DNA生命對科學和社會的影響

鄧子新

DNA生命對科學和社會的影響

鄧子新

專家簡介：

鄧子新，中國科學院院士，第三世界科學院院士。著名微生物學家。上海交通大學教授。

一、DNA是生命之水

人類歷史經歷了四次工業革命。第一次是1765年誕生的蒸汽機，把我們帶入蒸汽機的時代。之后進入電子時代，那時候主要以半導體為主要元件。隨后我們進入了信息時代，以1946年美國發明了電子計算機為標志，當時的電子計算機非常大，大約是一間半的教室大，有六只大象重。運算速度還趕不上我們的手提電腦。但是它非常重要，把我們帶入了信息的時代。第四次工業革命把我們帶進了生命科學的時代，研究生命的現象和本質的時代。這個時代是以沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構為標志的。從表面上看DNA是簡單的堿基排成無限長的距離，實際上每個不同基因編碼都有規律性的，是有作用的，在細胞內組成雙螺旋立體的結構成為我們今天生命的物質基礎。

隨著沃森和克里克發現雙螺旋，后面的時間里生命科學不斷發生由量到質的變化，這里面有一些標志性的成果，比如發現DNA聚合酶，氨基酸密碼子，限制性內切酶，研制出單克隆抗體，1982年FDA批準第一個基因工程藥物重組人胰島素，1983年發明PCR技術，90年代啟動人類基因組計劃，隨之出現克隆羊，到這個世紀初期人類基因組測序完成，真正使得我們今天進入高速發展的生命科學世紀。

在生命科學的發展歷程中，人類如何證明是D N A，而不是蛋白質，是遺傳因子呢？今天看來非常簡單，用蛋白質轉化小鼠，蛋白質不能使小鼠得病，而用DNA轉化小鼠的時候小鼠得病了，用DNA加上蛋白質轉化小鼠，這時候也致病了，如果把DNA切斷后轉化小鼠又不致病了。所以這個實驗證明了DNA是致病的重要遺傳因子，也就是物質的基礎。隨后證明基因是一個個小片斷或者大片斷DNA構成的，編碼了生物體的遺傳現象，儲存了現在生物群無窮無盡的遺傳信息資源。作為一個人來講，個別的基因編碼了我們的性格，說、笑、眉毛、眼睛，無數基因的組成構成了我們今天的基因組，是生命遺傳物質信息的組合構成了基因組，就是DNA在決定著我們的細胞。今天這個社會可以看到DNA編碼了色彩斑斕的生命世界，這個世界有人，有大猩猩，有熊貓，還有小的不能再小的病毒、細菌、真菌，今天這個多姿多彩的世界無一不和DNA有關。

二、DNA是禍福之源

DNA是生命之水，但是DNA也是禍福之源。跟我們生活息息相關的流行性疾病，比如說非典、禽流感、甲流，早期的肺結核，早已成為威脅人類健康的最大威脅之一。這些疾病可以通過微生物介導，可以通過空氣傳播，通過血液傳播，通過水、食品傳播。這些微生物了不得，諸如艾滋病病毒，狂犬病、肺結核細菌，SARS、禽流感、H1N1等等，這樣的病毒威脅著我們的生命。社會安全、公共安全與我們對這些微生物的防控是息息相關的。還有一些社會活動可能會產生疾病，如狂犬病是死亡率最高的病毒性傳染病。狗是一種寵物，但是如果我們管理不好，可能會帶來一些社會公共安全問題，現在我們國家狂犬病的發病率位居世界第二。不光對于動物，還有些微生物會引起植物的病害。有1700多種植物會患由于微生物引致的農業病害，像水稻、小麥、玉米、棉花，還有一些像蔬菜、水果、煙草、人參等許許多多的植物病害。這些病害影響了農業生產，也影響了我們的生活健康，直接或者間接地影響到我們。比如說水稻的病害，每年造成水稻面積的15%以上都感染病害。這些都是微生物，本質都是DNA所造成的侵害。

同時DNA還有人為的恐怖，剛才說的是自然引起的，當然有些與人有關系，但是還有一些是明顯的人為恐怖，比如說克隆人，克隆其他有害動物、農作物或微生物。第二方面像基因武器。基因武器通常是利用人類不同的人種，或者種族之間的差異。我們跟大猩猩、跟熊貓、跟豬相比，90%以上的基因都是一樣的，有時可能就是百分之一點多的差異造成種族之間的差異，這個如果受到攻擊，可能就使我們面臨某種基因武器的威脅。基因武器是殺人不見血，如果得不到控制某些方面比核武器有過之而無不及。而且這樣的武器生產規模小，但是快速、產量高，沒有輻射，也沒有煙火，很難檢測。成本很低，殺傷力強，無特殊傷口，難以及時搶救。沒有特殊標記，也難以隔離。只有少數研制者知道其遺傳密碼，所以防控是非常困難的。這種情況下，科學和社會面臨另外的一個任務是發展以毒攻毒的反基因武器，發現和保護我們的種族特異性和易感性基因。這種科學研究是任重道遠的。

DNA不光有自然、社會、人為的威脅，同時它也是財富，像豆科植物，花生、大豆、木薯，可以形成很大的瘤子，這個瘤子可以固定空氣中游離的氮氣，像工廠里面生產出來的硫酸銨，只有氨態的氮才能被植物吸收，根瘤菌固定了自然界生物固氮總量的一半以上，這是為人類造福的生物。另外還有轉基因的產品，通過轉基因可以產生保鮮期長的番茄、抗除草劑的大豆，可以產生抗蟲棉，主要是Bt毒素殺死棉鈴蟲，還可以產生抗蟲的玉米，抗除草劑的油菜，抗病毒的木瓜。還可以通過凝乳酶把奶制品凝聚起來，同時通過動物生長激素的轉移，轉移到牛、羊身上去。這些都是轉基因的動物和植物產品，可以有抗蟲、抗病、保鮮的作用，這些都是好的方面，我們要加以利用。像這樣的產品在不斷的產生，例如黃金水稻，尤其在非洲是很缺乏維生素A的，一般的民眾也買不起藥物補充維生素A，如果能夠產生維生素A含量高的水稻，吃了這種大米就可以使得很多非洲小孩減少失明、痢疾、麻疹等疾病，這就是為什么這種水稻稱為黃金水稻。另外，比如草皮，我們在很多環境優美的地方看到的那種矮矮的，既抗蟲、又生長緩慢的就是通過轉基因方式得到的。另有一些痢疾、肝炎、麻疹蛋白，可以賦予植物某些功能，人吃了這種轉基因植物就可以不用再注射抗體，也不需要注射疫苗了。還有向日葵，可以把草酸鹽相關的基因轉入向日葵里面得到抗霉病的植株；生物防彈衣，可以把蜘蛛一些基因轉入到山羊皮里面去，提高它的堅韌性，又輕巧而不笨重；至于魚，通過DNA改造，可以使魚快速的生長，既美味，又提高它的營養價值。這些都是DNA技術帶入我們的生活，使得我們的生活更加幸福。

動物方面，我們可以通過驢和馬雜交產生騾子，可以把金魚和鯉魚雜交以后產生鯉金魚。同時利用現在的基因技術，還可以改變物種，賦予新的形狀，用于器官移植。我們用動物生產人的某些器官，解決器官方面的資源短缺。我們可以找到單基因、多基因病，為一些遺傳病找到新的治療方法，可以改變或延長我們的壽命。現在生物技術與人的生活質量有很大關系，我們可以把一些微生物通過工程化的操作，得到一些產品添加到牙膏里面，用這種牙膏來刷牙，可以保護牙齒、潔凈牙齒。這些都是通過DNA技術可以完成的。另外一方面還有微生物藥物，青霉素堪稱上世紀最偉大的發明之一，小小的分子在二戰期間拯救了成千上萬的生命。后來發現這類藥物抗細菌、抗真菌、抗病毒、抗糖尿病、抗癌癥等等，功能越來越多，很多的廠家可以生產這樣的藥物。但是微生物藥物生產的過程也受到了DNA的影響，微生物病毒，如噬菌體，會在藥物生產過程中用基因DNA進行“搗蛋”，把微生物感染了。所以微生物是非敵非友，有些時候是我們的敵人，有些時候是我們的朋友，我們要處理這種“搗蛋”的，要弘揚這種為我們造福的。

D N A技術市場規模和經濟價值巨大，僅藥物這一項，品種就達100多個，全球市值超過300億，我們國家占市場份額20%，有十余種單品市值超過10億，所以市場經濟價值非常巨大。從這個意義上講，DNA可以給我們帶來財富。

三、趨利避害是解碼DNA的天職

DNA是生命之水，也是禍福之源，如何趨利避害是我們解碼DNA的天職。今天這個社會面臨很多威脅，如疾病的危害、糧食的短缺、環境的污染、人口的膨脹、生態平衡遭到破壞、能源危機、資源匱乏，以及生物物種的消亡等。繁花似錦的世界中，危機時時可以看到。地球化石資源短缺，環境日益惡化，有很多都是人為的，化石資源是不可再生的，三廢的排放使我們的生態面臨威脅，造成環境危機。當然也不排除有些是自然的損害。

在能源危機方面，今天的生物質資源，不像煤炭資源、石油資源是不可再生的，生物資源是我們可以加以培養的，是可以繁殖的，這是可以再生的資源，像木質素、纖維素、碳水化合物等等。全球年產1700億噸生物質，如果有5%的利用率，相當于目前全球石油利用的總量。我國每年有7億噸秸稈，其中2億噸被就地焚燒，每年有2億多萬噸林地廢棄物沒有被利用。這些生物質資源是生命科學要解決的環境資源問題。今天發展生物煉制，發展細胞工廠技術，就是要把這些可再生的秸稈，甚至垃圾，通過細胞工廠產生各種能源、生物材料、化學品，像燃料、電、熱、產品等等，變廢為寶。今天已經有一些上市的產品了，像燃料酒精、生物柴油。生物乙醇本來是用來代替石油的，但是由于附加值比較低，也容易腐蝕儲存設備。生物柴油也并不是很理想，是通過天然氣、甲醇反應得到的。這兩種產品雖然都是生物質的，可以豐富今天生物資源的不足，但是價格昂貴，而且兩種燃料主要以糧食為原料生產，與民爭糧，與民爭地。2005年由于美國發展生物燃料，用了大量的玉米，結果全球玉米價格瘋長一倍。這些原料都是我們賴以生存的糧食。像80升純乙醇可以灌滿一輛大型越野車，要消耗220公斤玉米，其提供的熱量足以滿足一人一年的生活所需。所以我們要尋找新的生產生物乙醇的原料。我們要把能源作物向菊芋、木薯、甘薯、甜高粱等種類轉移，這是自然界沒有充分利用的。像玉米、水稻，大麥、小麥、高粱等的秸稈，還有一些木屑等等，如果利用這些做原料生產乙醇、汽油、柴油，我們就有了再生的能源可能性，這是一些非糧原料。發展方向還可以改造微生物脂肪酸代謝途徑生產先進柴油，現在已經有這種技術了，就是通過生物的發酵，用微生物生產柴油、汽油。

此外，我們需要趨利避害，環境當中有很多有毒有害的微生物，像二噁英、多氯聯苯、多溴聯苯醚。焚燒垃圾會產生很多有毒有害的物質，是損害我們生命的。

相對應的我們可以用微生物降解環境污染物，使得我們的環境得到凈化。微生物不要看它小，但是它神通廣大。尼古丁是一個有害的化合物，會抑制中樞神經，麻痹心臟，使血壓升高，我們可以通過尼古丁降解菌，使之變成一些水、二氧化碳，甚至一些化學的中間體為我們所用。還可以用微生物降解石油，比如說海域被污染了，生命受到迫害，我們可以通過降解石油的微生物，使得海域得到清潔、恢復自然。而且今后還可以合成人工超級生命—理想微生物，把這些微生物放到環境垃圾里面，臭味、異味可以被消除，有毒有害物質被降解，使之變成二氧化碳和水。藥物方面，現在發現新藥越來越難，科學家面臨的難題是很難再找到新的藥物，微生物能夠找到的早就找到了，而疾病在不斷的增多。怎么辦呢？我們要通過DNA的結構改造，通過對基因作加減乘除的方法，來改變化合物的結構。尤其是今后合成生物學的發展，可以把不同來源的生物基因加在一起，形成新的、更高層次的，具有更大能力、超強能力的新的生物功能。生物學家和工程師聯合起來對生物體進行重新布線和編程，數年以后我們可以生產更廉價的藥物，為汽車提供綠色能源，為治療癌癥等醫學難題提供新手段，最終改變我們的生活。

21世紀是生命科學的世紀，不理解生命科學就無法理解這個世紀，不掌握生命科學就無法把握挑戰和機遇，以DNA為源頭的生命科學正迅速改變著我們的生活，揚長避短、趨利避害是科學和社會的共同責任。使得生物更多的成為我們的朋友，是敵人的我們要抑制它，這是我們科學和社會共同的責任。

鄧子新，1982年畢業于華中農業大學微生物專業，1987年獲英國East Anglia大學分子微生物學博士學位。2006年起任國際工業微生物遺傳學組織專家委員會（GIM-IC）委員，現兼任《Chemistry & Biology》、《Applied & Environmental Microbiology》等數個國內外刊物副主編或編委會成員。

主要從事放線菌遺傳學及抗生素生物合成的生物化學和分子生物學研究。其研究領域涉及微生物農（醫）藥的高新技術研究，鏈霉菌質粒和噬菌體的分子生物學，DNA復制調控、限制和修飾系統，微生物代謝途徑、代謝工程及次生代謝產物的生物化學非天然抗生素藥物創新的基因工程等。先后共主持40余項國家級和國際合作項目，已在國內外學術刊物上發表100余篇研究論文。

先后獲得國家自然科學二等獎、上海市和農業部科技進步一等獎、教育部自然科學二等獎、“瑞典國王Baudouin獎”等。蟬聯2005、2006年中國高校十大科技進展,獲評《環球科學》2007全球十大科學新聞。1990年以來，相繼被授予國家級有突出貢獻的專家、霍英東基金會“青年教師獎”、首屆“中國青年科學家獎”提名獎、首屆國家杰出青年科學基金、“中國青年科技獎”、“上海市十大科技創新英才”、上海市科技領軍人物、上海市勞動模范、全國五一勞動獎章、全國先進工作者等。