书城自然科学求知文库-生物工程的发展
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第15章 生机勃勃的生物技术(1)

§§§第1节食品的未来——蛋白质工程

奶酪是最原始的酶工程的产品。而今,现代的酶工程也将奶酪列为生产对象。然而,困难出现了。生产奶酪时用来杀菌的T4溶菌酶,在工作环境温度67℃下,3小时后活力仅剩下0.2%,这样就无法维持正常生产。

这个问题留给蛋白质工程来解决。

蛋白质工程是新一代的生物工程。蛋白质工程的中心内容是改造现有的蛋白质,生产新的、自然界并不存在的蛋白质来满足人们的需求。这些蛋白质主要是酶。

高新技术的日新月异实在令人赞叹不已。生物工程至今还常常被人用“方兴未艾”这个词来形容,却已经有了崭新的一代。基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程这四大支柱已经被归入“老一代”了。

这些“老一代”的生物工程确实还存在缺陷,还有许多问题需要解决。

上面说到的T4溶菌酶便是一例。又如人们寄托了很大希望的抗肿瘤、抗病毒药物干扰素,遇热也极易变性,在-70℃的低温条件下也只能保存很短的时间。问题之二是产品的副作用。例如,用小鼠细胞培养、生产的单克隆抗体,进入人体后一方面表现出强大的药理作用,一方面却会引起免疫反应,因为它毕竟是异体蛋白。此外,生物工程的许多产品还存在着活性低、提纯困难等问题,这些问题正是蛋白工程的攻关对象。

要改造一种蛋白质,大致要经过三个阶段:

一、通过计算机图像分析,找出蛋白质整体结构中足以引起某个性能发生改变的关键部位,或者说在氨基酸长链中找到那个关键的氨基酸。然后确定这个氨基酸需要如何加工修饰,或者干脆用哪一个氨基酸来代换。

二、找到生物细胞中指导合成这种蛋白质的DNA片段,并找出与那个关键氨基酸相对应的碱基,经过分析后用另一个碱基来取代它。这个繁琐的过程也少不了计算机的帮助。

三、将改造过的DNA片段移植到细菌、酵母菌或其他微生物体内,经过培养,筛选出能“分泌”出理想的新蛋白质的菌株,再运用发酵工程大量生产这种新蛋白质。

以上说的仅仅是蛋白质工程一种比较有代表性的生产过程,对这个过程的描述也是极其粗略的。然而它大概已经能表明,蛋白质工程集中了生物工程的精粹,而且还是计算机技术和现代生物技术杂交生成的宠儿。

拿计算机图像显示来说,它显示的不仅是氨基酸排列顺序,也不仅是氨基酸长链如何缠绕、盘旋的立体结构,还要显示出每个氨基酸的受力情况——在哪些相邻分子的引力下处于平衡状态。更进一步地,它还要显示如果某个氨基酸发生改变,这个平衡状态将如何变化,对整个蛋白质的功能将会有什么样的影响。如果没有现代计算机技术,这一切都是难以想象的。

蛋白质工程问世时间不长,取得的成果已经令人刮目相看:

那种T4溶菌酶,蛋白质工程施以回春妙手,将它的3位异亮氨酸换成半胱氨酸,再跟97位半胱氨酸连接起来。这样,它在67℃下反应3小时后,活性丝毫未减。

在-70℃的低温下难以保存的干扰素,经蛋白质工程的点化,两个半胱氨酸被换成丝氨酸,一下子变得可以保存半年之久了。

一种生产中很有用的酪氨酸转移核糖核酸酶,只是在一个位点上用脯氨酸取代了苏氨酸,催化能力一下子提高了25倍。

对于用小鼠细胞培养生产的单克隆抗体,专家们已经提出了“开刀方案”,打算把它整修得更接近于人的抗体,以减轻副作用。

蛋白质工程不仅要对那些生物工程的产品进行再加工,还要对一些纯天然的蛋白质进行模拟和改造。

例如,那绵软、飘逸的蚕丝,那蓬松、暖和的羊毛,那纤细、坚韧的蛛丝,它们本质上都是蛋白质。对它们进行模拟和改造,再实现大量生产,将会获得性能比蚕丝、羊毛、蛛丝更优异的材料,改善我们的生活条件。

浏览一下对蛋白质工程的众多评价是很有意思的。

有人称它是第二代生物工程,有人称它是第二代基因工程。

有人说它“曙光初露”,有人说它“前途无量”。

上世纪80年代,有人将“21世纪是生物学的世纪”这句话改成“21世纪是生物工程的世纪”;90年代,又有人提出,“21世纪是蛋白质工程的世纪”。

众多人们的关注和瞩目才会引起众多的评价。众多评价至少传递出一条信息:蛋白质工程充满魅力,充满希望。在近几年内,蛋白质工程可能会取得更多的突破,又将会招来许多新的评价,我们期待着。

§§§第2节生命延续——低温生物工程从上世纪60年代起,一门崭新的生物技术——低温生物技术逐渐形成,逐渐发展。低温生物技术的要旨就是冷冻生命,就是通过迅速降温使生物达到超低温,进入冬眠状态,从而得到长期保存。

低温生物技术的重大意义是显而易见的。冷冻生命就是延长生命,对许多生物来说意味着延长人们使用它们的年限,对人类本身来说就是延长寿命。后者自然更令人感兴趣。患了不治之症的病人如果对当代的医疗手段已经绝望,可以冷冻起来,到三五十年后再得复苏。那时也许不治之症已经成了药到病除的小事一桩。飞向另一行星的宇航员要忍受长达数年的枯燥无味的旅途生涯,如果能冷冻起来进入冬眠状态,那么,一觉醒来就可以精力充沛地登上另一星球。这样,不仅使他避开了旅途寂寞,“捡”回了几年寿命,还可以使航天器里面省去许多食品、饮料,轻装上阵。

低温生物技术要解决许多难题,其中冷冻速度是很关键的。冷冻速度过快,生物细胞内的水分会结冰,把细胞涨破;冷冻速度过慢,细胞会脱水而使盐分增加,蛋白质分解。各种细胞的组成成分和含水量都不一样,所以对于由各种器官组织、各种细胞组合成的生物机体,要确定一个最适宜的冷冻速度是非常困难的事。类似的难题还有掌握复温的速度、避免细胞器的低温损伤等等。

由于低温生物技术凝集着人类巨大的兴趣和期望,所以近20年来发展很快。根据生理医学专家预测,到2050年,人类有可能第一次对冰冻保存的人体施行解冻复苏手术。在本世纪内,人类通过用冬眠技术断断续续地放慢机体的生理作用,会使人生命的跨度放大20倍。

§§§第3节声音的妙用

“对牛弹琴”是大家很熟悉的成语。在奶牛挤奶时播放音乐以提高产奶量,过去也曾作为笑话流传过。而今,它却是举世公认而且广泛采用的饲养手段了。只不过,作为一种现代化的饲养技术,它的内容更丰富了。例如,音乐不仅是在挤奶时播放,在喂食、休息时也要定时播放;乐曲的选择也至关重要,只有轻快、优美、流畅的乐曲才能达到理想的效果。据说有人试验过,施特劳斯的圆舞曲《蓝色的多瑙河》会使奶牛的产奶量大增。而沉郁、悲壮的贝多芬第九交响乐却会使产奶量锐减。

蚊子对声音是很敏感的。据说,有一位歌剧演员在演唱高调滑音时,一群雄蚊子向他那大张着的嘴巴扑来,弄得他尴尬万分。也许是那滑音和雌蚊的声音相近的缘故吧!相反,怀卵的雌蚊由于厌恶雄蚊的纠缠,一听到雄蚊的声音就赶快溜之大吉。目前美国、西欧流行的声波驱蚊器就是根据这个原理制造的。它发出的是雄蚊飞行时振翼的特殊声波,能把雌蚊赶得远远的。

而叮人吸血的正是雌蚊,雄蚊是不叮人的。这种声波驱蚊器在美国、西欧很灵验,拿到中国就不灵了,因为中国雄蚊的飞行声与驱蚊器发出的声波不一样。

根据鱼类对声波的反应,用特定的声波诱集或驱赶鱼类进行捕捞,是一种现代化的渔业技术,已经很常见了。更奇妙的是“声音驯鱼”。就是对养殖的鱼群用特定的声音进行驯化,使它们一听到这种声音就会赶来取食。等到这种条件反射稳固以后,把这些鱼放到鱼群聚集的海域,过一阶段再用这种特定的声音进行诱捕。那些已驯化的鱼听到声音便急忙赶来,还充当了“领头羊”的角色,带来了大量野生的未经驯化的同伴。这种新奇的捕鱼手段不仅试验成功,而且取得了可观的效益。