基因工程

編者按

2015年8月3日，《知識(shí)就是力量》雜志非常榮幸邀請(qǐng)到了中國(guó)科協(xié)副主席、書記處書記陳章良，聊一聊基因工程在生活領(lǐng)域的最新應(yīng)用成果和發(fā)展前景。

陳章良是我國(guó)著名的生物學(xué)家之一，也是我國(guó)很早的一批轉(zhuǎn)基因科學(xué)家。他在分子生物學(xué)和農(nóng)業(yè)基因工程等領(lǐng)域都取得了豐碩的科研成果，是我國(guó)首位因此獲得聯(lián)合國(guó)教科文組織青年科學(xué)家獎(jiǎng)的人。

基因工程是20世紀(jì)70年代醞釀出的一項(xiàng)新技術(shù)。它也被很多人稱為生物工程，有些地方（如我國(guó)臺(tái)灣）還稱作生命技術(shù)。

人類發(fā)現(xiàn)，通過(guò)基因工程我們幾乎能跨越物種，實(shí)現(xiàn)任一生物基因的改良或轉(zhuǎn)移工作?；蚬こ套哉Q生以來(lái)，短短的幾十年間，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域，展示出了強(qiáng)大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景，它能夠使人類未來(lái)的生活更加美好。

當(dāng)年，美國(guó)有一批科學(xué)家率先開始了生物體內(nèi)基因的拼接工作，并提出了基因工程的概念。它是指人類通過(guò)一種像手術(shù)刀似的生物酶，將一個(gè)生物體內(nèi)控制遺傳性狀的某一段基因準(zhǔn)確地剪下來(lái)，再拼插到另外一個(gè)生物體內(nèi)的DNA中，使得這種生物體有新的遺傳性狀，這一過(guò)程就叫基因工程。整個(gè)過(guò)程像一個(gè)系統(tǒng)工程，但我們?nèi)庋蹍s無(wú)法看到酶在工作，雖然它確實(shí)能發(fā)生。

這一發(fā)現(xiàn)令人十分激動(dòng)，人類終于可以切割、拼接DNA了。試想，人類可以拼制出一個(gè)新的生物體，這是一件多么神奇又令人驚訝的事?。?/p>

醫(yī)學(xué)上基因工程應(yīng)用捷足先登

基因工程最早的商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域是醫(yī)學(xué)。人類最先研究成功的有重大商業(yè)價(jià)值的是基因工程胰島素。

眾所周知，糖尿病患者要定期注射胰島素。人類最早的胰島素是從豬、狗等動(dòng)物胰臟中提取的，過(guò)程比較麻煩且研制的藥物也很貴。可能很多人會(huì)想問(wèn)，為什么要從動(dòng)物體內(nèi)提取胰島素，能不能用人類自己的胰島素呢？后來(lái)這一設(shè)想通過(guò)基因工程的方法實(shí)現(xiàn)了。

科學(xué)家將人的胰島素基因克隆出來(lái)，拼到某種細(xì)菌或酵母里。它會(huì)不斷地繁殖生成更多帶有人胰島素基因的新生物體，再?gòu)倪@些新生物體中將人的胰島素蛋白質(zhì)提取出來(lái)，制成能注射的胰島素，這個(gè)試驗(yàn)成功后便得到了廣泛應(yīng)用?；蚬こ桃葝u素的誕生，為全世界的糖尿病患者帶來(lái)了福音。人類終于能用上更安全、更便宜的胰島素了。

此外，基因工程也被用于生產(chǎn)疫苗，這類疫苗目前已在醫(yī)學(xué)上被廣泛使用?；蚬こ躺a(chǎn)的疫苗不是來(lái)源于整個(gè)病毒，只是病毒中的某一段蛋白質(zhì)。但是，人的免疫系統(tǒng)會(huì)把這段蛋白質(zhì)當(dāng)成病毒一樣來(lái)處理，會(huì)迅速啟動(dòng)免疫系統(tǒng)攻擊它，產(chǎn)生對(duì)抗此病毒的抗體。

目前國(guó)內(nèi)的乙型肝炎疫苗，基本上都是用基因工程的方法生產(chǎn)的，國(guó)內(nèi)有好幾家工廠在生產(chǎn)。我們今后也會(huì)針對(duì)更多的病毒，生產(chǎn)出更多的基因工程疫苗。

基因抗癌藥物成新“救星”

近幾年，基因工程制藥業(yè)發(fā)展得很快，尤其是抗癌的新導(dǎo)向藥物?，F(xiàn)在國(guó)際上廣泛使用的此類藥物已經(jīng)超過(guò)了20多種，可治療肝癌、肺癌、直腸癌、乳腺癌等，還有最近才有的治療皮膚癌的藥物?？茖W(xué)家們都在集中精力，研制這些基因工程的抗癌藥物。

比如基因工程治療肺癌的藥，終于有了一個(gè)巨大的突破。這種導(dǎo)向藥物注射到肺癌患者體內(nèi)后，能在肺部識(shí)別出肺癌細(xì)胞并殺死它，但不會(huì)傷害其他正常的細(xì)胞。我們稱之為基因工程導(dǎo)向藥物，它能夠像導(dǎo)彈一樣專門識(shí)別癌細(xì)胞，然后再攻擊它們。肺癌患者用這種藥物替代傳統(tǒng)的化療方式，就能避免掉頭發(fā)、嘔吐、免疫系統(tǒng)損壞、身體機(jī)能衰弱等問(wèn)題。

目前，世界上有不少于40種的抗癌癥的導(dǎo)向藥物正處于臨床試驗(yàn)階段。我們驚喜地發(fā)現(xiàn)：人類終于慢慢接近全新的抗癌領(lǐng)域了，即只消滅癌細(xì)胞，不損害正常的人體細(xì)胞。相信在未來(lái)的醫(yī)藥領(lǐng)域，這類基因工程的抗癌藥物，將成為全球癌癥患者的新“救星”。

我曾走訪了北京、天津、上海、蘇州、無(wú)錫、廣州、深圳等城市，發(fā)現(xiàn)有一大批科學(xué)家正夜以繼日地做著抗體藥物試驗(yàn)。他們?cè)跒檠兄苹蚬こ虒?dǎo)向藥物而努力。因?yàn)榘┘?xì)胞有不同的類型，每種癌細(xì)胞都需要有針對(duì)性的抗體來(lái)識(shí)別它。所以，科學(xué)家們只能一個(gè)一個(gè)地去尋找，一個(gè)一個(gè)地去攻克。

人類的偉大之處在于，在面對(duì)疾病時(shí)，學(xué)會(huì)了制藥對(duì)抗疾病。SARS出現(xiàn)后，我們研制出了SARS疫苗；兇猛的埃博拉病毒也得到了有效控制。我相信有了基因工程后，有朝一日我們也能研制出抗艾滋病的疫苗。

基因工程在醫(yī)藥方面得到了有效應(yīng)用。這個(gè)領(lǐng)域，誰(shuí)先研制出某一藥用基因，誰(shuí)就擁有這個(gè)專利，就可以生產(chǎn)這一類醫(yī)用藥物，就能創(chuàng)造出巨大的社會(huì)財(cái)富。

人類的全部基因測(cè)序工作已完畢，未來(lái)的基因工程制藥領(lǐng)域，將會(huì)發(fā)展得特別快，成為一個(gè)重要的高科技領(lǐng)域。

DNA，即脫氧核糖核酸（Deoxyribonucleic acid），它是一種分子。DNA是染色體的主要化學(xué)成分。DNA可組成遺傳指令，以引導(dǎo)生物發(fā)育與生命機(jī)能的運(yùn)作，其主要功能是長(zhǎng)期性的信息儲(chǔ)存，可比喻為生物發(fā)育和運(yùn)作的“藍(lán)圖”，而基因是帶有遺傳信息的DNA片段，是遺傳的基本單位。

基因工程與“綠色農(nóng)業(yè)”

20世紀(jì)80年代初我在美國(guó)留學(xué)，參與最早一批科學(xué)家研發(fā)轉(zhuǎn)基因植物。自從80年代初世界上第一株轉(zhuǎn)基因植物研發(fā)成功后，這個(gè)技術(shù)發(fā)展很快。目前全球有超過(guò)20億畝地種植轉(zhuǎn)基因作物。主要有含抗除草劑轉(zhuǎn)基因的大豆、含抗錦鈴蟲轉(zhuǎn)基因的棉花等，這能大大減少農(nóng)藥的噴灑工作，使我們的農(nóng)業(yè)更加“綠色”。

我國(guó)90%以上的棉花是基因工程棉花，這些棉花的基因中含有抗棉鈴蟲的毒蛋白基因，能夠毒死棉鈴蟲。這種毒蛋白只能毒死某一種特定的害蟲。目前國(guó)外的大豆，絕大多數(shù)是基因工程大豆。這些大豆的基因中含有抗除草劑的基因，除草藥噴上后草死了，大豆能抗藥卻不受影響。這都是基因工程在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。

目前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，全球已有的基因工程作物包括大豆、玉米、小麥、油菜、棉花、木瓜等。最近美國(guó)又剛剛批準(zhǔn)了一種基因工程的蘋果。基因工程在未來(lái)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域還會(huì)繼續(xù)發(fā)展，會(huì)有抗鹽堿、抗寒、抗旱以及提高質(zhì)量的基因工程農(nóng)作物，其應(yīng)用前景非常廣闊。

基因工程拯救了木瓜

你們知道嗎，木瓜曾面臨過(guò)嚴(yán)重的災(zāi)難。當(dāng)年夏威夷流行著一種番木瓜環(huán)斑病毒，它就像人類的艾滋病一樣，是非常怪的一種病毒。它通過(guò)帶這種病毒的蟲傳播，蟲只要吃一口木瓜或木瓜葉，木瓜就感染上病毒了。這種病毒傳播迅速，來(lái)勢(shì)兇猛，迅速摧垮了夏威夷的木瓜產(chǎn)業(yè)。

很快，這一病毒又感染了臺(tái)灣的木瓜，然后是海南島的木瓜。你會(huì)看到各地的木瓜葉片上，都出現(xiàn)了一圈圈白白的斑紋，一個(gè)個(gè)青青的木瓜也有了這種斑點(diǎn)。緊接著，青木瓜一個(gè)個(gè)爛掉，木瓜葉一片片凋落……

這個(gè)時(shí)候，基因工程就上陣迎敵了?？茖W(xué)家們克隆一段番木瓜環(huán)斑病毒基因把它轉(zhuǎn)移到木瓜中，使其能抵抗這種病毒?；蚬こ叹然盍诉@個(gè)物種，現(xiàn)在市場(chǎng)上的大部分木瓜就是轉(zhuǎn)基因木瓜。

工業(yè)領(lǐng)域的基因工程

現(xiàn)在有個(gè)新詞叫“生物質(zhì)能源”，它是一種綠色的新能源。它目前也和基因工程聯(lián)手了，這也是基因工程在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的新表現(xiàn)。

所謂基因工程的“生物質(zhì)能源”就是把一些生物質(zhì)，如稻草秸稈、玉米秸稈、木薯、甘蔗等，與高效的基因工程細(xì)菌一起發(fā)酵后制作出燃料乙醇等生物能源。我們知道酒精燃燒后很干凈，它是一種綠色能源。巴西是世界上的甘蔗產(chǎn)量大國(guó)，那里大部分汽車正使用著甘蔗生產(chǎn)的燃料乙醇，省掉了大量石油能源。

基因工程在工業(yè)發(fā)酵酒精上的應(yīng)用成效顯著，近幾年這一領(lǐng)域也發(fā)展得越來(lái)越快。人們將更合適的基因重組到細(xì)菌里，使細(xì)菌的發(fā)酵效率越來(lái)越高，目前這類細(xì)菌的菌種是越來(lái)越好了。

廣西的北海市，就建了一個(gè)現(xiàn)代化的工廠，專門生產(chǎn)木薯燃料乙醇。它是中糧集團(tuán)投資建設(shè)的。廣西目前能生產(chǎn)幾十萬(wàn)噸木薯燃料乙醇，這些乙醇在當(dāng)?shù)氐钠嚴(yán)锸褂弥?，也為?dāng)?shù)毓?jié)省了很多汽油。

當(dāng)然，除了酒精以外，我們還生產(chǎn)乙醚、丁醇等工業(yè)產(chǎn)品?；蚬こ淘诠I(yè)上還可以生產(chǎn)一系列的小化工產(chǎn)品，這些產(chǎn)品都具有高附加值，能創(chuàng)造出巨大的社會(huì)財(cái)富。人類到底能在這條路上走多遠(yuǎn)，目前還不清楚，這也是極具探索價(jià)值的領(lǐng)域。

基因工程助力于“環(huán)?！?/p>

目前，在環(huán)保領(lǐng)域，基因工程主要應(yīng)用于城市垃圾清理、城市污水處理方面。城市的餐廚剩余物加入基因工程菌后能更高效地分解這些有機(jī)物，處理效果非常好。城市的污水處理中，會(huì)有一個(gè)大大的處理污水的池子，池中加入一些基因工程的微生物后，它們能更高效地分解污水，凈化水質(zhì)。

基因工程在未來(lái)環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用，最終會(huì)到什么程度？肯定是會(huì)生產(chǎn)出更耐高溫、更高效的細(xì)菌菌種。因?yàn)榘l(fā)酵溫度越高，細(xì)菌分解城市垃圾和污水的效率就更高，所以這還是值得通過(guò)基因工程去研究開拓的，幫助我們進(jìn)一步提升環(huán)保的效率。