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基因工程

一、基因工程四步曲


俗话说:“种瓜得瓜,种豆得豆”这是遗传现象,“一娘生九胎,连娘十个样”这是变异现象。遗传和变异是自然界一切生物的普遍现象。


今天生命科学发展到分子生物学的时代,人们已经不再停留在说明为什么有遗传、变异现象的水平上了,而是利用遗传、变异的基本规律,按人们的预想,有周密的设计、有宏伟的蓝图、有预期目的地去改造原有生物,象造房子、造桥梁那样按人们的意志创造所需生物品种,这就是基因工程。随着基因工程和蛋白质工程的诞生,人类已开始从单纯认识生命和利用生命的传统模式转化到随心所欲地改造生命和创造生命的时代。人们不仅能“种瓜得瓜,种豆得豆”,还能够“种瓜得豆,种豆得瓜”,只是它的操作是在试管内,肉眼看不见的分子水平上进行生命改造和创造。


基因工程的基本任务是把人们所需要的一个或几个基因用人工的方法巧妙地从某一生物细胞中取出来,移植到另一种生物的细胞里,使外来的基因能在新的细胞里定居下来,或者是从某种生物的基因组中剔除某种基因,以改造原细胞的功能和定向地改造生物的遗传性状。


基因工程技术是对DNA分子进行切割、缝合和转运的“显微工程”,由于DNA分子很小,直径只有2nm(粗细只有头发丝的十万分之一),要在如此微小的DNA分子上进行剪切和拼接“手术”是非常困难和复杂的,远不象基本建筑工程那样宏观、浩大,它是一项非常微观、极度细小精致的分子工程,必须要有专门的工具。


基因工程技术首先要解决的难题是如何巧妙地在基因“海洋”中获取你需要研究的目的基因。用一般的手术刀是无法从供体DNA分子长链中准确地剪切你需要的基因。用什么样的工具才能准确无误地对基因进行剪切和拼接呢?例如,通过基因工程培育抗虫棉时,就需要从苏云金芽孢杆菌中将抗虫的基因提取出来,“放入”棉的细胞中,与棉细胞中的DNA结合起来,才能在棉中发挥作用。这里遇到的难题主要有两个:首先是苏云金芽孢杆菌的一个DNA分子有许多基因,怎样从它的DNA分子的长链上辨别出所需要的基因,并且把它切割下来。其次是如何将切割下来的抗虫基因与棉的DNA“缝合”起来。为了突破这些难关,科学家进行了许多试验,最后他们发现了一种“基因剪刀”和“基因针线”,可以用来完成基因的剪切和拼接。


基因剪刀----限制性内切酶


1968年,亚伯(Arber)、史密斯(Smith)及纳赛(Nathans)从大肠杆菌中提取出了限制性内切酶,它能够在DNA上寻找特定的“切点”,认准后将DNA分子的双链交错地切断。人们把这种限制性内切酶称为“分子剪刀或基因剪刀”。这种“分子剪刀”可以完整地切下单个基因。他们因此获得了1978年诺贝尔生理学或医学奖。一种限制内切酶只能识别一种特定的核苷酸序列,并且能在特定的切点上切割DNA分子。例如,从大肠杆菌中发现的一种限制内切酶只能识别GAATTC序列,并在G和A之间将这段序列切开。自20世纪70年代以来,人们已经分离提取了 400多种“分子剪刀”,其中许多“分子剪刀”的特定识别切点已弄清楚。有了各种特定类型的“分子剪刀”,科学家就可以随心所欲地对不同来源的DNA分子进行切割,获得大家所需要的基因(图6-1),这是目前常用的行之有效的办法。在基因工程中“分子剪刀”的应用具有举足轻重的地位,可以说没有限制性内切酶的发现和应用,就没有分子生物学兴旺发展的今天。


另一种是人工合成办法获得目的基因。科学家科拉纳(Khorana)在1972年首次报道他们合成了酵母丙氨酸的tRNA基因。随着生物技术的突飞猛进,现在已可以通过化学法和DNA合成仪来合成目的基因。科学家只要了解目的基因的一小段DNA顺序,就可合成一小段DNA作为“引物”。还可以从基因文库中“钓出”所需要的基因。还可用模板合成法合成目的基因。通常认为基因信息的传递是按“DNA→RNA→蛋白质” 顺序进行的。现在研究证实信息传递由“RNA→DNA”也存在。模板合成法就是先以信使RNA(mRNA)为模板,逆转录出一条DNA单链,再以互补的方式合成DNA双链,用此方法获得的产物叫cDNA,还可构建cDNA库,以便从中钓出所需基因。


基因针线----DNA连接酶


解决第2大难题是获取的目的基因如何与另一种生物的DNA(即运载体DNA)连接起来。显然外科手术的缝合线对基因的缝合是无能为力的,但它给人以启发。1967年有5个实验室的科学家同时发现并提取出一种被称为“分子缝针”的DNA连接酶,这种酶能将两个DNA片段的末端之间形成磷酸二酯键把它们连接起来,这样基因与运载体DNA的缝合就算大功告成了(图6-2)。因此,DNA连接酶就成了名符其实的“缝合”基因的“分子针线”。


基因的运输工具----运载体


要将一个外源基因如上面所说的抗虫基因送入棉细胞,或把“拼接”好的 DNA分子运送到受体细胞中去,必须寻找一种分子小、能自由进出细胞,而且在装载了外来的DNA片段后仍能照样复制的运输工具,这就是运载体。它相当于装载基因的“运载火箭”,将基因送入细胞的“月球”中去。作为运载体的物质必须具备以下条件:能够在宿主细胞中复制并稳定地保存;具有多个限制酶切点,以便与外源基因连接;具有某些标记基因,便于进行筛选。科学家发现,病毒不仅在同种生物之间,甚至可以在人和动物细胞之间转移,因此病毒被选为基因的运载体。除了病毒以外,另一种理想的运载体是质粒。质粒是细菌细胞中染色体以外能自主复制的一种较小环状DNA分子,能自由进出细菌细胞,并能“友好”地“借居”在宿主细胞中。而且,当用“分子剪刀”把它切开,再给它安装上一段外来的基因DNA片段后,它依然如故地能自我复制。因此质粒是基因工程最常用的运载体。大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌等细菌中都有质粒。因为土壤农杆菌很容易感染植物细胞,所以科学家培育转基因植物时,常常用土壤农杆菌中的质粒做运载体。


大家有了“分子剪刀”( 限制性内切酶)、“分子缝针”(DNA连接酶)和运载体DNA (来自细菌质粒、酵母质粒、病毒、噬菌体等)这三大法宝,进行基因工程就可以如愿以偿了。由于基因的导入过程是肉眼看不到的。最后,必须通过一定的手段对受体细胞中是否导入了目的基因进行检测。例如,科学家做抗虫棉试验时,让棉铃虫食用棉的叶片,结果食用的第二天棉铃虫就中毒死亡了。这说明抗虫基因在棉植株中得到了表达。经筛选鉴定后,就可用基因工程技术得心应手地生产大家所需要的基因产品了(图6-3)。1972年斯坦福大学的伯格( Berg )首先将来自于病毒与细菌的DNA相互结合,构筑了第一个重组DNA分子。伯格是开创基因工程技术的先驱者,因而获得了1980年诺贝尔化学奖。基因工程技术诞生后,大家可生产各种基因药物和基因疫苗及转基因动植物了。


基因工程四步曲:一是取得 “目的基因”;二是将目的基因与质粒或病毒DNA连接成重组DNA;三是把重组DNA导入某种细胞;四是把表达目的基因的受体细胞挑选出来。(凌志强 许沈华)


二、转基因植物研究开发势不可挡


植物转基因技术(它的技术与前述基因工程相同,只是受体细胞为植物细胞而已)开辟了植物改良的新时代。应用植物转基因技术把从动物、植物或微生物中分离到的目的基因,通过各种方法转移到植物的基因组中,使之稳定遗传并赋予植物新的农艺性状,如抗虫、抗病、抗逆、高产、优质等。随着现代生物技术的迅速发展,植物转基因技术方兴未艾。自1983年人类首次成功获得转基因烟草和马铃薯以来,转基因植物研究和开发势不可挡。至今,转基因成功的植物有120多种,40多种转基因植物进入商业化种植,4000多种转基因植物已被各国批准进入田间试验。最近,农业生物技术应用国际服务组织(ISAAA)发布的报告显示,转基因作物在经历十多年的商业化推广后,仍在不断取得进展。2007年,转基因作物种植面积增加12%(1230万公顷),全球种植总面积达到1.143亿公顷。迄今全球已累计种植了6亿多公顷,主要为抗除草剂和抗虫的转基因作物,由转基因作物生产加工的转基因食品已达4000余种。其中,以大豆和玉米为原料的占90%以上。美国是转基因植物最多的国家,2007年美国农产品的年产量中91%的大豆、87%的棉花、73%的玉米是转基因的。据2007年5月18日《华尔街日报》报道,位于内布拉斯加州布莱尔的嘉吉生物炼油厂已开始生产新一代可再生化工原料。在石油价格居高不下的今天,用大豆、玉米等植物制造塑料、泡沫材料以及润滑剂已成为一种具有经济合理性的选择。这种生物原料已用于生产地毯、一次性纸杯、色拉袋、阿斯特罗草皮、蜡烛、口红、袜子、冲浪板、变压器冷却剂、甚至联合收割机的面板。美国建立了“分子农场”,栽种转基因油菜,提供用于制造肥皂的月桂酸等。这些产品出现可能会成为农业领域的一件大事。


转基因技术可提高育种目标的准确性,实现超远缘育种,缩短一半育种时间(传统的育种方法,需要7-10年才能培育出一个新的植物品种),从而加快育种进程和新品种更新速度。目前已报道把具有实用价值的目的基因转入植物,培育了抗虫玉米、抗除草剂大豆、抗冻番茄。将细菌的血红蛋白基因转入烟草,烟草生长35天后干物重量增加了80%~100%。转基因耐储藏番茄1994年已在美国上市。第一代的转基因植物主要在于改变生长周期或花期以提高其经济价值或观赏价值,或涉及主要性状的改变如抗病、抗虫、抗除草剂,因而节约了大量农药与用工,社会、经济与生态效益显著。这些转基因作物满足了农民的生产需求。第二代转基因作物是多个性状得到改良的作物,如具有高营养、抗病虫害、抗高温、耐冰冷、耐盐碱和抗干旱的转基因作物,他们同时满足了农民和消费者的利益。如将大豆蛋白基因转入水稻获得高蛋白水稻。将野生的有色棉花以及其他花卉的色素基因转入棉花,已培养出五彩缤纷的彩色棉花,现在至少有红、黄、绿、棕、紫等5种颜色的棉花。第三代则是指作为生物反应器生产药物和高价值工业原料的转基因作物,可用来生产诸如生物药物、疫苗、复合蛋白和生物塑料等,他们不仅能够使消费者直接受益,为人类的健康提供有力的保障,而且还可为解决环境污染、水资源短缺和能源危机等全球性难题做出重大贡献。


澳大利亚科学家的一项新技术基因促进剂,或称“基因开关”已经注册专利。该技术已在小麦、高粱、小米、香蕉、甘蔗以及许多树木和草类等各种植物中进行了成功的试验,该技术有助于生产营养更丰富、生长速度更快、产量更高的作物,还使作物有更强的抗病、防冻、抗旱能力。


基因工程作物能大幅度地提高产量,降低成本,减轻劳动量和减少化学杀虫剂对作物和环境的污染。更诱人的是,人们可以随心所欲地赋予基因工程作物新的品质,如高产、速长、抗旱、耐寒、抗盐、自我固氮、抗病虫害和富含原食物中缺乏的营养物质等。目前,通过实验室阶段的转基因植物,包括粮食作物(水稻、小麦、玉米和马铃薯),经济作物(棉花和大豆),蔬菜(番茄和黄瓜等),牧草,花卉,造林树木,已有玉米、油菜、番茄、烟草、棉花、大豆、小麦等转基因作物进入商业生产,转基因植物发展之快让人目不暇接,结出的丰硕成果帮助人类摆脱粮食不足的危机,给人类带来丰衣足食和更美好的憧憬。(凌志强 许沈华)


三、转基因食品使人们吃到更多营养素


人体的健康需要多种维生素的维系,缺乏某一种维生素都可能引起人体患病。如缺乏维生素A可引起视力下降、失明或其他问题。而人体自身不能合成维生素A,必须通过摄入外来食物而获得。据估计,全世界有1.24亿儿童缺乏维生素A。特别是东南亚地区许多儿童由于缺乏维生素A而失明。全世界将近有一半人长年食用稻米,但维生素A在稻米中的含量较少,而且加工过程中大部分已流失了。瑞士科学家将3种基因转入水稻,使其含有可在人体中转化为维生素A的β胡萝卜素。由于这种水稻带有β胡萝卜素的色泽且营养丰富,被称为“金稻米”。转基因“金稻米”的问世将给人类带来光明与健康(图6-4)。


美国转基因玉米含有的色氨酸比普通玉米多20%,色氨酸是人体必须的营养素之一,而人体自己无法合成色氨酸,只能从动物性食品中获取。如果吃这种转基因玉米,不必吃动物性食品就能补充色氨酸,也可以减少因吃大鱼大肉而造成的心血管病、糖尿病、肥胖症等现代人的富贵病的发生。转基因油菜中由于增加了大量的不饱和脂肪酸,食用后可降低心血管病的发生几率;转基因番茄能提高番茄中番茄红素的含量,而番茄红素能有效地预防癌症。


英国纽卡斯尔大学和美国达特茅斯学院的科学家从拟南芥中分离出名为“FRO2” 的基因。他们发现这种基因能促进植物产生还原酶,而这种酶能将高价铁化合物转化为可被植物吸取的亚铁化合物。科学家因此指出,通过对“FRO2”基因进行操作,大幅度提高植物产生还原酶的能力,人类将来有可能使很多植物体内铁元素的积聚量增加数倍,这将有助于增加人体对铁元素的吸取。铁元素缺乏被认为是除饥荒之外,困扰全球的最主要营养不良问题。据联合国教科文组织估计,全世界将近有20亿人贫血,而缺铁性贫血的人大约为7亿,其中大部分是妇女。缺铁性贫血会损坏免疫系统,降低各年龄段人的生理和心理机能。孕期贫血是孕、产妇死亡的重要原因,也会使胎儿弱小和贫血,而轻微的贫血都可能对婴幼儿的智力发育不利。而对大多数人来说,农作物是他们吸取铁元素的最主要来源。


日本农林水产省生物资源研究所研究人员将人的乳腺中产生乳铁蛋白基因导入番茄,使番茄的果实、叶、根的部分能生成乳铁蛋白,每100克果实中可提取乳铁蛋白2.5~3.3毫克。乳铁蛋白具有提高人体免疫功能、防止感染的作用,并且能增加铁质吸取的功效。日本研究人员还将大豆芽中分离出来的铁蛋白基因导入水稻,结果这种转基因水稻含有比普通水稻多3倍的铁质,吃两餐这种水稻产的米饭就可以补足一天所需的铁质。


据2006年日本重大科技成果中先容,日本制纸企业、农业生物资源研究所、三和化学研究所的共同研究,利用转基因技术把促进分泌胰岛素的基因植入水稻的细胞中,糖尿病患者食用这种转基因水稻后,体内的胰岛素会逐渐增加,达到抑制血糖值升高的作用。每天食用这种稻米可以改善和预防糖尿病,减轻患者每天注射胰岛素的痛苦。(许沈华 凌志强)


四、转Bt基因农作物虫口夺粮


害虫的“一张利嘴”是造成农业减产的主要原因。据统计,全世界因虫害造成农业减产占总收获量的15%以上。当人们用农药对付害虫,试图从虫口夺粮时,又不得不付出巨大的代价:我国每年需要将20多万吨农药撒向庄稼(其中1/3是高毒农药)。大量使用农药造成环境的严重污染,影响人类健康。而害虫则会产生耐药性,变得越来越“五毒不侵”。怎么解决这种矛盾呢?科学家把目光投向了培育抗虫农作物。


科学家发现把一种叫苏云金芽孢杆菌(Bt)的细菌撒在庄稼上,危害庄稼的害虫就会死亡。经分析,该细菌体内含有一种能杀死害虫的蛋白,是Bt基因的产物。如今找到了大名鼎鼎的具有杀虫功能的Bt基因,这下就可以向植物体内导入Bt杀虫毒素基因,当害虫吃了含有该基因植物时,毒素基因就可以在害虫体内无限制表达毒素蛋白,形成结晶,严重干扰害虫的正常代谢,从而杀死害虫。Bt基因蛋白像“鱼雷”一样攻击害虫肠壁,使其“爆炸肠裂”,最终“命归黄泉”。而这种毒素基因不会在人体内表达,所以对人无害,安全的。此类农作物已经获得可观的经济效益。例如,美国1997年培育成功携带有Bt 毒素基因的玉米(图6-5),每英亩增产7 %,净收入增加16.88美金。美国在过去的4年里杀虫剂的使用量减少了270万磅,如果Bt作物得到普及,杀虫剂的使用量将会进一步减少。我国培育成的转Bt基因棉花,抗虫鉴定棉铃虫死亡率达60%~91.6%。目前报道已成功转入Bt基因的作物还有烟草、马铃薯、西红柿、水稻等。(许沈华)


五、转基因使水果“形状”更加丰富多彩


美国俄亥俄州立大学农业研究与发展中心科研人员伊瑟•范德纳普发现了一个影响水果外形的关键基因,科学家终于揭开了水果形状各异原因的神秘面纱。人类也许真的能够随心所欲地控制水果的形状,这个关键基因的发现也为今后提高水果产量开拓了新的思路。


从大小和形状看,西红柿是品种最为丰富的作物之一,它从一种圆圆的小型野生果发展而来。在西红柿被人工种植后,是什么样的基因使得它们的体积迅速增大,又是什么基因导致它们的形状五花八门?因此,科学家把西红柿作为研究水果形态的代表作物。科学家发现各种不规则西红柿中总是有许多共同的基因成分,之后科学家们对这些共同基因进行分析,然后排除不相关基因,最终确定了这个控制西红柿形状的最关键基因SUN:外形是长的西红柿类型里这种基因开启程度很高;而呈圆形西红柿里这种基因是关闭的。随后又发现,在其他种类外形是伸长的水果里这个基因是被高程度表达的。接着科研人员就去验证这种基因到底是否是水果外形变化的真正原因。范德纳普和她的团队进行了多个水果转化实验分析发现,当把基因SUN转入野生圆形的西红柿植物中后,会长出伸长程度很大的果实;而当把原来结出长形西红柿植物中的基因SUN去除掉后,就会产出外形接近野生圆形的西红柿(图6-6)。在随后的研究中发现,基因SUN编码了植物蛋白IQD12的IQ67域。在植物转化实验里,IQD12自己就可以使得西红柿变成长形,而不是野生的圆形。此外,科学家们发现基因SUN的另一特点是,它可以影响授粉与受精后果实的外形,其中植物开花五天后,水果形态发育差异最为明显。范德纳普表示,“虽然大家目前还不清楚基因SUN在西红柿成形过程中是如何起作用的,但大家可以确定的是,基因SUN对于水果形状的改变是非常关键的。”他们的论文发表在近期《科学》杂志上,这是迄今发现的在决定西红柿形状中扮演了重要角色的第二种基因,而之前被确定的可以控制果实外形的基因是OVATE,它由范德纳普的博士导师康奈尔大学的史蒂文•坦克斯利教授发现的。范德纳普说:“现在的目标是判断基因SUN是否也会控制其它作物的形态。进而,大家也会搞清楚其他农作物外形各异的原因,例如辣椒、黄瓜和葫芦。”一些农作物学家认为,基因SUN的发现将会让水果世界的“形体艺术”更加丰富多彩。(凌志强 许沈华)


六、转基因植物改善生态环境新角色


一个世纪来,工业革命在提高人类征服自然能力和推动人类文明社会进步的同时,也产生了极大的副作用,即环境的日趋恶化对人类自身的生存构成越来越大的威胁。人类必须爱护地球生态,保护环境,才能创造一个使人类社会得以持续生存和发展的良好环境。


2000年8月29日,以色列希伯来大学的植物专家阿特曼(Ardman)领导的研究组报道,从白杨树细胞内分离出能确保其在恶劣条件下生存的特殊蛋白质。运用基因工程技术,促使树苗多合成这种蛋白质就可以培育出沙漠绿化树种。这种树木将在天旱不雨的情况下“忍受”干旱的考验,在不毛之地茁壮生长。实验表明,这种基因改良树种还能在有高度工业污染的环境中生存。这就为解决高度工业污染地区绿化问题提供了一个新思路。


美国密歇根理工大学林学院的科学家培育出一种转基因树,它含有的木质素比普通的树木减少45%。大家知道用木材造纸的难度在于从木浆里剔除木质素——一种使木质坚硬的强聚合物。这个过程需要使用一些剧毒化学药品和消耗大量能源。如果用转基因树就能减少造纸业对环境的污染和大大地节约能源。科学家还意外发现,转基因树要比普通树生长快得多。


桉树是一种生长快速的热带树种,可用作生物能源和造纸业的生物资源,能和煤共同作为燃料或是用作专门的生物质发电站。美国能源部联合基因组研究所绘制桉树的基因图谱,进行了大量的转基因研究来改良使其成为更高品质的能源树种。2007年12月13日《生物谷网站》报道台湾林业研究院的科研人员在美国北卡罗来纳州立大学的科学家联合研究小组,进行基因改良技术成功培育出能够吸取比普通桉树多3倍二氧化碳的桉树,而且木质素含量更低,纤维素含量更高。这是首次获得使桉树既能储存更多碳元素同时又能产生更少的木质素能源树种。被称为第三代生物燃料。它可以用作纤维素乙醇的生产原料,这意味着有了一种新的途径能减少温室气体排放,防止全球变暖。


自然界树木中的纤维素、半纤维素、木质素均来源自碳元素。然而只有纤维素可用于纸浆和生物乙醇的生产原料。木质素只是一种“胶体”将纤维素结合在一起,如何分解其中的木质素是生产纤维素乙醇的一大难题。早些时候,遗传学家和植物学家已经成功培育出低木质素的白杨、柳枝稷和高粱以提高纸浆和乙醇产量的目的。利用农作物吸取更多的二氧化碳越来越引人注目。所以,科研人员改造目标是调整桉树纤维素和木质素的比例。同时提高对二氧化碳的吸取能力以降低温室效应,以便栽种更多的桉树,消耗更多的二氧化碳。如果每棵桉树的木质素含量降低18%而纤维素含量提高4.5%,估计一家年产量100万吨的造纸厂每年能多收入约360万美金。


预测显示,在热带建造桉树林具有巨大的潜在价值。在巴西,有4,600万公顷的土地适合造林。这些土地能提供有利环境因素维持桉树林的生长。由于桉树产量高,因此,可能更多地用于下一代生物燃料的生产,包括纤维素乙醇。


为了响应美国环保局对VOC排放量的限制。近年来,随着环保呼声愈来愈高,大豆油墨引起了业内人士的注意,在美国,大豆油墨广泛应用在报纸印刷中,并开始应用于包装、目录、商业印刷等。大豆油墨流动性和着色性极好,且透明度高、色彩鲜艳、不易掉色、价格便宜、印刷效果良好,而最大的优点是环保性能非常好。大豆油墨所含大豆油属于安全物质,替换部分石油系溶剂,多环芳烃化合物含量低,使用时减少排放VOC,从而减少对环境造成的危害,同时也利于制造者及使用者的健康。使用大豆油墨印刷过的废纸容易脱油墨,而且对纸纤维的损伤较少。大豆油墨的这种特性有助于再生纸业的回收利用。通常报纸用纸80%以上采用再生纸,利用大豆油墨废纸回收再生时废料少,回收成本较低。(许沈华)


七、发光土豆会“叫渴”、夹竹桃树当路灯


繁星映空的夜晚,忽隐忽显的美丽萤火虫带给人们多少遐想和美好的向往。


科学家对萤火虫的发光机理进行深入研究,并克隆到了发光基因。日本科学家利用发光基因培育出了发光烟草。英国爱丁堡大学科学家把水母中的发光基因分别转入棉花、土豆和芹菜的基因组中,培育出了各自的发光植物。而且发光土豆还会“叫渴”——在缺水时发出荧光。农民只要在一公顷的地里种上8棵这样的土豆,就可以监测整块地里的水情,不过,这种土豆发出的荧光肉眼是看不到的,它的荧光是通过吸取波长很短的蓝光后产生的黄颜色,需要用一种小型的专用探测器来探测,并发出信号,表明需要浇水了。在水资源越来越紧缺的今天,农民是多么希翼这种能够监测水情的土豆早日进入大田啊!相信科学家不会让他们等得太久。


美国科学家计划培育出发光夹竹桃树,种植到高速公路两旁,白天作行道树,夜晚当路灯。到那时,每当夜幕降临,公路两旁的夹竹桃树荧光闪烁,光彩奕奕,给公路夜景增添更加迷人的色彩。(许沈华)


八、转基因植物是一支新生的能源大军


人类的活动离不开能源。人类文明的发展面临能源危机。能源短缺已成为各国社会经济发展的制约因素。因此,开发新能源已是世界各国的当务之急。人们在寻找新能源的征途中,发现植物是一支不可忽视的能源大军。


美国率先成立了石油植物研究所。1999年8月,美国克林顿总统签发了一项法令,要求推动利用农作物和草木开发汽车燃料、电力及工业产品的运动,其目标是到2010年美国8%机动车燃料由“石油植物”提供,这相当于每年增加3.48亿桶石油,即158艘超级油轮的容量。温室气体的排放量将减少1亿吨,相当于7000万辆汽车的排放量。


最近报道西班牙培育出转基因巨型洋蓟,这种洋蓟高3米,根系部分长7米,是专门用来提供发电站作为植物燃料。电站将在最近两年内投入运行,预计发电站每年将燃烧10.5万吨新培植的巨型洋蓟,能满足6万人用电需要。其实,燃烧植物燃料并不是什么新思路,但最近几年才在欧洲引起真正的关注。虽然有燃烧不同植物获取电能的多种方案出现,但大部分方案在经济上无利用价值。而西班牙在寻找未来燃料的研究领域远远走在世界各国前列。他们种植的转基因巨型洋蓟,为燃烧植物燃料发电开辟了新的道路。


利用新技术,现在可以将油菜、亚麻、大豆等油料植物转化成新型能源-生物柴油。生物柴油是一种清洁燃料,对环境污染小,对人体损害低于石油柴油,而且其燃烧性能好于石油柴油,生物柴油具有较好的低温发动机启动性能,具有较好的润滑性能,同时,生物柴油很稳定,不属于危险品,在运输、储存中都具有较好的安全性。据了解,世界上许多国家都已经展开了生物柴油的研发。目前在美国,生物柴油已成为增长最快的替代燃油。加拿大、日本、巴西、新西兰都开展了生物柴油的研制。


2007年12月13日美国参议院最终以压倒多数通过新能源法案。要达到美国政府的新能源规划目标,需要大量种植转基因作物。种植转基因作物不仅可以降低高残留剧毒农药的使用、减轻农药使用过程中所导致的环境污染,有利于生态环境的改善,从环保因素以及生物安全性等诸多因素考虑,以抗除草剂性状作物具有最大的应用潜力。


利用植物获取生物能源将是解決能源危机的重要途径之一。2007年全球有大约1120万公顷转基因作物用于生产生物燃料,而通过基因工程改造的生物能源植物抗逆性增强、生长速度加快,相对于化石能源的低价优势来说,其竞争力得到显著改善。不过,这里也存在着一个不容忽视的问题:这类具有强生长优势的转基因生物能源植物很有可能会成为新的入侵性植物,给地球的生态环境和生物多样性带来难以预料的后果。(凌志强 许沈华)


九、我国转基因植物成果喜人


我国转基因植物研究始于20世纪80年代初,1986年863计划实施后研究进程大大加快。1990年,自行研制的抗烟草花叶病毒烟草在辽宁省进行了种植,并一度成为世界上最大的转基因植物群落。其后国家有关科研计划对转基因植物的研究和开发给予了持续的支撑。其中资助力度较大的计划有国家转基因植物研究与产业化重大专项(863计划)、国家重点基础研究发展计划(973计划)以及国家自然科学基金项目等。经国务院批准,“国家转基因植物研究与产业化”专项于1999年启动实施,中央财政投入5.1亿元,部门、地方和社会配套投入3.2亿元,重点开展功能基因克隆、转基因新产品培育和产业化、转基因植物安全性评价以及转基因研发能力建设等工作。科技部和财政部会同农业部、教育部、卫生部、中国科学院、质检总局、环保总局、林业局以及地方科技部门,组织全国的转基因优势力量,于2006年底超额完成了专项目标和任务,取得了巨大的科技、经济和社会效益。目前,我国转基因抗虫棉、超级稻、矮败小麦等方面的科技成果处于世界领先水平。


(1)植物功能基因克隆取得重要进展,自主创新成果不断涌现


植物重要功能基因克隆取得重要进展,掌握了转基因植物研究与产业化发展的主动权。统计显示专项实施7年来,已自主克隆重要功能基因418个。其中,抗虫相关基因46个、抗病相关基因57个、抗非生物逆境基因162个、生长发育相关基因78个、品质与高产相关基因71个、抗除草剂基因4个。共申请专利295项,其中公开52项,进入实审22项,授权9项。在这些基因中,已有转化植株并将对植物优质、高产、抗逆及生长发育调控等具有重要应用前景的功能基因46个。其中水稻分蘖基因MOC1的研究成果发表在《Nature》杂志上,耐低钾胁迫相关基因克隆的研究成果发表在《Cell》杂志上,在国际上产生了重要的影响。


转基因技术创新取得了一批标志性成果,奠定了转基因产业化发展的技术基础。专项在基因高效转化、选择标记基因删除技术、目的基因产物定时降解技术、大豆叶绿体转化技术、植物组织特异性优势表达技术等转基因技术方面取得了一批重要成果,共申请国家发明专利96项,其中公开16项,进入实审14项,授权8项。特别是在多基因转化技术方面的研究成果达到国际领先水平,相关研究成果发表在《PNAS》等国际著名杂志上;“棉花规模化转基因技术”优化了棉花转基因技术体系,大大提高了转化效率,获得2006年国家科技进步二等奖。这批成果大大提升了我国转基因技术水平和国际影响力。


植物基因组研究为转基因技术提供技术平台。在人类结构基因组序列破译的同时,植物基因组学的研究也取得了突破性进展。模式植物拟南芥基因组1.2亿碱基对的序列已经公布,水稻基因组4.3亿碱基对的测序已基本完成,小麦、棉花、玉米、马铃薯等重要作物的基因组研究也已全面展开。我国是水稻基因组测序国际计划的参加国之一,现已完成水稻第四号染色体全部基因测序任务,还独立完成了中国水稻(籼稻)基因组精细图的绘制,对植物基因组研究发挥了重要作用。面对十分激烈的国际竞争,我国迅速启动了水稻功能基因组研究计划,并已取得了良好进展。


利用烟草花叶病毒(TMV)作为表达载体应用于植物生物反应器的研究。用该方法大规模表达口蹄疫病毒表面抗原多肽,制备高效、安全、低价的重组口蹄疫疫苗。该研究利用自建的TMV本地株系基因组cDNA突变体库,在外源肽的表达上取得了较大突破。已获得能融合表达长达31 肽的各种口蹄疫病毒表面抗原肽的重组TMV。重组病毒具有稳定的系统感染能力,每克烟草鲜叶中可得到1 毫克以上高纯度的融合蛋白。从而找到了简单有效的从烟草中大规模纯化病毒蛋白工艺路线及重组疫苗的配制技术。禽流感疫苗试制成功达到世界领先水平。


(2)转基因抗虫棉产业化取得巨大的经济效益


1997年,我国正式批准转基因抗虫棉商业化生产,现已成为继美国之后,第二个自主成功研制转基因抗虫棉的国家。据报道,2007年我国转基因抗虫棉的种植面积达到380万公顷,占棉花种植总面积的69%,转基因抗虫棉的大量种植还使棉田剧毒农药的使用量减少了75%-80%,估计全国农药使用量至少下降了40吨,大大缓解了农药对土壤、水体和饮用水的污染,减少了农药中毒事故的发生率。由于农药和用工显著减少,棉花产量进一步增加,全国累计增收节支约166亿元人民币,中国农民获得的收益每公顷收入平均增加220美金。抗虫棉的推广应用,提高了优质棉花生产率,为促进我国棉纺织品出口、减少优质原棉进口而带来间接经济效益200多亿元。转基因抗虫棉为农民增收、棉纺工业发展和生态环境改善作出重大贡献。


(3)转基因植物研发能力建设取得突出成效


完成了两个国家植物基因研究中心、两个国家转基因植物中试与产业化基地的建设任务。专项分别在北京、武汉建成了国家植物基因研究中心,在吉林建成了国家玉米、大豆转基因中试与产业化基地,在河南建成了国家棉花转基因中试与产业化基地。2个中心和2个基地的仪器设备和实验条件达到了国际一流水平,已成为我国转基因植物研究与产业化的排头兵,为提升我国转基因植物研究和产业化水平发挥了重要作用。在专项支撑下,我国转基因研究和产业化优势单位装备水平已得到显著改善,并为国家“转基因生物新品种培育”重大专项的实施奠定了较好的设备条件。


培养了一批转基因植物研究及产业化的主力军,为我国今后转基因研发提供了充足的人才战略储备。专项实施以来,吸引了一批国外的优秀人才回国工作,培养高级人才980人、研究生2476人,形成了一支具有国际竞争力的转基因植物研发队伍。同时,通过专项的实施,一大批从事转基因研究的中青年科学家崭露头角,为我国在未来转基因研发和产业化的全球竞争中提高了充足的人才战略储备。


据新华社报道,2008年7月9日温家宝总理主持召开国务院常务会议,审议并原则通过了转基因生物新品种培育科技重大专项。该项目是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》确定的未来15年力争取得突破的16个重大科技专项之一。这一专项计划动用资金将近200亿元,其中中央财政支出100多亿元,其余由地方和社会投资。该项目的实施将对我国转基因技术和国民经济发展和人类进步产生巨大的推动作用。(凌志强)


十、转基因食品安全吗?


民以食为天。一日三餐,人们离不开食物,我国更具有灿烂的食学问,悠久的食疗历史,给人们无穷的享受。当今的人们追求的更是潇洒、健康、成功地生活,“吃饭”当然也被赋予新的意义。人们在吃饭的同时也在健身、防病或治病:餐桌上放着一碗含铁丰富的大米饭,是专门为贫血病人准备的;另一盘富含维生素A的蔬菜,是眼干燥症病人的营养菜;还有一盆富含维生素E的玉米羹,可预防心血管疾病,等等。这不是虚构的想象,这是很快将会出现在人们面前千真万确的事实。


当越来越多的转基因食品呈现在大家面前时,首当其冲的问题就是:人们食用转基因食品后,会有副作用吗?愈来愈耐贮藏的西红柿会引起人体细胞变异吗?持怀疑态度的理由是:害虫都不敢轻易下口的转基因作物,一旦变成粮食和农副产品,大家一日三餐吃下去会不会连同那些抗虫基因也吸取了呢?


国内有一篇文章在讨论转基因食品时引用了中科院院长路甬祥院士的一句话:“科学技术是一把双刃剑,它可以造福于人类,也可以给人类带来灾难”。其实,类似的话,科学大师爱因斯坦早就说过,他对原子能被用于战争而深感悲痛。那么基因呢?毫不隐瞒地说,基因既可用于造福人类,同样可被制作成基因武器(比原子弹还利害!)伤害人类。但是,基因作为自然界中的客观存在,本身并无错误可言,关键是人类如何去利用。转基因食品是人为的杰作,人们自然会问:它到底有益还是有害?抑或利弊兼有?


转基因食品在体现诸多优势的同时,也有着其负面影响——安全性问题。因为转基因食品是在生物物种之间进行基因重组,有可能会引入不相容或毒性物质,这也是一些人对转基因食品采取保守态度的原因之一。以下几种可能存在情况的确是不容忽视的。


(1)毒性


转基因食品安全性问题的焦点是外源基因的表达产物是否安全。苏格兰Rowett研究所的Aprad Rusztai博士报道了转入雪花莲凝集素基因的马铃薯造成对大鼠的内脏器官和免疫系统损害。如果这一发现是确实的话,对人来说可能导致癌症发病率和死亡率大幅度升高。1998年,英国阿伯丁罗研究所普庇泰教授的研究报道,幼鼠食用转基因土豆后,会使内脏和免疫系统受损。由于转基因食品中90%以上使用卡那霉素抗性作为标志基因,他提出该标志基因表达蛋白可能对人体肠道的正常菌群有不利影响,肠道中的有害菌可能变异滋生出具有抗性基因,从而改变肠道的菌群结构。随后许多科学家指出该报道存在严重的科学上的漏洞,质疑该结果的可靠性。大家暂且不论这位教授的实验结果是否可靠,但大家必须了解评价转基因食品安全性的标准是什么。一般而言,对某种物质安全性检测的指标主要包括急、慢性毒性,遗传毒性,致癌,致畸,致突变性等。从目前开发的转基因食品来看,由于在生产设计中是针对食品品质改造或增加已知健康作用的成分,一般来说应该不会有安全问题。这与从自然条件下经杂交所获得之动植物新品种作为新型食品不存在安全问题的道理是一样的。从目前国际上(特别是美英等西方发达国家)的实际情况来看,尚未发现人们食用转基因食品后有什么不良反应。尽管如此,在科学上,对一种没有表现短期毒性和安全问题的食品,如果怀疑其可能存在隐患,则必须观察其远期毒性和安全问题是否存在,让时间来检验,这种远期跟踪监测通常需要一、二十年。因此,在远期安全性问题未得到明确结论之前,加强对转基因食品的管理是非常重要和合理的。对此,伦理学者提出两条意见,一是要加紧制定国际性安全标准,二是应实行消费者知情权原则。这两条意见已被国际食品规格委员会和一些国家政府所接受。相信转基因食品的生产和应用将逐步走上既符合人类伦理道德规范又符合法制的轨道。在有关标准和法规未出台之前,至少应让消费者知情。要做到这一点,有效的办法就是在转基因食品包装上贴上标签,让消费者自己决定是否购买。即使有了法规,知情权仍需保留。此外,转基因食品也可被视为基因工程的一种产品,故在一些原则上也应受到基因工程安全管理办法的管理。国际食品生物技术委员会(IFBC)于1988年提出采用判定的原则与方法对该类食品进行安全性评价;1990年,联合国粮农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)召开第一次有关生物技术食品安全性分析会议,并制定生物技术食品安全性评价原则和相关政策;经济发展合作组织(OECD)1993年提出了食品安全性分析原则——实质等同性原则,即生物技术生产的食品及食品成分与目前市场上销售的食品具有实质等同性。各国政府都制定了对转基因生物的管理法规和办法,负责对其环境安全性和食用安全性两方面进行评价和监控。我国对转基因食品有严格的控制机制。1993年国家科委颁布了《基因工程安全管理办法》,引导全国性的基因工程开发和研究;1996年农业部颁布《农业生物基因工程安全管理实施办法》,并实施严格的安全管理和审批制度。2001年5月23日新制定了《农业转基因生物安全管理条例》。《条例》覆盖生物安全的各个方面--从实验室到田间试验,到商品化生产、加工和经营,甚至到进出口,农业部《农业转基因生物进口安全管理办法》和《农业转基因生物标识管理办法》 2002年3月20日起实施,卫生部《转基因食品卫生管理办法》 2002年7月1日实施,每一个环节都加以严格、科学的安全评价和把关。譬如,规定细微到要求将转基因产品贴上转基因标志,让普通老百姓和进口国自己去做出选择,这将是一个“全过程的生物安全管理”,经过安全评价和检测的转基因产品,可以视为安全的。


(2)过敏性


所转基因编码为已知的过敏蛋白;基因源含有过敏蛋白;转入蛋白与已知过敏蛋白的氨基酸序列在免疫学上有明显的同源性;转入的蛋白属某类蛋白的成员,而这类蛋白家族中的有些成员是过敏蛋白。Nebraska大学研究人员证明,表达巴西坚果2S清蛋白的大豆有过敏性。


(3)抗药性


一些昆虫吃了抗病虫的转基因农作物也不死亡,因为它们已经对转基因作物产生的毒素具备了抵抗力。与一般的大豆相比,在耐除草剂的转基因大豆中,含有防癌成分的大豆异黄酮也减少了。另外,将耐除草剂的转基因菜籽和杂草一起培育,结果产生了耐除草剂的杂草。


(4)环境污染


抗病虫的基因转入作物一段时期后,可能使害虫产生免疫并遗传,使其携带免疫基因逃到相近的野生生物种群中去,以致改变自然的生物群系,使自然界的生态环境遭受破坏。


转基因食品作为高科技食品,进入普通百姓家是不可逆转的趋向,人们对它提出种种质疑,是对人类自身健康和利益负责的态度,只会使科学家更加保持清醒的科学头脑和正确的方向,以使转基因食品扬长避短,更好地造福于人类。


事实上,科学家对每一个具有新性状的物种安全性都进行了科学、全面的分析。美国转Bt基因的防虫玉米已大面积推广,含Bt基因生物杀虫剂已在全世界范围内应用10多年,至今未见对人畜有害的报道。现在美国超市上有4000多种食品含有转基因成分,美国人食用转基因食品已有10多年了。美国、加拿大两国的消费者虽然大多数已接受了转基因食品,但仍有27%的消费者认为食用转基因食品可能会对健康造成危害。2008年1月美国FDA曾发布报告说,克隆牛、猪、山羊及其后代均可以安全食用,克隆牛产的奶也可以安全饮用,相关食品上市无须贴专门标签。经过安全评价和检测的转基因产品,可以视为安全的。大家可以大胆食用,细细品尝,转基因食品会使大家吃得更富有营养,吃得更加健康。(凌志强 许沈华)


十一、转基因植物之拓荒者——辛世文


现今,世人已几乎无一例外地认识到,转基因技术的发明,已使生物世界面临着一场空前重大的革命。但是,你可知道有一名炎黄子孙在这场重大的生物革命中作出杰出的贡献,并至今还在继续为推动这场革命的进展而努力奋斗。他就是现任香港中文大学植物分子生物学及农业科技研究所所长,中国工程院院士,美籍华人辛世文。


辛世文教授1942年出生于广东湛江,1954年随父母到香港,1966年毕业香港中文大学的亚新学院生物系,1974年毕业于美国威斯康辛大学植物生物化学专业,获博士学位。曾任美国ARCO植物细胞研究所首席科学家、分子生物部主任及夏威夷大学植物分子生理系教授。这期间,他曾深入巴西热带雨林,通过艰苦的采集,获得了富含甲硫氨酸的典型植物标本——巴西豆。回到美国的研究室里,他夜以继日地设计实验,深入研究,终于在1980年提取并克隆出了世界上第一个植物甲硫氨酸基因,同时第一个发现植物基因亦含插入顺序而被国际同行誉为克隆植物基因之父;1989年他通过基因导入技术,把种子蛋白质中必需氨基酸(甲硫氨酸)含量显著提高30%,这是运用生物技术提高植物必须氨基酸含量首个成功例子。辛世文教授的实验表明了人类按照自己的需要和意图任意设计“制造”植物的童话已不再是天方夜谭,他的科学发现无疑具有划时代的意义。


辛世文加入美国国籍后,仍不忘祖国的养育之恩,对于祖国的科学事业一往情深。早在1980年,他就开始应邀担任中国国家蔬菜系统工程技术研究中心的顾问和客座教授,后来更成为该中心的蔬菜种质课题副主任;1990年之后,他又先后应聘担任中国农业大学、西北农业大学、武汉大学、中国科技大学和南开大学的客座教授,以及农业生物技术国家实验室学术委员会委员、北京植物细胞工程实验室科技顾问,并与中国科学院、北京大学、中国农业科学院、国家杂交水稻工程技术研究中心等众多单位开展双边或多边的分子生物工程技术合作研究。


1992年,他代表夏威夷大学与中国科学院植物所和中国北京蔬菜中心合作的“高赖氨酸蛋白改进谷物营养”课题获得成功,致使3个单位共同获得一项美国专利。1996年,他荣获国务院外专局授予为中国建设作出杰出贡献的外国专家 “友谊奖”及奖章。1998年,他与北京大学陈章良教授合作建立了北京大学与香港中文大学植物基因工程联合实验室,开展联合研究,交流互动,共同开发生物技术产品,共同培养研究生等。稍后,他又与袁隆平院士、陈章良和常镇汝教授联合申请国家自然科学基金和香港科学资助基金(简称中港基金),以开展水稻和大豆功能基因组研究。自号“分子农夫”的辛教授认为,杂交水稻产量高而质量差,其口感、营养仅属二等米,难与外国一级米抗衡,仅靠传统方法实在难以改进中国稻米质量,他希翼结合基因技术,协助改良杂交水稻质量和营养。1999年,他再次与袁隆平院士携手合作,用分子遗传技术开展杂交水稻品质改良和用分子标志技术改进水稻形态、增进抗病能力的研究,寻求将稻米的营养与肉类看齐。杂交水稻赖氨酸含量只有4%,低于联合国粮农组织提出的5.5%标准。而赖氨酸是人体成长的关键元素。辛世文在夏威夷发现四棱豆的一个基因可大量制造赖氨酸,把这个基因移植到水稻后,杂交水稻的赖氨酸含量增加至5.6%。2005年报道在动物实验里发现,以高赖氨酸稻米饲养老鼠,比用一般稻米饲养的老鼠生长速度快40%。他领导的香港教资会卓越学科领域——植物及农业生物科技中心自2000年成立以来,主要在作物改良、基因组功能、生物反应器、真菌生物科技等方面开展研究工作,近年来在国际重要刊物上发表近百篇学术论文,申请约20项专利,尤其是在籼稻转化、高效表达载体系统、分子育种系统、优化集成种子生物反应器系统、基因芯片技术等方面建立了较为成熟的技术平台,培育出高赖氨酸水稻、着手开展“碳四-超级杂交水稻”等的研究。他已在中国现代分子生物工程技术研究领域刮起了一股强劲的科研旋风。辛世文教授认为,21世纪的人类吃饭问题必将有赖于转基因技术来加以解决。为了实现发展的宏愿,他每天从早晨8时一直干到深夜。


转基因食物的安全问题,现在已经闹得满世界沸沸扬扬,莫衷一是。辛世文教授毫不含糊地站在支撑转基因食物的立场之上,为转基因食物进行着坚定不移的辩护。辛教授认为,教育是研究和生产转基因食物的重要一环。“当你明白是怎么一回事后,我会接受。如果不明白就反对,我觉得将扼杀一种新技术,不公平。” 至于食物安全问题,辛世文重申:“没法保证百分之百安全,关键在于增加利益而减低风险。”这也是他的座右铭。这位鹤发童颜的科学家说,新技术总有好处和坏处,最重要是防止其风险。由于生物基因技术太新太复杂,一般市民未必了解,知道的也未必全面,某些团体更把初步的发现当作结论,这不符合科学精神。他认为“人类不会自取灭亡,科学家有良知,懂得自我约束,到最后,一种基因食物能否入口,都是由人类决定的”。而且,转基因技术最终将使作物不用化肥农药和除草剂,这将更有利于地球环境保护和人类食物安全。在美国深造、工作二十余年的辛世文说,美国在一九九六年推出基因食物至今,加工食品占了七成。那么多年来,该国二亿四千万人口中,没有一人说基因食物出问题。为了现身说法,他保证自己绝对敢吃转基因食物。他的这种精神令人敬仰。(许沈华 凌志强)


十二、微生物中有敌人,更多的是挚友


微生物是一群在地球上出现最早、分布最广、数量最大的微小生物。微生物是一个庞大家族,上至几万米的高空,下到1万米的海底,热到55oC以上的热温泉,冷到-80 oC极地,几乎都有它们活动的踪影。它们的成员中有不具有细胞结构的病毒,单细胞的立克次氏体、细菌、放线菌、藻类植物和原生动物,结构复杂一点的酵母菌、霉菌等。


在人类历史长河中,个别细菌曾给人留下阴森恐怖、令人毛骨悚然的印象。如50年前,结核杆菌引起的肺结核病流行猖獗,病死率高居各类疾病之首。现在人们虽然找到特效药来治疗,但结核杆菌还是经常找人类的麻烦。


话说回来,细菌并非都是“坏蛋”,大多数细菌却是人类赖以生存的朋友。尤其是随着现代生物技术的发展,用高新技术重新“武装”了一些微生物,让它们在各自的岗位上发挥“特长”,施展才华,成绩斐然,成为造福人类的挚友。


传统的医药工业很多是选用特殊的微生物来生产的,现在正积极寻找自然界里新的、稳定的、产量高的菌株,并试图通过转基因技术改造菌株。如1981年上市的第一个治疗糖尿病的基因重组人胰岛素产品,就是把人的胰岛素基因转入到大肠杆菌中,大肠杆菌成了名副其实的生产胰岛素的“活工厂”。现在由大肠杆菌来生产的基因产品很多,如调节人体发育、促进组织再生的生长激素,人粒细胞集落刺激因子(升白细胞),干扰素,白细胞介素-2,肝细胞生成素等。又如紫杉醇有强力抗癌作用,从紫杉树或寄生的紫杉霉菌里分离紫杉醇合成酶的基因,转入微生物来生产紫杉醇。从毒蛇和蚯蚓中分离到的蛇毒和蚓激酶的基因,已经转到微生物中进行生产。(许沈华 凌志强)


十三、转基因微生物也能改善环境、提供能源


已知甲苯汞是稻田的有效农药,但其毒性是导致人患水俣病的祸根。日本科学家已找到能分解有机汞的假单胞微生物。它可以将有机汞分解成苯和金属汞。科学家将这种微生物基因植入具有传播性能的药剂质体上,广泛喷施到有毒的田地水域,抗汞的质体使其他微生物也获得分解汞毒的性能,从而降低汞毒的危害。


塑料制品犹如一把双刃剑,它在造福人类的同时,也潜在地威胁着人类自身。难以处理的塑料垃圾,给环境造成污染,对人们的威胁已日愈严重。假如能生产在自然界中可以完全分解的塑料,那该多好啊!近年来各国科学家竞相开发对环境无污染的生物塑料,为消除白色污染开辟了新途径。这种用时有形,弃之无踪的生物塑料是用工程细菌产生出的天然高分子物质制造的。科学家们先从天然高分子物质中分离出能控制这一分泌过程的基因,然后用基因工程技术培育出能够大量产生这种高分子的聚合物的微生物(细菌、酵母菌)。美国、英国、奥地利和日本等国已先后开发出一些能生产生物塑料的新菌种。相信不久的将来,你一定会用上可以分解的塑料制品。


在转基因植物中提到,人们在寻找新能源的征途中,发现植物是一支不可忽视的能源大军。现在,美国科学家借助基因结构变化的细菌,已能运用新的发酵方法,使包括由5个碳原子组成的半纤维素在内的所有碳水化合物生成乙醇。而用乙醇代替汽油作燃料,释放出来的二氧化碳可减少90%。使用乙醇还能消除汽车行驶过程中造成的臭氧烟雾污染。用细菌生产乙醇的方法,原料来源广泛,可以是玉米秆、木屑、废纸、城市中的固体垃圾等,这真是变废为宝,一举两得的美事。这种价格低廉的绿色“石油”将深得人们的青睐,有着广阔的发展前景。


日本通产省决定2001年开始实施一项为期10年的人造微生物计划。第一年约投入研究经费数十亿日币。计划吸取企业和大学参加,首先从各种生物的遗传基因中筛选出对医药制造等有用的遗传基因,然后设计合成一种可使生物在发挥有用功能的同时获得可存活下去的遗传基因组,最后完成新品种微生物的创造。这种新型微生物可根据遗传基因组的指令,大量生产有效的医药原料等, 成为制药企业低价的原料生产工厂。如果是开发能分解木材的微生物,那么这种新型微生物,把木材分解后就可得到乙醇等能源,实现生物定向能量的转化。如果是开发出能分解垃圾的微生物,就可以快速地处理垃圾,解决烦人的垃圾污染问题。


里氏木霉菌是一种深绿色、蛛网状的霉菌,因在二战中造成南太平洋地区军队服装和帐篷的霉烂而开始为人注意。 最近丹麦生物科技企业诺维信企业和美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家破译了里氏木霉菌的全部基因组,并从中发现了它将植物纤维生物降解为单糖的重要线索。人们原以为纤维素的降解过程很复杂,涉及的酶很多,但基因序列分析显示,里氏木霉菌合成的酶种类其实很少,说明其降解过程非常高效。他们借助于破译里氏木霉菌基因组所获得的数据分析发现,里氏木霉菌有一些基因能够编码产生一种特殊的酶,这种酶能够帮助把植物纤维素高效分解成单糖物质,这是生产生物乙醇的极佳中间原料。研究人员强调,与其他同类真菌相比,里氏木霉菌在促成纤维素转换成单糖的同时,只有很少的基因会编码生成“吞噬”纤维素的酶。这样使得纤维素转换成单糖的过程相对高效。诺维信企业的科学家约埃尔•谢里说:“里氏木霉基因组中包含的信息有助于大家更好地了解这一生物体高效降解纤维素以及大量分泌所需蛋白酶的机理。利用这些信息将使利用纤维素大批量生产出生物燃料和其他化合物成为可能。”在工业实践中,人们可培养里氏木霉菌得到纤维素降解酶,然后将酶加到纤维素浆混合液中得到糖,再通过酵母发酵利用糖生产乙醇。他们的论文发表在2008年4月英国《自然-生物工艺学》杂志上。


会吃军服和帆布的里氏木霉菌能帮助人们更高效、更低价地将柳枝稷和其它非粮食作物,甚至将富含纤维素的生活垃圾转化为生物燃料开辟了新途径。这一研究有望破解“生物燃料与人争粮”难题。(凌志强 许沈华)


十四、转基因固氮菌--天然氮肥厂


在中学的生物课上,老师曾经风趣给大家讲过在大豆的根部有像芝麻颗粒大小的一个个根瘤菌,它是豆科植物营建的无数微小氮肥厂。根瘤菌能够直接吸取空气中的氮素作为养料,并能将分子态氮素先还原为氮,再转化为氨基酸和蛋白质,这种过程叫生物固氮。根瘤菌营建的氮肥厂,原料是空气中取之不尽,用之不竭的氮气,用的能源是昼而复始的太阳能,据估计,每666m2土地的根瘤菌一年能生产氮肥2.5kg。


现在,科学家已证实具有固氮能力的微生物有几百种,并从根瘤菌中找到了固氮基因,正全力研究把固氮基因转移到玉米、水稻、小麦、棉花等作物根部生长的细菌中去,使这些农作物也都带有天然氮肥厂,无需施肥就可稳获高产。


我国科学家已利用转基因技术培育出适合水稻的耐氨固氮菌,当水稻根部接上耐氨固氮菌后(图6-7),在相当于666 m 2土地上增施了2.5kg氮肥,获得的增产效果十分显著。(许沈华 凌志强)


十五、转基因细菌把玉米变成布


人们已经知道,自然界某些酵母菌能把糖分解为甘油,有些细菌能把甘油变成亚丙基二醇(3G),但还没有发现任何一种微生物能直接把糖转化为3G。3G经过提炼可制成一种名叫3GT新材料比传统的聚酯纤维(又称2 GT)品质更优良。目前要用昂贵的化学方法才能制造3G,由于成本太高,这种材料迟迟不能走向市场。杜邦企业的科学家利用转基因技术把两种自然界存在的微生物的基因导入第三种微生物中,创造出能直接把糖转化成3G的细菌。科学家先把玉米经过碾磨后得到淀粉浆。然后通过酶的作用把淀粉浆转变成一种通常用于使可乐变甜的糖。当加入转基因菌后,就被吸取转化为3G。然后这种化学物质被收集起来,并从溶液中分离出来经过提炼即可制成 3GT。这种3GT新材料具有弹性,可以被拉长15%,并且能够随意成型或压制,可用于生产服装、窗帘、地毯、人造革等。它还具有生物降解作用,并且能还原到最初的成分,也许能够无限制地加以重新利用。要不了多久,这种3GT新材料将可使每年销售额为200亿美金的世界聚酯纤维市场发生彻底的改变。(许沈华)


十六、转基因细菌竟能吐真丝


蜘蛛产丝结网,蚕吐丝做茧,这是人们知道的常识。细菌吐蛛丝,土豆能纺丝,这可真是没有听说过的希罕事儿(图6-8)。现代高科技就是那么的神奇,它能别开生面地使细菌吐出货真价实的蛛丝来,使土豆纺出真丝来。


蜘蛛和蚕具有特殊的腺体制造丝蛋白,人们可将这种丝蛋白纺成比钢丝强度还高的纤维。目前只有杜邦企业制造的,用于防弹衣,运动设备,航天器和石油钻井中的凯夫拉尔人造纤维可以与丝相媲美。但是凯夫拉尔纤维僵硬,而蛛丝是高弹性的,将直径万分之一毫米的蛛丝拉长2倍也不会断裂,比同样粗细的钢丝还结实5倍。这是由于蛛丝能在拉断之前吸取大量能量,所以蜘蛛可以利用丝来捕获快速飞行的昆虫。因此工程师和材料科学家非常愿意利用丝来解决技术问题。但是搜集天然来源的丝十分稀少,非常昂贵。因此研究者们正在寻求大量制造成分及特性与天然丝相同的人工丝的方法。


由于丝是一种蛋白。研究者们已经发现了丝的化学成分,但是其成分过于复杂,而无法利用工业方法人工合成。一个更好的方法就是利用生物建造活体丝工厂。


科学家发现了蜘蛛丝基因并且已经将蜘蛛丝基因转入了细菌中。将这些细菌在发酵罐中进行培养制造丝蛋白,但是它们的培养基营养成分中必须添加丝蛋白主要成分:甘氨酸和丙氨酸。


2000年6月美国尼克萨生物企业科学家又宣布将蜘蛛丝基因导入到山羊的DNA中,转基因的“生物钢山羊”产生的奶中含有这种丝蛋白。他们打算要培育1500只“生物钢山羊”,用以提取蜘蛛丝,来制造防弹背心、航空和医疗设备。


现在德国科学家将蜘蛛丝基因导入了马铃薯和烟草的植株中,他们发现这些植物总蛋白量中有2%以上含有这种丝蛋白。如果这些蛋白可以被纺成丝,它们就有可能用来制造高强度的纤维,以及非毒性和可生物降解的生

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