人与自然 系列丛书-第180章
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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。。微生物酶人类认识和利用微生物酶的历史较长，总是揭开一个谜，使生产前进一步，紧跟着又产生一个新的待揭之谜，引导着科学家不断地研究，不断地前进。
酒精虽说是化工产品，但酒精厂里根本不像一般的化工厂，既没有高温高压的化工设备，也没有耐酸耐碱的大型装置，仅有一排排简单的大发酵罐，像是列队欢迎人们来参观，给人一种温和而亲切的感觉。走到发酵罐旁看看温度计，这里的温度只有32°。原来这是温和化工厂，它的“脾气”比一般化工厂温和，因为微生物是制造这些合成与分解反应的“小工艺师”，它们在生命活动过程中可以迅速把各种原料“吞吃”掉，同时“排泄”出我们所需要的各种发酵产品，例如酒精、甘油、柠檬酸、氨基酸、青霉素、链霉素等数千种与人类生活密切相关的产品。
这些“小工艺师”个子十分矮小，小到我们用肉眼看不见。例如一种名叫大肠杆菌的细菌，要1000名成员排起来才有一颗小米粒那么大。它们不能耐高温、高压，更忍受不了强酸碱，但在常温常压酸碱度接近中性或稍酸些稍碱些的环境下，能迅速地繁殖，24小时就可繁殖72代，这个生长繁殖速度是动植物望尘莫及的。虽说微生物的个子很小，可它的精力旺盛，干劲十足，一个微生物一昼夜就能“吞下”并消化掉相当于它自身重量30～40倍的食物。它吃得多，长得快，代谢速度十分惊人。微生物之所以有如此大的食量，是因为它体内有丰富的酶，科学工作者估计微生物体内含有1300多种酶。这些酶，我们可以将它分离提纯用于发酵工业等方面。
最初，人们多从动物脏器及植物种子果实里提取酶，但这些生物内含酶量很少，而且这些生物繁殖饲养受到一定自然条件的限制，因此酶的生产量小，与酶制剂越来越广泛的应用是很不相称的。
人们敲开微生物世界大门后，发现各种动植物体内的一切酶类，几乎也都存在于各种微生物体内，因为微生物的一切生命活动都离不开酶，微生物体外的大分子营养物质如淀粉、蛋白质、脂肪等都必须由胞外酶分解成小分子化合物后，才能被微生物吸收。小分子化合物进入细胞后也要由酶来分解，从而释放能量并获得中间产物。微生物利用这些中间产物和能量，组成它自己的细胞物质，这一系列的生物化学反应都是在酶的催化下进行的。这些微小生物里酶的发现，一下子丰富了酶的来源，每个微生物细胞都是一座生产酶的“小工厂”。这为酶在医药、化工、食品、纺织、造纸、酿造、日化、制革等方面的广泛应用打开了方便之门。
酶工程——活性催化剂的应用
酶是由生物体产生的具有催化剂活性的蛋白质。它们可能特定地促成某个化学反应而它们本身却不参与反应，且具有反应效率高、反应条件温和、反应产物污染孝能耗低、反应容易控制等特点，这些特点相对于传统的化学反应来说就具有较大的优越性。酶工程就是利用酶催化作用，通过适当的反应器，工业化地生产人类所需的产品或是达到某一特殊的目的，它是酶学理论与化工技术相结合而形成的一种新技术。酶工程包括开发和生产有较大应用价值的酶类，对这些酶进行分离纯化鉴定，使酶固定化，研究和设计多酶反应器以及扩大各种酶的应用等几个方面。
微生物为我们提供了种类繁多的酶，这些酶除了要经过分离纯化以及功能鉴定以外，还要经过另一项技术处理，那就是固定化技术处理。因为酶虽然能在常温常压下催化作用，但生物酶定性差，溶液态的酶存在着使用以后无法回收的弱点，因此人们就希望通过化学或物理方法将酶束缚在一定的区域内，就是使酶固定后再进行催化作用。酶经固定后可以反复使用，这就导致了许多生物反应器的出现，这些反应器的出现无非是要提高生产率、降低成本和能耗、减少污染以及使后加工更加容易。
酶工程的应用主要集中于食品业、轻工业以及医药工业中，例如固定化青霉素酰胺酶可连续裂解青霉素生产6—氨基青霉烷酸代替化学合成生产；α—淀粉酶、葡糖淀粉酶和葡糖异构酶达三个酶连续作用于淀粉就可以代替蔗糖生产出高果糖浆；α—半乳糖苷酶可水解甜菜糖蜜中的棉籽糖而生成半乳糖和蔗糖，大大提高了蔗糖的收率；蛋白酶用于皮革脱毛脱胶以及洗涤剂工业；固定化酶还可以治疗先天性缺酶病或是器官缺损引起的某些功能的衰竭，甚至可以克服溶液酶在治疗中引起的机体免疫反应等等。我们日常生活中常见的加酶洗衣粉、嫩肉粉，都是酶工程最直接的体现。
基因工程
如果我们能够得到某一种生物的基因，就有可能给一种生物增加一个它原来没有的基因，让这个基因工作，使这种生物产生新的遗传特性，变成一个新的物种。这就是基因工程的基本原理。简单点说，基因工程是在人工控制下，对生物的基因进行改造，使生物产生新的遗传特性的一门现代科学技术。
基因工程的操作过程有三个主要步骤：第一步是获得某种基因；第二步是把这种基因送进细胞里去；第三步是让这种基因发挥作用。下面我们以应用基因工程技术生产人的胰岛素做例子，谈谈这三个步骤是怎样进行的。
胰岛素是人身体里一种很重要的激素。是由胰脏里的一种胰岛细胞制造出来的。胰岛素对于人身体吸收利用糖起着重要作用。人身体里缺乏胰岛素，就会得糖尿玻所以胰岛素是治疗糖尿病的特效药。过去医疗上用的胰岛素，都是从动物的胰脏里提取的，要用很多胰脏才能提取到一点点胰岛素。现在应用基因工程方法，已经可以利用大肠杆菌来生产出胰岛素，这就方便多了。
用基因工程方法来生产胰岛素，首先是要得到胰岛素基因。这一步有三个办法可以用：1。直接从人的胰岛细胞里提取；2。找到从胰岛素基因上面转录下来的那个信使核糖核酸，在一种反转录酶的作用下，反过来复制出一个胰岛素基因；3。人工合成一个胰岛素基因。这个办法现在用得越来越多了。科学家们应用这三个办法不但得到了胰岛素基因，还得到了几十种基因，有人体的基因，也有别的生物的基因。
得到了基因，还要把它送到某一种生物的细胞里去，它才能工作。这是第二步工作。要把基因送进细胞里去，必须有合适的运载工具。这好比要把人造卫星送上运行轨道，需要用运载火箭一样。科学家们把运送基因的工具叫做运载体。运载体必须有两个条件：一是能够和基因相连接；二是生物的细胞能够接受。科学家得到了胰岛素基因以后，把它跟一种叫做质粒的运载体连接在一起。这质粒是从细菌的细胞里找到的一个圆环形状的DNA分子。
就利用这个质粒把胰岛素基因带进大肠杆菌的细胞里去。
在进行这些工作的过程中，要用各种各样的生物催化剂，也就是酶。有的酶能把质粒切断，有的酶能把基因和质粒连接在一起等等。这些酶就像机械工程师手里的钳、螺丝刀差不多，是科学家们搞基因工程必不可少的工具。
所以人们把这些酶叫做工具酶。
把基因和运载体连接在一起以后，就可以通过感染、渗透，或者是微量注射等办法，让基因随着运载体进到生物的细胞里去。科学家们选择了寄生在人的大肠里的大肠杆菌，作为接受基因的细胞。因为大肠杆菌很容易得到，也很容易繁殖。
基因进入细胞以后，要让基因工作起来，还要创造一些条件，比如要想办法让基因开动起来，还要给细胞提供营养等等，让它为我们生产出胰岛素来。这就是第三步了。科学家把经过基因工程改造而产生的新菌种，叫做基因工程菌。
在美国，用基因工程菌生产出来的胰岛素已经投入市场，使用在临床上。
十多年前，我国科学家建立的生产人工胰岛素的基因工程菌，生产效率大大提高，为投入生产奠定了基矗医药工业上，除了刚才介绍的胰岛素的生产以外，还有许多贵重药品都通过基因工程技术生产出来。比如治疗侏儒症的人生长激素，对治疗癌症有很大作用的干扰素，以及人血清白蛋白等等，都已经经试制成功，不久的将来可以投入生产。基因工程技术的应用，将改变传统的药物来源和生产工艺，引起医药工业的重大技术革命。
在农业生产上，基因工程技术在培育农作物新品种和家禽新品种方面，也将会大显身手。有人把一种乙醇脱氢酶基因送到农作物的细胞里，培育出耐涝能力特别强的作物。有人把一种使农作物能够忍耐高的渗透压的基因送进农作物，培育出耐旱、能在盐碱地里生长的作物。还有人把抗枯萎病的基因送进棉花细胞里，培育出抗病的棉花品种。更有趣的是，1982年，美国科学家用基因工程技术把大白鼠的生长激素基因传给了小白鼠，结果增育出个子增加一倍的大个子老鼠，而且这种长大个子的遗传特性，可以传给后代。
科学家们正在考虑用基因工程技术培育家畜新品种，如果成功，那么使猪长得像牛那样大，甚至长得像大象那样大也是可能的。
基因工程技术不但在生产上可以大显身手，在生物学研究中也大有用常比如对于癌症的研究，基因工程正在发挥作用。现在已经有人发现，癌症是由基因发生了某种变化而引起的，使人类对癌症的认识前进了一步。科学家们认为，基因工程技术是解决生物学上一些重大难题的有力工具。
目前基因工程技术的应用，还有许多问题没有解决，许多研究成果要走出实验室，进入大规模应用，还有一段距离。现在科学家们花很大精力在研究怎样使基因工程的产品产量高而又成本低。只有解决这个问题，基因工程技术才能得到经济效益。有人说，基因工程是今天的科学，明天的技术，后天的产业，这话是有道理的。
人体的“百科全书”
有人说人类基因组工程是人体的“百科全书”。你知道什么叫人类基因组工程吗？这是一项可与生产原子弹的曼哈顿计划和载人登月的阿波罗计划相比的宏伟工程，它是指对包含人的遗传信息的整套染色体的系统研究工程。
我们知道，人的基因是由遗传密码核苷酸组成的。每个人体细胞内有23对染色体，染色体上有10万个基因，它们约由30亿个核苷酸对组成。打个比方吧，如果我们把一个核苷酸对看作是一个词，把这套30亿个核苷酸对印成书，就相当于1000套厚厚的《辞海》。从这个角度来说，这是一部包括人类全部基因组信息的遗传基础的人体科学的“百科全书”。因为人类基因组计划的目的，便是要把储存遗传信息的所有核苷酸的排列顺序统统搞清楚。
这项计划最早是在1985年由美国科学家提出来的。经过专家们反复论证，在1988年美国国会终于批准实施这个计划，准备花15年时间，投资30亿美元将这30亿个核苷酸的排列“奥秘”找出来。世界上有很多国家的科学家们都热衷于此项研究工作并积极设法参予，因为他们充分意识到这项工作的意义及它对以后科学发展的推动作用。可以说，这项计划已形成了本世纪以来的基因组研究热。
目前科学家们准备把此项工程分成三个阶段进行实施：一是描绘人类基因组图谱，也就是必须确定基本一个基因在某一个染色体上的确切位置；二是制作物理图谱，这是一种比较精确地对基因的描绘，即人们通过物理图谱可以找到任何一段DNA的精确排列位置；三是可以准确地测定DNA的顺序，这将是整个计划工程中最艰难的一个步骤。
从1988年美国国会批准实施这项宏伟的人类基因组计划开始，至今已近10年了。按照科学家们的预计，此项伟大工程将在15年内完成，即要在下世纪初完成。到了那时，人类便拥有一部关于人体科学的“百科全书”，人类将自信地面对各种疾玻因为各种遗传并癌症的起因与治疗等难题，都可以依靠查阅这部“百科全书”来解决。
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”，不再致玻要进行基因治疗，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。
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