生物工程的主要领域

  尽管时间只有20多年,生物工程已发展成一个庞大的体系,按照传统的说法(尽管这个传统也不过20年),生物技术主要包括细胞工程、遗传工程、发酵工程、酶工程这四大支柱。推广开来,生物工程还包括四大支柱之外的现代生物技术群——光生物技术、声生物技术、低温生物技术、现代仿生技术等,当然还要包括那颗耀眼的新星——蛋白质工程。

  (1)细胞工程

  1665年,英国建筑师用自制的显微镜看到:栎树皮是由许多蜂窝状的小格子构成的,他把这些小格子定名为“细胞”。在其后的一二百年中,对细胞的研究层层深入。人们发现,不仅树皮是由细胞组成的,树身、树根、叶子、花、果实……植物的所有部位都是由细胞组成的;不仅所有的植物是由细胞组成的,所有的动物也都是由细胞组成的。连微生物也不例外,也是由细胞组成的,只不过有的微生物结构比较简单,整个个体就是那么一个细胞,甚至是一个原始的、不完整的细胞。

  到19世纪中叶,人们终于建立了完整的认识:一切动植物都是细胞的集合体,细胞是生命的基本单位,动物和植物都是在细胞的繁殖和分化中发育起来的。这一认识被称为细胞学说。

  细胞学说是19世纪自然科学的三大发现之一。

  进入20世纪,随着科学的发展,新技术、新工具、新方法不断涌现,人们对细胞的研究越来越深入,从细胞整体的研究推进到亚细胞结构的研究和细胞分子的研究。细胞的基本生命活动,包括它的生长、发育、分化、分裂等等,其规律日益清晰地呈现在人们的眼前。

  对细胞核的研究更是激动人心。人们确认,细胞核里的染色体,正是遗传物质DNA的载体,隐藏着神奇的遗传密码,控制着细胞的生长和繁殖,是指挥整个生命活动的最核心、最奥妙的部位。

  到70年代,一些走在前列的科学家开始有计划地对细胞进行培养,进行改造,使细胞服从人类的意志,产生人类需要的物质,或是形成新的品种。

  既然细胞是生命的基本单位,那么改造生命就应该从改造细胞开始。他们按照这个思路进行了艰苦的实践,他们成功了。

  细胞工程就此诞生了。

  (a)细胞融合技术

  作为细胞工程的骨干,细胞融合技术有可能创造出许多不可思议的奇迹,它的前程不可限量。

  所谓细胞融合,就是使两个不同物种的活细胞紧密接触在一起,并且使接触部位的细胞膜发生融化。这样,两个细胞的细胞质、细胞器你来我往,互相流通,最后合而为一,完全合并成一个细胞。在精巧的培养技术之下,这个细胞有可能发育成完整的生物个体,那就是原来两个细胞所属的物种的杂种后代了。这个杂种后代有可能兼有两个上代的一些优良性状。这对于改良品种,提高农、林、牧业产品的产量和质量,都是很有意义的。

  美国的科学家曾经选择了两种烟草进行细胞融合。这两种烟草,一种是产量很高的栽培品种,一种是抗病害能力很强的野生种。两种烟草的叶肉细胞经过化学药品处理后脱去了细胞壁,然后发生了融合。融合的细胞再经过培养,长成了一株面目一新的烟草。这种烟草兼有高产和抗病害的优点,而且能直接繁育后代,这样,美国的烟草种植业就获得了一个优良的新品种。

  细胞融合说说容易,做起来就是另一回事了。细胞的直径大多在数十微米上下,几十只细胞并排着能从针眼里穿过,所以细胞融合的操作难度是可想而知的。这还是小事,要使两个不同种的活细胞紧密接触,进而细胞膜发生融化,是细胞融合的最大难题。在这个难题面前,科学家们使尽了浑身解数:有的使用了聚乙二醇等化学药品;有的使用了细胞电穿孔技术——用高强度、短时程的电脉冲去击穿细胞膜以促进融合;有的更是别出心裁,用失去活性的病毒颗粒来促使细胞膜融化。至于在细胞融合后再把它培养成健全的生物个体,则牵涉到设计和使用成份复杂的培养基,牵涉到控制和不断变更培养条件等等,也是困难重重,荆棘满途。

  尽管如此,致力于细胞融合的科学家还是获得了很大进展。不要说马铃薯和西红柿那样不同属的植物的杂种,连菌科植物和豆科植物的杂种也已得到了。许多植物优良品种由此来到了世界上。在动物方面,山羊-绵羊,猴-鼠,甚至人-鼠的细胞融合也已经成功了。这些融合了的细胞尽管还没有能发育成动物个体,但已能长期存活,而且能不断分裂,形成同种细胞的群体——杂交瘤。

  前两年,有人完成了一项引人瞩目的细胞融合:在使用细胞电穿孔技术后,人的红细胞被整个摄入矮牵牛花的叶肉细胞中。这个奇特的融合可以看作是一种全新的生物体系——植物和动物的杂交体系,尽管它离开完整的杂交个体还有遥远的距离,但已经是一个破天荒式的伟大的开端了。

  (b)细胞培养技术

  细胞工程的出现,改变了珍贵药材资源稀缺的局面。例如:灵芝大量用于治病救人已经变成了现实。当然,那不是原来意义上的灵芝,而是灵芝细胞培养的产物。科学家们将野生的灵芝捣碎后,放在特定的培养基中,控制好温度、光照等条件,灵芝细胞就能迅速繁殖,产生一代又一代新的灵芝细胞。要不了多少天,就可以收获到数百倍的新生灵芝细胞。除了少数细胞留下来投入到又一轮细胞培养之外,大多数收获物被用来提取药用有效成份——灵芝多糖。灵芝多糖的神奇的抗肿瘤作用,已经为大量的临床实践所证实,它的生产和应用正在迅速推广之中。

  细胞培养,从原理上来说并不复杂,所需设备也比较简单,但它仍是一门很精巧的技术。比较关键的是确定培养基的配方,特别是针对不同培养物使用不同种类、不同数量的生长激素。另外,培养的物理条件也很重要。诸如温度、光照、振荡频率等,都需要精心研究,仔细掌握。拿光照来说,人参细胞在白光下生长最快,蓝、绿光下就要慢一些,红光下生长最慢,几乎和在暗室中生长一样。而有些植物的细胞对光照的反应却正好相反。

  细胞培养并非局限于植物细胞,动物细胞培养也有它宽广的天地。要进行动物细胞融合、细胞核移植和DNA重组,动物细胞培养技术是必要的准备。

  另外,它还被用来生产某些珍贵药品,用来检测对人和动物致癌、致畸、致病的有毒物质。至于通过细胞培养来生产猪肉、牛肉、鸡肉,目前还仅仅是设想。这样做在技术上是完全可行的,有待解决的是经济效益问题。

  医学专家们已经完成了一件惊人之举。那就是,取下人体的一些皮肤细胞进行培养,数十天后就得到一块较大面积的新皮。这块新皮可以移植到大面积的创口上。这对于烧伤病员来说是一个福音。因为传统的做法是从病员身体其他部位切取一块健康皮肤来移植到创口上,可以想象,那该多么痛苦!

  (c)单克隆抗体技术

  产生抗体来对付抗原,是人体免疫系统的一种功能。人体免疫系统拥有的1亿种B淋巴细胞,每种B淋巴细胞只能解除一种抗原的武装。专一而高效,这是对抗体特性的最好的概括。

  当细胞工程发展到一定阶段时,科学家们开始思考这样一个问题:如果人工培养产生某一抗体的B淋巴细胞,让它快速繁殖,提取的抗体不就是最有效的药品吗?

  然而,正常的B淋巴细胞分裂太慢了,让人等得心烦。于是,有人就想到了那分裂速度惊人的癌细胞。如果能使B淋巴细胞和某种癌细胞融合在一起,使它既能高速繁殖,又保持着产生某种抗体的性能,就有可能获得大量的抗体了。70年代中期,两位英国科学家完成了这一壮举,培养成了这种合二而一的细胞,它被称为杂交瘤细胞。

  这里还要介绍一个新的名词——单克隆抗体。由一个细胞进行多次无性繁殖而形成的一系列细胞称为单克隆。如果那第一个细胞能产生某种抗体,那么这个单克隆就都能产生这种抗体,这就称为单克隆抗体。

  前面说过,杂交瘤细胞保持着产生某种抗体的性能。由杂交瘤细胞繁殖成的杂交瘤,产生的抗体就是单克隆抗体。

  单克隆抗体的用处可大了!

  对人体来说,牛痘、天花、病菌、肿瘤细胞等都是抗原,都会引发产生相对应的抗体。在细胞工程中,针对某些病素、病菌或是肿瘤细胞而生产的单克隆技术,在诊断、治疗方面的作用往往是其他药物不能相比的。

  有的单克隆抗体本身就是高效的药物,能直接用于治病。

  有的单克隆抗体能携带同位素或其他标记物质,直接抵达有病变的器官、组织,有助于对病情作出准确的诊断。

  有的单克隆抗体是生产某些酶、激素、干扰素的高效能工具,能使这些珍贵药品的生产效率提高数百或数千倍。

  更神奇的是,有的单克隆抗体能与放射性同位素、毒素和化学药品联结在一起,准确地找到癌变部位,将癌细胞“就地正法”。所以,有人将这种携带药物的单克隆抗体称为“生物导弹”、“肿瘤克星”。

  通过培养癌细胞,生产出单克隆抗体来治癌,这可算是20世纪的一种“以毒攻毒”吧?

  目前,世界上用来生产单克隆抗体的杂交瘤细胞系数以万计,每年要增加1万多个,生产的单克隆抗体有上千种。可以毫不夸张地说,单克隆抗体的生产已经是一门新兴工业,而单克隆抗体本身则是生物工程中的一颗明珠。

  (d)植物组织培养技术

  植物组织培养的理论基础是植物细胞的全能性。所谓植物细胞的全能性是说,植物体的所有细胞都有长成完整植株的潜在能力。也就是说,植物体身上的任何部分,不管是种子、果实,还是根、茎、叶、花,每一个细胞都有可能培养出一棵完整的植株。这个理论早在1902年就由一位德国学者提出来了,可是真正通过实验加以证明,再推广应用到生产中去,却是70年代以后的事情。成功的关键是找到适宜的培养基,确定最佳的培养条件和培养流程。说说容易,那可是几代科学家花了六七十年的努力才换来的成果。现在,植物组织培养已遍地开花,在世界各地进展很快。培养的材料有茎尖、根尖、花粉、花药、叶原基、愈伤组织等等。已经培养成功的植物品种有近千种。

  (e)“试管动物”技术

  人类中的试管婴儿已经是一个不太热门的话题了。自从1978年第一个试管婴儿在英国诞生以来,全世界已有上万个这样的娃娃呱呱堕地。那第一个婴儿现在已经是个十几岁的姑娘了,一表人才,聪明伶俐。

  然而,这十多年来,诞生的动物试管婴儿数量更大,而且,已经显示出了惊人的经济价值,从而吸引了更多的注意力,使许多科学家踊跃投身于这项研究之中。

  所谓“试管婴儿”,当然不是在试管里把受精卵直接培育成婴儿,而是指在科学家的精心设计和严密控制下,精细胞和卵细胞的受精作用在试管里完成,受精卵又在试管里发育成胚胎。这胚胎则要放入母亲本人或是“代理母亲”(也叫“寄母”)的子宫中,再发育成胎儿。

  科学家还有一手高招。当试管里的受精卵发育成胚胎后,到了一定的阶段被取出来进行分割,分割成两份、四份甚至八份,然后再放入试管继续培育。分割成的部分胚胎有的只有两个细胞,照样会不断分裂,发育成新的胚胎。这些新胚胎照样可以植入普通乳牛的子宫,发育成地道的良种牛犊而来到世间。

  这手高招称为胚胎分割。有了它,试管婴儿技术如虎添翼,可以迅速地为人类提供大量的良种牛、良种马、良种羊、良种猪……有人断言,要不了多长时间,动物育种技术将彻底更新,全世界的畜牧业将是另一种模样。

  (2)发酵工程

  酿酒、制酱、做奶酪等等,是原始状态的发酵工程。在人类文明史上,那数千年的漫漫长途中,发酵工程的进步甚是缓慢。转折点出现在19世纪后叶,从那时起,发酵工程开始突飞猛进了。

  对于这一转折的出现,有两个人是值得一提的。

  一位是17世纪的列文虎克,荷兰人。1683年,他在显微镜下发现了细菌的存在。另一位是19世纪的法国人巴斯德,1857年,他提出了着名的“发酵理论”,即:“一切发酵过程都是微生物作用的结果。”

  列文虎克和巴斯德的发现奠定了发酵理论的基础。

  (a)什么是微生物

  发酵工程的主角是微生物。

  微生物是一种通称,它包括了所有形体微小、结构简单的低等生物。从不具有细胞结构的病毒,单细胞的立克次氏体、细菌、放线菌,到结构略为复杂一点的酵母菌、霉菌,以及单细胞藻类(它们是植物)和原生动物(它们是动物)等,都可以归入微生物。与发酵工程有关的,主要是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌。

  对人类而言,大多数微生物有益无害,会造成损害的微生物只是少数。

  就总体来说,微生物肯定是功大于过,而且是功远远大于过。

  微生物在发酵工程里充当着生产者的角色,这与它的特性是分不开的。

  微生物有三大特征。一是对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件,微生物有极大的适应能力。拿温度来说,有些微生物在80~90℃的环境中仍能繁衍不息,另一些微生物则能在-30℃的环境中过得逍遥自在,甚至在-250℃的低温下仍不会死去,只是进入“冬眠”状态而已。拿压强来说,在10公里深的海底,压强高达1.18×攩7X08帕,但有一种嗜压菌照样很活跃,而人在那儿会被压成一张纸。拿渗透压来说,举世闻名的死海里,湖水含盐量高达25%,可是仍有许多细菌生活着。正因为微生物有那么强盛的生命力,所以地球上到处都有它们的踪迹。

  二是和高等动物相比,微生物的消化能力要强上数万倍。在发酵罐里,一克酒精酵母一天能吃下数千克糖类,把它们分解成酒精;在人体里成千成万地盘踞着的大肠杆菌,如果能彻底满足它们的话,一个小时里能吃掉比自己重2000倍的糖。

  微生物几乎什么都能吃。石油、塑料、纤维素、金属氧化物,都在微生物的食谱里;连形形色色的工业垃圾,残留在土壤里的农药DDT,甚至那剧毒的砒霜,也是某些微生物竞相吞吃的美味。

  三是微生物的繁殖速度简直令人咋舌。大多数微生物是以“分钟”来计算繁殖周期的。也就是说,每隔数十分钟,一个微生物就会变成两个;再过一个周期,两个就会变成四个。只要条件合适,微生物的数量就会不停地成倍成倍地增长。

  大肠杆菌的繁殖周期大约是12~17分钟,就算是20分钟吧,一个大肠杆菌一天就能繁殖72代。有人算过,如果这72代都活下来,数目就是4722366482869645213696个。按每10亿个大肠杆菌重1毫克计算,这些大场杆菌大约重4722吨。照这样推算下去,要不了两天,繁殖出来的大肠杆菌重量就会超过地球。

  这样一说可能你会担心,明天早上醒来时地球上已经积了厚厚一层细菌,人类要没有立足之地了。请放心吧,这种事是不会发生的,因为有许多条件约束着微生物的繁殖。在现实生活中,微生物的数量不会无限制地增长,而总是保持在相对稳定的水平上。但是,那种惊人的繁殖能力,微生物是确实具备的。如果人们在某个局部环境里能充分满足微生物所需的条件,这种繁殖能力就会得到充分的发挥。

  (b)现代发酵工程

  现代发酵工程可以认为是从传统的酿造业脱胎而来,然而,现代发酵工程与传统的酿造业已经是不可同日而语的两回事了。

  举一个例子。人类在几千年前就掌握了制酱技术,作为人们的重要调味品之一的酱油,世界上不少地方至今仍用传统的酿造工艺进行生产。那可是一个很繁琐、很费时的过程,从发酵、晒酱、泡酱,直到取得成品酱油,需要半年到一年的时间。在80年代,日本的一家公司用现代的发酵工程取而代之。他们的做法是将一种耐乳酸细菌和一种酵母菌一起固定在海藻酸钙凝胶上,再装入制造酱油的发酵罐。各种营养物和水慢慢地从罐顶注入,产品酱油则不停地从罐底流出来,形成一个连续生产的过程,从原料到成品的周期还不满3天!

  上面提到了发酵罐,它可以说是现代发酵工程的标志。目前世界上最大的发酵罐高度超过100米,容量达到4000立方米。

  发酵罐是微生物在发酵过程中生长、繁殖和形成产品的外部环境装置,它取代了传统的发酵容器——形形色色的培养瓶、酱缸和酒窖。跟这些传统的容器相比,发酵罐具有一些明显的优点,例如:

  能进行严格的灭菌,通入空气,提供良好的发酵环境;能实施搅拌、震荡等促进微生物生长的措施;能对温度、压力、空气流量实行自动控制;能通过各种生物传感器测定发酵罐内的菌体浓度、营养成份、产品浓度,用电脑随时调节发酵进程。

  所以,发酵罐能实现大规模的连续生产,最大限度地利用原料和设备,获得高产量、高效率。

  不要以为发酵罐操作是发酵工程的“专利”。发酵罐在基因工程、细胞工程、酶工程中也占有重要的位置,是这些生物工程分支获得最终产品的基本设备。所以有人说,发酵罐是连接发酵工程与基因工程、细胞工程、酶工程的纽带,是生物工程整体的标志。

  发酵工程的优越性当然并不局限于发酵罐。由于科学家们对发酵微生物进行精心筛选、诱导和改良,现代发酵工程的原料已从农林产品发展到醋酸、甲醇、天然气、纤维素等工业品或矿产品,这就为大规模生产提供了可能。

  发酵工程的产品也远远超出了食品这一范围。从生产润滑剂、化妆品、炸药、塑料、激素、蛋白质,到冶炼金属、开采石油、处理污水、改良土壤,发酵工程几乎无所不能。

  (c)单细胞蛋白生产技术

  单细胞蛋白也是发酵工程对人类的杰出贡献之一。

  以发酵工程来生产单细胞蛋白是不太复杂的事,关键是选育出性能优良的酵母菌或细菌。这些微生物食性不一,或者嗜食甲醇,或者嗜食甲烷,或者嗜食纤维素,等等。它们的共同点是都能把这些“食物”彻底消化吸收,再合成蛋白质贮存在体内。由于营养充分,环境舒适,这些微生物迅速繁殖,一天里要繁殖十几代甚至几十代。每一代新生的微生物又会拼命吞噬“食物”,合成蛋白质,并繁殖下一代……当然,这些过程都是在发酵罐里完成的。人们通过电脑严密地控制着罐内的发酵过程,不断加入水和营养物(甲醇、甲烷、纤维素……),不时取出高浓度的发酵液,用快速干燥法制取成品——单细胞蛋白。

  在发酵罐内,每一个微生物就是一座蛋白质合成工厂,每一个微生物体重的50%-70%是蛋白质。

  用发酵工程生产的单细胞蛋白不仅绝对无毒,而且滋味可口。由于原料来源广泛,成本低廉,有可能实现大规模的生产。

  蛋白质是构成人体组织的主要材料,每个人在一生中要吃下约1.6吨蛋白质。然而,蛋白质是地球上最为缺乏的食品,按全世界人口的实际需要计算,每年缺少蛋白质的数量达3000~4000万吨。可见,发酵工程生产单细胞蛋白的意义对全人类有着不可估量的作用。

  60年代,英国率先实现了单细胞蛋白的工业化生产。此后,日本、美国、法国、前苏联、德国相继建立了生产单细胞蛋白的工厂。步入90年代,全世界单细胞蛋白的产量已经超过2000万吨,质量也有了重大突破,从主要用作饲料发展到走上人们的餐桌。

  发生在欧洲的一项进展是颇为有趣的。那里的科学家发现了一种新的生产单细胞蛋白的细菌——一种极为能干的氢细菌。这种氢细菌只吃氢气和空气就能合成蛋白质,并排出纯净的水。不过,要获得廉价的氢气,只有用电来分解水才行。于是,科学家们就计划在阳光充沛的荒漠上建造新颖的太阳能电站,用太阳能来生产电,然后制取氢气,通过发酵工程生产单细胞蛋白。

  这样,“荒漠变良田”的美好愿望就有可能用一种崭新的方式来实现了。

  (d)赖氨酸生产技术

  蛋白质是构成人体组织的基本材料,而组成蛋白质的基本单位是氨基酸。人体内的蛋白质种类繁多,千变万化,但归根结蒂都是由20多种氨基酸以特定的排列方式组合成的。这20多种氨基酸中有8种是人体自身不能合成,必须从食物中摄取的,称为“必需氨基酸”。而动物蛋白之所以营养价值高,就是因为这8种必需氨基酸的含量比较高。

  赖氨酸是8种必备氨基酸中最重要的一种。

  在大米、玉米、小麦中添加少量赖氨酸,就能极大地提高营养价值,接近动物蛋白的水平。联合国粮农组织和世界卫生组织确认,用添加赖氨酸来强化植物蛋白的营养,是解决不发达国家人口膨胀、营养缺乏的最经济、最有效的手段。

  令人高兴的是,发酵工程已经能大量生产赖氨酸了。

  最早用发酵法生产赖氨酸是在60年代初。那时的原料是葡萄糖水,生产效率也很低下。随着发酵工程的飞速发展,科学家们不仅通过筛选找到了一种又一种高产的菌种,还通过物理、化学方法的诱导和基因工程的协助,造就了一种又一种性能优异的菌株,使得赖氨酸的产率大大提高,而且原料也改为使用价格低廉的化学工业品,如生产尼龙的一种副产品等。

  目前,国际市场上每千克赖氨酸的价格仅合人民币5元左右,而在1吨粮食里添加2~4千克赖氨酸,就相当于增产了100千克鸡蛋,或50千克猪肉!

  今天的发酵工程已经能生产所有的20多种氨基酸,以致这一部分的发酵工程被称为“氨基酸工业”。这20多种氨基酸,有的被用作食品添加剂、调味品,有的是药品,有的则充任饲料添加剂,间接地为人类服务。

  氨基酸工业的产品,早已进入了千家万户。

  (e)制造新能源

  从70年代起,能源问题开始困扰着人类。

  在80年代,研究能源的学者们脸上出现了微笑。

  除了核能、太阳能、风能的利用取得不少进展之外,最重要的是,人们确认了这样一个事实:地球上每年生产出的纤维物质,也就是那些稻草、麦秆、玉米秸、灌木、干草、树叶等等,只要拿出5%来,加以合理的利用,就足够满足全球对能源的需求量了。

  这里的关键是“合理的利用”。说说容易,做起来就不简单了。

  谁来完成这一使命?当然是发酵工程。

  这些纤维物质,都是由纤维素、半纤维素、木质素这三种成分组成的,其比例大致是4∶3∶3。发酵工程要使纤维物质转化成能源,第一步是要进行预处理,将这三种成分分开。这是不难办到的,有多种工艺可以采用。其中比较成熟、比较经济的是蒸气膨化和氨冷冻膨化。

  这三种成分分开以后,除了木质素另有用途之外,纤维素和半纤维素可以分别进入发酵罐,采用不同的微生物来进行发酵。它们的发酵过程都分为两个阶段。第一阶段的产物是糖类,即碳水化合物,第二阶段的产物主要是乙醇。

  微生物的性能优良与否,当然是至关重要的。日本科学家培养出一种最先进的菌株,能将纤维素百分之百地转化为葡萄糖,而2吨葡萄糖可以生产出1吨乙醇。

  乙醇,不就是酒精吗?发酵工程的起源,不就是古时候的酿酒技术吗?

  历史似乎绕了个大圈子,最原始的发酵工程又返回来为现代人解决最揪心的能源问题了。当然,那是在高得多的层次上。

  酒精作为一种新颖的能源,具有一些明显优点。它的来源丰富,可以再生,没有污染,而且生产技术已经比较成熟。酒精作为能源的使用方式是代替燃料油。汽油中掺入10%的酒精,在略加改装的汽车上即可使用。另外,直接以酒精为燃料的发动机也已经诞生了。目前,在领先一步的20多个国家里,酒精替代汽油作燃料的比例已达到5%~10%。

  发酵工程对能源问题的贡献远不止于生产酒精这一项。

  说起沼气发酵,人们也许会想到我国农村里那大大小小的沼气池。对现代发酵工程来说,那实在过于简陋了。沼气的主要成分是甲烷。现代化的甲烷发酵装置,每立方米容积每天可以生产10立方米甲烷,效率是普通沼气池的数十倍。

  与酒精发酵不一样,甲烷发酵的原料是工农业生产的废物、废液和生活污水。甲烷是一种热效率很高的燃料,可以通过燃烧驱动内燃机和发电机。

  美国、日本都在研究适合于家庭用的小型甲烷发生装置,以生活垃圾为原料,既经济、又卫生。

  对于传统能源——石油的开采,发酵工程另有一功。一方面,已报废的油井投入某种细菌培养液后,井内压力会上升,会再奉献20%~30%的原油。这种培养液已大量生产并投入应用。另一方面,科学家已发现了两种神通广大的细菌,它们都能利用空气中的水和二氧化碳直接合成石油,而且它们繁殖能力都很强,培养并不困难。这样,在解决若干技术问题之后,广阔的海面将可能成为永不枯竭的油田,人类对能源的忧虑将彻底一扫而空。

  (f)治理环境

  近百年来,环境恶化的问题给人类带来了极大的麻烦。随着工业的高度发展,废物、废水、废气泛滥成灾。

  全世界的“三废”不仅数量惊人,而且还在以惊人的速度增长。拿污水来说,70年代全世界污水年排放量为4600亿立方米,到本世纪末将增长14培,达到近70000亿立方米。在整个地球上,“三废”的产生和排放远远超过了大自然本身的净化能力。如果再不抓紧治理“三废”,再不采取有力措施保护环境,人类在地球上很快将没有立足之地了。

  发酵工程的巨大威力使人们看到了彻底治理环境的曙光。

  微生物治理环境这件事,可说是源远流长。多少年来,人类的生活中何曾少过废物、废水。不过,由于工业不怎么发达,城市人口也不怎么密集,这些废物、废水被伟大的自然界悄悄地消化掉了,不曾构成人类生存、发展的威胁。大自然拥有神奇的净化力量,而微生物则是净化力量的主力军。这些不起眼的“小不点”无声无息地战斗在环境保护的第一线,吃掉了废物、废水,把它们转化成可供动植物再次利用的无害物质,使地球保持着生态平衡。只有在进入工业社会以后,由于“三废”排放量剧增,那些自生自灭、各自为战的微生物已无法应付,回天乏力,生态平衡才被打破,人类才面临环境恶化的威胁。

  最终,解决环境问题还得靠微生物,处理废物、废气、废水还得靠微生物。不过不是那些各自为战的微生物“游击队”,而是融合着人类智慧的、经过改造的微生物,是发酵工程的微生物“正规部队”。

  举个例子。从60年代以来,海面的浮油污染已经成了环境保护中最令人头疼的问题之一。浮油的来源不光是油轮失事,还有货轮和沿岸工厂排放污油,那更是经常性的事。其结果便是整个地球的海洋表面上出现了一大片一大片的油污,久久不肯褪去。就在浮油污染日益严重,几乎使人束手无策的时候,一些聪明的学者又祭起了发酵工程这一法宝。他们找到一种又一种以石油为食的微生物(叫作嗜烃菌),筛选出生命力最强的菌株,供给最充分的营养,使它们活性更强,而且大量繁殖,然后配制成一瓶一瓶的药液——浓缩的菌液。在被污染的海面上,只要洒上一定数量的药液,不出一周,80%的油污即会被这些微生物吞吃掉,产品则是二氧化碳和菌体蛋白。菌体蛋白还是一些海洋生物的营养品呢!这种神奇的药液已经商品化,可以大量生产了。彻底解决海面浮油污染已是指日可待的事情。

  与海面浮油污染相似的,是土壤的DDT污染。

  DDT是一种高效杀虫农药,从20年代起风行于全世界,但60年代即被禁用。原因是它在使用后不会自行分解,而是积聚在土壤中。土壤中的DDT会通过农作物的根系进入农作物,然后又会进入人体,并积聚于人的肝脏,损害人体健康。即使在DDT被禁用以后,这个问题仍未解决。因为经过数十年的使用,DDT在土壤中的浓度已经很高了,而且自然界的净化能力对它毫无办法。这些DDT仍在不断地侵蚀人们的肝脏,医生们认为这是各类肝病,包括肝癌,发病率持续上升的原因之一。

  到80年代后期,人们终于找到了从全球的土壤中清除DDT的根本办法。

  一些科学家移花接木,将一种昆虫的耐DDT基因转移到细菌体内,培育一种专门“吃”DDT的细菌,再大量培养,制成药液。这种药液喷洒到土壤上,不出数天,土壤中的DDT就会被“吃”得一干二净。这样,人类数十年来的这个“心腹之患”总算可以清除掉了。

  (3)基因工程

  “龙生龙,凤生凤,老鼠生娃钻壁洞”。“种瓜得瓜,种豆得豆”,这些都是遗传。

  生物为什么会遗传?拿人来说,最初仅仅是父亲的一个精细胞和母亲的一个卵细胞,结合在一起,一步一步就发育成了胚胎、婴孩,发育成了儿童、成人。下一代和上一代之间的物质联系仅仅是那么两个细胞。那么一丁点儿的物质联系就足以确定下一代是人而不是其他什么动物,足以确定下一代在外貌、体质等方面酷肖父母。多少年来,人们一方面赞美大自然的神奇造化,一方面苦苦思索:生物遗传的物质基础到底是什么?

  进入20世纪中叶,一批批科学家在遗传学领域里的辛勤耕耘有了收获,这个问题的答案开始清晰起来,生物的遗传物质是DNA。DNA的正式名称叫脱氧核糖核酸,它隐藏在染色体内。染色体是细胞核的主要成分(低等的原核细胞例外),而DNA则是染色体的核心部分,是染色体的灵魂。

  DNA直接控制着细胞内的蛋白质合成,细胞内的蛋白质合成与细胞的发育、分裂息息相关。细胞如何发育、如何分裂决定着生物的形态、结构、习性、寿命……这些统称为遗传性状。DNA就通过这样的途径来控制生物的遗传。当然,这是最简略的说法。

  远在发现DNA之前,一些生物学家推测生物细胞内应该存在着控制遗传的微粒,并把它定名为基因。现在人们清楚了,基因确确实实存在着。一个基因就是DNA的一个片段,是DNA的一个特定部分。一个基因往往控制着生物的一个遗传性状,比如,头发是黄还是黑,眼睛是大还是小,等等。准确地说,一个遗传性状可以由多个基因共同控制,一个基因可以与多个遗传性状有关。

  低等生物噬菌体的DNA总共才有3个基因,大肠杆菌大约有3000个基因,而人体一个细胞的DNA中有大约10万个基因。

  搞清楚DNA的结构颇费周折。

  DNA是由四种核苷酸联结而成的长链。这四种核苷酸相互之间如何联结,这条长链折叠成什么样的立体形状,这两个问题在本世纪40年代曾难倒了许许多多有志于此的研究者。终于,在1954年,两位美国科学家找到了正确的答案,建立了令人信服的模型——DNA是由两条核苷酸链平行地围绕同一个轴盘曲而成的双螺旋结构,很像是一把扭曲的梯子。两条长链上的核苷酸彼此间一一结成对子,紧紧连结。螺旋体每盘旋一周有10对核苷酸之多,而一个基因大约有3000对核苷酸。

  DNA双螺旋结构的发现是生命科学史上一件划时代的大事。它对生物的遗传规律提供了准确、完善的解释,是人们揭开遗传之谜的钥匙。那两位科学家——华生和克里克,因此而获得了诺贝尔奖。

  基因工程,又叫遗传工程,是生物工程的核心。它的功能是通过改换生物的基因,使生物的遗传性状得到改变,产生符合人们需要的面目一新的新生物。改换基因的工作称为基因重组,或者叫DNA重组,意思就是对DNA重新进行组合。既然生物的所有性状都是由一定的基因控制的,那么,我们根据需要可以设法在生物的DNA中增添、减少或改变某个基因,也就是一小段DNA,就会使生物的性状发生符合我们意愿的变化,甚至成为一种新的生物种类。这就是基因工程的基本原理。

  原理是简洁明了的,做起来可就是万分艰难了。如果我们要在某个生物细胞的DNA里加进一个另一种生物的基因,就要完成以下几个步骤:

  1.在另一种生物的DNA上找到那个所需的基因,并准确地切下它来。

  2.选一种作为运输工具的载体,把切下的基因连接到载体的DNA上,通过载体带入生物细胞。如果这个生物细胞比较大,还有可能直接以注射的方式使切下的基因进入生物细胞。

  3.在许多动过这种手术的细胞中筛选出确实已经接受外来基因的细胞。

  用来切取基因的,往往是某种酶(一种特殊的蛋白质);用来担任载体的,往往是质粒、噬菌体等有生命的小颗粒。这些都是以纳米(10-9米)为长度单位的小不点儿,操作的难度可想而知。再拿筛选来说,细胞接受外来基因意味着表现出这个基因的功能,确定这一点需要精细的鉴别,而这种细胞往往只占动手术细胞的百分之几。

  加进去一个基因已经是千难万难了,要随心所欲地将基因排列组合,捏成一个完整的DNA,并让它表现出功能,当然就更难了。到目前为止,像《侏罗纪公园》里那家基因公司所完成的工作,还是不可能实现的。复活恐龙还是很难想象的事。

  然而,基因工程已经实现了许多在常人看来是很难想象的事。

  你能想象老鼠长得像狗一样大吗?

  1982年,美国的两位基因工程学者把大白鼠的生长激素基因转移到小白鼠的受精卵中,结果,培育出的小白鼠比普通的大两倍半。接着,台湾的学者进行了类似的工作,培育出了像狗那么大的老鼠。

  按照这个思路,把一些高大动物(如大象、牛)的生长激素基因转移到家畜的受精卵中,就可能培育出体重大出几倍的家畜来。美国一位学者宣称,这项工作已经“没有不可逾越的障碍”。

  进入80年代后期,基因工程的喜讯联翩而至:通过改换基因,培植出了耐碱的水稻、高蛋白的水稻、高产的棉花、抗病害的烟草,用改造过的大肠杆菌、酵母菌生产珍贵药物,开采石油,冶炼金属等等。

  有人说,基因工程几乎无所不能,它就像20世纪的造物主,使一批又一批面目全新的生物从实验室走向社会、走向自然,最终将造就新的社会、新的自然界。

  下面谈一下基因工程的应用。

  (a)在医学上的应用

  侏儒症患者的病因是生长发育时期体内缺少一种叫作人生长激素的东西。这是脑部的垂体所分泌的一种激素。谁的垂体分泌人生长激素过少,就会患上侏儒症:发育不良,形体特别矮小。

  侏儒症的病因是早就弄清楚了。特效药也已经找到了,就是人生长激素。

  如果发现谁在生长发育时期患了侏儒症,只要给他注射一段时间人生长激素就会奏效。病人会赶上正常人的发育速度,迅速长高,长得和常人一个模样。

  然而,人生长激素太贵了。它从哪里来?从尸体的垂体中提取出来。垂体有多大?才豌豆那么大。50具尸体的垂体提取的人生长激素,只够治一个侏儒症患者。即使全世界的尸体统统解剖开取出垂体,也只能治疗侏儒症患者的15%。

  进入80年代,从事基因工程研究的科学家豪迈地宣布:若干年后世界上将没有年轻的侏儒!因为人生长激素将可以大量生产。

  基因工程生产人生长激素当然不是使用人脑垂体,而是使用大肠杆菌。

  科学家先弄清了人体DNA里人生长激素基因的结构。这个基因是支配人生长激素分泌的司令部,一共有573个核苷酸。接下来的一步是在实验室里合成人生长激素基因,再把它注入大肠杆菌体内。当然,不是所有的大肠杆菌都会接受这种基因的,那些乐于接受的大肠杆菌会乖乖地在体内合成人生长激素并贮存起来。它们被挑选出来,进行大量培养。然后就可以提取人生长激素了。这个培养、提取的过程可以在发酵罐里连续进行。一个大肠杆菌能够产生20万个人生长激素分子,每升发酵液可提取人生长激素2毫克以上,相当于一个垂体的含量。人生长激素不仅用来治疗侏儒症,还是治疗骨折、烧伤的良药,它的大量生产是病家的幸事。

  基因工程生产人生长激素,大肠杆菌担任了工程菌这一角色,是有功之臣。这似乎有点令人难以接受,因为在大家的印象中,大肠杆菌是令人讨厌的致病菌。其实,从基因工程问世以来,大肠杆菌确实变得神气了。因为,用类似于生产人生长激素的方法,还可以生产许多珍贵药物,而大肠杆菌在这些项目中都令人信服地完成了工程菌的任务。这些珍贵药物包括生长抑素、胰岛素、干扰素等等。

  生长抑素是治肢端肥大和“巨人症”的特效药。过去从50万头绵羊的下丘脑中才能取得5毫克生长抑素,用基因工程生产,10升发酵液就足够了。

  胰岛素专治糖尿病。全世界糖尿病人有1亿之多。过去胰岛素主要从猪、牛的胰脏中提取,50千克胰脏才能取得1克纯品。用基因工程生产,20升发酵液就可以生产1克,成本下降了70%。

  比黄金还贵的干扰素,是病毒的克星,也是对付肿瘤的“希望之星”。

  过去生产干扰素,是从人的血细胞中提取的,要2升人血才能取得l微克。

  用基因工程生产,l升发酵液就能得到600微克。

  基因工程生产的药物已经为千千万万个病家带来了福音。人们期望着,基因工程能为医药事业,为全人类的健康建立更多的功勋。

  (b)在农业上的应用

  植物基因工程有多种方式,如杂交育种、细胞融合、DNA重组等等。其中,最复杂也最先进的当属DNA重组。由于植物基因工程的对象都是结构和遗传规律比较复杂的高等植物,而且植物细胞有比较坚实的细胞壁,所以,将外来的基因导入植物细胞要比导入微生物和动物细胞困难得多。寻找一种合适的载体,是这一技术的关键。

  70年代,两位比利时科学家在这个关键问题上取得了突破。他们发现了一种大颗粒质粒——Ti质粒,这种质粒能顺利地进入植物细胞的核内,把自己所带的DNA片段,“硬塞”给植物的DNA。Ti质粒的“娘家”是一种根癌土壤杆菌,所以它把DNA片段硬塞给植物后,植物就会生癌。这可是会致命的癌,从这一点来说,Ti质粒是个坏种。可是它具有携带、硬塞DNA片段的通天本领,科学家就请它来当运输大队长,带上特定的DNA片段,进入特定的植物细胞。试验下来,居然一切顺利。

  从事Ti质粒研究的科学家越来越多,而Ti质粒立下的功劳也越来越多。

  由它带进植物细胞并得到表达的基因已有数十种。这中间有别种植物的基因,也有微生物的基因、动物基因,甚至还有人的基因——人的生长基因,真是有点不可思议!

  除了Ti质粒,人们还找到了其他的载体,如某些病毒;还采取了其他手段,如微量注射。所以,植物基因工程至今已是硕果累累。我们随手可以捡出几个例子:

  接受了细菌的杀虫毒素基因的烟草——这种烟草不怕虫咬了;导入了抗枯萎基因的棉花——这种棉花不会得枯萎病了;接受了抗除草剂基因的水稻——在这种水稻的田块里可以放心施用除草剂了;导入了大豆、玉米的蛋白质基因的水稻、小麦——它们的蛋白质含量比同类高出一大截。

  (c)人类基因组计划

  什么是人类基因组计划?简单地说,就是要对人体的所有基因进行解剖分析,弄清楚人类究竟有多少基因,这些基因的精确位置在哪里,每个基因的精确组成又是怎么样的。这就等于要绘制一张精确的人类基因解剖图,编着一部人类基因百科全书。

  说来也很有意思,最艰巨也是最伟大的基因工程,恰恰是研究人类自身的。不过,既然人是最高等的生物,是万物之灵,这一点也就不难理解了。

  人体的一个细胞里有23对染色体,每条染色体就是一个双链的DNA分子,包含有5000万到25000万个核苷酸对。23对染色体里一共有60亿个核苷酸对。把23对染色体的全部DNA拉直,连成一条直线,长度为91厘米左右。

  这23对染色体里有大约10万个基因,每个基因大致上由1000~3000个核苷酸对组成。要将这些基因精确定位并确定其组成,说到底就要测定60亿个核苷酸对的排列顺序,你想这件事该是多么艰难!

  实施人类基因组计划,编着这样一部人类基因百科全书,尽管千难万难,却是科学家们梦寐以求的愿望。因为它将是人类全面而细致地认识自身的金钥匙,具有广阔的应用前景和难以估量的价值。

  人类基因组计划的价值首先体现在医学方面。

  随着基因工程的发展和医疗技术的提高,基因治疗已经取得了一系列研究成果,并开始走向临床应用。所谓基因治疗,就是对人体的致病基因进行手术,或“切割”下来换上正常的基因,或用化学、物理的手段使其“改邪归正”,不再致病。要进行基因治疗,首先就要找到致病基因。在10万个基因,或者说是60亿个核苷酸对的茫茫大海中找到某种疾病的致病基因,实在是谈何容易。人类光是遗传性疾病就不下4000种,每种遗传性疾病都是受一个或数个致病基因控制的。基因治疗是治疗遗传性疾病最有效的手段,甚至是唯一的根治手段。然而,这4000多种遗传性疾病中,已找到致病基因的还不到3%。一旦人类基因组计划实现,这4000多种遗传性疾病的致病基因就将暴露在光天化日之下,进行基因治疗就有了保证。

  再拿人们视作洪水猛兽一般的癌症来说吧,至今已在人的DNA里发现了近百种癌基因,这些癌基因长时期处于静息状态,一旦有某些条件使它活化,它就会使细胞无节制地分裂,人就会生癌。实施人类基因组计划后,所有的癌基因都将一一亮相,给治疗带来许多线索——或者是进行基因手术,或者是控制它的活化条件,等等。这就等于为人类攻克癌症堡垒提供了一份精确的军用地图。

  更有趣的是,人类基因组计划实现后,每个人在胎儿阶段就能作出基因组分析,建立起个人的基因档案。这份档案里不仅记载着致病基因,还记载着体质、性格、语言、智力等多方面的遗传特点。人们可以根据这份档案来预防疾病,确定最适宜于自己的生活方式、饮食规律以及事业上的发展方向,大大提高生命的质量。

  人类基因组计划的意义还远不止这一些。在研究人类的起源和进化,研究人类的遗传规律,研究生物学基本理论等方面,它将提供一系列新的思路,引导出一系列新的结论。

  人类基因组计划最初是美国科学家于1985年提出创议的。从1988年起,美国、日本、英国等发达国家纷纷建立专门机构,投入上亿元经费,组织实施人类基因组计划。我国从1993年7月起也正式加入了这一行列,“中国人类基因组计划”列入国家重大研究项目。

  由于人类基因组计划工程浩大,尽管有计算机、电子显微镜等现代化设备助威,实际进展还是不可能很快。按1990年的统计,当时已完成的工作量不过千分之二左右。从目前来看,估计还要15~20年的时间才能大功告成。

  (4)酶工程

  (a)什么是酶

  牛以草为食物,草的主要成分是纤维素。纤维素和淀粉、糖一样都是碳水化合物,但它却很难分解。那么,牛胃怎么会有那么大的能耐呢?牛胃里边有什么神奇的物质把纤维素分解掉呢?这在很长的历史时期里都是一个谜。

  鹰是食肉的猛禽。它的取食方式是撕下猎物的肉囫囵吞下(肉里面还夹杂着骨头、毛),然后由强健的胃把这些肉消化掉。科学家做了一根特殊的金属管,里面装上肉,管子两端用金属丝网封住。他们让鹰吞下金属管,过一段时间取出金属管一看,肉已经无影无踪了。这说明鹰胃里面也有一种神奇的物质,能担当消化肉类——主要成份是蛋白质的重任。

  鹰胃和牛胃在消化方面的神奇力量是相似的,只不过消化的对象一个是蛋白质,一个纤维素。

  起先,人们以为鹰胃和牛胃里面起消化作用的是胃酸。但很快又发现胃酸只是个配角,主角则是一种数量极小、作用奇大的物质——酶。

  酶究竟是什么东西呢?

  这个问题人们又花了数十年时间才搞清楚。从本质上说,酶是一种蛋白质。从特性上说,酶是一种生物催化剂,在生物体的生命活动中担当着重要的角色。它参加生物体内大大小小的、无时无刻不在发生的化学反应,在这些化学反应中起着催化作用。千万不能小看这个催化作用,它使这些化学反应的速度增加1012~1020倍。而且,如果没有酶的参与,有些反应根本不会发生。

  在牛胃里起主要作用的,是纤维素酶。它使纤维素很快就分解成葡萄糖。

  要消化、吸收葡萄糖就是很简单的事了,人的消化系统也办得到,不用说牛了。

  在鹰胃里起主要作用的,是胃蛋白酶。它使蛋白质分解成分子较小的多肽和氨基酸。难怪金属管里边的肉会无影无踪了。

  纤维素酶和胃蛋白酶只是庞大的酶家族里的两个成员。小小的大肠杆菌,身体里进行的生物化学反应有3000多种;人体这样一个高度复杂的生物体,发生的生物化学反应要用天文数字来表示。这些反应都是在酶的参与下发生的,可见酶氏家族有多么兴旺。

  到现在为止,人类已完全能确定其成分和功能的酶有3000多种。

  酶有两大特点是引人注目的。一是高效,二是专一。

  所谓高效,是指酶的催化能力的强大。对许多化学反应来说,往往可以找到一些能加速反应的化学催化剂。然而,酶的催化能力要比化学催化剂高出107~1013倍。就拿纤维素的分解来说,用5%的硫酸,在4~5个大气压、100多摄氏度的条件下,四五个小时只能使纤维素稍稍松动。而一旦纤维素酶出场,而且只是那么一点点纤维素酶,在常压、40摄氏度的条件下,四五个小时可以使50%的纤维素分解成葡萄糖。这几乎就是牛胃里发生的反应,只不过容器换了一下。

  所谓专一,是指一种酶只能作用于具有一定结构的物质。纤维素酶只能把纤维素分解成葡萄糖,碰到蛋白质、淀粉、脂肪之类,它是无动于衷的。

  同样,鹰胃里的胃蛋白酶,只对蛋白质“情有独钟”,对纤维素和其他有机物分子就毫无办法了。鹰胃里除了主力军胃蛋白酶之外,还有淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶等许多酶;牛胃里除了主力军纤维素酶之外,也还有胃蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等许多酶。这些酶分工明确,各司其职,专找特定的对象“开刀”。

  酶除了高效、专一这两大特点之外,还有一个显着的优点是它的催化作用都是在常温、常压之下完成的。本来嘛,酶是生物催化剂,它是在生物体内起作用的,当然与高温、高压无关了。

  由于酶具有那么明显的优点,人们开始考虑,能不能把它从生物体内取出来,专门来催化一些重要的化学反应呢?这样不是能在更广阔的天地里发挥它的优势了吗?

  于是,酶工程应运而生了。

  (b)什么是酶工程

  微生物是发酵工程的主力军。在发酵工程里(或者说在自然界也一样),微生物之所以有那么大的神通,能迅速地把一种物质转化为另一种物质,正是因为它们体内拥有神奇的酶,正是那些酶在大显神通。说到底,发酵作用也就是酶的作用。

  微生物种类繁多,微生物繁殖奇快。要发展酶工程,微生物自然应该是人们获取酶、生产酶的巨大宝库、巨大资源。事实上,目前酶工程中涉及到的酶绝大部分来自于微生物。

  所谓的酶工程,可以分为两大部分。一大部分是如何生产酶,一大部分是如何应用酶。用微生物来生产酶,是酶工程的半壁江山。

  酶的生产要解决一系列的技术问题,包括:

  挑选和培育生产酶的微生物(要求繁殖快、安全、酶容易分离、符合应用条件);确定合适的培养条件和培养方式;大幅度地提高酶的产量;将生产出来的酶进行分离提纯,提高酶的纯度等等。

  经过各国科学家的不懈努力,这些技术问题一一迎刃而解,酶的生产水平不断提高,为酶的应用提供了坚实的基础。

  这里值得一提的是通过基因重组来对产酶的菌种进行改造,获得生产性能优秀的菌种。最明显的例子是α-淀粉酶的生产。

  最初,人们是从猪的胰脏里提取α-淀粉酶的,这种酶在将淀粉转化为葡萄糖的过程中是一个主角。随着酶工程的进展,人们开始用一种芽孢杆菌来生产α-淀粉酶。从1立方米的芽孢杆菌培养液里获取的α-淀粉酶,相当于几千头猪的胰脏的含量。然而,致力于酶工程研究的学者并不满足于这一点,他们用基因工程的手段,将这种芽孢杆菌的合成α-淀粉酶的基因转移到一种繁殖更快,生产性能更好的枯草杆菌的DNA里,转而用这种枯草杆菌来生产α-淀粉酶,使产量一下子提高了数千倍。

  人体里的尿激酶,是治疗脑血栓和其他各种血栓的特效药。以前常见的生产手段是从人尿中提取,其落后性显而易见,产量也毕竟有限。学者们从人的肾脏细胞中分离出尿激酶基因,转移到大肠杆菌的DNA中,用DNA重组后的大肠杆菌来生产人尿激酶。生产效率自然提高了不少。

  通过基因重组来改造产酶的微生物,建立优良的生产酶的体系,被认为是最新一代的酶工程(第四代酶工程)。这是酶工程与基因工程的结合点。

  基因工程被称为生物工程的灵魂,在这里又一次展现了它的动人之处。

  除了酶的生产之外,近些年来,酶工程又出现了一个新的热门课题,那就是人工合成新酶,也就是人工酶。这是因为,人们发现光从微生物里提取酶仍不能满足日益增长的对酶的需求,需要另辟新路。

  人工酶是化学合成的具有与天然酶相似功能的催化物质。它可以是蛋白质,也可以是比较简单的大分子物质。合成人工酶的要求是很高的,它要求人们弄清楚:酶是如何进行催化,关键是哪几个部位在起作用,这些关键部位有什么特点……最终,对人工酶还有另一层要求,那就是简单、经济。

  有人已经合成了一个由34个氨基酸组成的大分子,这个大分子具有跟核糖核酸酶一样的催化作用。然而,人们仍然嫌它太复杂,继续寻找更简单、更稳定、更小的人工酶,寻找在生产上比天然酶经济得多的人工酶。

  尽管人工酶的效益尚不明显,然而从事人工酶研究的队伍却日益壮大。

  也许,在不久的将来,人工酶在酶工程的生产领域里将正式取得一席之地,而且地位不断上升,甚至压倒天然酶。

  (c)酶工程的核心——固定化工程

  步入90年代,以空气为原料,用酶工程生产氮肥已初见端倪——用固定化酶来合成氨,已实现了少量的工业化生产。所使用的酶,有的是从固氮菌中分离、提纯出来的固氮酶,有的则是根据固氮酶的化学模型制成的人工模拟酶。预计,世界各国的大型氮肥厂将逐步改用酶工程来合成氨,这样既可节约大量的高温高压设备,又能在世界范围内每年节约相当于10亿吨石油的能源。

  不仅是生产氮肥,用空气、水、一氧化碳和二氧化碳来生产形形色色的化工产品,对酶工程而言,都不是办不到的事。

  这里,很关键的是酶的固定化,它被称为是酶工程的中心。

  酶作为各种化学反应的催化剂,除了具有高效、专一的优点之外,同时也存在着一些缺点。例如,由于酶在本质上是蛋白质,在遇到高温、强酸、强碱时就会失去活性,毫无催化功能可言。又如,酶的分离、提纯和生产,要花费大量的时间,投入大量的技术和劳动,因而成本很高,价钱很贵。

  对酶工程来说,最要命的是,酶催化反应往往是在稀释液体里进行的,反应完毕酶难以回收。也就是说,事实上酶只能使用一次。

  一方面是酶的成本很高,一方面是酶可以反复使用成千上万次而事实上只使用了一次,这不是太浪费了吗?酶的推广应用在这个问题上遇到了拦路虎。

  60年代初,一位以色列科学家率先取得了突破。他发现,生物细胞里的许多酶并不是独立在溶液里起作用,而是包埋在细胞膜或其他细胞器里面起作用的。于是,他试着把分离得到的酶结合到某种不溶于水的载体上,或者是包埋于天然的或人工合成的膜上,这样就装配成了固定化酶。接着他又对固定化酶的催化特性进行观察,出乎意料地发现,许多酶经过固定化以后,活性丝毫未减,稳定性反而有了提高。在反应容器里,固定化酶可以反复利用,成百次、成千次地发挥效能,以不变促成万变。这位以色列科学家万分欣喜地将他的发现公诸于世。

  这一发现是酶的推广应用的转折点,也是酶工程发展的转折点。

  在这一发展的基础上,酶的固定化技术日新月异。它表现在两方面:

  一方面是固定的方法。从目前来看,固定的方法有四大类:吸附法、共价键合法、交联法和包埋法。所使用的载体材料和结合技术五花八门,层出不穷。

  另一方面是,被固定下来用于催化反应的,除了各种酶之外,又发展了含有酶的细胞,又叫固定化细胞。固定化细胞省却了酶的提取和纯化,而且它具有多种酶,能催化一系列的反应,大大提高了效率。有意思的是,固定化细胞还经历了从固定死细胞(其中的酶仍有活性)到固定活细胞的发展过程。

  与自然酶相比,固定化酶和固定化细胞具有明显的优点:

  1.可以做成各种形状,如颗粒状、管状、膜状,装在反应槽中,便于取出,便于连续、反复使用。

  2.稳定性提高,不易失去活性,使用寿命延长。

  3.便于自动化操作,实现用电脑控制的连续生产。

  固定化技术使得酶工程的推广如同雨后春笋一般。从日本首先采用固定化酶生产氨基酸开始,到如今已有数十个国家采用固定化酶和固定化细胞进行工业生产,产品包括酒精、啤酒、各种氨基酸、各种有机酸以及药品等等。

  今后酶工程发展的步伐,也将与固定化技术的提高紧紧相连。

  (d)酶工程的应用

  如果要举几个例子来说明酶的应用,也许有人会提到:

  加酶洗衣粉,洗衣粉添加进蛋白酶后大大增强了去污能力,能把衣物洗得洁净如新;多酶片,它所含的多种酶会增强人的消化能力,专治积食、消化不良;SOD,全名叫超氧化物歧化酶,被广泛用于食品、饮料、牙膏和化妆品中,它能去除人体内的垃圾——超氧化物,使人延缓衰老,保持青春活力;加酶洗衣粉、多酶片和SOD确实是酶的应用实例。不过,对于酶工程来说,它们犹如大海中的几片浪花一样,只是简单的应用而已。在更深的层次上,酶的应用更为丰富多彩,更能体现酶工程的无穷魅力。

  关于酶的应用,不妨举一个你身边的例子:青霉素。

  自从50多年前青霉素被发现并投入临床应用以来,很长时期它一直是对付许多炎症的首选药物。然而,它也有缺点,一是使用多了许多病菌对它产生了抗药性;二是它对一部分病菌本来就没有杀伤力。许多科学家开始研究如何对青霉素进行改造。办法很快找出来了,那就是使用青霉素酰化酶对青霉素进行裂解,然后再合成新一代的青霉素,它的名称是半合成青霉素。半合成青霉素有数十种,比它的母体——青霉素杀菌力更强,杀菌面更广,还能有效地对付那些耐药菌。不过,青霉素酰化酶很娇贵,不稳定,因而,实现半合成青霉素的工业化生产一度陷入了僵局。

  随着酶工程研究与开发的进展,尤其是固定化技术的完善,这个僵局终于被打破了。德国科学家还运用遗传工程手段改造大肠杆菌,获得了青霉素酰化酶高产菌株,大大提高了生产效率。大批的半合成青霉素投入了临床应用,取得了理想的医疗效果。今天,如果有谁的炎症在使用了甲氧苯青霉素、羧苄青霉素(它们都是半合成青霉素)后迅速消退,那也该谢谢那造福人类的酶工程。

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