21世纪的基因工程究竟意味着什么？DNA是福祸之源，也是财富

出品："格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）

以下内容为微生物学家、中科院院士邓子新演讲实录：

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。

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