有趣睡不着的基因治疗病毒载体及基因改造作物真相

直到20世纪后半期为止，分子生物学已经揭开了遗传现象的基本机制。虽然只是一部分，但通过了解这一部分生命的奥秘，我们终于能够工业化地利用基因了。

粗略地说，基因就是排列成一列形成DNA的四种核碱基。将具有特定功能的DNA片段（基因）从某个生物的细胞中剪切，放入另一个生物的细胞中并使其顺利表达（基因敲入），以及让特定基因停止运转（基因敲除），这两者是基因工程的基础。

在编辑DNA时，需要使用限制性核酸内切酶和DNA连接酶。

限制性核酸内切酶本来是细菌为了保护自身不受病毒侵犯而进化出的一个结构，是能够水解进入细胞内部的病毒的DNA的酶。它可以识别出病毒特有的核酸序列，以免误将自身的DNA水解。利用这种特性，我们可以辨认出特定的核酸序列，并将其剪切。

DNA连接酶则是能够把剪切过的DNA连接起来的“强力胶”。在细胞内部，DNA会因为各种各样的原因而断裂。DNA连接酶就是为了修补DNA而进化出来的酶。在将被限制性核酸内切酶剪切出的DNA和其他DNA连接起来的时候会用到它。

将基因导入细胞时会使用“vector”（载体）。vector在拉丁语中是“媒介”的意思，它是用来将DNA片段运送至细胞内部的工具。载体有很多种类，在本节中我将为大家介绍三种代表性的载体。

第一种是质粒载体。质粒是微生物（细菌或酵母）体内的环状DNA，独立于其他染色体。用电脑来举例的话，染色体DNA就是存有维持基本功能的内设硬件，质粒就相当于在传输软件和文件时所用的USB闪存盘。

其实，自然界中的微生物也在通过交换质粒来交换遗传信息。微生物并不仅仅依靠突变来获得新的性状，还会通过质粒来传播自己偶然间获得的性状。质粒载体借用的就是微生物们所使用的这种技术。

质粒能够进入目标细胞的概率（转染效率）并不高。于是，人们找到了转染效率更高的病毒载体。病毒拥有能够感染目标细胞的能力，只要将所需的基因插入病毒的遗传信息，就能够将基因导入目标细胞了。

当然，作为载体使用的病毒，其中与病原性相关的遗传信息已经全部被删除了。但为了以防万一，实验室对其的管理依旧非常严格。病毒载体还可能被应用于基因治疗。因为我们借助于能够致病的病毒的性质（能够感染细胞），可以将用于治疗疾病的基因导入细胞。

最近DNA合成器的性能也提高了，我们现在已经能够快速、准确地合成大段的DNA，人工染色体载体也登上了舞台。虽然其在稳定性等方面还有改良空间，不过它足以导入数百万个核酸序列，是人们非常期待的技术。用电脑来举例的话，就相当于增加了新的硬件。

利用质粒和病毒载体开展的基因转移并不能很精准地进行。应该说，这两者都只是概率性地操纵基因。

不过，最近几年，又出现了一种“基因组编辑”的方法，它的基因操作成功率要比通过载体进行的基因重组更高。通过人工设计限制性核酸内切酶，可以更具针对性地将基因敲入目标DNA的基因区域，或从其中敲除基因。这种方法主要的技术有CRISPR/Cas系统和TALEN。

说到对基因工程贡献最大的技术，那就不得不提聚合酶链式反应（PCR技术）了。通过PCR技术，我们可以很简单地仅扩增所需要的基因区域内的DNA。

发明PCR技术的人是生物化学家凯利·穆利斯。他的外号叫作“有博士学位的冲浪运动员”。因为当他凭借PCR技术于1993年获得诺贝尔奖时，新闻报道的大标题正是：冲浪运动员拿了诺贝尔奖！

通过重组DNA技术，可以将基因敲入小鼠等实验动物，或是将它们身上原有的基因敲除。研究生命科学的科学家们，就是通过这种方法来研究每种基因的功能。

重组DNA技术不仅对生命科学的研究有用，还能应用于农业和制药业领域。通过基因重组创造出的新品种，有时也被称作“基因改造生物”（Genentic Modified Organism），但其含义中也包括了所有的实验动物（转基因小鼠等），并不能算是一个合适的词。我接下来将要介绍的主要是农作物，为了便于理解，我将使用“基因改造作物”一词。

基因改造作物的研发目前已经来到了第三阶段。

◆PCR的原理1

◆PCR的原理2

◆PCR的原理3

① 升温后DNA双链会分为单链，降温后又会恢复为双链。在这时混入DNA片段（引物），引物须将想要扩增的区域前后相夹。

② DNA聚合酶将互补的DNA与引物相连接。

③ 包含想扩增的DNA区域的双链变成两条。

④ 重复同样的操作（①～③）。

⑤ 包含想扩增的DNA区域的双链变成4条。

⑥ 再次重复相同操作（①～③）后，包含想扩增的DNA区域的双链变成8条。其中有2条为仅由想扩增的DNA区域组成的双链（虚线圈起的双链）。之后，只有由想扩增的DNA区域组成的双链才会成倍扩增。重复相同操作20次后，数量将增至约100万倍。只要有足够的核苷酸（核碱基+糖+磷酸）和引物，那么仅需要进行调控溶液温度的机械操作即可。

第一代基因改造作物与生产者相关，第二代与消费者相关，而第三代则与我们的未来相关。首先，就让我来简单地介绍一下相关背景。

农业的历史就是“品种改良”和“与害虫斗争”的历史。人类长期以来都在利用着其他的生物，拥有较大可食用部位的植物，奶牛、肉牛、羊毛的改良等。我们一直在开发着便利自己生活的生物。这种学科被称作“配种学”。

孟德尔的研究原本也是从“配种学”开始的。毋庸置疑，基因表达是生命现象的基础。因此从历史的角度来看，可以说人类“改变了生物的基因”。

人类觉得美味的农作物，对于害虫来说也许同样是美味的。而适宜农作物生长的环境，对于其他植物而言也同样舒适。农业的规模越大，害虫的危害也会越严重，放任无用植物的生长也会影响到作物的产量。

人们为了清除无用的植物、消灭害虫，一直在使用化学药剂。但消灭害虫的化学药剂如果使用过多，也会对人类和农作物产生影响。使用能够对生命体整体产生危害的毒药，不仅能消灭害虫，还会危及人类，这是无可争辩的事实。

因此，我们需要找到能够针对性地消灭害虫的方法。由此研发出来的，就是第一代基因改造作物。在这里将为大家介绍比较具有代表性的抗除草剂大豆和耐虫害玉米。

首先来说说抗除草剂大豆。目前人们常用的除草剂当中，有一种叫作草甘膦。应该有不少读者听说过它的商品名“农达”。

草甘膦是一种类氨基酸（甘氨酸）的物质，能够阻碍仅有植物拥有的氨基酸合成酶合成氨基酸。植物会因为缺乏氨基酸而枯萎。几乎所有植物都有这种氨基酸合成酶，草甘膦也因此是一种万能的除草剂。

但草甘膦也存在着它的问题，那就是它太有效了。对几乎所有植物都有效，也就意味着连农作物都会枯萎。在广场、庭院中用它来除草的确很方便，但在农田里使用时就需要多加小心。

这么有效的药物，肯定会带来对人体、环境是否有影响的担忧。不过草甘膦和氨基酸的分子结构很相似。在土地中很快就会被细菌分解，不会残留在环境中（可生物降解性高，快的话3天，慢的话不到一个月就会消失）。

而且，动物并不具有会受草甘膦影响的氨基酸合成酶，所以草甘膦对人类是无害的（人类拥有其他的氨基酸合成酶）。因此，草甘膦是一种非常好用的优秀除草剂。

换个角度来看，土地中的细菌所拥有的氨基酸合成酶就不会受到草甘膦的妨碍。也就是说，草甘膦对拥有“细菌的氨基酸合成酶”的植物无效。于是，人们通过基因重组，发明了拥有“细菌的氨基酸合成酶”的抗除草剂大豆（商品名称：抗农达大豆）。

接下来再讲一讲耐虫害玉米吧。过去人们所使用的化学杀虫剂中，有很多对人体也有害，十分危险。生产规模比较大的农户在田里喷洒杀虫剂时，需要裹紧全身、戴上防毒面具来开展作业，有些甚至要开动直升机在空中喷洒杀虫剂。

也正因如此，市场就会发生误吸杀虫剂的事故。可即便在操作时再怎么注重安全，杀虫剂也只对附着在作物表面的害虫有效。而在大规模农业中会引发虫害的害虫，往往会进入植物的根茎。如果想让杀虫剂的药效能够杀死这些害虫，就必须提高杀虫剂的浓度，可是如此一来只会更加危险。(www.xing528.com)

人们便尝试寻找是否有只对昆虫有效的毒素，最终发现有一种细菌具有仅对昆虫有效的毒素（蛋白质），那就是苏云金杆菌（Bacillus thuringiensis，以下简称Bt菌）。它属于芽孢杆菌属，和枯草芽孢杆菌归属于同一属，与纳豆菌关系很近，自古以来就作为蚕的病原菌而为人所知。

Bt菌的发现者其实是一位日本人，他就是养蚕研究家石渡繁胤（1901年）。他在喂养蚕的过程中，发现有一些蚕的死状看起来十分痛苦，便将这种现象命名为“猝倒病”。从死亡的蚕身上，他分离出了细菌。

因为这是猝倒病的病原菌，石渡就将其命名为“猝倒病菌”（非常直接）。石渡没有将其登记为新物种，但在10年后，德国的恩斯特·贝尔林纳重新发现了Bt菌（1911年）。

贝尔林纳从印度谷螟（Plodia interpunctella，其幼虫喜食谷物）这种危害粮食的害虫尸体中分离出了Bt菌。发现尸体的地点位于德国图林根州，这也是Bt菌名字的由来。Bt菌的毒蛋白是仅在昆虫的肠道中起效的一种毒素，它仅能与昆虫肠道中独有的特异受体相结合。

包括人类在内的哺乳动物并没有这种受体，因此Bt菌蛋白对于哺乳动物而言只不过是一团氨基酸。这正可谓是昆虫专用的毒素。通过基因重组而表达出Bt菌的就是耐虫害玉米（一般也叫作“Bt玉米”）。

除了抗除草剂大豆和耐虫害玉米之外，第一代基因改造作物中还包括耐久存放（阻碍植物分解自身细胞壁的酶）、便于运输和储存的作物。

第二代基因改造作物的主要目的是提高作物作为食品的功效。目前正在研发的作物包括含有大量药效成分和特定营养素的、表达出用于脱敏治疗的过敏源致敏蛋白质等）的、可用作可使用疫苗的种种作物。脱敏治疗也叫作“脱敏疗法”，是一种治疗过敏的方法，通过反复摄入不会引发过敏症状的低剂量过敏源，让身体逐渐适应。

基因改造不仅能为作物带来新功效（敲入），还能通过抑制基因表达（敲除）来提高作物的价值。

有趣的是，现在还有一种“不会流眼泪的洋葱”。这种洋葱是在新西兰发明出来的，不过第一个确定洋葱中的催泪成分及其合成酶的，是日本人研究者今井真介（好侍食品研究主干事），他还因此获得了2013年的搞笑诺贝尔奖。但这种洋葱目前仍处于实验阶段，还无法进入市场。听说它的催泪成分减少，同时风味也有相应提升，还真是想尝一次试试啊！

接下来，就让我们来聊一聊第三代基因改造作物吧。

第三代基因改造作物最令人关注的，就是通过提高作物的性能，改善世界粮食短缺的状况。例如加强作物光合作用的能力以提高粮食单产，研发能在干旱、强日晒、盐害、低温、极端PH值土地等严苛条件下耕种的作物。为了养活不断增加的人口，我们必须增加更多的耕地，但目前几乎没有适宜耕种的空闲土地了。

因此，想要增加粮食产量，就必须提高现有耕地的产量，并在严苛环境下开展耕作。为了应对即将到来的危机，人们正在抓紧第三代基因改造作物的研发。

虽然并没有什么必须通过基因重组技术来提高粮食产量的理由，但相比于普通的育种法，使用基因重组技术培育新品种，在速度上要快得多。

到目前为止，我只讲了基因改造作物的好处，但社会上还是会有人担心：“基因重组难道不会有害吗？”有许多消费者团体和部分科学家都在鼓吹着基因改造作物的危险性。

可当我们仔细分析作为反对基因改造作物的依据的研究（致癌性、致敏性等）内容就会发现，没有一项研究能够经得起第三方的验证，全部都被否定了。当然，我们的确需要时刻对事物的安全评估持批判精神。但基于错误依据的批判是毫无意义的。

至少截至2015年，我们尚未发现任何能够证明基因改造作物具有危险性的科学证据。虽说没有什么是100％安全的，但我个人认为，大家对此有些过于担忧了。

但尤其是在基因改造作物这件事情上，普通消费者们“对不了解的事情会过度高估其风险”，而研究者和相关人员却“对了解的事情会过度低估其风险”。

因此，我认为重要的是研究者们也需要真诚地倾听批判意见，并向消费者们解释、说明正确的科学事实。而消费者们也不要被莫名的恐慌所支配，也不要被不科学的言论所煽动。如果有机会的话，希望广大消费者能够多向研究人员提问。一般来说，研究者们都是很热爱解释说明的一群人，只要时间允许，都会向大家进行说明的。

自重组DNA技术发明之初，人们就已经预料到会发生这样的事情。当时位于话题中心的是美国斯坦福大学的教授保罗·贝格。

保罗·贝格因为发明了上文提及的利用质粒载体的重组DNA技术而获得了1980年的诺贝尔奖。贝格独具慧眼之处，便是他意识到了重组DNA技术在造福人类的同时，还可能会遭到滥用。但问题在于，当时的专家学者们想象不到重组DNA技术究竟会如何被滥用。

于是贝格主动暂停了研究，提出必须对基因重组实验加以限制。1975年，全世界的分子生物学家们聚在一起，共同制定了基因重组实验的指南。

这就是阿西洛马会议。会议得名于举办地点美国加利福尼亚州的阿西洛马。之后，会议约每两年举办一次（通称COP，Conference of the Parties）。

各国的科学家们通过会议形成了公约，涉及分子生物学的研究方法、自然环境与生物多样性的保护及可持续利用，通称《卡塔赫纳生物安全议定书》（2003年签订）。

公约的内容简单来说，就是所有经过重组DNA技术改性的生物在跨国运输时需要遵守的规定（进出口手续）。日本在2003年《卡塔赫纳生物安全议定书》签订后，于同年颁布了《关于限制转基因生物等的使用以确保生物多样性的法律》（通称“卡塔赫纳法”），并于翌年起开始实施。

“卡塔赫纳法”是日本国内关于基因重组生物操作的法律，只有经确认对环境无影响的基因重组生物才可以在开放环境（可以通往室外的空间）下使用，此外的基因重组生物仅允许在封闭空间（实验室内适宜的空间）内使用，并通过物理或生物学手段进行封闭（生物安全等级、BSL）。

也就是说，除经许可生物以外，其他基因重组生物不可扩散至自然环境中去。根据操作危险性的不同，将密封等级分为四个级别，分别由“物理封闭”（Physical Containment）的首字母缩写分为P1—P4几个级别，但因为经常被误认为是“病原体”（Pathogen）和“防护”（Protection）的首字母，近来就更名为BSL1—BSL4。相比于在贝格的时代制定下来的规则而言，目前的规定已经放宽了许多，即便如此，标准依旧相当严格。不过，遵守规定，克制地开展研究，可以说是每一位生命科学研究者的骄傲。

2015年4月，中国科学家团队发布了一篇关于编辑人类受精卵基因的研究论文。4月22日出版的《自然》杂志报道了此事，引起了国际舆论风波。

在治疗不孕不育的过程中形成的体外受精的受精卵出现了染色体数量异常，便没有被移植回母体，最终成了实验的材料。此实验因为行动过于轻率而引发了其他国家研究人员的争议。该中国研究团队也承认目前的技术尚未成熟，在基因转移操作过程中出现了意料之外的基因突变。

事关紧要，我认为必须尽快制定世界级的研究管理标准。美国国家科学院和美国国家医学院在2015年5月宣布，将着手制定关于人类基因实验的操作指南，预定还将举办国际会议。今后关于此事的讨论也会越来越多。

日本基因治疗学会和美国基因与细胞治疗学会（ASGCT）在2015年8月共同发表声明，称在技术及伦理问题得到解决、取得社会广泛认同之前，应当严厉禁止使用人类受精卵。但声明提及的只是人类受精卵的使用，并非限制体细胞及其他实验动物的使用。这一点还请大家注意。

如今，人类的科学已经发展到可以直接地改变生物基因的程度了。但这与生命诞生至今的几十亿年里大自然的鬼斧神工有着根本性的区别。最近的研究已经发现，跨越物种的基因重组，在自然界中很可能是一件极其普通的事情。

当然，人类也不例外。

例如，与对保持皮肤水分、维持关节软骨功能很重要的透明质酸相关的基因，可能就是和某种菌类基因重组后获得的。与决定ABO血型的聚糖相关的基因其实也是与细菌基因重组后的产物。

反对基因改造作物的人们所宣扬的“外源基因很危险”的观点，从生命史的观点来看就是毫无根据的。不过，经过长期淘汰的基因重组和在当代技术下飞速进展的基因转移可能的确会有所区别。因此与自然淘汰不同，我们有义务对基因重组的新产品进行安全检查。

虽然安全检查的妥当性、严谨性的确还需要多加讨论，但对技术本身的批判，可以说已经没有科学意义了。

对于普通读者来说，“基因重组”这个词听起来或许会有人为的意思。不过这在自然界确实是非常普遍的现象。

我们经常会吃的、自古就有的作物，只要去研究一下它们的基因组，就能够发现它们会很频繁地发生突变。只不过它们的外形和味道没有变化，所以我们没有注意罢了。这就是进化的原动力，要说理所当然，那确实是理所当然的。

归根究底，自然科学还是学习大自然中的规律。科学技术能够做到的，不过是运用自然规律而已。从这层意义上来说，人类是无法“违抗不自然的自然规律”的。

无论科学如何进步，人类都不过是在如来佛手掌心上不停翻跟头的孙悟空罢了。