【SELF格致论道】DNA解码是不是这个时代的超级英雄？邓院士细聊“换基因”

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目前的地球面临着太多考验，有疾病危害、粮食短缺、人口膨胀、生态失衡、能源危机，我们的下一代怎么办？科学家提出了用“基因工程”力挽狂澜！让我们在SELF论坛上，跟着中科院院士邓子新“解码DNA 趋利避害”，寻求人类生命的出路。

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邓子新演讲精简版

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邓子新演讲完整版

嘉宾介绍

邓子新

中国科学院院士 世界科学院院士 美国微生物科学院院士

以下内容由邓子新演讲精编而成：

回首过去──人类史上的前三次工业革命

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。第二次是由于半导体的诞生，我们进入电子时代。随后在1946年美国发明了电子计算机，把我们带入了信息的时代，是第三次工业革命。

那么第四次工业革命是什么？

第四次工业革命从1953年，沃森和克里克“发现DNA双螺旋的结构”开始，带我们走进生命科学时代──开始研究生命的现象和本质。

自发现双螺旋以后，生命科学的研究不断成长，有一些标志性成果，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“人胰岛素”，1983年发明PCR技术，90年代启动人类基因组计划，1997年诞生克隆羊，到21世纪初期人类基因组测序完成，使我们今天迎来迅猛发展的生命科学世纪。

DNA是什么呢？

DNA的化学名称是脱氧核糖核酸──是G、A、T、C，4种碱基在体内核苷酸，再加上糖基组成双螺旋的结构。这种结构编码了自然界千变万化的遗传现象。

从表面上看它是简单的碱基排成无限长的距离，实际上每段DNA都有存在的意义，它们编码不同的基因，有规律性的转录成RNA，再翻译成蛋白质，这个称为中心法则。

每一个基因都控制着生物的遗传性状（一个基本的单位控制一个遗传性状），而若干基因构成“一个生命体的基因遗传信息的总和”，叫做“基因组”。

DNA除了基本结构外，还可以进行一些修饰

DNA的碱基修饰-DNA甲基化

甲基化最初只以为是细菌为了保护自己免受外源DNA攻击（好比给DNA戴一个帽子──编码了限制内切酶，只切外来的DNA），后来发现基因的转录、翻译以及基因的表达、调控都受到甲基化的控制，甲基化甚至还影响众多基因表达，于是出现了“表观遗传学”这一个新的学科。

“硫修饰”

由邓子新带领的团队攻克了20多年，终于发现和阐明了一种全新的遗传修饰，名为“磷硫酰化硫修饰”──是复制后的一种修饰，其化学本质是5个蛋白将来自半胱氨酸或者硫酸根中的硫原子，替换了DNA磷酸骨架上非桥连氧原子。

磷硫酰化有很重要的生物学意义：可以作为一种全新的细胞的防卫反应；可以抗氧化、抗酸、抗碱、抗压力；可以促进生物细胞的生长……，邓子新和他的团队正忙着发掘其他更多的、新的意义！

如何证明遗传因子是DNA，而非蛋白质呢？

经典的阿菲瑞转化实验

用蛋白质转化小鼠，不能使小鼠得病；而用DNA转化小鼠的时候，小鼠得病；用DNA加上蛋白酶转化小鼠，也致病，但若只把DNA切断后转化小鼠，又不致病。

所以这个实验证明：DNA才是致病的重要遗传因子，是生命的物质基础。

DNA编码了色彩斑斓的生命世界，存在有丰富的物种，所以说DNA是生命之水。

但，DNA也是祸福之源

据联合国的世界卫生组织统计，至2010年，有一百多种流行性的疾病，如：感冒、禽流感、SARS、埃博拉，包括早期肺结核……等等，都严重地威胁我们的生物安全和社会安全。

尤其像狂犬病，是我国发病位居世界第二、死亡率最高的病毒传染病，但是今天养狗养猫作宠物，如何找到防病防害和饲养宠物的平衡点？邓子新认为社会的控制必须提上议事日程。

此外，微生物也引起1700多种的植物病害，每年造成数以千万的农业损失（平均达40%），如：水稻纹枯病、小米赤霉病、玉米小斑病……等等。

另外，还有人为的微生物恐怖需要加以管控，尤其是基因武器，它根据一些病原菌以及一些民族专一性的基因（易感性的基因），很容易制造──生产的工艺简单、生产量大，没有辐射、没有污染，成本低，非常可怕。

所以应该保护我们民族易感性的基因不被国内外或者是恐怖势力所利用。基因武器一旦控制得不好，比核武器有过之而不及！

（我们如何来对付社会的、人为的危害？这是包括我们今天在座的、科学家和社会，共同要面对的问题。）

DNA也是财富

像“根瘤菌”──花生、大豆、苜蓿根部结的瘤可以固定空气中的氮，产生像硫酸铵的肥料，故不用施肥就可以枝叶繁茂，根瘤菌固定了自然界生物固氮总量的一半。

 “假单胞菌”装点我们的江山（左）；美丽的色彩实际上都是细菌在起作用（右）

一个基因 → 一个品种 → 一个产业的格局

新一代的基因产品到今天已经形成一个基因→一个品种→一个产业的格局。

例如：黄金水稻，我们知道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，吃了这种水稻就可以使得很多非洲小孩减少失明、痢疾、麻疹等疾病。

另外有人工草皮，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；还有把一些痢疾、肝炎、麻疹蛋白整合到植物里面，人吃了这种转基因植物就可以不用再注射抗体和疫苗了。

还有把植酸酶植入到玉米，做成动物的饲料，植酸酶可以在细胞里头帮助消化吸收形成动物所需要的营养；还有把草酸盐氧化酶的基因转到向日葵里，可以抗霉菌；还有像抗草甘膦的种业里头，是把草甘膦的有些抗原基因放进去，就形成了一个产业。

动物基因工程

现在的基因技术可以创造新的物种、改变物种，赋予它全新的性状，可以用于动物器官的移植，解决我们人体某些器官移植时候的不足。

还有些遗传的疾病，像我们要了解它是单基因控制的，还是多基因病，然后可以进行基因治疗──通过知道它的机制，进行追根溯源。“换基因”，这是治本的。

微生物药物

像“青霉素”可以说是现代药学的奇迹，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、降低胆固醇……应用越来越广泛。

今天，药物市场的经济价值非常之大，药物品种有一百多种，每年的话市值都超过了300亿以上，占整个药物市场要超过20%。有十余种单品市值超过10亿美金了。所以说DNA也是财富。

“如何趋势避害”是解码DNA的天职

地球今天面临着很多的威胁，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……，都给人类提出了巨大的挑战。

我们今天大量的碳资源都不可再生，却都是没有充分利用的农副产品：全球每年有1700亿吨的生物质，利用率只有3.5%。

如果能够把利用率改变成5%，就可以用它生产相当于目前全球石油利用总量的能源；每年生产的7亿吨的秸秆，其中2亿吨被就地焚烧……，这些生物质资源被浪费的问题，要靠农业生物技术来改变。

今天很多的产品通过生物炼制、发展细胞生物工厂来进行生物催化，把这种可再生的生物生产过程中的副产品，变成能源产品、生物材料、化工产品。在生物能源的方面，可以生产各种不同的液体的燃料。

例如：我们用乙醇替代汽油、用生物柴油替代柴油和航空燃料。但是乙醇附加值低、容易腐蚀这个储存的设备、不能管道运输；而且生物柴油要通过天然气、甲醇反应得到，并不是很理想！

所以发酵法生产柴油现在可能是出路，但是这个原料也是我们赖以生存的粮食。像2006年，美国大肆发展这个生物油，使得整个的玉米的需求量增加，价格上涨76%！

所以应该要用微生物的方法来改造代谢途径、用合成生物学的方法，而且要发展种植非粮的原料。

用微生物降解环境污染物

环境中有着大量的有毒有害化合物，像二恶英、多氯联苯、多溴联苯醚……等等，可以靠微生物把它们转化成二氧化碳和水。

例如：有一种微生物（尼古丁降解菌）可以降解尼古丁，使它变成二氧化碳和水；还可以用微生物降解石油对海域的污染；还有微生物废水处理、土壤环境的修复……等等。

现在要构建超级的微生物，把很多降解环境废物的基因都整合起来，用它去对付地球上严峻的污染。

用微生物降解环境污染物

新的疾病不断地出现，今天还要发展“合成生物学的技术”，使得今后的药物的产生就跟摆拼图一样：把这些基因跟它的化学结构分解成各种不同的模块，然后了解清楚这些模块的基因功能，再把它放到边上去，拼图块一样拼出某种臆想的药物（像改变一个羟基的结构，使药物功能发生变化）。这些都是今后趋利避害的方向。

生物学家和工程师联合起来，对生物进行重新布线和编程，若干年以后我们就可以生产更廉价的药，为汽车提供绿色的能源，为治疗癌症……等等医学责任，提供技术支撑和手段，改变我们生活。这是个生命科学的世纪，我们不把握生命科学、不解码生命，我们就无法征服、就无法改造生命，所以解码DNA 趋利避害，是我们的天职和责任，是科学家和社会的共同责任！

出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛

"SELF格致论道"

“SELF格致论道”是中国科学院全力推出的公益讲坛，致力于精英思想的跨界传播，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办。SELF是 Science, Education, Life, Future的缩写，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。SELF尝试打破过去纯粹以“知识传播”为主的科普形式，专注于思想的传播，力图从思想的源头上促进公众参与科学的积极性，打造具有中国科学院特色的、融合创新、科学与人文关怀并存的公益演讲品牌。

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