚燒，每年有2億多萬噸林地廢棄物沒有被利用。這些生物質(zhì)資源是生命科學(xué)要解決的環(huán)境資源問題。今天發(fā)展生物煉制，發(fā)展細(xì)胞工廠技術(shù)，就是要把這些可再生的秸稈，甚至垃圾，通過細(xì)胞工廠產(chǎn)生各種能源、生物材料、化學(xué)品，像燃料、電、熱、產(chǎn)品等等，變廢為寶。今天已經(jīng)有一些上市的產(chǎn)品了，像燃料酒精、生物柴油。生物乙醇本來是用來代替石油的，但是由于附加值比較低，也容易腐蝕儲(chǔ)存設(shè)備。生物柴油也并不是很理想，是通過天然氣、甲醇反應(yīng)得到的。這兩種產(chǎn)品雖然都是生物質(zhì)的，可以豐富今天生物資源的不足，但是價(jià)格昂貴，而且兩種燃料主要以糧食為原料生產(chǎn)，與民爭糧，與民爭地。2005年由于美國發(fā)展生物燃料，用了大量的玉米，結(jié)果全球玉米價(jià)格瘋長一倍。這些原料都是我們賴以生存的糧食。像80升純乙醇可以灌滿一輛大型越野車，要消耗220公斤玉米，其提供的熱量足以滿足一人一年的生活所需。所以我們要尋找新的生產(chǎn)生物乙醇的原料。我們要把能源作物向菊芋、木薯、甘薯、甜高粱等種類轉(zhuǎn)移，這是自然界沒有充分利用的。像玉米、水稻，大麥、小麥、高粱等的秸稈，還有一些木屑等等，如果利用這些做原料生產(chǎn)乙醇、汽油、柴油，我們就有了再生的能源可能性，這是一些非糧原料。發(fā)展方向還可以改造微生物脂肪酸代謝途徑生產(chǎn)先進(jìn)柴油，現(xiàn)在已經(jīng)有這種技術(shù)了，就是通過生物的發(fā)酵，用微生物生產(chǎn)柴油、汽油。

此外，我們需要趨利避害，環(huán)境當(dāng)中有很多有毒有害的微生物，像二噁英、多氯聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚。焚燒垃圾會(huì)產(chǎn)生很多有毒有害的物質(zhì)，是損害我們生命的。

相對應(yīng)的我們可以用微生物降解環(huán)境污染物，使得我們的環(huán)境得到凈化。微生物不要看它小，但是它神通廣大。尼古丁是一個(gè)有害的化合物，會(huì)抑制中樞神經(jīng)，麻痹心臟，使血壓升高，我們可以通過尼古丁降解菌，使之變成一些水、二氧化碳，甚至一些化學(xué)的中間體為我們所用。還可以用微生物降解石油，比如說海域被污染了，生命受到迫害，我們可以通過降解石油的微生物，使得海域得到清潔、恢復(fù)自然。而且今后還可以合成人工超級(jí)生命—理想微生物，把這些微生物放到環(huán)境垃圾里面，臭味、異味可以被消除，有毒有害物質(zhì)被降解，使之變成二氧化碳和水。藥物方面，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)新藥越來越難，科學(xué)家面臨的難題是很難再找到新的藥物，微生物能夠找到的早就找到了，而疾病在不斷的增多。怎么辦呢？我們要通過DNA的結(jié)構(gòu)改造，通過對基因作加減乘除的方法，來改變化合物的結(jié)構(gòu)。尤其是今后合成生物學(xué)的發(fā)展，可以把不同來源的生物基因加在一起，形成新的、更高層次的，具有更大能力、超強(qiáng)能力的新的生物功能。生物學(xué)家和工程師聯(lián)合起來對生物體進(jìn)行重新布線和編程，數(shù)年以后我們可以生產(chǎn)更廉價(jià)的藥物，為汽車提供綠色能源，為治療癌癥等醫(yī)學(xué)難題提供新手段，最終改變我們的生活。

21世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)，不理解生命科學(xué)就無法理解這個(gè)世紀(jì)，不掌握生命科學(xué)就無法把握挑戰(zhàn)和機(jī)遇，以DNA為源頭的生命科學(xué)正迅速改變著我們的生活，揚(yáng)長避短、趨利避害是科學(xué)和社會(huì)的共同責(zé)任。使得生物更多的成為我們的朋友，是敵人的我們要抑制它，這是我們科學(xué)和社會(huì)共同的責(zé)任。

鄧子新，1982年畢業(yè)于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)微生物專業(yè)，1987年獲英國East Anglia大學(xué)分子微生物學(xué)博士學(xué)位。2006年起任國際工業(yè)微生物遺傳學(xué)組織專家委員會(huì)（GIM-IC）委員，現(xiàn)兼任《Chemistry & Biology》、《Applied & Environmental Microbiology》等數(shù)個(gè)國內(nèi)外刊物副主編或編委會(huì)成員。

主要從事放線菌遺傳學(xué)及抗生素生物合成的生物化學(xué)和分子生物學(xué)研究。其研究領(lǐng)域涉及微生物農(nóng)（醫(yī)）藥的高新技術(shù)研究，鏈霉菌質(zhì)粒和噬菌體的分子生物學(xué)，DNA復(fù)制調(diào)控、限制和修飾系統(tǒng)，微生物代謝途徑、代謝工程及次生代謝產(chǎn)物的生物化學(xué)非天然抗生素藥物創(chuàng)新的基因工程等。先后共主持40余項(xiàng)國家級(jí)和國際合作項(xiàng)目，已在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表100余篇研究論文。

先后獲得國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、上海市和農(nóng)業(yè)部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、“瑞典國王Baudouin獎(jiǎng)”等。蟬聯(lián)2005、2006年中國高校十大科技進(jìn)展,獲評《環(huán)球科學(xué)》2007全球十大科學(xué)新聞。1990年以來，相繼被授予國家級(jí)有突出貢獻(xiàn)的專家、霍英東基金會(huì)“青年教師獎(jiǎng)”、首屆“中國青年科學(xué)家獎(jiǎng)”提名獎(jiǎng)、首屆國家杰出青年科學(xué)基金、“中國青年科技獎(jiǎng)”、“上海市十大科技創(chuàng)新英才”、上海市科技領(lǐng)軍人物、上海市勞動(dòng)模范、全國五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)隆⑷珖冗M(jìn)工作者等。