转基因的妙用（方舟子）

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转基因的妙用

方舟子

摘自少年儿童出版社2005年4月出版
方舟子著《餐桌上的基因》第四章


　　为什么转基因

　　既然许多人对转基因技术有那么深的误解，施加于它的阻力那么大，科学家们为什么还要研究、推广它？因为用转基因技术是一项能够用于造福人类的新技术，用它获得的生物，有很多奇妙的用处，是用传统的育种方法很难得到的。

　　在农业生产中，要定期除掉田间杂草免得它们跟农作物争夺肥料。与手工除草相比，喷洒除草剂可以减小劳动强度，降低劳动成本，提高粮食产量。除草剂有很多种，毒性有强有弱，针对性也不同。草甘膦是一种比较温和、对环境破坏性很低的除草剂，但是它在杀死杂草的同时，也对作物有破坏作用，影响作物的生长。农民为了能够有针对性地除去杂草，往往要用好几种毒性较强的除草剂。给农作物转入抗草甘膦基因，让作物体内在这个基因的指导下生产出能抵抗草甘膦的破坏作用的某种酶，作物即使吸入了草甘膦也能继续生长。因此，种植了抗除草剂转基因作物后，农民只要施加一两次温和的草甘膦，就可除去野草，又不损害农作物，而不必采用多次施加各种较有针对性但是毒性较强的除草剂。

　　给农作物转入抗虫害基因，农作物会制造一种毒性蛋白，对其他生物无毒，但能杀死害虫，这样农民就可以减少喷洒杀虫剂，既保护了环境，又减少食品中的农药残余量，让食品变得更安全。据统计，美国由于推广抗虫害转基因作物，四年内少喷洒了120万公斤的杀虫剂。转基因作物还能增加产量，例如抗虫害转基因玉米能增产5－15％。

　　转基因技术也可用于改变食物的营养成分，例如减少土豆的水分，这样炸出来的土豆片更脆；降低植物油中的不饱和脂肪酸，能延长储存期限；消除虾、花生、大豆中能导致过敏的蛋白质，这样原来对虾、花生、大豆过敏的人也可以放心地吃它们了。转基因西红柿不仅容易运输、保存，而且味道也更佳。用转基因技术让水稻制造贝塔胡萝卜素（在人体内变成维生素A），有助于消灭在亚洲地区广泛存在的维生素A缺乏症。转基因技术可提高稻米中铁元素的含量，以减少以大米为主食的人群当中常见的贫血症，也可提高稻米的蛋白质含量。

　　给牲畜、鱼转入能够大大增加生长激素分泌量的基因，会使它们长得特别快，在短时间内就可供食用。

　　用转基因技术，可以让绵羊、山羊、奶牛、母猪分泌含有某种具有医疗价值的人体蛋白质（例如干扰素、血液凝结因子）的乳液，收集、提纯用于制造药物。

　　在研究、开发中的其他项目还包括用转基因技术让农作物具有抗霜冻、抗旱、抗病（例如小麦锈病）和固氮能力。大家都知道大豆有固氮的功能，能从空气中吸收氮气，所以不用施氮肥。我们如果把这段大豆的基因克隆出来转到别的作物中去，这样别的作物也会有固氮的功能，也不用施氮肥。用转基因技术可以让水果生产霍乱、乙肝疫苗，小孩吃了它就可以起到免疫的作用，免了打针的痛苦。利用转基因技术能让动物生产可用于人体器官移植的动物器官，例如，人们一直在研究把猪的器官、组织移植到人身上，通过转基因技术，对猪的器官、组织进行修饰，能使之更适宜移植到人体；建立可用于诊断、治疗人类疾病及新药筛选的动物模型，例如用转基因猪作为研究某种疾病，特别是心血管疾病的模型。

一些转基因作物的例子   
苹果  抗虫害、抗病害   
咖啡  去咖啡因   
玉米  抗虫害、抗除草剂   
甜瓜  延缓软化   
油菜  抗除草剂、改变油的成分   
土豆  抗虫害、抗病害、改变淀粉含量   
水稻  抗虫害、抗病害，提高铁元素、贝塔胡萝卜素、蛋白质的含量   
大豆  抗除草剂、抗病害、去除过敏原、改变油的成分   
向日葵  改变油的成分   
甘薯  抗病害   
西红柿  延缓软化、提高抗氧化剂含量   
小麦  抗除草剂、去除麸质   
香蕉  可食疫苗  

　　下面我们只举出几个巧妙利用转基因技术的例子。

　　转基因西红柿

　　转基因西红柿是第一种上市的转基因食品。以前，农民要趁西红柿还没有成熟，果实还是绿色的时候就采摘下来。没有成熟的西红柿被运送到商店后，喷上乙烯将它们催熟，变成红色再摆出去卖。这种人工催熟的西红柿没有自然成熟的西红柿好吃。


转基因西红柿

  


　　为什么不等西红柿成熟、变红再采摘呢？因为西红柿成熟后，皮也软了，运输过程中容易破。能不能让成熟的西红柿皮不变软呢？西红柿的皮变软，是因为有一种叫做多聚半乳糖醛酸酶的酶把细胞壁中的胶质给分解了。科学家们把编码这种酶的基因克隆出来，测定了它的序列。然后合成一个和它相反的“反义基因”。把“反义基因”转入到西红柿细胞中去，会干扰原来基因的活动，让它再也没有办法合成多聚半乳糖醛酸酶，细胞壁中的胶质不会被分解掉，西红柿即使成熟了，皮也不会变软。我们就可以等到它自然成熟了再采摘，不用担心不好运输。这样，自然成熟的转基因西红柿吃起来就要比人工催熟的普通西红柿好吃。

　　这种转基因西红柿不仅容易运输，而且可以存放很长时间也不会坏。用转基因西红柿做的番茄酱比较稠，吃起来口感好，这是因为番茄酱的稠度和细胞壁中胶质的含量有关，胶质含量高，稠度也高。还有，这种转基因西红柿不容易发霉，可以避免因为吃了发霉的西红柿而把霉菌分泌的毒素吃进去。由于转入的“反义基因”只干扰聚半乳糖醛酸酶的基因，不会干扰其他基因，因此转基因西红柿的营养成分没有发生变化。

　　抗虫害作物

　　苏云金芽孢杆菌（拉丁学名Bacillus thuringiensis，简称Bt）在它的芽孢中会分泌一种称为“内毒素”的蛋白质晶体。这种内毒素是无毒的。昆虫吃了苏云金芽孢杆菌的芽孢后，内毒素晶体在昆虫的肠道中溶解，并经过昆虫肠道中的蛋白酶加工，被激活变成了有毒性的蛋白毒素，与肠道细胞表面上的受体结合，造成昆虫肠道穿孔。昆虫因此不再进食，1－3天后就饿死了。很早以前，这种生物毒素就被做为生物农药使用，向作物喷洒，但是这种生物农药要比化学农药贵很多。把编码内毒素的基因克隆出来，并转入到作物细胞中，这样培养出来的转基因作物也能分泌内毒素，害虫吃了转基因作物的叶子后，也吃进了内毒素，将会被毒死。因此，栽培抗虫害转基因作物，可以不用或者少用农药。目前栽培得最多的是抗虫害转基因玉米和转基因棉花。


遭到玉米螟侵害和真菌感染的普通玉米(左)与Bt玉米(右)

  


　　有人可能会担心，人或牲畜吃了这种含有内毒素的转基因作物，是不是也会中毒呢？我们在吃食物时一般是要加热、煮熟才吃的，内毒素是一种蛋白质，蛋白质加热后会变性，失去活性。即使是生吃也没有关系，内毒素只有在昆虫肠道碱性环境下才能加工成有毒的蛋白，而人和牲畜的胃环境是酸性的，并且它们肠道细胞表面不含有毒素蛋白的受体，因此不会中毒。被人和牲畜吃下去的内毒素，会像其他蛋白质一样被消化、分解掉。用老鼠和绵羊做的实验也表明吃内毒素不会影响哺乳动物的身体健康。

　　金大米

　　用转基因技术不仅可以把某个外源基因转入生物体，而且可以同时把好几个外源基因转入生物体。其中一个例子是瑞士联邦理工学院的科学家波特里科斯等人培育出来的转基因水稻“金大米”。“金大米”是为了补充人体的维生素A和铁元素而培育出来的。如果人体缺乏维生素A，会导致夜盲症，到了晚上眼睛就看不清，还会得皮肤病，有时甚至导致死亡。严重缺乏维生素A的儿童死亡率高达50%以上。全世界大约有4亿人患有维生素A缺乏症，这些患者大多数在亚洲。半岁到5岁的中国儿童中，有12％缺乏维生素A。大米是亚洲人天天要吃的主食，但是大米的营养成份中缺少维生素A，如果通过吃大米能够补充维生素A，就有助于消灭在亚洲人当中广泛存在的维生素A缺乏症了。这可以通过转基因技术来做到。科学家们为此向水稻中转入了四种酶的基因，这四种酶能够被水稻细胞用来制造贝塔胡萝卜素，它进入人体后能被转变成维生素A。其中两个基因来自喇叭水仙，另两个基因来自欧文氏菌。这种转基因水稻生产出来的大米是金黄色的，所以被称为金大米。每天吃300克金大米，就可以防止维生素A缺乏症。


金大米

  


　　一般人不知道，我们天天吃的大米实际上不是“健康食品”。大米中含有一种叫做肌醇六磷酸的小分子，它能与铁紧紧地结合，使得小肠难以吸收食物中的铁。因此那些以大米为主食的人，容易患上铁缺乏症而导致贫血。儿童缺铁还会导致智力发育不良，而至少有5千万名中国儿童缺铁，40-60％两岁以下中国儿童有因缺铁而造成智力发育不良的危险。为了解决缺铁问题，科学家们还往金大米中再转入三种基因：一种是来自无花果曲霉的酶基因，这种酶能够把肌醇六磷酸降解掉；一种是来自菜豆的铁蛋白基因，铁蛋白能够储存铁；还有一种是来自印度香米的基因，它生产的蛋白质有助于人的肠道吸收铁。这样，金大米总共被转入了7种基因，来自5种物种！吃这种转基因大米，要比吃普通大米更有益身体健康。

　　地雷探测草

　　1997年签署的渥太华协议禁止在战争中使用地雷，因为即使在战争结束后，埋藏在地下的地雷会是一种长期难以消除的祸根。目前世界各地还埋有大约1亿个未爆炸的地雷，平均每年导致25000多人死亡或受伤。联合国计划在2009年清除大部分地雷，但是目前使用的方法昂贵、低效率而且很危险。每清除一个地雷要花费300－1000美元，而每清除1800－2000个地雷就会出现一次事故。丹麦科学家们开发出了一种既便宜又安全的探测地雷方法：让转基因草告诉人们哪里埋有地雷。

　　他们使用是一种在路边常见的草——拟南芥，它也是植物遗传学家最经常使用的实验材料，因为它生长速度很快，从发芽到成熟大约只需要6周。拟南芥在秋天，或者在寒冷、干旱的条件下，叶子会变红。有一种拟南芥突变型由于缺少制造红色素的基因，叶子不会变红。丹麦科学家给拟南芥突变型转入了制造红色素基因，同时给这个基因带上遗传“开关”启动子，让它在遇到二氧化氮时，才开始制造红色素，让叶子变红。

　　埋藏在地下的地雷中的炸药会慢慢泄漏到土壤中，被细菌分解释放出二氧化氮，如果转基因拟南芥长在这样的土壤中，叶子就会由绿色变成红色。我们往怀疑埋有地雷的地区播撒转基因拟南芥的种子，过几周后，看长出来的拟南芥叶子是否变成红色的，就可以知道那个地区是否埋有地雷了。为了能够控制转基因拟南芥的生长范围，防止它们逃逸到自然环境中去，丹麦科学家还对转基因拟南芥做了进一步的改造，只有在往土壤中添加一种生长因子的情况下，种子才能发芽，而且要添加另一种生长因子，才会结种子。这样，转基因拟南芥如果没有人工培育，就不能生存、繁殖。

　　不会引起过敏的大豆

　　有一些人（主要是5岁以下的幼儿）会对大豆过敏，吃了大豆后起疹子、皮肤发痒、腹泻。有一半以上的大豆过敏症是由于大豆中一种称为P34的蛋白质引起的。美国科学家采用一种巧妙的办法，让编码P34蛋白质的基因停止作用。他们不是像通常做的那样把P34基因去除掉，而是再加入一个P34基因。这个外来的P34基因和原来的P34基因都制造同一种信使RNA，以便制造P34蛋白质。但是信使RNA的含量过多，却让细胞误以为被病毒感染了，就把所有这些信使RNA都消灭掉，并抑制制造该信使RNA的P34基因的活动，包括原来的P34基因。这样，转基因大豆就不再生产P34蛋白质了。我们不知道P34蛋白质究竟有何功能，但是看来它对大豆植株的健康无关紧要，这种转基因大豆与天然的品种长得一样好。

　　大豆中还有两种蛋白质会引起过敏。不过，有一些大豆的天然品种缺少这两种过敏蛋白，因此只要让这些野生品种的P34基因不起作用，就可以培育出三种过敏蛋白都没有的大豆，所有对大豆过敏的人都可以放心吃它了。

　　巨型鲑鱼

　　许多动物的生长速度取决于体内生长激素的含量。我们可以用转基因技术，来提高动物体内生长激素的含量。一种做法是给动物体转入生长激素基因，并且让它带上一个“开关”——金属硫蛋白基因的启动子。金属硫蛋白是一种能够与重金属结合的蛋白质，它的基因的启动子遇到重金属时，就能大量地表达和它连在一起的任何基因，例如生长激素基因，从而让细胞大量地生产生长激素。用这种方法培育出来的转基因鲑鱼，在同一生长期内，平均重量要比普通鲑鱼重11倍！它们不仅长得快，而且成熟得也快，至少比普通鲑鱼快1倍。


转基因鲑鱼(上)与同年龄的野生鲑鱼(下)

  


　　转基因鲑鱼的形态和味道都和普通鲑鱼没有区别，会受到养殖者和消费者的欢迎。但是有一个问题：如果转基因鲑鱼逃到野外，和野生鲑鱼争夺食物和配偶，有可能导致野生鲑鱼灭绝。转基因鲑鱼胃口比较大，进食比较多，会把野生鲑鱼的饭都给抢了，而且能把野生鲑鱼的配偶也抢了。雌性鲑鱼喜欢和体型比较大的雄性鲑鱼交配，因为在野外，体型比较大，说明他生存能力比较强，带着好基因。如果雄性转基因鲑鱼逃到了野外，雄性野生鲑鱼都不如他们有“魅力”，但是他们体型大只不过是因为人工加入的生长激素基因导致的假相，并不是因为他们有特别适合生存的好基因。雌性野生鲑鱼和他们交配产下的后代，不仅没有生存优势，反而比野生鲑鱼更不容易存活。这样一代代下去，就会导致鲑鱼绝种。

　　因此，在放养转基因鲑鱼时，不仅要把它们养在封闭的环境中防止它们逃到野外去，而且为了保险起见，还要采取一些办法（例如在鲑鱼卵发育时加高温）让这些转基因鲑鱼都丧失生殖能力，这样即使个别的转基因鲑鱼逃出去，也不会和野生鲑鱼交配生子。

　　荧光鱼

　　有许多种生物都能发光，例如某些细菌、昆虫、腔肠动物，它们能发光与某种蛋白质有关，但是参与的蛋白质和发光机制不太一样。萤火虫发光是其体内荧光素酶氧化荧光素导致的，腔肠动物发光是因为体内有能发光的蛋白质，叫做发光蛋白。能发光的腔肠动物包括水母和珊瑚虫。水母体内有两种发光蛋白，一种是水母素，它在环境中有钙离子时就能发出蓝光，另一种是绿色荧光蛋白，它吸收了水母素发出的蓝光后，发出波长较长的绿色荧光。但是人们发现，绿色荧光蛋白的发光并不需要有其他因子的参与，只要用紫外线照射就能使之发光，而且绿色荧光蛋白极其稳定，又没有毒性，所以在生物学研究中应用得最多。

　　1992年，生物学家将水母绿色荧光蛋白的基因克隆了出来。把它的基因做一些改动，得到的发光蛋白会发出不同颜色的荧光，例如黄色、蓝色、蓝绿色的荧光。珊瑚虫的发光原理和水母的类似，不过，它的发光蛋白是红色荧光蛋白，发的是红色荧光。

　　如果把发光蛋白基因转入其他生物体中生产发光蛋白，其他生物体也会发光。科学家们已经创造出了许多种能发荧光的转基因动植物，比较著名的是新加坡国立大学的科学家创造出的荧光斑马鱼。


荧光斑马鱼

  


　　斑马鱼是一种常见的观赏鱼，它身上的条纹通常是黑白相间的。荧光斑马鱼被分别转入了水母绿色荧光蛋白或珊瑚虫红色荧光蛋白的基因，在紫外线照射下，能够发出绿光或红光。荧光斑马鱼做为观赏鱼在市场上销售，是第一种上市的转基因动物。但是科学家们想要用它来检测水中的污染情况。为此他们给发光蛋白的基因加上了“开关”——启动子。这些转基因斑马鱼平时不发光。在遇到重金属、毒素、激素时，启动子会“打开”发光蛋白的基因，让斑马鱼立即发出荧光来。我们可以给不同颜色的荧光蛋白基因加上与不同的污染物结合的启动子，这样，我们就可以根据斑马鱼发出的是什么光，而知道水中有什么样的污染物。这种检测法极为灵敏，要比用仪器检测更便宜、更快速、更敏感。而且这些荧光斑马鱼可以反复使用，让它们撤离被污染的水域，它们就会逐渐失去荧光，放进污染水域，又会重新发光。

　　另一种比较著名的转基因荧光动物是荧光猪，这是把水母绿色荧光蛋白基因转入猪体内制造出来的。在紫外线的照射下，荧光猪的蹄子、鼻尖、舌头这些没有被毛发遮盖的部位发出了荧光。

　　转基因猴

　　2000年10月2日，第一头转基因猴子在美国诞生。这个实验是这么做的：俄勒冈健康科学大学的科学家往224个恒猴卵细胞注射进携带水母绿色荧光基因的病毒，病毒有可能把它携带的基因结合进细胞的染色体中。几个小时后，让这些卵细胞受精，受精卵中大约有一半变成胚胎。研究人员选择40个胚胎植入到20头恒猴的子宫中（每头恒猴植入两个胚胎）。只有5个胚胎在体内继续发育成胎儿。其中一对是孪生兄弟，后来流产了。它们的毛发和趾甲在紫外线照射下会发出绿色荧光，说明绿色荧光基因被成功地转进去并表达出来了。它们的流产可能不是转基因导致的，在恒猴中，孪生怀孕本来就容易流产。最后生下的三头健康的雄性幼猴，有两头没有携带绿色荧光基因，有一头携带了绿色荧光基因，但是在紫外线照射下并没有发出荧光，原因不详，可能是因为它没能生产绿色荧光蛋白，或者生产出来的绿色荧光蛋白的量太低。


转基因幼猴和母亲



　　这个实验大约花费30万美元。这么贵重的转基因猴有什么用处呢？可以说没有用处，它只是说明了外源基因能够成功地被转入灵长类动物中，并且对灵长类的健康没有影响。以后如果转入人类的疾病基因，就可以用转基因猴做为模型研究人类某种疾病的病理和测试药物。同时，它也说明，以后也可以用类似的方法对人的卵细胞的基因组进行改造，制造出转基因人，当然，这里面存在着伦理问题。