DNA生命对科学和社会的影响

邓子新

DNA生命对科学和社会的影响

邓子新

专家简介：

邓子新，中国科学院院士，第三世界科学院院士。著名微生物学家。上海交通大学教授。

一、DNA是生命之水

人类历史经历了四次工业革命。第一次是1765年诞生的蒸汽机，把我们带入蒸汽机的时代。之后进入电子时代，那时候主要以半导体为主要元件。随后我们进入了信息时代，以1946年美国发明了电子计算机为标志，当时的电子计算机非常大，大约是一间半的教室大，有六只大象重。运算速度还赶不上我们的手提电脑。但是它非常重要，把我们带入了信息的时代。第四次工业革命把我们带进了生命科学的时代，研究生命的现象和本质的时代。这个时代是以沃森和克里克发现DNA双螺旋结构为标志的。从表面上看DNA是简单的碱基排成无限长的距离，实际上每个不同基因编码都有规律性的，是有作用的，在细胞内组成双螺旋立体的结构成为我们今天生命的物质基础。

随着沃森和克里克发现双螺旋，后面的时间里生命科学不断发生由量到质的变化，这里面有一些标志性的成果，比如发现DNA聚合酶，氨基酸密码子，限制性内切酶，研制出单克隆抗体，1982年FDA批准第一个基因工程药物重组人胰岛素，1983年发明PCR技术，90年代启动人类基因组计划，随之出现克隆羊，到这个世纪初期人类基因组测序完成，真正使得我们今天进入高速发展的生命科学世纪。

在生命科学的发展历程中，人类如何证明是D N A，而不是蛋白质，是遗传因子呢？今天看来非常简单，用蛋白质转化小鼠，蛋白质不能使小鼠得病，而用DNA转化小鼠的时候小鼠得病了，用DNA加上蛋白质转化小鼠，这时候也致病了，如果把DNA切断后转化小鼠又不致病了。所以这个实验证明了DNA是致病的重要遗传因子，也就是物质的基础。随后证明基因是一个个小片断或者大片断DNA构成的，编码了生物体的遗传现象，储存了现在生物群无穷无尽的遗传信息资源。作为一个人来讲，个别的基因编码了我们的性格，说、笑、眉毛、眼睛，无数基因的组成构成了我们今天的基因组，是生命遗传物质信息的组合构成了基因组，就是DNA在决定着我们的细胞。今天这个社会可以看到DNA编码了色彩斑斓的生命世界，这个世界有人，有大猩猩，有熊猫，还有小的不能再小的病毒、细菌、真菌，今天这个多姿多彩的世界无一不和DNA有关。

二、DNA是祸福之源

DNA是生命之水，但是DNA也是祸福之源。跟我们生活息息相关的流行性疾病，比如说非典、禽流感、甲流，早期的肺结核，早已成为威胁人类健康的最大威胁之一。这些疾病可以通过微生物介导，可以通过空气传播，通过血液传播，通过水、食品传播。这些微生物了不得，诸如艾滋病病毒，狂犬病、肺结核细菌，SARS、禽流感、H1N1等等，这样的病毒威胁着我们的生命。社会安全、公共安全与我们对这些微生物的防控是息息相关的。还有一些社会活动可能会产生疾病，如狂犬病是死亡率最高的病毒性传染病。狗是一种宠物，但是如果我们管理不好，可能会带来一些社会公共安全问题，现在我们国家狂犬病的发病率位居世界第二。不光对于动物，还有些微生物会引起植物的病害。有1700多种植物会患由于微生物引致的农业病害，像水稻、小麦、玉米、棉花，还有一些像蔬菜、水果、烟草、人参等许许多多的植物病害。这些病害影响了农业生产，也影响了我们的生活健康，直接或者间接地影响到我们。比如说水稻的病害，每年造成水稻面积的15%以上都感染病害。这些都是微生物，本质都是DNA所造成的侵害。

同时DNA还有人为的恐怖，刚才说的是自然引起的，当然有些与人有关系，但是还有一些是明显的人为恐怖，比如说克隆人，克隆其他有害动物、农作物或微生物。第二方面像基因武器。基因武器通常是利用人类不同的人种，或者种族之间的差异。我们跟大猩猩、跟熊猫、跟猪相比，90%以上的基因都是一样的，有时可能就是百分之一点多的差异造成种族之间的差异，这个如果受到攻击，可能就使我们面临某种基因武器的威胁。基因武器是杀人不见血，如果得不到控制某些方面比核武器有过之而无不及。而且这样的武器生产规模小，但是快速、产量高，没有辐射，也没有烟火，很难检测。成本很低，杀伤力强，无特殊伤口，难以及时抢救。没有特殊标记，也难以隔离。只有少数研制者知道其遗传密码，所以防控是非常困难的。这种情况下，科学和社会面临另外的一个任务是发展以毒攻毒的反基因武器，发现和保护我们的种族特异性和易感性基因。这种科学研究是任重道远的。

DNA不光有自然、社会、人为的威胁，同时它也是财富，像豆科植物，花生、大豆、木薯，可以形成很大的瘤子，这个瘤子可以固定空气中游离的氮气，像工厂里面生产出来的硫酸铵，只有氨态的氮才能被植物吸收，根瘤菌固定了自然界生物固氮总量的一半以上，这是为人类造福的生物。另外还有转基因的产品，通过转基因可以产生保鲜期长的番茄、抗除草剂的大豆，可以产生抗虫棉，主要是Bt毒素杀死棉铃虫，还可以产生抗虫的玉米，抗除草剂的油菜，抗病毒的木瓜。还可以通过凝乳酶把奶制品凝聚起来，同时通过动物生长激素的转移，转移到牛、羊身上去。这些都是转基因的动物和植物产品，可以有抗虫、抗病、保鲜的作用，这些都是好的方面，我们要加以利用。像这样的产品在不断的产生，例如黄金水稻，尤其在非洲是很缺乏维生素A的，一般的民众也买不起药物补充维生素A，如果能够产生维生素A含量高的水稻，吃了这种大米就可以使得很多非洲小孩减少失明、痢疾、麻疹等疾病，这就是为什么这种水稻称为黄金水稻。另外，比如草皮，我们在很多环境优美的地方看到的那种矮矮的，既抗虫、又生长缓慢的就是通过转基因方式得到的。另有一些痢疾、肝炎、麻疹蛋白，可以赋予植物某些功能，人吃了这种转基因植物就可以不用再注射抗体，也不需要注射疫苗了。还有向日葵，可以把草酸盐相关的基因转入向日葵里面得到抗霉病的植株；生物防弹衣，可以把蜘蛛一些基因转入到山羊皮里面去，提高它的坚韧性，又轻巧而不笨重；至于鱼，通过DNA改造，可以使鱼快速的生长，既美味，又提高它的营养价值。这些都是DNA技术带入我们的生活，使得我们的生活更加幸福。

动物方面，我们可以通过驴和马杂交产生骡子，可以把金鱼和鲤鱼杂交以后产生鲤金鱼。同时利用现在的基因技术，还可以改变物种，赋予新的形状，用于器官移植。我们用动物生产人的某些器官，解决器官方面的资源短缺。我们可以找到单基因、多基因病，为一些遗传病找到新的治疗方法，可以改变或延长我们的寿命。现在生物技术与人的生活质量有很大关系，我们可以把一些微生物通过工程化的操作，得到一些产品添加到牙膏里面，用这种牙膏来刷牙，可以保护牙齿、洁净牙齿。这些都是通过DNA技术可以完成的。另外一方面还有微生物药物，青霉素堪称上世纪最伟大的发明之一，小小的分子在二战期间拯救了成千上万的生命。后来发现这类药物抗细菌、抗真菌、抗病毒、抗糖尿病、抗癌症等等，功能越来越多，很多的厂家可以生产这样的药物。但是微生物药物生产的过程也受到了DNA的影响，微生物病毒，如噬菌体，会在药物生产过程中用基因DNA进行“捣蛋”，把微生物感染了。所以微生物是非敌非友，有些时候是我们的敌人，有些时候是我们的朋友，我们要处理这种“捣蛋”的，要弘扬这种为我们造福的。

D N A技术市场规模和经济价值巨大，仅药物这一项，品种就达100多个，全球市值超过300亿，我们国家占市场份额20%，有十余种单品市值超过10亿，所以市场经济价值非常巨大。从这个意义上讲，DNA可以给我们带来财富。

三、趋利避害是解码DNA的天职

DNA是生命之水，也是祸福之源，如何趋利避害是我们解码DNA的天职。今天这个社会面临很多威胁，如疾病的危害、粮食的短缺、环境的污染、人口的膨胀、生态平衡遭到破坏、能源危机、资源匮乏，以及生物物种的消亡等。繁花似锦的世界中，危机时时可以看到。地球化石资源短缺，环境日益恶化，有很多都是人为的，化石资源是不可再生的，三废的排放使我们的生态面临威胁，造成环境危机。当然也不排除有些是自然的损害。

在能源危机方面，今天的生物质资源，不像煤炭资源、石油资源是不可再生的，生物资源是我们可以加以培养的，是可以繁殖的，这是可以再生的资源，像木质素、纤维素、碳水化合物等等。全球年产1700亿吨生物质，如果有5%的利用率，相当于目前全球石油利用的总量。我国每年有7亿吨秸秆，其中2亿吨被就地焚烧，每年有2亿多万吨林地废弃物没有被利用。这些生物质资源是生命科学要解决的环境资源问题。今天发展生物炼制，发展细胞工厂技术，就是要把这些可再生的秸秆，甚至垃圾，通过细胞工厂产生各种能源、生物材料、化学品，像燃料、电、热、产品等等，变废为宝。今天已经有一些上市的产品了，像燃料酒精、生物柴油。生物乙醇本来是用来代替石油的，但是由于附加值比较低，也容易腐蚀储存设备。生物柴油也并不是很理想，是通过天然气、甲醇反应得到的。这两种产品虽然都是生物质的，可以丰富今天生物资源的不足，但是价格昂贵，而且两种燃料主要以粮食为原料生产，与民争粮，与民争地。2005年由于美国发展生物燃料，用了大量的玉米，结果全球玉米价格疯长一倍。这些原料都是我们赖以生存的粮食。像80升纯乙醇可以灌满一辆大型越野车，要消耗220公斤玉米，其提供的热量足以满足一人一年的生活所需。所以我们要寻找新的生产生物乙醇的原料。我们要把能源作物向菊芋、木薯、甘薯、甜高粱等种类转移，这是自然界没有充分利用的。像玉米、水稻，大麦、小麦、高粱等的秸秆，还有一些木屑等等，如果利用这些做原料生产乙醇、汽油、柴油，我们就有了再生的能源可能性，这是一些非粮原料。发展方向还可以改造微生物脂肪酸代谢途径生产先进柴油，现在已经有这种技术了，就是通过生物的发酵，用微生物生产柴油、汽油。

此外，我们需要趋利避害，环境当中有很多有毒有害的微生物，像二噁英、多氯联苯、多溴联苯醚。焚烧垃圾会产生很多有毒有害的物质，是损害我们生命的。

相对应的我们可以用微生物降解环境污染物，使得我们的环境得到净化。微生物不要看它小，但是它神通广大。尼古丁是一个有害的化合物，会抑制中枢神经，麻痹心脏，使血压升高，我们可以通过尼古丁降解菌，使之变成一些水、二氧化碳，甚至一些化学的中间体为我们所用。还可以用微生物降解石油，比如说海域被污染了，生命受到迫害，我们可以通过降解石油的微生物，使得海域得到清洁、恢复自然。而且今后还可以合成人工超级生命—理想微生物，把这些微生物放到环境垃圾里面，臭味、异味可以被消除，有毒有害物质被降解，使之变成二氧化碳和水。药物方面，现在发现新药越来越难，科学家面临的难题是很难再找到新的药物，微生物能够找到的早就找到了，而疾病在不断的增多。怎么办呢？我们要通过DNA的结构改造，通过对基因作加减乘除的方法，来改变化合物的结构。尤其是今后合成生物学的发展，可以把不同来源的生物基因加在一起，形成新的、更高层次的，具有更大能力、超强能力的新的生物功能。生物学家和工程师联合起来对生物体进行重新布线和编程，数年以后我们可以生产更廉价的药物，为汽车提供绿色能源，为治疗癌症等医学难题提供新手段，最终改变我们的生活。

21世纪是生命科学的世纪，不理解生命科学就无法理解这个世纪，不掌握生命科学就无法把握挑战和机遇，以DNA为源头的生命科学正迅速改变着我们的生活，扬长避短、趋利避害是科学和社会的共同责任。使得生物更多的成为我们的朋友，是敌人的我们要抑制它，这是我们科学和社会共同的责任。

邓子新，1982年毕业于华中农业大学微生物专业，1987年获英国East Anglia大学分子微生物学博士学位。2006年起任国际工业微生物遗传学组织专家委员会（GIM-IC）委员，现兼任《Chemistry & Biology》、《Applied & Environmental Microbiology》等数个国内外刊物副主编或编委会成员。

主要从事放线菌遗传学及抗生素生物合成的生物化学和分子生物学研究。其研究领域涉及微生物农（医）药的高新技术研究，链霉菌质粒和噬菌体的分子生物学，DNA复制调控、限制和修饰系统，微生物代谢途径、代谢工程及次生代谢产物的生物化学非天然抗生素药物创新的基因工程等。先后共主持40余项国家级和国际合作项目，已在国内外学术刊物上发表100余篇研究论文。

先后获得国家自然科学二等奖、上海市和农业部科技进步一等奖、教育部自然科学二等奖、“瑞典国王Baudouin奖”等。蝉联2005、2006年中国高校十大科技进展,获评《环球科学》2007全球十大科学新闻。1990年以来，相继被授予国家级有突出贡献的专家、霍英东基金会“青年教师奖”、首届“中国青年科学家奖”提名奖、首届国家杰出青年科学基金、“中国青年科技奖”、“上海市十大科技创新英才”、上海市科技领军人物、上海市劳动模范、全国五一劳动奖章、全国先进工作者等。