（中国科学院生物物理研究所副研究员）

编者按：

为了促进当代科学前沿必威在线网站首页网址 的交流，加深对当代自然科学发表趋势的认识和理解，中国科技大学研究生院软科学技术研究所和中国管理科学研究院培训部邀请正在当代科学前沿工作的国内外著名科学家讲解科学前沿必威在线网站首页网址 。本刊将连续刊载这系列讲座的讲稿和录音整理稿。特告读者。

一、重组DNA技术的产生及其含意

要谈重组BNA技术，首先要知道什么是DNA。DNA脱氧核糖核酸是生命的基本要素之一。恩格斯说过“生命是蛋白体存在的方式”，科学发展至今这个论断仍然正确。用现代生物学来理解，蛋白体就是蛋白质和核酸组成的复合物。初级形式的生命如噬菌体和病毒，仅由蛋白质的外壳和内部的核酸核心组成细胞，其最重要的组成仍是蛋白质及与蛋白质相结合的核酸。蛋白质在物质代谢和能量代谢中起重要作用，而核酸则是生命遗传信息的携带者，由它负责细胞的种系繁衍保证子代与亲代的一致。自53年Watson和Criek提出DNA双股螺旋的分子结构以来，分子遗传学有了迅速的发展，弄清了ONA复制的机制，因而对经典的细胞学如有丝分裂，减数都有了清晰的解释，对遗传的保守性的理解就容易了。通过双螺旋DNA转录机制的研究加之对蛋白质合成机制的认识，以及控制基因表达的机制的认识，人们理解了遗传信息的携带者DNA通过什么机制将存储的信息表达为细胞生命活动所需的蛋白。

所谓重组BNA技术是指将外源基因经过剪切加工，再插入到一个具有自复制能力的BNA中，将组合后的DNA转移到一个寄主细胞中，寄主细胞就能获得外源基因所携带的新特性。

我们知道构成细胞每个蛋白的遗传信息都编码在DNA中，决定一个多肽或酶的DNA碱基顺序称之为基因。入的染色体是由2米长的双螺旋DNA与蛋白结合一起盘绕浓聚而成。组成DNA的碱基只有ATCG四个，不同基因的差别就在这四个码子不同组合上，很难根据碱基含量的差别来区别基因。因此要重组基因，首先要分离基因，70年代初发展出一种特定基因的分离方法现仍广为应用。要分离基因首先分离该基因的副本细胞质中存在该基因的mRNA。由于mRNA在蛋白合成过程中是与核糖体结合一起成为多聚核糖体的。同时新生肽在每个核糖体上生长出来，我们可以用这种成蛋白的抗体，去和多聚核糖体上的新生状形成沉淀，从沉淀中将该蛋白的mRNA分离出来，由于抗体作用的专一性，一般说如果你能得到纯化的蛋白并得到抗体，你就能够分离到该蛋白的mRNA。在七十年代初人们发现了反转录酶，它以mRNA为模板合成与它互补的DNA，这是重组DNA技术得以发展的重大突破之一。有了反转录酶就可以合成它的基因。第二个重大突破是限制内切酶的发现。它们是能在一定的碱基顺序部位将双链DNA切断的一类酶。切开部位形成粘性末端，利用连接酶还能将其复员接上。这样人们就有可能在一定的部位切开双螺DNA，并可能与用同样酶切开的另一段DNA片段接到一起，现在已发现500多种限制内切酶100多种广泛应用。在此基础上73年Cohen和Boyec做了一个开创性的实验。首次实现了1）NA的重组——克隆。将具有抗药性的基因用内切酶切下并插入到具有自我复制能力的环形DNA质粒上（载体）。将这重组的质体转化到不具抗药能力的受体大肠杆菌细胞中，接受这种重组DNA的大肠杆菌就获得了抗药性质。它们的工作包括了遗传工程操作的全部主要环节。此后，77年美国和英国的科学家又先后发表了大分子DNA碱基顺序测定的技术，这是第三大突破。这使得我们可以从分子水平上了解基因的碱基顺序。近年来由于DNA合成技术的飞快发展，人工合成DNA已经既快又简便，所以我们可以合成任何已知碱基顺序的基因。

在三大突破的基础上基因工程迅速发展。78年将人工合成的人脑下垂体生长激素释放抑制因子Somatafin基因在大肠系统中表达成功。人体的具有14个氨基酸组成的小状在细菌中合成了。此后，人们就着力去分离那些微量的但对人体健康及疾病治疗相关的活性多肽的基因，分离那些工业生产中大量使用酶的基因，以便高效廉价地生产这些产品以求商品化：

生长激素释放抑制因子 已试用

人胰岛素 商品化

人生长激素（牛猪羊鸡鱼） 试用

干扰素（α，β） 试用

人血管紧张素 试用

人尿激酶 商品化

人组织血纤蛋白原激活剂 试用

人白细胞介素（Ⅱ）（Ⅲ） 试用

乙肝表面抗原 商品化

α淀粉酶 商品化

凝乳酶 商品化

二、重组DNA技术带动起新型领域生物工程并将形成产业

自1973年第一次克隆工作至今不过14年，但基因工程技术已广泛应用。许多重要的过去无法研究的生物学领域因为应用了这项技术研究工作飞快进展，如生物膜上受体研究、发育分子机制研究、神经、神经肽、递质、通道研究、神经系统发育研究以及脑的学习记忆分子机制研究。随着这些研究的深入，将发生更深刻的科学变革。

DNA重组技术（遗传工程）对工农医疗卫生起了极大推动作用，并已逐步形成新型的产业。几年来生物工程公司像雨后春笋在美国和欧洲建立起来。许多著名的大公司也都开展这方面的研究。Lilly公司用遗传工程生产了人胰岛素，并已商售。胰岛素是治疗糖尿病的药物，它可从牛猪鱼等胰脏中提出。但病人量很大，达5%，我国0.8 ~ 1.5%。随着食物的改善不断增加，药物一直处于缺乏状况，重组DNA生产的产品将可以补上这个缺。Mezk公司用遗传工程方法使酵母细胞生产肝炎表面抗原，作为疫苗商售。这使新生儿预防注射广泛开展成为可能。我国科学家亦使肝炎表面抗原在酵母系统中表达，并正将该基因组合到牛疽病毒中，这样就可得到多功用的多价疫苗。美国的onsanto公司用基因工程方法生产了牛的生长激素和猪的生长激素，并在养牛场中试验饲牛的效果。在我国猪场初步试验发现猪生长速度快且瘦肉比例提高。前面表中只列举一些。酶和活性多肽能用遗传工程方法生产，生产的完善必将形成一个新型的产业。

用重组DNA技术还能使氨基酸生产量改造为高产量，并希望培育出能利用垃圾、废物为养料的细菌，以便生产更多农用蛋白，这类生产菌的发酵亦有很大经济意义，称之为发酵工程。

近年来基因工程融合了蛋白质结晶学、蛋白质化学、计算机图像显示以及分子设计、发展出了一个新型的领域即蛋白质工程，又称为第二代基因工程。在人们对蛋白质结构功能认识的基础上，人们需要改变某个蛋白的某种性质。他们设计改造什么部位的氨基酸有可能改造该蛋白的性质。然后通过对该蛋白基因按设计方式改造并将改造基因转入到受体细胞中表达，受体细胞就能生产出改造后的蛋白，可能会具有期望的新性质。人们常希望扩大酶的反应pH范围、增加热稳定性、提高抗氧化能力等等。原则上讲，利用现有大量蛋白质结构和功能关系的知识，我们可以按人们愿望设计出新型的自然界不存在的酶或蛋白，使之具有比天然蛋白更优的功能。生物学发展至今不仅是一门认识自然的学科、同时也是改造自然的学科。虽然蛋白质工程刚刚发展，它已经显示出强大生命力，并完全可能发展成为一大产业。举几个例子，国外所用洗衣粉中（洗涤剂）都添加一种枯草杆菌蛋白水解酶，能有效地去除汗渍、果汁、血渍等等。由于洗涤剂用量极大，故该酶生产占国际酶市场总销售量的40%。该酶易受氧化失活，因此洗涤剂中若加入漂白剂则会降低酶活。为了能同时使用漂白剂，科学家就试图改造蛋白水解酶的部分结构而提高它的抗氧化的能力。在对该酶晶体结构分析的基础上进行分子设计，认为经氨酸活性中心附近222位甲硫氨酸的氧化是问题关键。他们想用几种氨基酸去取代它。首先将该酶基因产生突变，使用硫氨酸的密码变为所想要的几个氨基酸的密码，使突变后基因得到表达，产生突变了的新酶。结果发现甲硫氨酸核成谷氨酸和赖氨酸都大大提高了酶抗氧化能力。因而加酶洗涤剂中加入漂白剂就不成问题了。这种改造后的蛋白水解酶已经成为商品出售，得到很好的商业效益。现在人们正在研究如何改造胰岛素原，使遗传工程生产的遗胰岛素原能用专一性酶加工为胰岛素，研究有长效力和高效力的突变胰岛素，研究能耐高温的a淀粉酶、热稳度的溶量酶等等。可预计，不用很长时间会有更多更多具有新性能的蛋白质工程生产的蛋白在市场上出售。

三、重组DNA技术与人类未来

重组DNA技术在生物学领域中得到了极为广泛的应用。植物育种方面，人们努力来寻求高产优质抗逆的新品种，特别是对主要的粮食作物培育高产，且富含必需氨基酸的品种。并注意将抗病抗虫耐盐耐旱基因引入作物。动物育种方面，培育瘦型猪的基因工程受到重视。人们还努力将人体中有抗癌能力抗病能力的活性蛋白基因引入到乳牛中，以便使乳牛产的乳中含有一定量的药物。在医药卫生方面，研制乙型肝炎疫苗。胰岛素已作为商品出售。人们正努力制造更多的疫苗如：腹泻疫苗、EB病毒疫苗、疟疾疫苗、出血热疫苗。许多人体中具抗病抗癌作用的活性蛋白亦在进行研究和生产，如干抗素、白细胞介素心房肽、肿瘤坏死因子、组织纤维蛋白酶溶原激活因子（TPA）。这些药物如果装在具有生物导弹之称的单克隆抗体上，它就能被抗体运到具有抗原的病态细胞上，以使药物专一性发挥作用。有一些遗传病已经清楚知道是基因的某部分发生突变而致，人们正努力用正确的基因去替代染色体上的突变基因，使遗传性病症得到纠正。这些研究的成功将大大推进人类的文明，影响深远。

然而重组DNA技术的应用还不止此，在今后相当长的时期内都将发挥它的巨大作用。重组DNA技术应用于更复杂更高级尚未被认识的生物学领域，如细胞的发育分化，神经生物学等，近年来在这些领域中有了重大进展。这些领域理论上的进展必将推动形成对人类生活有革命性变革的新型工业。仅就重组DNA技术在神经科学研究上产生的影响来说，用重组DNA技术对中枢神经系统神经元的发育进行追踪，对神经回路的形成及神经元细胞的有序排列有T认识。进一步发现某些发育缺陷会导致神经元排列紊乱。了解了这种紊乱造成的分子机制，就能够对神经疾病作出可靠的诊断和治疗。比如现了解到帕金森氏病是由于脑中黑体部分的细胞坏死，不能生产多巴胺递质而造成的疾病。可将肾脏中能产生递质多巴胺的细胞移植到脑中黑体部分，疾病就得到治疗。许多精神病人弱智病人是多么迫切期望这方面研究的进展。我们知道人的神经系统是最高效信息加工处理的器官。人们一直渴望能够制造出具有脑功能的计算机，那才算名副其实的电脑，可以在艰苦条件下长时间地代替人脑工作。同时也希望有更多的智能机帮助人们完成艰巨的工作。人类的小小的大脑是目前任何计算机所不能比的。今后遗传工程化学和物理的高速进步，可用生物分子电路代替半导体电路，用蛋白质分子代替半导体，制成生物微电子电路。从而组成一部计算机，其大小只有拇指大，其内存为100亿字节，速度为当代计算机的千万倍。今后还可以用生物分子合成技术制成各种器件如逻辑、存储、生物传感元件和生物遥测元件。美国遗传公司准备投入1650万美元进行这项研究。可以预测在未来20 ~ 30年内由于遗传工程的发展，生物物理学与微电子学结合将会产生新的边缘学科，即生物微电子学。等到生物微电子工业形成时，人类的生活将会有巨大的变革。

（特邀编辑 张永谦）