什么叫基因工程呢？中国有句俗话：“种瓜得瓜，种豆得豆”，这就是说后代总是与父母很相似，这种现象就叫作遗传。植物、动物和人类，都是按照自然的遗传规律，一代一代地繁衍生存下去。后来科学家们发现，生物遗传现象的奥秘，在于每一种生物都有各自的遗传物质，例如，瓜里有瓜的遗传物质，豆里有豆的遗传物质，各不相同，互不干涉，而且能代代相传。而这种遗传物质，就是基因。知道了这个秘密后，科学家们就开始了大胆的设想，希望用人工的方法，把生物体内的遗传物质取出来重新组合，改变它们的遗传性能。按照人类规定的“工程图纸”产生新的一代，培育出符合人类需要的新品种，这就是基因工程的内容。

遗传的本质

自从原始农牧业以来，人们就对动植物乃至人类本身亲代和子代之间的相似又不完全相同的现象感兴趣，试图探索、了解、阐明其中的规律，但直到孟德尔之前，这种努力都没有成功。孟德尔是19世纪著名的科学家，他以艰苦顽强的精神，对植物的遗传现象进行了系统的研究，从而奠定了遗传学的基础。孟德尔用了8年的时间，选择了22种性状稳定并有不同特征的豌豆进行了杂交试验，他对这些杂交豌豆的子代进行了跟踪观察，并在研究中引进了数学统计的方法，在这些工作的基础上，他提出了孟德尔学说和孟德尔定律。

孟德尔认为，对应于不同的性状，存在有不同的遗传单位（或称遗传因子），他把这种遗传单位称为“基因”。但在当时，人们尚无法知道基因究竟是一种什么样的物质，而且在相当长的一段时间里，有些科学家还否定基因的存在。

从1865年2月孟德尔在奥地利自然科学学会上报告自己的工作时起，在寻求决定遗传本质的“基因”的道路上，许许多多科学家历经艰辛。经过80多年的努力，终于在1944年由美国纽约洛克菲勒研究所的艾佛里等人发现，孟德尔所说的基因，其化学本质就是DNA，即脱氧核糖核酸。

核酸是遗传信息的保存者和传递者，是遗传的物质基础。以化学结构来区分，核酸分为两大类，一类叫脱氧核糖核酸（DNA），一类叫核糖核酸（RNA）。核酸由核苷酸组成，如同氨基酸是蛋白质的组成单位一样，核苷酸是核酸的基本组成单位。科学家们发现，RNA由四种核苷酸组成，它们是腺嘌呤核苷酸，鸟嘌呤核苷酸，胞嘧啶核苷酸和尿嘧啶核苷酸；DNA也由四种核苷酸组成，它与RNA不同的是尿嘧啶核苷酸换成了胸腺嘧啶核苷酸，当然还有一个重要的区别就是糖的成分在RNA中是核糖，而在DNA中是脱氧核糖。

科学家们认为核酸中存在着一种密码，它们决定了相应的氨基酸。1961年，克里克和布伦纳等人证明，密码子由三个连续的核苷酸所组成。同年，美国科学家尼伦伯格和德国科学家马太进行了一系列实验，发现了“uuu”三核背酸为苯丙氨酸的密码子。1961年8月，在莫斯科举行的国际生化会议上，尼伦伯格宣布了他们鉴定的第一个密码子，引起了全场的轰动，这标志着遗传密码破译工作的开始。到1966年，在64种可能的三联体密码子中已有61个被破译，还有三个密码子没有相应的氨基酸，它们是蛋白质生物合成中终止反应的密码子。

事实上，只要我们知道了DNA核苷酸的排列顺序，我们就能知道相应的RNA的排列顺序，也就能知道这段基因（DNA）决定的蛋白质的氨基酸顺序。反之，如果我们知道了一个蛋白质的氨基酸顺序，也可以由此推出相应的RNA和DNA顺序，这为开展生物工程的研究和应用提供了理论和方法学的依据。

蛋白质和核酸的顺序测定和人工合成

蛋白质和核酸都是生物大分子，要认识它们，就需要搞清它们的结构和组成。

科学家们花了很长的时间，逐步建立和完善了测定蛋白质中氨基酸排列顺序的方法，并且将其仪器化。世界上第一个被搞清楚排列顺序的氨基酸是胰岛素。英国剑桥大学科学家桑格取得的这项成就使他获得了诺贝尔奖（25年之后，桑格又测定了由5375个碱基组成的ΦΖ174DNA的顺序，使他第二次获得诺贝尔奖）。目前，已经有成百上千的蛋白质被探明了它们的排列顺序。

搞清了蛋白质的顺序后，科学家们就想用人工的方法来将它们合成。从20世纪50年代起，他们应用了多种多肽合成的方法，现在这方面的技术已日趋完善，一般由十几个乃至二三十个氨基酸组成的多肽药物已能用人工合成的方法来生产了。1965年9月，我国科学家首次在世界上合成了结晶牛胰岛素，为我国争得了一项“世界冠军”。

同样，核酸的顺序测定和核酸的人工合成也取得了显著的成绩，利用化学方法和物理方法发明的DNA顺序测定仪和DNA合成仪都已在科研和生物工程产业中普遍使用。

1981年，我国科学家完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的全合成工作，在人工合成核酸的工作上取得了重大的成果。

美国科学院从1987年起，组织了一个庞大的科研计划，称为人类基因组计划，准备用15年的时间投入30亿美元的经费，分析清楚人体基因组的全部核苷酸排列顺序，并研究其结构与功能。如果这个计划得以实现，许多由于基因缺陷而引起的疾病就能找到根本的治疗的办法。参加这项工作的除了美国科学家外，还有英国、法国、德国、日本和我国的科学家。

我国的科学家和日本的科学家还在进行水稻基因组合顺序的分析工作，这对于改良稻米的品种和质量都有很大的作用。

DNA重组技术的建立

人类研究科学技术的目的是认识自然，改造自然。DNA重组技术的建立为发展基因工程奠定了基础。

DNA重组技术的成功，首先应归功于限制性核酸内切酶、DNA连接酶和基因载体的发现和应用。

第一个限制性内切酶是1968年从大肠杆菌中分离出来的。到今天，已经发现了上百种的限制性内切酶。

限制性内切酶的特点是，它能够识别核苷酸的序列，并能准确地切下DNA长链中某一特定的DNA片段。科学家对上百种的限制性内切酶的特异性作了研究，搞清了它们在DNA长链上切断的精确位点，这样，这些酶就可以用来作为工具，根据科学家的意愿对DNA进行切割，所以这种限制性内切酶又被形象地称为“分子手术刀”。

DNA连接酶是使DNA片段连接起来的催化剂。它在DNA重组技术中，不仅要用限制性内切酶将需要的DNA片段切下来，而且还需要将它们与其他重要的DNA片段（如起着运载工具作用的质粒）连接起来，在这里就得用上DNA连接酶。

在DNA重组技术中，基因载体的应用是很重要的一个方面。因为要使重组的DNA能够繁殖，必须使其进入宿主细胞（如某种细菌），但每种生物都是长期进化的产物，具有很强的排他性，异源DNA如果单独进入受体细胞，必然会遭到破坏。因此，必须使用一种运载基因的载体作为媒介物，这种载体可以是质粒（一种较小的DNA），也可以是噬菌体。

有了上面的各种手段之后，基因工程就可以进行了。

应用基因工程生产药物

当人们需要生产某一种已知的蛋白质生物药物时，第一步是要取得决定这种蛋白质的基因片段，这可以用分离提取DNA的办法，也可以根据已知的顺序采用化学合成的方法，还可以利用以RNA为模板，以反转录酶催化。取得cDNA并进一步分离纯化。第二步是对这段DNA装上“启动”因子和终止密码，然后与质粒结合，形成重组的DNA。第三步将重组的DNA送入寄主细胞中，通过对寄主细胞的培养（如对微生物进行发酵），这样就能取得基因工程的产物。这种寄主细胞实际上是生产这种蛋白质药物的“工厂”。

我们以胰岛素基因工程法生产为例，来说明这方面的创举。

胰岛素是目前世界上已知的最小的蛋白质，它由51个氨基酸组成，分为A、B两条链，通过两对二硫键连接。胰岛素在体内起到降低血糖的作用，当人们体内血液中糖分升高时，胰岛素就能够促使血液中糖分转化为肝糖原，使糖分在肝脏中保存；当血液中糖分减少时，人体中另一种激素——胰高血糖素又能使肝糖原转化为血液中的糖分。正是依靠这两种激素的调节，人体血液中的糖分才能一直处于最适中的状态。当胰岛素缺乏时，血液中糖分增加，多余的糖分从尿液中排出体外，就会形成糖尿病。糖尿病在晚期还会引起许多并发症。目前，全世界患糖尿病的病人已超过了6000万人，是一种常见病。

为治疗糖尿病，需要给病人定期注射胰岛素。这种生物药品过去从猪、牛的胰脏中提取，但动物胰脏的来源是有限的，特别由于胰脏中含有丰富的蛋白水解酶，在屠宰动物后如不立即将胰脏取出低温冷藏，胰岛素就会受到破坏。

自从有了基因重组的技术后。科学家们就开始探索基因工程生产胰岛素的方法。1978年9月，美国Genentech公司和Lilly公司联合宣布人胰岛素在大肠杆菌中取得了成功，他们将胰岛素A链的基因和B链的基因分别与另一种称为PBR322的质粒连接，再转化到大肠杆菌K12中，分别培养含有这两种质粒的大肠杆菌，得到分别含有胰岛素A链和B链的产品，经过分离纯化，再将纯的A、B链重新组合，就得到了基因工程胰岛素。临床实验证明，用基因工程方法生产的胰岛素与人胰岛素的结构完全相同（猪、牛胰岛素与人胰岛素存在少量氨基酸的不同，这种不同被称为种属差异），比动物来源的胰岛素作用快。有些人使用动物胰岛素会产生过敏现象，而基因工程人胰岛素可以克服这一缺点。目前，基因工程法生产的胰岛素成本虽比从动物胰脏提取的胰岛素高，但它未来的潜力不可限量。

在基因工程法生产胰岛素获得成功后，科学家又取得了用基因工程法生产人生长激素的成功。

人生长激素是脑垂体分泌的一种蛋白质激素，它的作用是促使幼儿生长。缺乏这种激素，幼儿就不能长高，成年人的个头还像五六岁的小孩一样，这就是人们所说的侏儒症。对于患有生长激素缺乏症的病人，要早期诊断，早期治疗，因为小孩的生长期从四五岁开始，到十四五岁就停止了，如果过了生长期再使用生长激素类药物，其效果就不明显了。

生长激素的种属特异性特别明显，动物的生长激素不能应用在人身上。起初，科学家们利用从刚死亡的人脑垂体中提取的生长激素来治疗侏儒症，但来源极为困难，价格也相当昂贵，临床实用性很差。应用基因工程法生产人生长激素克服了这一困难。1979年，美国Genentech公司又在这一领域取得了显著的成效。他们将化学和生物的方法结合起来，取得了人生长激素的完整基因，通过与质粒连接，再转化到宿主细胞大肠杆菌K12中，通过微生物发酵的过程，就可以大量生产人生长激素了。

近年来，我国科学家也已完成了基因工程法生产人生长激素的中间试验，目前正在进行生产推广。

除了胰岛素和人生长激素外，基因工程法还可用来生产抗肿瘤、抗病毒药物干扰素（它可以有多种类型），预防各类型肝炎的疫苗等等。

植物细胞工程

农业创造了人类赖以生存的物质基础，而植物又是农林牧副渔业中的主角，在这个领域内如何充分利用生物工程的技术，提高作物的产量，改良植物的品种，增强作物抗虫、抗病、抗旱的能力，是植物生物工程研究的重要内容。我国在这方面已取得了很大的成绩。

植物细胞工程的内容很多，包括原生质体培养、花药培养、花粉培养、胚与胚珠培养、茎尖培养、细胞融合、杂交育种、诱变育种等，以下通过一些例子来加以说明。

植物体细胞是“全能性”的，无论何处的细胞都可以再生形成植株。对于植株中不同部位的组织和同一部位不同时期的组织，其培养效果都会有很大的差别。

从胚状体培养再生植株是植物快速繁殖的常用方法。在植物组织培养中，由花粉和体细胞（根、茎、叶等）诱导出的类似胚胎结构的“胚”叫胚状体，它能按照胚胎发生的方式形成完整的植株。在这个实验中，关键是选择适当的培养基和用于诱导形成胚状体的不同激素的适当配比。

我国广西研究甘蔗的农业专家们，试验成功了甘蔗芽器官**培养育苗新技术，从一颗蔗芽就可以得到上百万株蔗苗，大大提高了良种甘蔗的繁殖速度。

在植物细胞培养过程中，加入某些诱导植物细胞的基因使其发生变异，然后对变异植株的生物特性再进行筛选，有可能得到具有抗旱、抗盐碱、抗寒、抗病害、抗虫害的抗性植株。

据英国《每日电讯报》报道，美国加州奥克兰的DNA植物技术公司的伊卜·费尔扎巴迪博士及其同事利用细菌作为载体，把外源基因转到玫瑰的胚胎里，结果培育出100多个遗传变性的玫瑰品种。由于引入了外源基因，有一些原来粉红色的花变成了灰白色。科学家们还试图把萤火虫发光的基因转入到玫瑰里，使玫瑰组织也能发光，这个试验尚未取得成功。

植物细胞融合是植物生物工程中的一个重要方面。俗话说：“种瓜得瓜，种豆得豆”，细胞融合技术有可能使得种“豆”得“瓜”。

科学家们已经利用这种技术培育出了“泡马豆”。这是番茄和土豆进行细胞融合后得到的完整植株。番茄的英文名字叫“Tomato”，土豆的英文名字叫“Potato”，两者细胞融合后产生的新的植株就被命名为“泡马豆”（Po-mato）。科学家们先将土豆和番茄的叶细胞用溶菌酶处理，以破坏其细胞壁，然后将它们的原生质体在聚乙二醇的存在下形成融合原生质体，再经过一些处理，就可以形成“泡马豆”。它的块茎似土豆，而它的地上部分却能结出类似番茄的果实；土豆开的是紫花，番茄开的是淡黄色的花，而“泡马豆”开的花有紫、黄、白三种颜色，叶子也介于两者之间。一个新植物品种在高科技的魔力下就这样诞生了。

转基因动物

前面介绍的基因工程工作，都是将特定的基因片段转入细菌、病毒或动物细胞等宿主细胞，再进行繁殖。科学家们认为，如能将特定基因片段转入整体的动物中，那无论在基础理论研究还是在应用上都会有极大的意义。但是，如何将基因片段转入整体的动物呢？

1981年，科学家康斯坦丁尼首次将构建好的β-血红蛋白基因组用显微注射法转入小鼠的受精卵，这种受精卵后来发育成可将外源基因传给子代的小鼠，从而开创了转基因动物的先河。在这以后，转基因动物的研究得到了很大的发展，并且开始了它的应用研究。

过去，研究基因结构与功能的关系，都是在分子水平和细胞水平上进行的，转基因动物为科学家提供了整体水平的模型。人们能够在受精卵、胚胎、幼年、成年等不同时期，研究外源DNA在转基因动物内的复制、转录以及转录后得到的mRNA的翻译过程。

现在知道，人类很多疾病都是由于基因缺陷造成的。为了研究各种基因缺陷造成疾病的机理，科学家们试图建立起各种动物模型，如高血压动物模型，但这些模型往往是多种因素或是多种基因缺陷造成的疾病模型，人们无法了解由单一基因缺陷造成的后果。用转基因动物培育出的动物模型，提供了单一基因缺陷造成的疾病动物模型，弥补了以前模型的不足之处。

转基因动物的技术可用于基因治疗。对于患有基因缺失而造成疾病的动物，可以将其缺失的正常基因注射入它的受精卵，使其子代的疾病得到纠正，但这个方法对于亲代疾病动物并无治疗作用。

转基因动物在基因产品的制备方面具有很大的潜力。传统的基因产品制备是把目的基因克隆移于质粒上，再转入宿主菌，利用发酵法生产。由于目的基因大多为真核基因，而宿主菌是原核细胞，因而在表达上还有不少困难需要克服，转基因动物为基因产品的大量生产开拓了新的途径。

德国的一家化学公司向苏格兰一家生物工程公司投资了1000万英镑，让它培育一种特殊的转基因动物——一种名叫“特蕾西”的羊。这种羊的乳汁中，含有一种医用价值很高的蛋白质——α-1-抗胰蛋白酶（简称AAT）。在人体中，AAT用来控制内脏的生长。据统计，约有万分之五的人患有AAT缺乏症，而在这类人群中，又有10%的人会患上肺组织生长不全、出现空洞的疾病。科学家们将人体中产生AAT的基因片段导入羊的受精卵中，从而得到了在乳汁中能分泌AAT的转基因羊。

如前所述，人生长激素可以用基因工程的方法通过宿主菌发酵来生产。现在日本一家乳制品公司通过转基因动物的方法从鼠奶中得到了浓度为0.1%的人生长激素。鼠奶分泌的量虽然不多，但老鼠的饲养并不困难，该公司准备在此后利用这种转基因鼠大规模生产人生长激素。

由于临**治疗病员和战场上救护伤员的需要，血液的储备对于一个国家的医疗卫生事业来说至关重要。人类正在研究多种血液代用品。美国的DNX公司培育了一种转基因猪，这种猪的血液中含有人血红蛋白，看来利用猪血制备人用代血浆的日子不会太远了。

美国Genzyme公司还利用转基因山羊制造出组织纤维蛋白溶酶原激活因子（TPA），这种因子可用于溶解血栓，对于治疗因血栓而引起的心血管疾病有极大的辅助作用。

由于转基因动物在生产生物产品上的巨大潜力，人们将它们统称为“动物生物反应器”。

结束语

著名的美国影片《侏罗纪公园》描写了生物科学家利用基因工程方法人工合成了恐龙的基因，并且使这种在地球上已经绝迹6500万年的巨型动物复活的故事。这是一部科学幻想影片，现在的科学技术，尚无法将此幻想变为现实。但是，在将来前景迷人的基因工程也许会实现这一科学幻想。

[1]统编小学语文教科书六年级上册课文《宇宙生命之谜》选自本篇文章的第三部分，选作课文时有改动。