轉(zhuǎn)基因背后的生命分析化學

朱進波

除了克隆外，估計很少有技術像轉(zhuǎn)基因這樣，從誕生起就飽受爭議。自1983年第一株轉(zhuǎn)基因植物——轉(zhuǎn)基因煙草問世以來，轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品已經(jīng)滲透進我們生活的方方面面。平心而論，轉(zhuǎn)基因技術的出現(xiàn)既可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量又能夠增強其抗病蟲害的能力，的確為我們解決了不少問題，但潛藏在其背后的安全性問題和對生態(tài)環(huán)境的影響又是大家所擔憂的。網(wǎng)絡上不乏關于轉(zhuǎn)基因食品的激烈論戰(zhàn)，我們暫且不論誰是誰非，但就憑咱普通人的凡胎肉眼，一把大豆放到面前，誰也辨不出它是不是轉(zhuǎn)基因產(chǎn)物！所以談到這里就該輪到我們的主角——生命分析化學家出場了。

我們都分析些什么

都說21世紀是生命科學的世紀，就這頭十多年的發(fā)展來看的確沒錯，而生命分析化學就是隨之應運而生的一個新興交叉學科。從名頭上看，基本可以把生命分析化學理解成利用分析化學的手段研究生命體、監(jiān)測生化反應過程的一個學科。那除了轉(zhuǎn)基因豆，生命分析化學家們還分析些什么呢？其實大到生態(tài)環(huán)境，小到草木魚蟲，近到我們的食品安全、醫(yī)療衛(wèi)生都屬于生命分析化學的范疇。雖然自然界的物種千奇百怪，生化反應過程也是紛繁復雜，但如果化整為零到分子層面，這事就簡單了?；\統(tǒng)點說，其實我們主要分析檢測的就是核酸、蛋白質(zhì)、糖類和脂類這幾大類生物分子。核酸是生命體的核心，遺傳密碼的源泉，例如轉(zhuǎn)基因植物的檢測，最直接準確的辦法就是檢測其遺傳物質(zhì)DNA中是否被注入了外源基因序列。蛋白質(zhì)是細胞的最主要構成成分，而負責催化反應和調(diào)節(jié)生命體征的酶和激素也主要由蛋白質(zhì)構成（所以在體檢單上它們總能占到半壁以上的江山）。糖類是人類、動物和微生物生命的燃料、能量的源泉，除了參與代謝外，一些多糖在降血脂、抗腫瘤、抗衰老等方面顯現(xiàn)的特異生理活性也日益引起大家的關注。脂類既是生命的重要組成成分，也是能量儲存和運輸?shù)闹匾d體，具有生命活性的維生素和一些激素也屬于脂類（咱們可不能膚淺地把脂肪理解成皮下的那層肥肉）。

去糟取精——生物樣品的預處理

那么當一把大豆放在我們面前，要怎樣才能把它們?nèi)M試管里去檢驗是不是轉(zhuǎn)基因的呢？這就涉及到一個生物樣品的預處理，這個過程一般包括樣品篩選、破碎、提取、分離和純化幾個步驟。首先我們要根據(jù)分析目的和提取分離的便捷性來選擇合適的樣品。生物體不同的組織部位，目標成分的含量和分布會有差異，提取的難度就有所差別。例如提取磷酸單酯酶時，它在動物的肝、脾、胰、前列腺中都較豐富，但肝、脾、胰臟中的單酯酶常和磷酸二酯酶共存，增加了分離的難度。在前列腺中它的含量雖沒有以上幾個內(nèi)臟中多，但幾乎不含二酯酶，所以一般選擇從前列腺中提取磷酸單酯酶。然后我們要針對不同的樣品進行恰當?shù)奶幚砗捅４?。例如動物樣品，我們需要將樣品表面的皮毛、脂肪、血液、結締組織等剝離洗凈后盡快分離提取。如果凍存的話，普通冰箱零下十多度是不夠的，只能保存幾天，得在-70℃的超低溫冰箱里才能保存數(shù)月。

細胞是生命體組織和功能的基本單位，有的生化成分如淀粉酶、蛋白酶等分布在細胞外的體液中，就可以用溶劑直接提取，而如果要獲取細胞內(nèi)的物質(zhì)就需要對細胞進行破碎了。不同生物、不同部位的細胞，破碎的難易程度大不相同。常用的有機械粉碎法，包括研磨、壓榨、超聲、凍融等；還有化學法，即加入有機介質(zhì)；更高端的是酶解法，通過加入生物酶，例如溶菌酶等的作用使細胞自溶。

最后我們需要做的是從樣品中提取、濃縮和純化目標組分。提取就是用合適的溶劑從樣品中把目標組分分離出來。對溶劑的要求是對目標組分溶解度大，而對其他組分難溶。一般提取液的體積大，濃度低，雜質(zhì)多，所以接下來還要進行濃縮和純化。針對目標組分的特點，可以使用沉淀、過濾、結晶、透析、層析、凝膠電泳、色譜分離等方法得到更為純凈便于分析檢測的目標組分。

分析的工具和方法

人類進化中邁出的重要一步是學會了使用工具，而分析化學家們則把這一特質(zhì)發(fā)揮得淋漓盡致。例如轉(zhuǎn)基因作物的檢測，通過實時熒光PCR（聚合酶鏈式反應）的方法，就能實現(xiàn)準確高通量的定量檢測。它是一種選擇性擴增特定DNA片段的核酸合成技術，主要以變性、退火和延伸三個步驟來完成一輪PCR擴增。理論上，每一輪循環(huán)擴增的產(chǎn)物又可作為下一輪擴增反應的模板，這樣反應的產(chǎn)率就能呈指數(shù)級上升。每完成一個循環(huán)需1-4分鐘，2～3小時就能將目的基因擴增放大幾百萬倍。在實時PCR熒光檢測中，再通過加入熒光探針就能實時檢測擴增的情況。因此，根據(jù)待篩查外源基因的序列，設計合適的引物和熒光探針，通過PCR擴增后的熒光變化情況，我們就能準確判斷出外源基因的嵌入情況了。

除此之外，生命分析化學家們可依賴的生物識別和放大工具還有很多，例如功能化的各種納米材料、生物酶放大、磁分離富集、免疫識別以及近年來新興的適配體技術等。目前可廣泛使用的信號檢測方法和技術也是多種多樣的，例如紫外可見、熒光、電化學、電泳、色譜、微流控芯片等。有了這些“武器和裝備”，不管是流感雞還是毒膠囊，也都難逃我們的“火眼金睛”了。

專業(yè)性人才

生命分析化學是順應生命科學飛速發(fā)展的需求，結合傳統(tǒng)分析化學的優(yōu)勢，應運而生的一門新興交叉學科。從事該領域研究的人員首先要具備扎實的分析化學基礎知識和儀器分析的操作技能，還需有生物化學、分子生物學、細胞生物學、植物學、動物學、微生物學等學科的專業(yè)知識和實驗技能。此外，結合到實際應用中，一些特定的生化分析領域還需要儲備諸如臨床醫(yī)學、藥理學、毒理學、環(huán)境科學、食品化學等學科的相關知識。目前在我國高校中，從事該領域研究的課題組一般分布在化學院、生命科學院或者資源與環(huán)境學院中。

隨著大家對癌癥早期預測診斷、特效藥物研發(fā)、食品安全、環(huán)境危害和治理等問題關注的日益升溫，生命分析領域?qū)I(yè)人才的社會需求量也不斷上升。科研院所、醫(yī)療衛(wèi)生機構、檢驗檢疫部門、食品藥品企業(yè)和安監(jiān)部門等都將是生命分析專業(yè)人才展現(xiàn)才華的理想舞臺。