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分类: 案头之山水 |
多数人一听见“细菌”这个词,首先想到的是731部队,想到病毒。其实,在地球上的细菌中,绝大多数是无害的。除了作为生态链中不可或缺的一环,还有很多细菌给我们的生产生活带了很大的好处,比如酸菜、泡菜、酸奶、奶酪、白酒啤酒葡萄酒等等,都是细菌的功劳。这次要说的是基因工程菌的应用。
地球上的细菌不计其数,人类有所认识的只是其中很小很小的一部分。细菌没有成型的细胞核,只有一个DNA相对集中的区域。有的细菌有在那个区域之外有一些DNA,首尾相接形成一个环状结构,象个手镯,被称为质粒。质粒上的DNA序列跟染色体一样可以复制,他们也是蛋白质合成的密码,调控合成特定的蛋白。
不知道“敬畏自然”的生物学家们,对于生物体中密码的追逐,比起最无耻的狗崽队对于明星隐私的追逐更加狂热。知道了质粒上的密码,生物学家们马上想到的就是如何改变它(从宗教的角度来说,这其实上帝才能干的事情)。他们找到了一些酶,可以在他们想要的位置把质粒切断,然后再用另外的酶把他们想要放进去的DNA片断,也就是基因,放进去。经过了偷梁换柱的质粒被放回细菌中,傻乎乎的细菌丝毫觉察不到,稀里糊涂不遗余力地为他人做嫁衣裳。
生物学家们最“恶毒”的地方还在于,他们在质粒上插入一段“筛选基因”,比如说抗青霉素的基因,这样含有这种质粒的细菌就可以在含有青霉素的环境中生长。在这种含有抗青霉素基因的质粒中在插入想要表达的基因,因为有的细菌被“演变”了,有的没有,人们把这所有的细菌都放到青霉素的环境中,结果可想而知,重组的质粒安然无恙,“自然”的细菌被赶净杀绝,只剩下了被“演变”的细菌。
这种在细菌中表达蛋白质的技术,最常见的应用是研究基因的功能。当人们获得了一个基因,要明白它在生物体中起什么作用和如何起作用,在一定程度上比获得基因更加重要,也更为困难。要知道蛋白质长什么样(蛋白质的功能由它的长相决定),需要让蛋白质长成一个晶体,然后用X光之类的技术去研究。要知道蛋白质起什么作用,可以研究它与别的东西如何结合,让别的东西如何变化。例如大家熟知的SOD,就是看它是否可以和超氧化物作用,在什么条件下可以最有效地把超氧化物“歧化”掉。这些工作都需要大量的很纯的蛋白,而从天然生物中把蛋白分离到进行这些研究所需要的纯度,是一件很困难的事情,比起从泥砂里淘金,难度要高了若干数量级。用基因工程菌来表达蛋白就容易多了。生物学家们在需要表达的蛋白的头上加上标记,比如常见的连续六个组氨酸。这样的标记可以特异地结合在某种材料表面。当细菌把这个带着标记的蛋白合成出来,人们把细胞收集起来,打碎,让它们流过那种材料,想要的蛋白挂在了材料表面,其它的流走。然后再用别的溶液挑拨离间,蛋白质与那种材料反目成仇,也就扬长而去,落入了人类的圈套。
上面说蛋白质研究对于基因功能的认识还远远不够。人们还想知道它在生物体中是否具有人们认为的功能。比如说,一个基因,人们猜测它的作用是抗盐,就把它重组到质粒上,放进细菌中。另一种细菌含有相同的但是没有个基因的质粒做对照。把两种重组的细菌放到高盐的环境中生长。如果含有转入基因的细菌长得明显比没有该基因的空白对照好,那么这个基因就很有可能的确能够抗盐。如果把它转入农作物中,农作物就可能在盐碱地上生长。当然,实际情况比这要复杂得多。一种情况是该基因的作用需要其它基因的协同作用,细菌中不含有那个基因,细菌研究的结果,就不是说这个基因没有抗盐作用,而是不能作出“能不能抗盐”的结论。另一种情况,在细菌中证明这个基因能够抗盐,但是转到了农作物中却没有作用。这并不是说细菌研究的结论错了,而是说该基因没有在农作物中正确表达。可以说,运用细菌进行的功能基因研究,是筛选有用基因的重要手段。
现代生物学对于改造基因乐此不疲。比如说,一个基因具有某种作用,人们还想知道是这个基因上的哪个氨基酸起到关键作用。知道了这点,人们就可以人为地控制这种基因的表达。比如说,某个蛋白具有治疗某种病的功能。但是这个蛋白很大,人们就想知道是不是只有某一个部分是有效的,别的都是陪衬。应用上面的基因重组技术,人们可以象搭积木一样尝试不同的排列组合,可以找出最小的能够治病的部位,然后只生产那部分来作药。大家不难想象,蛋白质越小(这种有效部位比通常的蛋白小很多,不叫蛋白质而叫多肽了),注射进人体之后产生别的后果的可能性就越小,药物最终能够成功的可能性就越大。
在我们的生产生活中,需要大量的蛋白质,比如以前说过的生产奶酪所用的凝乳酶,化妆品中的SOD,治疗糖尿病的胰岛素等等。从生物体中提取“天然蛋白质”不是不可行,但是成本太贵。比如说,凝乳酶要从牛胃中提取,一头奶牛可以奉献很多奶,却无法奉献许多胃。把凝乳酶的基因重组到质粒中,培养细菌来生产凝乳酶就便宜快捷多了。现代工业对于大规模培养细菌已经轻车熟路,原料也越来越便宜。可以说,正是由于这些技术的发展,我们才可以用今天的价格买到奶酪。如果说食品和化妆品中的蛋白从天然产物中提取还可以忍受——毕竟奶酪或者护肤品的中有点杂质也不会死人,药物尤其是注射液中的杂质就可能要命了。从天然产物中提取的有效成分再注射进人体,要把纯度提高到“保证安全”的地步,那么现在的“天价药”都便宜得很。当我们用细菌来生产药用蛋白的时候,就可以只生产有效的那部分。基因序列简单,生产流程相对于天然提取也简单,最后的产物连是不是左撇子都被能被监控。不但便宜,而且更为安全。
如果大家想起“细菌”还是感到“硌应”的话,我就再作把坏人,给大家一点更强的刺激,看看有没有助于大家脱敏:不管怎么讲卫生的人,从皮肤到胃肠,都充满了细菌。当年教我们养细菌的那位师姐,让我们把用酒精棉球擦过的手指在细菌培养板上按一个手印,两天之后,照样长出一团细菌。而只是用水洗过的手指所按的地方,长出的细菌就可以用丰富多彩来形容。