生物工程漫话

什么是生物工程


　　我们生活在一个知识爆炸、科技成为第一生产力的时代。大家对一些时 髦的名词一定不陌生：计算机网络、信息高速公路、卫星通讯、移动电话等。 那么，大家可能也对另一个时髦名词有所耳闻——生物工程。
　　如今，无论在发达国家还是发展中国家，生物工程都被列为优先发展的 领域。它也是当前新技术革命的三大支柱之一。这三大支柱是：微电子、生 物工程和新材料。科学家们预测，生物工程将在 21 世纪的高科技发展中扮演 主要角色。
　　由于生物工程的发展，特别是基因工程的出现，人类进入了一个能按自 己需要创造新生物的伟大时代，它的意义，绝不亚于原子裂变和半导体的发 现。
　　世界范围内出现的“生物工程热”不是偶然的。它为解决世界面临的如 能源、粮食、人口、以及污染严重等诸多难题开辟了新途径，直接关系到医 药卫生、轻工食品、农牧渔业及能源、化工、冶金等传统产业的革新和新兴 产业的形成，它的发展将极大地造福人类。
生物工程如此“热门”，如此重要，那么生物工程到底是什么？其实，
它对我们来说也并不陌生。我们周围就有许多传统生物工程的产品：如食品 类有面包、酸奶、乳酪、酱油、味精；酒类有啤酒、葡萄酒、威士忌酒；药 品类有各类抗生素（如常见的青霉素、头孢霉素）、胰岛素、乙肝疫苗、小 儿麻痹症疫苗、流感疫苗；生活用品类如奶酪、洗衣粉等等。
当然，生物工程这门学科还包括更多、更深奥的，还不为我们所知的东
西。
　　生物工程是神奇的。但在这神奇的学问背后，还有诸多的学科作后盾， 是它们的综合运用才产生了今天的生物工程学。
70 年代初，微电子学兴起，计算机开始应用，分子生物学、细胞生物学
和遗传学得到不断的发展和完善。人们在此基础上，利用这些生物科学中的 新成就，如基因重组、杂交瘤、固定化酶和细胞大规模培养等技术，结合了 发酵和生化工程原理，开始以工业规模经营和加工生物材料（包括微生物、 动植物细胞及其组成部分），为社会提供优质、廉价的商品和服务。于是， 现代意义上的生物工程学形成了。
　　从生物工程的含义中我们可以看出，生物工程有两大突出特点：一是多 学科的合作，二是与实际应用密切联系。这两个特点我们还将在以后的介绍 中不断感受到。

生物工程的内容


　　生物工程在将来世界经济方面的作用如此振奋人心，它创造出的奇迹一 个又一个，如此令人赞叹不已，是因为它有五个强大而富有生命力的技术系 统：基因工程、细胞工程、酶工程、微生物发酵工程和生化工程。我们先看 看它们究竟为何“物”。
　　
基因工程


　　也叫遗传工程，或 DNA 重组技术。这一技术在生物工程中的地位举足轻 重。基因工程简单地说，就是对不同生物的遗传物质——基因，在体外使用 一种工具酶，用人工的方法，进行“剪切”、“组合”、“拼接”，使遗传 物质按照我们的意愿重新组合，然后通过运载物质（质粒、噬菌体、病毒等） 转入微生物体内或动、植物细胞内，进行无性繁殖，并使我们需要的基因在 细胞中表达出来，产生出我们所需要的产物或组成新的生物类型。
　　这一技术于 1973 年在美国首次获得成功。当时斯坦福大学的科恩和旧金 山加州大学的博耶共同实现了这一 DNA 重组实验。他们共做了三个实验，我 们介绍其中的一个。
　　大家知道，DNA（脱氧核糖核酸）是细胞内的遗传物质，基因就是 DNA 的一个小片段。生物的一切性状诸如花蝴蝶美丽的花纹，翩翩的两翅之所以 如此而不会长成其他的模样，都是由这小小的许多基因加之周围环境的作用 形成的。
科恩和博耶将南非蟾蜍的 DNA 与质粒 PSC101（细胞内的一个细胞器，作
为 DNA 的运载物质）连接，得到了重组质粒，然后把这个重组过的质粒植入 到大肠杆菌的细胞里，于是大肠杆菌就产生出了原来本是南非蟾蜍产生的物 质。
科恩和博耶重组 DNA 实验的成功，成了当今轰动于世的基因工程的起
点，科恩和博耶也被誉为“重组 DNA 之父”。人类社会从此就能按照他们开 创出来的方法，组构各式各样的工程菌，也能使它表达原来宿主的生物学特 性，生产原不能生产的产品，提供原不能提供的服务了。
现在，人类作为进化程度最高的高级动物，可以通过一整套的基因工程
技术，使人类所特有的产生胰岛素之类物质的能力，转移到进化程度最原始 的原核生物——细菌的细胞内，还能在细菌里指挥和控制合成胰岛素的机 器，产生出胰岛素，这难道不是人间奇迹吗？
细菌生产的人胰岛素在 80 年代就已投入市场销售，这也只不过是许多例
子中的一个，还有许多生动的例子：如能自动脱毛的绵羊、超级鼠、巨鱼、 用细菌生产的没有蛋壳的鸡蛋等等。基因工程的巨大潜力还等着我们不断去 开发。

细胞工程


　　细胞工程这个名词也是最近几十年才时兴起来的，尤其是 1975 年英国剑 桥大学的米尔斯坦发展了杂交肿瘤细胞技术以及单克隆抗体的作用，使细胞 工程开始为世人所瞩目。
　　米尔斯坦和另外一位英国科学家科勒合作，经过一段时间的耐心探索， 制定了自己的实验目标：他们取来小鼠脾脏用来制备浆细胞，再用它与骨髓 瘤细胞进行融合操作，得到的杂交肿瘤细胞既能象骨髓瘤细胞那样繁衍，又 能不停地分泌对付红细胞的抗体。由于小鼠脾脏细胞免疫后只分泌一种抗 体，因此杂交肿瘤细胞在克隆化后，即无性繁殖后所产生的抗体是免疫性均 一的，这就现在人们熟知的“单克隆抗体”。它确实是一个制造纯抗体的理 想小工厂。为此，米尔斯坦和科勒获得了 1984 年的诺贝尔医学和生物学奖。
　　
此外，丹麦科学家俊恩因提出了“克隆选择论”，在抗体多样性理论方面贡 献卓越，也分享了这一年的诺贝尔奖。
　　单克隆抗体就像长了眼睛的枪弹一样，可以从千百个目标中，准确无误 地选定一个敌人，是世界是第一个“生物导弹”。
　　80 年代初，人们又巧妙地利用单克隆抗体的这一特点，设想在它的上面 安装上化学药品，那么单克隆抗体就会像火箭飞弹那样，击中靶子细胞和癌 细胞，达到治疗包括癌症在内的各种疾病的目的。到那时，人们就再也不用 “谈癌色变”了。相信这一天已为期不远了。
　　目前，国外已研制出数百种单克隆抗体，已有相当一部分实现了商品化 生产，除可以快速诊断我们人类的疾病外，动物和农作物也获益非浅。
5
　　讲到这儿，大家大概已经对细胞工程是怎么回事有所了解了。这种把两 个不同种类的细胞，通过化学、生物学或物理学手段，使它们融合而产生出 兼备这两个细胞（亲本）的遗传特性的新细胞的技术，是细胞工程中重要的 一个内容，称为细胞融合技术。细胞融合技术不仅包括上面所讲的两个动物 细胞之间的杂交，也包括植物与植物细胞之间、丝状真菌与酵母菌之间、细 菌细胞之间的杂交。如著名的马铃薯、蕃茄杂种就是植物细胞杂交的产物。 另外像胡萝卜与大麦、大豆与玉米，甚至动、植物细胞间的杂交如家鼠与胡 萝卜的细胞之间，都可以人为地结合在一起而产生出接受“双亲”优良性状 的新细胞类型。前面提到的超级鼠则是人与家鼠的细胞杂交后获得的。
另外，细胞工程还有两项重要的技术，一个是细胞大规模培养技术，一
个是植物组织培养快速繁殖技术。科学家们发现，植物细胞具有全息性，能 从一个细胞或原生质体发育成为完整的植物体，当然，植物的各种器官组织 也具备这一功能。用前一项技术生产的产品如一些天然药物、疫苗、烟草代 用品等；而用一个康乃馨茎尖一年增殖 100 万株康乃馨、培养 49 天内就能开 花的玫瑰、让兰花从“兰花工厂”中源源不断地大量生产出来，则是后一项 技术——组织培养法的功劳。

酶工程


　　在初中化学中就已讲过催化剂。两种本不易发生反应的化学物质，一经 催化剂催化，反应就能顺利进行了。酶也是一种催化剂，但不同的是它催化 的是生物体内的反应，且它本身也是一种蛋白质；更重要的是，它的催化效 率高得惊人，超出化学催化剂千百倍，而且是在常温、常压下进行，专一性 极强。因此，我们可以设计一些特定的生物反应器，利用酶的这一特性，把 相应的原料转化成对人类有用的物质。
酶工程就是这样一项技术。
　　早在 1865 年，被誉为“生物工程之父”的法国科学家巴斯德就通过实验 观察到，葡萄汁被酿造成葡萄酒是一种酵母的作用造成的，而酒再变质，产 生了醋酸或乳酸，则是细菌作用的结果。
　　后来人们发现，酵母菌和细菌之所以有如此奇妙的本领，是因为它们细 胞内含有的某些酶。如果我们把这些酶提取出来，单独放在反应系统里，而 不再用细菌和酵母培养，也照样能在体外完成生物转化的任务。
但是，天然酶也并非完美无缺。如它的成本高，而且由于它的转化反应

是在稀释液体中实现的，回收困难，只能使用一次；又如有时它的稳定性或 生物活性不符合我们的要求等等。这样，又有了酶的固定化技术和酶的化学 修饰及分子改造技术，这两项技术也是酶工程中的重要内容。
　　世界上第一个固定化酶是 60 年代初由以色列科学家 Katchalski— Katzir 装配成功的。他发现了酶并不在溶液中起作用，而是包在细胞膜或细 胞器里面起作用的。于是他试着把酶从细菌中分离出来，再结合到具备一定 性质的固体支持物上，或包埋于天然的（或人工合成的）膜上。他意外地发 现，有些酶固定化以后，活性不仅未受影响，稳定性反而有了提高。由于 Katzir 对酶工程研究与开发作出了杰出贡献，“酶工程之父”的桂冠便戴到 了他的头上。
　　目前，自然界中被检定过的酶多达三千多种，但只有约 100 种已经开发 或投入商品生产。
　　微生物是工业酶剂的主要来源，而且产酶能力很高，如一吨发酵液得到 的淀粉酶几乎与数千头猪胰脏得到的酶量相当，简直是个奇迹。而奇迹在生 物工程领域的确“屡见仍鲜”，且每每令世人为之瞠目。

微生物发酵工程


　　人类利用微生物进行发酵的历史可谓由来已久，大家是否知道，烤面包 和酿造葡萄酒等活动在几千年前就已经开始了呢？
早在公元前 6000 年，古代萨马人和巴比伦人已经知道喝啤酒了；“开门
七件事——柴、米、油、盐、酱、醋、茶”，我国酱（油）制造始于秦朝， 距今已有 2000 年历史了，而制醋则始于周朝，也有二千多年的历史。
但是，现代概念的微生物发酵工程是本世纪 40 年代随着抗生素工业的建
立才兴起的。
　　从 50 年代起，柠檬酸、氨基酸、核苷酸、酶制剂、甾体激素、细胞蛋白 和生物农药等独立的工业体系也相继兴起。这些看似复杂的产品，实际上都 是人们利用微生物的特定性状，如微生物菌体含有丰富的蛋白质，微生物代 谢过程中可以产生一些对我们非常有用的物质（象青霉素、头 孢霉素、甘油、 有机酸、维生素等），从而生产出对我们有用的物质。也可以把微生物直接 用于工业生产，这就是现代意义上的微生物发酵工程。
按照我们应用的目的和范围，微生物发酵工程大致包括四个内容，即：
对微生物菌体的生产和利用，如用淀粉、糖蜜、造纸废液、石油等作发酵原 料生产单细胞蛋白；微生物菌种选育技术，如过去用物理或化学的诱变方法 从原始的野生菌种中筛选出优良菌株，现在则幸运地有了细胞融合和基因工 程技术，可以定向选菌种了；微生物代谢产物的生产和应用，如前面提到的 氨基酸、抗生素、核苷酸、甘油等；对微生物机能的利用，如对有毒化合物 和高分子化合物的净化、细菌冶金、化学转换、有机废水（渣）的处理，提 高石油开采率等。这些小小的微生物，却为人类作出了不可估量的巨大贡献。

生化工程


　　前面的四个“工程”（遗传工程、细胞工程、酶工程和发酵工程）要真 正成功运行，显然还需要一样必不可少的东西，那就是提供合理的设备和技
　　
术的生化工程。包括生物反应器、传感器和生物产品的提取和精制技术。 生物反应器，即为活细胞或者酶提供一个恰当、舒适的反应环境，使细
胞“胞丁兴旺”，不断增殖或形成所需的产品。这是生物技术开发中的一个 关键性设备，与产品的质量、产量和能耗有密切关系。目前国外已经向大型 化、多样化和高度仪表化转化了。
　　说到传感器，它作为生物反应过程中必不可少的“监督员”，担负着反 应过程中参数的检测与调控任务，肩负着保证生物工程生产现代化、高效化 的重要使命。
　　生物产品是精细产品，品种繁多，要求不一，每个品种都需要有相应的、 合适的提取和精制工艺，因此生物产品的提取和精制技术也直接关系到产品 的质量和效率。
　　我们看到，这五个技术系统并非各自独立、互不相干，而是相互依赖， 相辅相成的。
　　在整个生物工程这个大系统中，基因工程是主帅，占有主导地位。因为 只有用基因工程改造过的微生物和细胞，才能真正按照我们人类的意志，进 行工程设计，产生出特定的生物工程产品；微生物发酵工程不可小觑，它常 常是遗传工程的基础和必要条件；细胞工程经常与基因工程结合使用，而杂 交肿瘤细胞技术具有可以与基因工程相提并论的地位；生化工程同样不可缺 少，是其他生物工程技术转化为生产力的重要工具。
可见，正是这五个技术系统的有机结合，才使得今天的生物工程愈来愈
散发出迷人光彩。

生物工程的发展


　　我们知道，没有一座大厦会在一夜之间拔地而起，同样，也不会有一门 新学科的崛起能与渊源流长的历史割裂开来。
　　16 世纪波兰天文学家哥白尼著名的“天体论”开创了自然科学革命的历 史；18 世纪末法国化学家拉瓦锡发现了氧气，从此便引起了化学的革命；英 国达尔文的“进化论”使生物学观点来了个扭转乾坤的大转变；而奥地利的 孟德尔发现的“基因分离与自由组合规律”，则开创了现代遗传学研究的先 河。
　　可是，这些学科的奠基人的伟大成就，有赖于以往历代先哲们几百年、 甚至上千年的探索和总结。以现代遗传学为例，人们一般认为始于 1866 年孟 德尔的著名论文发表，而实际上早在数千年前犹太教典上就有了关于血友病 的叙述；2500 年前，柏拉图就曾提出过改善人类社会健康状况的优生学计 划。
　　所以，一门学科的诞生是漫漫历史长河汇流的必然结果，生物工程学也 不例外。
　　让我们多了解一点儿历史吧，看看我们的先辈们是怎样把这门神奇的学 问一步步发展起来的，这对我们学习和了解生物工程将大有裨益。

生物工程溯源


　　最早的生物工程产品可以追溯到数千年前。那时，农业革命使原始人的 粮食有了富余，于是为了贮存粮食，有时也想到要转化一些收获物，后来就 发展成今天我们称之为发酵的工艺技术。
除苏米尔人即古代巴比伦人在 6000 年前就已经掌握了酿造啤酒的技术
外，埃及人学会发酵面包是公元前 4000 年前的事，而我国殷墟出土的商代甲 骨文中就有了和现代相似的“酒”字。
那时，人们制造这些东西总是离不开接种、搅拌、温度、时间和产品收
取等一系列的操作工序。但是，人们还不知道酶在其中的作用，是微生物含 有的某种酶使有机物发生了化学转化。古希腊人就曾把发酵说成是“沸腾”。 其他以微生物发酵为基础的生产，如发酵乳制品（包括乳酪、酸奶等） 和各种东方食品如酱油、印尼豆酵饼等同样有着古老的渊源；而蘑菇的人工 栽培则不太久远，如日本的香菇栽培是在几百年前开始的，现在世界温带地
区广泛种植的伞菇大约有 300 年的历史。 这些大都有数千年历史的发酵产品，可以说是最古老的生物工程产品；
那些人们在辛勤劳动中总结出来的微生物发酵技术，正是现代生物工程的萌 芽。

现代生物工程之光


　　使这种凭借经验手艺的传统生物工程一跃进入有一定科学依据、能依靠 当时的物理学、化学和遗传学进行初步分析的阶段，要归功于 19 世纪法国的 大科学家巴斯德。
1883 年，巴斯德发现环境因素对微生物的化学活性有很大影响，并认为

用一定量的底物培养微生物，就会产生一定量的乙醇、有机酸和原生质体（细 胞内凡有生命力的物质都可叫原生质体）。这对工业规模培养微生物有十分 重要的意义。
　　今天人们生产和使用抗生素，是和巴斯德用蒜汁灭菌消毒一脉相承的。 原来，我们平时吃些蒜来预防疾病的方法也有着不短的渊源。
　　1865 年，巴斯德又用实验证实，微生物能利用铵和糖，合成出蛋白质类 的物质。
　　一百多年后，单细胞蛋白工业证实了他这个伟大的预见，这也是人类历 史上第一次的预言被证实。
巴斯德还有许多不朽的贡献。 今天遍布于世界各地的各种类型的发酵工厂，形形色色的生物工程公
司，不正是根据巴斯德当初的科学发现和颠扑不破的真理建立起来的吗？有 人计算过，仅巴斯德一人的发明所带来的经济效益，就足以担负普法战争中 法国战败需支付的 50 亿法郎的战争赔款。而这时微生物学尚处在襁褓中，就 有如此巨大的“魔力”，不能不令人称奇。巴斯德也因他的杰出贡献，不仅 被誉为“工业微生物学之父”，还被誉为“生物工程之父”。他开创的工业 微生物学就是现代生物工程学的两大起源之一。

分子生物学的诞生


孟德尔开创的现代遗传学是现代生物工程的另一个起源。 但是，有一段时期，现代遗传学和工业微生物学这两个系统是各走各的
路，互不联系的，有各自独立的发展过程。
　　19 世纪后半期，人们开始把“种瓜得瓜，种豆得豆”这个老少皆知的遗 传现象上升到某种理论高度。著名的豌豆杂交试验，是奥地利贫苦老农的儿 子孟德尔在修道院里搞出来的，他在 1866 年发表了他的著名学说——性状分 离与自由组合定律，而成为现代遗传学的开创者。
三十多年后，摩尔根在研究果蝇时，又在孟德尔的研究基础上，提出了
遗传学的另一个重要规律：基因连锁与互换规律。 但是，当时人们仍无法解释，基因是怎么把活生生的生命体表现出来的。 事实上，当时的遗传学知识和所运用的手段还十分有限，而遗传学能发
展到今天这种水平，还少不了物理学家和化学家们的贡献。
　　德国物理学家德尔布吕克，被誉为“分子生物学之父”。选择噬菌体作 为研究对象，是他成功的重要原因之一。后来很多基因工程知识和技术发明， 都与当初对这个只有细菌体积千分之一大的噬菌体的研究分不开的。德尔布 吕克不仅开创了噬菌体的现代研究，而且发现了抗噬菌体的细菌突变株是有 选择地发生突变的，而他这一不意发现竟成了细菌遗传学诞生的标志。
　　德尔布吕克的特殊贡献还在于，他把孟德尔的经典遗传学搬上了分子研 究的舞台，而他创建的噬菌体研究小组的卓越成就，使得分子生物学最终瓜 熟蒂落，呱呱坠地。
　　不久，德尔布吕克播下的分子生物学的“精神种子”开出了第一朵花， 这就是第二次世界大战期间，从奥地利流亡到爱尔兰的著名量子力学创始人 薛定谔写的一本小册子《生命是什么？》。这本小册子一时在欧美学术界掀 起了轩然大波，使生物学成了一门时髦的学科，一大批年轻有为的物理学家
　　
涌入到生物学这块园地里，威尔金斯和克里克也不例外。而他们两人曾在二 战期间参加过美国的一项军事工程“曼哈顿计划”，参与制造了世界上第一 颗原子弹。或者是由于害怕原子武器的巨大杀伤力而承担道义上的责任，他 们才转而研究生物学。
　　在这一领域，威尔金斯拍到了第一张 DNA 纤维 X—射线衍射图。不想， 就是这张图片，使得正在渡假的美国年轻遗传学家华生发生了浓厚的兴趣， 为了更接近威尔金斯，他便进入剑桥的卡文迪许物理实验室。
　　然而，连华生本人也不曾料到，他这一行动，却和物理学家克里克走到 一起来了，最终促成了 DNA 分子双螺旋结构模型的诞生。
　　这个制作精良、巧夺天工的模型，是华生和克里克这一对儿科学史中少 有的合作典范共同努力的结晶，它酷似一座回旋式的楼梯，一对对碱基恰如 一级级台阶，也有像莫尔斯电码一样的三个碱基为一组的遗传密码。
　　此后，华生和克里克又详细阐明了这个模型的巨大的遗传学涵义，从而 提出了重组机理。这是 20 世纪生物学中最伟大的成就，它所包涵的普遍的遗 传学意义，从大象到细菌是一概适用的。
　　华生和克里克也因此而成为举世皆知的名字。据说，“DNA 重组技术之 父”博耶给家里的一对猫起的名字就是华生——克里克，可见其二人之盛名。
从 1944 年埃弗利确认 DNA 是传递遗传信息的物质，到 1953 年华生和克里克
阐明 DNA 的双螺旋立体结构及其深远涵义，历经整整 10 年。以这两个划时代 的科学研究为转机，一门崭新的学科——分子生物学诞生了。
此后的 10 年，即 1953～1963 年，是分子生物学发展的黄金时期。序列
假设、中心法则、遗传密码、乳糖操纵分子、变构相互作用等概念，更加丰 富了这一学科的内涵，使它发出更加诱人的光彩。
但是，这些又跟工农业生产、医学等一些国民经济各个产业部门有什么
联系呢？人们仍不清楚。

现代生物工程的腾飞


　　在 1970～1980 年这 10 年间，分析技术有了飞速的发展。如超速离心、 放射性同位素标记，微量分析已精细到不仅能测定只有 10 毫微克蛋白质的初 级结构，还能测定糖蛋白质中其他一些生物大分子的结构等；另外，当时人 们已成功分离出了“分子手术刀”——核酸限制性内切酶。它可以在特异部 位切割 DNA 分子；人们还制造出把切口封起来的供遗传学研究用的凝胶剂连 接酶，在体外实现 DNA 重组的杂合质粒运载体也构建成功了。
　　这些技术发明武装了生物实验的测试手段，丰富了生物学知识，把微生 物学家、酶学家和遗传学家们推到了这场生物学革命的舞台上来。借助这些 技术，人们不仅可能阐明某些酶的结构和功能，把固定化技术应用到各个产 业部门中，还可以发现修饰 DNA 以及使 DNA 分子在生命机体之间搬来搬去的 技术。
　　德尔布吕克等当初对噬菌体的研究，以及人们对大肠杆菌的研究、对质 粒的了解、遗传密码分子遗传学、限制性核酸内切酶等关键性突破，正是把 这些基因工程知识和有关技术有机结合在一起的“功勋元老”。也正是由于 有了这样的结合，才迎来了使生物学研究成果崛起在产业舞台上的新时期。 那么，生物学与工农业生产，与医学等国民经济产业部门结合后，是怎
　　
样大展宏图的呢？ 我们先来看看近些年来发达国家生物工程的研究和开发情况，因为目前
这些国家的生物工程进展还是具有代表性的。

我国生物工程现状


　　我国地大物博，每个炎黄子孙都为此自豪。而这个“地大物博”，正是 我国进行生物工程研究的一大优势。地大，就是幅原辽阔，因而生态环境复 杂；物博，就是生物资源非常丰富，可以利用的基因库面广量大。我国人民 对于生物资源的利用和改造有悠久的历史和丰富的经验（如传统的发酵业—
—作坊式制酒、制醋），在农业、食品、酿造和医疗卫生等方面，都为人类 做出过杰出贡献。
　　50 年代初期，以抗生素的研究和生产为标志，我国开始出现了用生物原 理与近代工程技术手段相结合的新型发酵工业；70 年代，我国即开始了固定 化酶的研究；稍后，又相继开展了分子遗传学和基因工程以及细胞培养、原 生质体融合等新学科、新技术的研究。国家十分重视生物工程技术的发展， 对其寄以很大希望。基因工程早在 1978 年就被全国科技发展八年规划列为八 个优先重点发展领域之一，并在培养人才、支持科研等方面采取了很多积极 措施，一批批的留学人员学成回来报效祖国，一座座的国家重点实验室建立 起来。近些年在现代生物工程学新浪潮的冲击下，我国广大科技工作者在基 因工程、酶工程、细胞工程及发酵工程方面不断取得新成果。但就整个生物 工程领域看，除发酵工程、酶工程有一定基础外，其余还处在刚刚起步时期， 尤其是在基因工程研究和开发方面，还有很长的一段路要走。下面，我们在 与国外进行分析比较的同时，重点介绍一下我国近年来生物工程的发展状 况：

微生物发酵工程

我国在微生物发酵方面是有一定的雄厚基础的。从古老的酱、醋、酒，
到 50 年代初的抗生素，都在世界微生物发酵史中占有重要地位。现在，国外 的发酵产品，我国基本都能生产，有些品种在活性和生产工艺方面还处于领 先地位。
我国抗生素的生产数量已在世界上名列前茅。抗生素工业始建于 50 年代
初，比最早的国家晚十年左右。我国的抗生素工业能发展到今天的规模，也 是几代人艰苦奋斗的结果，但是与发达国家相比差距还是很大的。如菌种的 生产水平不高，产品品种单调，新品种开发得还很少。
现代发酵工程自抗生素工业的建立而兴起后，氨基酸、柠檬酸、酶制剂、
甾体激素、维生素、单细胞蛋白、微生物农药等独立工业体系也相继兴起。 氨基酸发酵是抗生素以外最大宗的微生物工程产品。其中，产量最大的 要数谷氨酸（即味精）的生产，但是我国谷氨酸的生产在原料的利用率和转 化率方面都比国外低约 10 个百分点，这样，成本就高了。比如，用甜菜和糖 蜜作原料时，我国每生产一吨味精的成本是 2400 美元，而国外只用一半的钱 就可以生产相同的量。日本是世界上最大的味精出口国，味之素公司、旭化 成公司、协和发酵公司和武田制药厂都是当今生产味精的主要厂商，而我国 上海天厨味精厂等一些久享盛名的味精生产厂，虽然产品也远销国外，但在 生产效率等方面，与国外还有相当的差距。80 年代中期，日本味精就曾以低 于我国味精一半的价格出现在广州市场，他们还有如特鲜味精（肌苷酸）等 产品，使我国味精面临严峻挑战。如今，随着生物工程的兴起，各国都在加

紧发展，试图依靠先进的技术占领更广阔的市场。 用发酵法生产维生素，我国生产的品种有 B2、B6、B12、vc。我们生产 vc
用的两步发酵法新工艺，居世界领先地位，已经在全国推广。 我国在用微生物方法生产甾体激素方面也有一定基础，有了系列产品，
其中上海药物所成功地把喜树碱（治疗癌症药物，但毒性较大）转化为 10— 羟基喜树碱（毒性小），提高了对癌症的疗效，也属国际首例。
　　中科院微生物研究所研究出来的微生物多糖，可以作石油开采的注水稠 化剂，也可以作钻井泥浆的悬浮剂，山东大学也研制出了与国外产品相似的 微生物多糖，可以用来采油。我国在这方面的研究起步虽晚，但发展较快， 很有前途。
　　我国人口众多，蛋白质缺乏的问题始终存在着，广大农村情况更严重。 单细胞蛋白的生产对解决这个问题大有帮助。我国目前已有上海和华南的一 些工厂在研制生产单细胞蛋白的酵母和利用有机废弃物生产蛋白质的方面取 得了一些成绩，但未来的道路还很漫长。
　　沼气作为一种可再生的能源具有广阔的发展前景。我国堪称沼气大国， 农村沼气池多达 700 万个，用来发电、照明、抽水、加工粮食、烧水煮饭等， 经济效益显著。我国工业沼气起步较晚，但进展较快，已在一些城市工厂中 推广。目前与国外的差距主要在技术和材料方面，但我们有信心赶上去。
微生物还能通过对石油及淀粉类物质的利用，生产出许多重要的化工原
料。我国目前这类发酵产品有丙酮、丁醇、脂肪酸、苹果酸等多种，在国民 经济中发挥了不小的作用。比如用十五烷烃酵母转化产生的两种物质可以用 来合成麝香酮等香料，每吨产值可达数万元。
微生物冶金我国也有一定基础。利用微生物浸出铜、铀、钴、镍和锰等
有色金属已经具有工业化水平了。湖南柏坊铜矿用这种方法把几十万吨的尾 矿全部处理完毕，得到了价值一百七十多万元的铜和浓缩铀。象这种尾矿、 贫矿我国还相当多，如江西德兴铜矿，贫矿和尾矿堆积如山，多达 111 亿吨， 如用这种方法处理，按每万吨矿石浸出 6 吨铜算，可以多采 60 万吨的铜，价 值三十多亿元！所以，我国微生物冶金存在的主要问题是要迅速推广，对这 项生物工程技术要给予充分的重视。
微生物发酵工程在生物工程新产业中，在国民经济中的地位都是不容置
疑的。我国微生物发酵工业的产值在 1981 年就已经占工农业总产值的 1％ 了，一些发达国家还更高些。尽快解决发展中存在的问题，使这一既古老又 崭新的产业为我国经济的腾飞再立新功。

酶工程

在酶工程的研究开发方面，日本走在欧美国家前面，占据世界领先地位。
1969 年，日本率先把固定化酶用于 L—氨基酸的工业化生产，从此开创了固 定化酶工业应用的新局面。
　　我国对单一酶的研究是从 50 年代开始的。那么，经过了四十多年的发 展，我国在酶工程方面都取得了哪些成绩呢？
　　在创业阶段，以中国科学院微生物所和上海市轻工业研究所等单位为 主，开展了微生物α—淀粉酶和蛋白酶的研究，并分别用于棉布退浆、酒精 制造、皮革脱毛和丝绸脱胶方面。
　　
　　到 60 年代中期，我国第一家酶制剂厂——无锡酶制剂厂建成了，奠定了 我国酶制剂工业的基础。如今，全国有四十多家酶制剂厂、生产品种六十余 种，酶也走进了我们的生活，加酶洗衣粉就曾风糜一时。现在产量较大的有 α—淀粉酶、糖化酶、异构酶、蛋白酶和脂肪酶等。这些酶的应用带来了明 显的经济效益，如糖化酶的应用每年可以节省粮食二十多万吨，价值 8000 万元。
　　在分子水平的手术中作切口缝合用的工具酶——DNA 限制性内切酶，被 誉为是基因工程的敲门砖。这种重要的酶，目前我国北京、上海等地已有批 量生产。
　　1969 年日本固定化酶用于工业生产。1970 年我国开始开展固定化酶的研 究，利用固定化氨基酸酰化酶生产具有光学活性的氨基酸方面，取得了一定 成绩；另外，固定化酶细胞也应用在菜果酸、天门冬氨酸、半合成抗菌素和 果糖浆的生产上。
　　1980 年起，上海工业微生物研究所和上海华光啤酒厂协作，把酵母细胞 包裹在海藻酸钙中进行分批式、连续式和主罐式发酵啤酒，经过两年试验后， 规模扩大了二百多倍，达 6.5 吨。这种方法有省时、省力、利于过滤等多种 优点。
1981 年他们又进行了 10.5°黄啤的批量生产，不久便有二百多吨投放市
场；在分批发酵中，可反复使用 20 批以上，持续四十多天（国外先进水平可 用几个月之久）。
现在，我国生产的酶制剂已广泛用于许多工业部门，对原有的生产工艺
改革起到了很大的推动作用，在节粮、节能、改善劳动条件、清除环境污染 等方面都产生了显著的经济和社会效益。例如，α—淀粉酶用于饴糖生产， 能节省粮食 1/10；糖化酶用于白酒和酒精生产，可以分别节省粮食 66 公斤/ 每吨、107 公斤/吨；把固定化技术和基因工程结合起来，可以同时去除污水 废液里的多种有机物和有毒物质。我国科学工作者运用这种技术处理腈纶废 液中的丙烯腈有害物质，去除率几乎达百分之百，而且这个去除丙烯腈的装 置连续运转几年仍状态良好。
用固定化酶制作标准样式的盒式试剂及试纸，使用时方便、快速、简单。
目前这种供简易诊断用的试盒、试纸在国外已实现市场化，但我国还主要限 于大城市，而且仅在个别医院使用，远未普及。广大农村、偏远地区或缺医 少药的小市镇是这种试剂、试盒最适用、最需要的地区，而且也可以作为家 庭常备医药用品，进行自我诊断，具有广阔的市场前景。最近两年我国科技 工作者加紧这种试剂和试盒的研制，已有个别试剂在市场上出现。
　　我国也在开发一些特殊性质的酶类如耐酸、耐碱、耐热等酶的方面，取 得了很大进展。这方面的代表首推酸性蛋白酶和碱性蛋白酶，另外还有耐热 α—淀粉酶。
　　为改进酶分子的某些性质对它进行改造，是酶的分子修饰的主要内容。 我国比较成功地进行了尿激酶的化学修饰，有很重要的临床意义。
　　总的来说，我国在酶工程的研究和开发方面取得了一些成就，但是比起 国外先进水平还差得不少。品种少、剂型单一、提炼工艺落后是我们的主要 问题。因此而导致的产品质量低、效率低、劳动生产率低而成本高、原料消 耗也高，使得我们的产品无法与国外产品抗衡。面临严峻的国际竞争，我们 只有加快步伐，努力发展自己。
　　

生化工程


　　要把生物工程技术应用于工业生产，生物反应器、发酵罐、细胞培养器 等生产器具就显得很重要了。这些反应容器的性能先进与否，直接关系到生 产的成败，关系到产品质量的好坏。
近年来国外在这方面的发展趋势是大型化、多样化、高度仪表化。 生产抗生素的搅拌式发酵罐容积可以达到 400 立方米，生产谷氨酸的最
大有 500 立方米，而生产单细胞蛋白的发酵罐则可达 4000 立方米！我国前两 个数字却分别只有 100 立方米、150 立方米，而多数发酵罐是在 50 立方米以 下的。
　　在生化反应中，搅拌是必不可少的，由于硕大的机械搅拌器要耗费很多 能源，国外还大力发展了不带机械搅拌的容器罐，动力消耗减少了一半。这 些反应容器在操作方式上多种多样，还有专供动植物细胞培养的反应器。我 国在这方面则显得品种单调，反应器类型几乎是千篇一律的机械搅拌式，不 过近年来这种现象正在改观。
　　为了及时掌握生物反应过程中的关键“信息”，以便检测、调控，国外 对各种传感器进行了开发研究，开发出的近 20 种传感器有温度、罐压、粘度、 浊度等；并常用电动或气动控制仪表进行生产过程的调控，计算机也越来越 显示出它在这方面的优越性。我国一般工厂中只有温度、空气流量等基本的 仪表，其他一些国外用传感器直接能从仪表读出的参数，往往要靠人工拿样 品来测定。不过，计算机应用于发酵生产已开始，无锡第一制药厂、上海天 厨味精厂都开始用计算机进行生产过程的检测和控制了。
我国在生化工程中的反应器和分离技术的研究开发虽然有一定基础，但
力量还很薄弱，无法跟上生物工程新产业的需要。 从生物工程的发展来看，我国生物工程起步较早，并有一定基础，而且
正在国民经济中扮演着越来越重要的角色。在这五个方面中，我国在某些方
面还发展得相当不错，使我们充满信心；但从总体来看，我国在更多的方面 与发达国家存在着不小的差距。目前我国面临着双重挑战：在国内，要加快 发展国民经济，搞好社会主义建设；在国际上，要在激烈的国际竞争中站稳 脚根，加强我国的国际地位。这就需要我们抓紧一切有利时机，把经济搞上 去，增强我们的综合国力。生物工程给世界带来的神奇变化和它具有的巨大 潜力告诉我们，一个千载难逢的机遇已经来到了。面对国际生物工程的飞速 发展，只要我们迎头赶上，就是抓住了机遇，经受住了挑战。
　　我们能够实现这样的目标吗？回答是肯定的。生物工程的开发有两个关 键：一是生物资源，也就是基因库，这对我国来说是非常丰富的；二是科学 技术人才和智力开发，我国这方面的人才也不少，他们经过多年的努力，已 使我国的生物工程研究和开发有了一定基础，他们甚至也以自己的非凡才能 取得了许多具有国际先进水平的成果。当然，一项宏伟的事业要经过几代人 的艰苦努力，年青人正是发展我国生物工程很关键的一代，因为从 90 年代末 到下个世纪 30 年，将是生物工程大展宏图的黄金时期。

细胞工程

　　自 1975 年英国剑桥大学的米尔斯坦教授发明了杂交肿瘤细胞技术以 来，单克隆抗体已度过了它 20 岁的生日。现在，应用这种技术生产的单抗诊 断试剂已有近百种投入或准备投入商品化生产了。
　　我国是在 1979 年引进杂交肿瘤细胞技术的，并在北京、上海等地首先开 展了动物细胞融合工作。1981 年，第一株单克隆抗体杂交瘤细胞株建成了。 这个细胞株能稳定地分泌对付北京鸭的红细胞的抗体；1982 年又建立了抗人 甲肝蛋白的单克隆抗体杂交瘤细胞株；之后，我国科技工作者又陆续建立了 十多个鼠间淋巴细胞和 B 淋巴细胞杂交瘤株，有些已经投入批量生产供临床 诊断使用。
　　在细胞工程的某些领域中，我国处于世界领先地位，这使一些自恃科学 技术先进的国家也不得不对我们刮目相看。例如在花药培养工作中，我国首 先诱导出的植株就有四十多种。1971～1973 年，培养出来禾谷类如小麦、小 黑麦等；1975～1977 年培养出了玉米、杨柳、橡胶等；1978～1981 年又培育 出蔬菜、果树类的多种植株。
　　我国在禾谷类如小麦、水稻等粮食作物的花粉植株的育种方面花费了很 大功夫。例如，80 年代中期水稻已有 81 个新品种、新品系在生产上应用； 小麦有二十多个新品种、新品系培育成功，在生产上也已经见到了令人欣喜 的成效，不仅缩短了育种时间，还达到了增产目的。另外，在玉米的花粉植 株培育上，我国也领先于国外。名为“京花一号”的小麦，1983 年种植面积 就达到 100 万亩之大。此外，在小麦等几种作物上用植物子房培养技术，我 国先后获得了单倍体植物，这项技术我国发展也较快，在国际上处于领先地 位。
利用植物的各器官组织有全息性的特点发展起来的植物无性系繁殖，在
我国也取得了令世人瞩目的成果。用组织苗繁殖甘蔗，可以大大减少甘蔗的 消耗，优势显而易见，目前我国用这种方法种植的甘蔗有数万亩；柑桔、马 铃薯去病毒组织苗的成功，大大减轻了病毒病的危害，增产效果十分显著； 我国人民自古以来对花情有独钟，如今人们喜爱的兰花、牡丹、月季、菊花、 紫罗兰、百合等花卉，已经用试管苗的方法投产，甜叶菊已捷足先登，从上 海行销全国了。
人参作为一种名贵的药材和补品，在我国历来享有盛誉。但由于其来源
有限，价高量少，所以很难满足市场需要。日本是世界上最早用发酵罐进行 人参细胞工业化生产的国家，我国目前采用类似微生物发酵工程的方法大量 培养人参细胞也获得了成功，而且也同样保持了天然人参的药效成分。
　　原生质体融合技术方面，最早填补我国这项技术空白的是华北制药厂抗 生素新菌种选育的工作。
　　用鲫鱼肾细胞无性繁殖出鲫鱼苗——这是中国科学院水生生物研究所通 过核移植完成的，也是国际上的首例。
　　农牧渔业部长江淡水鱼类研究所的一项工作，通过对罗非鱼性别的控 制，获得了超雄性罗非鱼。这一工作有什么意义呢？原来，全雄鱼群比一般 雌雄混合鱼群可增产近一半！
　　通过吃海带补碘是防治碘缺乏病的一条有效途径。我国多数人口深居内 陆，沿海地区捕捞的海带显然无法满足全国的市场。而山东海洋学院和海洋 所用海带的雌雄配子的体细胞培养的单倍体商品海带，使我国人工栽培海带 的产量大幅度提高，尤其给缺碘地区的人们带来了福音。
　　
　　另外，用原生质体培养的方法再生成植株方面，我国也在国际上占有一 席之地。烟草、胡萝卜、矮牵牛、油菜和紫菜等许多植物已经能用这种方法 获得；还有种间和属间的杂种植株如普通烟草和黄花烟草、粉兰烟草与矮牵 牛之间，用体细胞杂交后得到的新型植株。
　　我们可以看到，我国在细胞工程方面的研究和开发是令人鼓舞的，我们 衷心希望我国的科学家、技术人员能再接再厉，为我国这项工程的发展再做 贡献。

基因工程


　　1973 年，美国的博耶和科恩首次成功地进行了 DNA 重组试验；1976 年， 第一家基因工程公司应运而生； 1981 年首批基因工程产品开始投放市场。
　　我国的基因工程研究开始于 70 年代后期，起步不算太晚，但由于基础比 较薄弱，缺乏专业人才、器材和试剂，影响了发展速度。但我们的科技人员 是勤奋的、充满智慧的，他们有在艰苦条件下创造成绩的光荣传统。
　　1982 年 5 月，中国科学院生物化学研究所迎来了我国第一项激动人心的 基因工程研究成果：人工合成 Leu—脑啡肽基因成功了！并且实现了在大肠 杆菌中的克隆和表达。尽管世界上第一项类似的成果是由苏联人在 1979 年
12 月取得的，但我国的实验是科技工作者们独立完成的，其重大意义并不会
因此而减弱。
　　同年 6 月，生物化学研究所又宣布，将 adr 型乙型肝炎病毒表面抗原基 因组，转移到大肠杆菌中无性繁殖成功（英国在 1980 年成功），为我国今天 能独立自主地利用微生物大量生产乙型肝炎病毒疫苗以及其他产品，打下了 良好的基础。
上海生物制品研究所继而宣布，他们从乙型肝炎病毒表面抗原的信息
RNA 开始，克隆了互补的 CDNA，包括了抗原的全部编码顺序。这项成果在国 际上也是首次取得的。
以上这些成果为我国进一步开展基因的人工合成和通过基因工程技术革
新生物制品的生产打下了良好的基础，标志着我国乙型肝炎病毒疫苗的基因 工程研究进入了一个新阶段。
此后，我国科技工作者在基因工程的研究中不断取得新成就：
　　1982 年 9 月，中国医学科学院病毒研究所，用基因工程技术，在我国首 次成功地组建了大肠杆菌合成人的α—干扰素，这种干扰素与人和动物的细 胞受病毒侵染后产生的干扰素一样，具有抗病毒活性。这一成果为我国进一 步大量生产干扰素，迈出了可喜的一步。第二年，复旦大学遗传所再传捷报， 他们获得了能使α—干扰素克隆的酵母系统，使得表达水平进一步提高。
　　1983 年 3 月，我国乙型肝炎的另一亚型——adw 型又宣告无性繁殖成功， 取得这项成果的是解放军军事医学科学院及其合作伙伴白求恩国际和平医 院。
　　1984 年，乙型肝炎疫苗的研制向正式投产迈进了一步，上海宣布乙型肝 炎表面抗原基因在酵母中表达成功。
　　在国民保健和畜牧业上，抗生素是十分重要的医疗药物。我国抗生素已 形成巨大的行业，每年总产量约一万吨，名列世界前茅。国外抗生素研制动 向是继续筛选抗肿瘤等新型抗生素和发展β—内酰胺抗生素。青霉素型的β
　　
—内酰胺和头孢霉素型的β—内酰胺是 60、70 年代后的主要发展目标，以有 效率高、毒性小而倍受青睐。用于β—内酰胺合成的青霉素酰化酶、头孢霉 素酰化酶的基因工程由上海药物所成功完成，他们的工作比国外同行要出色 得多。
　　同年，上海细胞生物研究所又实现了胰岛素基因在酵母中的高效表达。 仔猪黄痢疫苗最早是由荷兰的全国卫生研究所用基因工程技术造成后投 放市场的，它也是世界上第一个基因工程方法制成的商品。上海植物生化研
究所是较早在国内获得这一疫苗抗原 K88 基因表达的，他们研制的疫苗在防
治小猪急性黄痢病方面取得了很好的效果。 去年可谓是国际生物工程界硕果累累的一年，其中也包括我国一项成
果：由中国农业科学院和山东大学联合研制的世界上首例抗大麦黄矮病毒的 转基因小麦，它对提高小麦产量将产生重要影响。
　　我们可以看到，我国在基因工程方面的研究已经取得不少可喜的成就， 但是多数项目目前还只是处在实验室阶段，与国外的工业化程度相比，还差 得相当远。
　　
生物工程对人类的贡献


　　生物工程自登上产业舞台，的确已做出了不小的贡献。它的崛起，使人 类面临着一个新的机会，去解决日益紧迫的能源枯竭、环境污染等严峻的社 会问题。人们已逐渐认识到，过去依靠物理学、化学的基本原理建立起来的 工业繁荣，其后果只能是资源、能源用一吨少一吨，而且环境的污染使得适 宜人类生存的空间一天天地缩小。人类社会只有依靠生物学领域的工艺技 术，建立起基础产业部门，才能走向真正持久的繁荣。
　　于是，重组 DNA 技术试验成功使得欧美国家乃至整个世界为之震动，它 的潜在的工业应用价值给人们以梦幻般的憧憬。所以，一时间，欧美、日本 等工业发达国家出现了一股当年著名小说家杰克·伦敦笔下的 18 世纪开发美 国西部时的淘金热般的浪潮，各式各样的生物工程公司如雨后春笋般地建立 起来。这些大大小小的公司不仅致力于生物工程技术的研究开发，还使许多 生物工程产品源源不断地进入市场。下面，我们就给大家介绍一下生物工程 在医药卫生、食品、环境保护、农业等方面的研究和开发情况。

人类健康的保护神


　　制药工业应该说是生物工程研究开发中最活跃、进展最快的一个产业部 门了。用生物工程技术不仅可以生产出大量廉价的防治人类重大疾病的新药 物，而且已引起制药工业的重大变革。

抗生素


　　抗生素是我们比较熟悉的一大类常用药物：如青霉素、链霉素、头孢霉 素、氯霉素等。
抗生素用量大，如 1980 年几个主要发达资本主义国家临床用的抗生素产
量为二万吨，我国 1981 年抗生素产量有九千多吨，产量相当高，只是大部分 都是国外受控制的或已经淘汰的链霉素、四环素和氯霉素等。
在抗生素的生产中，有 80％左右为半合成抗生素。而一种名为β—内酰
胺类抗生素又居首位。这种β—内酰胺抗 生素是针对受到耐药菌感染的病 人用尽了所有的抗生素病情依然不见好转的情况而使用的，而耐药菌则是以 往由于长时间大量使用抗生素而产生的。人们在研究这种耐药菌时发现，原 来这类菌产生了一些水解青霉素的酶，即β—内酰胺酶，这类酶导致了青霉 素的失效。于是日本和美国的一些科学家们经过潜心研究，相继研制出了第 二代、第三代和第四代抗生素。这也是人们成功运用酶工程的一个典型例子。 如今，国外大力生产的广谱β—内酰胺类半合成抗生素（青霉素、头孢 霉素等），对一些革兰氏阴性菌和临床难以控制的病菌，如肺炎球菌、绿脓 杆菌、脆性拟杆菌等引起的感染，有较好的疗效，而且是各类抗生素中毒性
最低的。 品种的更新换代是目前各国抗生素生产的迫切任务，我国的抗生素工业
存在的问题更急需解决。据上海市聋哑学校调查，约有 50％的聋哑学生是链 霉素和卡那霉素的受害者，这是多么可悲的事情啊！为了防止类似的事情再 继续发生，我们就要尽快采取行动，提供给人们以无毒害作用的抗生素。国

外基因工程技术的运用已在半合成抗生素的工业中发挥了重要作用，正在为 人类提供更多疗效高、毒性低的抗生素新品种做出贡献。

生化药物的生产


生化药物是制药工业中的一个重要品种。 生化药物由于来源于生物体，所以传统的生产方法是从生物体的器官、
组织、细胞或血液、尿液中提取的。但是由于生物数量毕竟有限，所以价格 昂贵、产量少，根本不能满足需要。现在我们有了基因工程技术，就可以用 工程菌生产这些药物了。我们常用的工程菌有大肠杆菌、酵母菌、链霉菌等。 这些工程菌不仅来源广，而且繁殖能力极强，如大肠杆菌繁殖一代只需要
20～30 分钟。所以用它们来生产药物，价格便宜，而且产量很大。另外，这 种方法生产出来的产品非常纯净，与人工提取的相同，安全、无副作应。
　　1982 年，美国一家制药公司宣布用 2000 升发酵液生产出 100 克精制胰 岛素。可是，如果用传统工艺生产的话，这个量得从 1600 磅的猪、牛的胰腺 中提取获得！而且，它的成本也只是传统工艺生产成本的 30％。如今，已有 千千万万的糖尿病患者受惠于这种用基因工程重组的微生物生产出的胰岛 素。
著名的生物工程公司美国遗传技术公司，从两加仑大肠杆菌工程菌发酵
液中，获得了五毫克人的抑长素（生长素释放抑制因素）。这个量相当于从
50 万头羊脑组织中的提取量；1979 年他们实现了生长激素基因在大肠杆菌中 的表达，每升发酵液生产两毫克人的生长激素。而生长激素作为人脑垂体合 成的一种蛋白质，不仅具有促进人体生长的作用，还对骨折、皮肤灼伤、溃 疡出血等疾病疗效显著。过去人们只能从人的尸体中提取它，600 个尸体脑 垂体的提取量才可以治疗一个侏儒症病人。
干扰素也是一类蛋白质，是人或动物的细胞受到病毒感染后释放出来
的，它可以保护其他细胞免受侵染。 多年来，人们证实干扰素对防治多种病毒性疾病如狂犬病、乙型肝炎、
水泡性口膜炎、呼吸道发炎、脑炎、红眼病等有良好疗效，另外对细菌引起
的疾病和某些肿瘤疗效也较好。以前国外是用病毒感染人的白细胞来产生人 的α—干扰素的，但白细胞来源少，干扰素产量低，浓度不到 1％，且价格 昂贵，难以推广应用。80 年代初，欧洲生物工程和美国遗传技术两家基因工 程公司，运用基因工程技术，在大肠杆菌和酵母细胞中生产出了三种不同类 型的干扰素（α、β、γ），每升菌液获得的干扰素是每升人血的 1200～120，
000 倍。据当时美国有关调查公司调查，干扰素上市五年后，仅在美国一年 销售额即达 30 亿美元。
　　乙型肝炎疫苗最近几年已经推广使用，它对乙型肝炎的防治起到了很大 的作用。它的价值是难以用金钱来计算的。
　　乙肝疫苗最早是由爱丁堡大学和欧洲生物工程公司在 1979 年研制出来 的，不久法国巴斯德研究所等机构也相继有成果问世。将乙型肝炎病毒表面 抗原基因克隆（无性繁殖），使它在大肠杆菌、酵母和哺乳动物细胞中表达， 制成疫苗。这种方法消除了以往用带病毒者的血清制取疫苗的局限性和危险
性。

单克隆抗体的应用


　　自从 1975 年英国科学家米尔斯坦和科勒利用杂交瘤技术生产单克隆抗 体获得成功以来，在短短数年内，这一技术便迅速发展起来，举世瞩目。它 被广泛应用于免疫学、肿瘤学、病毒学、寄生虫学、药理学、流行病以及临 床各学科中，在诊断方面所起的作用尤其突出，甚至被誉为免疫学上的一场 革命。
　　前面我们讲过，单克隆抗体继承了双亲的优点，既能不断繁殖，又能像 长了眼睛的炮弹那样只产生一种抗体。不仅如此，这一技术的优点还有：因 为任何抗原都可以获得相应的单克隆抗体（单抗），所以人们可以在试管、 瓶罐里或者动物体内，根据需要产生出任何类型的单抗；就是使用不纯的抗 原，也能产生出纯净的抗体；它的特异性高、纯度高，不仅可以取代血清诊 断，更有希望用于治疗；来源充足，优质的杂交瘤株苗一旦成功，就可以源 源不断地提供大量的单抗；效益高、投资少，每毫升单抗诊断试剂售价 100～
500 美元。诸多优点使单克隆抗体成为“时代宠儿”，单克隆抗体的新产业 迅速发展。单克隆抗体在 1990 年的产值约达 5 亿美元。
　　现在，绝大多数的杂交肿瘤细胞取自小鼠，如果用人体杂交肿瘤细胞治 疗人体疾病，无疑会更合适。利用抗体和抗原专一结合的特性，作为治疗或 载运有效药物的“生物导弹”，将成为肿瘤等严重疾病的克星。

对癌症和遗传病的治疗


　　癌症困扰人类已多年，很长一段时间里，人们谈“癌”色变，但随着生 物技术的迅速发展和完善，这种情形已开始改变了。DNA 重组技术把癌的病 因学和发病机理的研究推向了一个崭新的阶段。
从 1981 年开始，科学家们已经分离鉴定出 20 种致癌基因，如我们经常
听到的膀胱癌、乳腺癌、肠癌、肺癌、淋巴癌、白血病和肿瘤等。而且令我 们吃惊的是，这些癌基因原来竟普遍存在于正常细胞中，只是一般情况下它 处于静止状态而不表达，即不发生癌变，而当有外界致癌因素的作用时，它 被激活，就使细胞发生癌变了。1982 年，又有两位科学家几乎同时地发现， 膀胱癌基因与正常基因的差别，仅仅是在 6500 个基因的序列中发生了一个核 甘酸的错位，从而产生了一种异常的蛋白。这种蛋白位于细胞内膜，结果就 成了细胞异常生长的启动信号。
　　以往，由于对癌症病因不明，使人类长期处于和癌症在迷魂阵中打外围 战的境地。今天我们对癌本质的认识，已彻底改变了这一情况。用基因治疗 癌症的设想已提出几年。现在我们通过动物实验，已经能对几种靶器官（人 们试图治疗的器官）应用基因转移和细胞移植技术，纠正因基因异常导致的 某些恶性肿瘤。
　　遗传病与癌症的病因相似，是基因序列异常导致的，它又被称为分子病。 因为它们大多数都是在 DNA 分子的水平上发生的，随着生物技术的发展，每 年新发现的分子病近百种，预计到本世纪末可以达到 12，000 种以上。我国 遗传病患者有二千多万人，给社会和家庭造成长期的沉重负担。因此，如何 减少甚至消灭遗传病的发生，也是目前生物工程技术所面临的重大课题。国 外采用的方法一般是产前诊断技术结合中期流产，把患儿消除于出生前。
　　
　　从 1978 年开始，DNA 分析技术开始应用于产前诊断，1981 年后又发展到 基因工程技术，使诊断速度和准确性得到了很大提高，已经可以直接阅读基 因诊断遗传病了。更先进的是，用单克隆细胞表面特异抗体，可以直接从母 亲血液中通过细胞收集器采得胎儿细胞，这样就可以直接发现最早期的基因 突变了。
　　去年，美国科学家在人类第 14 条染色体上发现了老年性痴呆症的新基 因，为人类揭开老年性痴呆症的病因开辟了新途径；而英国科学家用生物技 术制成的混合药物在临床应用中使艾滋病毒携带者及患病者的死亡率降低了
38％，被誉为近 10 年来艾滋病研究领域的最大成果；另外，科学家们还在小 鼠身上发现了一种肥胖基因，并证明在小鼠身上注入一种蛋白后不节食也能 减肥，这一成果极有可能为人类减肥药物的研制带来突破。
　　用基因途径治疗遗传疾病和癌症虽然还处在探索阶段，但它无疑是一种 理想的途径，或者说是唯一的理想途径。我们都知道白痴是一种严重的遗传 病，以往几乎是无法治疗的，但现在科学家们通过噬菌体把这种病人缺少的 半乳糖苷酶转入病人体内的成纤维细胞中，结果几天后这种基因出现了！人 体细胞代谢的这种缺陷得到了纠正。可见，基因治疗的确给人们以光明的前 景，尽管它仍存在许多技术问题，但那只是时间问题，我们对它的前途是毫 不怀疑的。

“绿色革命”的捷径


　　一场新的“绿色革命”浪潮正在世界范围内掀起。这就是依靠生物工程 技术，在细胞和分子水平上研究动植物，使得农业产品在单位土地面积上不 增加，牲畜、禽类等数量不增长的情况下却能大量增产的农业革命。
人类正面临着粮食匮乏和更优质食品的需求问题。据预测，到 2015 年，
世界人口将增长到 80 亿，对粮食的要求至少要翻一番。而由于土地面积不可 能大量增加，靠传统的增产方式是难以解决问题的，必须提高单位面积产量 才行。生物技术正是解决我们这个难题的唯一出路，它在农业方面的应用， 将给人类带来难以估量的价值。所以，现在世界各国政府和企业界人士都把 农业作为生物工程开发的重点。
农业包括农、林、牧、副、渔，可谓“天宽地阔”，为生物工程技术的
应用提供了一个极大的用武之地。下面我们就看看它在农业方面是如何施展 本领的。

植物育种


　　现代遗传学研究始于孟德尔的豌豆杂交试验，是从植物开始的，并从此 一步步深入，最终建成了分子生物学的大厦。而从分子生物学衍生出来的现 代生物工程学，作为新技术革命的一个重要方面，现在又回到植物这个给了 人类最丰富的营养、食品资源和工业原料的材料上来了。的确，植物与我们 生活的关系是最密切的，但同时，它又称得上是基因工程研究和开发中最难 啃的一块骨头。
　　这块难啃的骨头——运用基因工程改造农作物，一旦成功，无疑会给农 业带来巨大的变化。
　　
　　最近，这方面已经有了较大的进展：已完成了多种高等植物基因的分离， 如大豆、玉米、小麦、大麦、水稻、菜豆储藏蛋白、玉米光敏色素等，使决 定这些植物的重要性状的目的基因分离，为改进它们的性能提供了可能。Ti 质粒是引起植物肿瘤的质粒，存在于根瘤土壤杆菌的细胞中，它使植物发生 肿瘤，肿瘤细胞有非常强的自主性繁殖能力。植物基因工程师们于是就利用 这些农作物的病菌作为研究材料，对它们进行一些基因操作，赋予这些病菌 一些新的有益的特性，例如固氮、抗病虫害、抗农药、抗除莠剂等，同时又 消除它们固有的形成肿瘤的有害特性。Ti 质粒成为植物基因工程操作真正的 传递遗传信息的载体。目前对它的改造已经有了突破性进展，很有希望成为 双子叶植物的基因载体。而用人工构建的小染色体为媒介，实现基因转移， 将有可能成为单子叶植物的基因载体。共生菌是生长在动植物体内且与人与 己都有利的一类细菌，目前利用它的这一性质先使我们的目的基因重组质粒 进入细菌，再让细菌在植物体内发挥目的基因的功能，这样植物的功能就得 到了改进，目前这一工作已颇有希望实现。另外科学家们把病毒和类病毒作 为载体的研究也取得了不同程度的进展，可谓前景光明。植物细胞染色体中 镶嵌了 Ti 质粒的一段 DNA 叫做 T—DNA，它除了有致瘤作用外，还有合成胭 脂碱类物质等多种功能。如果把 T—DNA 经过实验操作，解除它的生瘤因素， 再把真核或原核生物的一些有益基因插入到这种 T—DNA 上，再移入植物细胞 里，这样就可以最终传递到下一代植株的种籽中。用这样的方法，健康的烟 草植株就合成出了胭脂碱类的物质，它还同时具有后插入的那些有益基因的 功能：如提高固氮能力、光合效率高、抗农药等。
植物细胞培养技术得到不断发展。因为植物细胞有“全息性”，即使一
个细胞、一个原生质体也能发育成为完整的植物体。它对于细胞融合、导入 外源 DNA 以及基因工程来说，是必不可少的重要基础。到目前，已有七十多 种植物能用原生质体培养再生成植株，它不仅有实用价值，同时也是一个理 想的受体。1972 年，烟草的体细胞杂种首次问世，到现在，不仅植物种内、
种间、属间实现了杂交，甚至动、植物间、动物和人之间也实现了杂交。
　　在植物育种方面，已培育出了多种性状优良的新作物：1981 年 4 月，美 国威斯康星大学成功地把一种植物来源的基因（储存菜豆蛋白质的基因）经 过根瘤土壤杆菌转移到向日葵植物细胞里，再生的向日葵就具有了菜豆蛋白 的特征，而且还能遗传给子代，这就是被称为具有菜豆特色的向日葵——“向 日豆”。它与口蹄疫基因工程疫苗一起，被美国农业部列为当年美国基因工 程的两大突破，预示着植物基因工程的美好未来。
　　1982 年，美国孟山度公司和比利时的根特大学又成功地把细菌的抗卡那 霉素的基因，用 Ti 质粒转入向日葵、烟草、胡萝卜等植物细胞里，它们就在 那里表达，长成了植株，而且也能传给它们的“儿孙”。这些植物免遭抗生 素伤害的能力，要比同类其他植物强八倍多。这是细菌基因在高等植物体内 表达的第一批例子。
　　1983 年 10 月，美国明尼苏达大学的鲁本斯坦教授宣称，他们将玉米醇 溶蛋白基因和 Ti 质粒重组后转入向日葵根部细胞已获成功。
　　另一项植物基因工程—一抗盐抗旱的植物基因工程，作为美国这一领域 的重点项目，也取得了可喜成就。遗传学家们先把某一作物的耐旱耐盐基因 移植到细菌细胞内繁殖，然后再将这种基因转移到植物细胞内，可以促进植 物体内脯氨酸的产生和代谢。因为脯氨酸能抑制植物细胞向外渗透水分，植
　　
物经过遗传学家们这样的操作后，也就增强了抗旱抗盐的能力了。 前联邦德国和美国堪萨斯州立大学的科学家得到了种间植物杂交的著名
例证：把蕃茄和马铃薯的细胞融合在一起，再生成植株，就成了“蕃茄薯” 和“薯蕃茄”，创造了自然界本不存在的植物。
　　苏其金芽孢杆菌能产生一种专门杀灭有害于农作物的鳞翅目昆虫的蛋 白。1985 年有报告说，将这种细菌细胞内生产此蛋白的基因传递给农作物的 细胞，并在新的寄主那里表达，形成的烟草新植株使一些花蕾虫、甬虫、卷 心菜烟草尺蠖等有害昆虫退避三舍，不敢造次了。
　　在植物育种方面较有成效的还有花药培养、染色体工程和细胞突变等细 胞工程技术。二十多种植物的花粉植株已培养成功；三倍体甜菜、四倍体橡 胶草、八倍体小黑麦、多倍体蕃茄等已应用于生产；美国应用细胞培养结合 突变处理的方法，获得的水稻新品种赖氨酸含量比普通品种要高十分之一。
还有许多正处在探索中的细胞工程： 抗除草剂的植物是我们的理想目标之一，现在已知道有些酶有抗除草剂
的作用，如谷胱甘肽转胺酶。有的实验室正在利用这种酶基因的重组技术， 进行农作物抗除草剂基因工程的研究。
　　人们还在进行耐高温植物的研究，利用一种抗高温蛋白的调控 DNA 与抗 高温蛋白基因的基因工程正在进行。
抗小麦锈病、玉米大小叶斑病，蕃茄、土豆以及棉花的枯、黄萎病等的
基因工程也尚处于柳暗花明的探索中。 近年，又诞生了许多实用性成果，很多植物新品种都进入了商品化阶段。
美国孟山度公司培养的能产生杀虫剂的转基因土豆获准上市，日本科学家利
用基因重组技术培育出了抗病能力强、味美高产的西红柿和西瓜。 在这里，要格外提一笔的是植物的固氮研究。大家知道，蛋白质是人体
必需的营养成分，而且也是最重要的营养标志。植物来源的蛋白质在我们摄
取的蛋白质中占很大比重，比如像我国这样一个以谷物为主食的国家，蛋白 质来源有一半要取自粮食。人类社会面临着需要更多更优质食品的问题，而 增加蛋白的供给显得格外重要。由于传统的增产方式已经快到了“黔驴技穷” 的地步，土地面积不可能再大量增加，使用化肥使粮食产量大幅度增长的时 代已经过去，而且化肥不仅需要大量的投资，成本高，更主要的是造成环境 污染日趋严重。出路在哪里呢？植物基因工程的运用给我们指明了方向。
大家知道，植物中的蛋白质是植物从土壤中吸收氮素而形成的。但是，
自身就具备这种本领的植物只有豆科植物中的几种，如豌豆、大豆等。如何 使其他的植物都具备这种本领呢？这就是植物基因工程要解决的问题了。
　　土壤里的氮素是从哪里来的？是从空气中来的。我们的地球表面覆盖着 空气，其中约有 80％都是氮气，一亩土地的上空，至少会含有 5000 吨的氮 素！这么多的氮素，为什么植物还需要氮肥呢？当然是因为它们没有固氮能 力了。那么豆科植物又是怎样固氮的呢？原来，在土壤里有一种能固氮的细 菌，可以与豆科植物联合起来，通过体内的固氮酶把空气中的氮素转化成为 作物可以利用的以氨的形态存在的氮。这样，每个固氮细菌细胞不就是一座 超小型的氮肥工厂吗？这样一个小工厂一年下来能固定 50～500 公斤的氮 素，正所谓“体小能干大事”。成万上亿的固氮细菌如果都被其他非豆科植 物联合起来的话，不就可以代替世界上正运行着的千千万万的化肥工厂了 吗？
　　
　　植物基因工程的概念正是由怎样使大多数非豆料植物也能固氮这个问题 引出来的。而研究植物基因工程，前面讲的根瘤土壤杆菌倒是很有可能成为 理想的天然植物遗传工程师。根瘤土壤杆菌在这里有着双重的身份：一方面， 它是植物基因工程的受体；另一方面，它又充当传递遗传信息的载体。前面 提到的根瘤土壤细菌细胞中的 Ti 质粒，已被证实可以作为载体，将一定的基 因带到植物细胞里。如果给解除了生瘤武装的 Ti 质粒插入一些基因如根瘤细 菌的固氮基因，再让它把这些基因运送到非豆科植物的细胞里，最后传递到 下一代植株的种籽中，或许就可以实现我们的目标。
　　只是，目前在这项工程的实际工作困难重重，如遗传操作禾本科作物要 比操作双子叶植物困难得多，而遗传操作根瘤细菌也比其他细菌难度大，遗 传工程学家们正在迂回曲折地探索一些可行途径。随着科学技术的进步，特 别是植物分子遗传学的强化研究，有朝一日在一些非豆科作物和固氮菌之间 建立起共生固氮体系，是有可能实现的。利用 Ti 质粒作为运载体的研究也一 定会获得许多新的成就。