基因工程創(chuàng)造的最奇異生物范例

王志成

在黑暗中發(fā)光的動物？這聽起來像科幻小說，但它們已經存在多年了。能產生蝎子毒的卷心菜？也已經完成了。還有能夠抗癌治病的藥用雞蛋……

這些奇異的生物之所以存在，是因為它們的DNA已經被改變，并與其他DNA結合，創(chuàng)造出一套全新的基因。下面讓我們來看看現代基因工程已經創(chuàng)造的最奇異的植物和動物：

在黑暗中發(fā)光的熒光貓

早在2007年，韓國科學家改變了一只貓的DNA，使其在黑暗中發(fā)光，然后從中提取DNA克隆出其他貓——創(chuàng)造了一組毛茸茸的熒光貓。老鼠在黑暗中看見熒光貓就會立刻被驚呆而束手就擒。科學家是這樣做的：他們從土耳其安哥拉母貓身上提取皮膚細胞，再用基因指令將熒光蛋白插入細胞核;然后將基因改變的細胞核放入卵子中進行克隆，克隆的胚胎被植入捐獻者的貓體內，使貓成為自己克隆的代孕母親。

科學家表示，用熒光蛋白改造動物的能力將使它們能夠人工制造出帶有人類遺傳疾病的動物，可廣泛應用于對人類疾病的病因、發(fā)病機制、防治技術和防治藥物研究中。據最近一期《自然·方法學》雜志報道：美國梅奧醫(yī)學中心的研究人員將能對抗艾滋病病毒（HIV）的恒河猴基因和在紫外線照射下會發(fā)綠色熒光的水母基因注射到未受精的貓科動物卵子中。該水母基因主要用于追蹤限制因子，發(fā)出綠色熒光即表示體內存在該蛋白。科學家們通過試管受精技術讓這些卵子受精，隨后將其移植入代孕雌貓體內。經過22次嘗試，科學家們制造出了5只熒光貓，其中3只存活了下來。

綠色熒光經常在遺傳工程中作為標記細胞的工具。如果貓不發(fā)光，科學家就無法確認抗艾滋病毒基因是否進入了貓體內的細胞。最新研究結果證明，這3只熒光貓都能對抗貓類免疫缺陷病毒（FIV）。

專家認為：貓科動物能夠感染的FIV病毒，其侵入免疫細胞的機理和艾滋病病毒侵入人體免疫細胞相同。因此人們期望通過研究FIV，找到抵抗HIV的手段。為開發(fā)人類用的艾滋病疫苗，研究者多以猴子作實驗對象。而如果用貓做實驗，不僅花費更便宜，而且比用猴子更容易操作。此次科學家把能抗擊FIV病毒的猴子基因，轉移給了貓，讓貓體內也自然生成了抗FIV的蛋白質。這樣，科學家就可以從研究天然抗艾滋病的猴子，轉向天然抗艾的熒光貓。這對相關研究自然是一大便利。

產能高效的無污染環(huán)保豬

與其它飼養(yǎng)動物不同，圈養(yǎng)生豬的飼料需要含量較多的磷，因為磷在生豬數月生長中骨骼、牙齒和細胞壁的形成以及各種細胞和器官功能中起著關鍵作用。但是生豬體內很缺乏植酸酶，因此飼養(yǎng)生豬的飼料及其植物中自然產生的磷在沒有植酸酶的情況下是不可消化的。所以相當數量的磷元素會從豬的糞便中排出。反過來，這些廢物會進入湖泊、河流和海洋，導致藻類大量繁殖，耗盡水中的氧氣，殺死大量水生物。以往，大多數農民曾給豬的飼料中添加植酸酶作為補充。但是攝入的植酸酶并不像豬體內產生的植酸酶那樣能有效分解磷，其環(huán)境污染依然存在。

最近加拿大圭爾夫大學的研究人員花了十多年時間尋找自然界中負責分解磷的酶，最終在細菌的基因組中找到了它E-大腸桿菌。為了確保這種改變在哺乳動物身上有效，研究小組將E-大腸桿菌與帶有小鼠基因啟動因子復制成的特定片段基因注入顯微受精的豬胚胎。試驗表明，這種分解磷元素的細菌酶不僅被整合到豬的基因組中，它還可以被基因工程豬的后代遺傳。圭爾夫大學微生物學家、該項目的首席研究員塞西爾·福斯伯格說：“我們培育的環(huán)保豬現在已經是第八代了，而且這種分解磷元素的細菌酶已經傳播到了環(huán)保豬的所有世代?！?/p>

加拿大國家科技項目發(fā)言人利斯說：環(huán)保豬最近被批準在加拿大進行有限生產，因為它不僅解決了環(huán)境問題，其尿液和糞便中的磷含量減少了65%，幫助農民遵守了國家“零排放”規(guī)定;同時也解決了養(yǎng)豬過程中的社會挑戰(zhàn)，一是飼養(yǎng)環(huán)保豬將不再需要添加植酸酶，二是減少了豬排泄物的處理費用，減輕了農民的負擔。”

能自生蝎毒防治病蟲害的卷心菜

卷心菜是人們日常飲食的最主要蔬菜之一;但是，卷心菜在栽培生長過程中深受毛蟲、小菜蛾幼蟲等損害，必須施用大量殺蟲劑;而卷心菜中殘留的殺蟲劑又會對人體造成潛在的健康危害。北京大學生命科學學院蛋白質工程和植物基因工程國家實驗室的科研人員利用基因工程新技術，已經開發(fā)出能自體產生蝎子毒素防治病蟲害的轉基因卷心菜。

蝎毒是蝎子捕食和自衛(wèi)的最重要工具之一。其毒素AaIT的有效成分是一組由30—80個氨基酸組成的具有神經毒性的蛋白質;科研人員將AaIT編碼序列合成到卷心菜基因中，從而使卷心菜具有顯著的抗蟲活性。這種會自身產生蝎子毒素的轉基因卷心菜，在栽培生長過程中能夠防止毛蟲、小菜蛾幼蟲等損害，因而限制了殺蟲劑的使用;而且，其毒素經過了改良，所以對人類無害。

能生產鋼絲的蜘蛛羊

結實、柔韌的蜘蛛絲是自然界中最有價值的材料之一，如果我們能夠將其商業(yè)化生產，它可以被用來制造一系列產品——從生物鋼絲韌帶到降落傘繩。幾年前，加拿大Nexia生物技術公司宣布他們找到了答案：一只山羊在其羊奶中產生蜘蛛絲蛋白。

據報道，金球蜘蛛分沁的蜘蛛絲是地球上最堅固、最不可穿透的物質之一，而且它非常輕。但問題是，金球蜘蛛并非是生產這種絲的有效工廠——它們太小了。生產一件罕見的11×4金球絲織物，它需要一百萬只蜘蛛，70名工人，以及連續(xù)四年的絲綢收集。這種生產水平是不現實的。Nexia公司的研究人員將金球蜘蛛的絲蛋白遺傳基因插入到山羊的基因中;然后將轉基因細胞與山羊卵結合生成胚胎，胚胎有著合成其DNA的基因;當母羊開始分泌乳汁時絲蛋白就產生了。

與Nexia公司合作的美國懷俄明大學分子生物學家蘭迪·劉易斯博士說：“蜘蛛羊是一種獨一無二的轉基因山羊，因為當母羊開始分泌乳汁時蛛絲蛋白就產生了?，F在懷俄明大學經營的農場有大約有近百只蜘蛛羊，正在發(fā)展成為世界最特異絲綢的生產基地?！眲⒁姿共┦恐赋觯河芍┲胙蛏a的這種特殊的金球蜘蛛絲蛋白是第一種轉基因材料，可以用來制造比鋼還優(yōu)異的生物鋼紡織材料。這簡直是一場革命。

能夠抗癌治病的藥用雞蛋

曾以培養(yǎng)克隆羊多利而聞名于世的英國羅斯林研究所不久前培育出一種轉基因母雞，這種母雞下的蛋含有能夠抗癌和防治其他疾病的蛋白質。

據美國《國家科學院通訊》報道，羅斯林研究所的研究人員首先選定了兩種蛋白質，一種是能用于治療皮膚癌的抗體miR24，它對關節(jié)炎也有療效;另一種是人體干擾素b-1a，它屬于免疫系統(tǒng)蛋白，能夠攻擊腫瘤和病毒，阻止病毒在細胞中復制。隨后，研究人員培育出攜帶能合成上述兩種蛋白質的人類基因的病毒，并將病毒感染小雞早期胚胎。這些病毒能將人類基因植入新下雞蛋的DNA中;然后再孵化這些雞蛋，并找出精液中攜帶人類基因的公雞。這些公雞與母雞交配后，繁育出下一代小雞。依此類推，通過多次繁殖，最后培育出的轉基因母雞下的雞蛋蛋清中就攜帶了類似于治療皮膚癌和其他疾病的藥物的復雜藥物蛋白質。

“考慮到抗生素愈演愈烈的耐藥性危機，通過轉基因動物的副產品增強人體免疫系統(tǒng)治療疾病是一種新興的替代方案。”英國生物技術及生物科學研究理事會科學政策主管塞里·林·亞當斯博士表示，“我們很期待全力發(fā)展這項技術。該技術未來不僅能用于人類制藥，在科研和動物醫(yī)療領域也能大展身手?！?/p>

譯據美國雜志《點劃線特刊》2020年9月號（選文有刪改）

原文作者：南卡羅來納大學生物學教授勞拉·莫斯博士