一次意外的科學發現，掀起了生物技術產業的革命

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「科研圈」（ID:keyanquan）

（圖片來源：nautil.us）

作者 | 卡爾 · 齊默（Carl Zimmer）

翻譯 | 許黎珊

審校 | 魏瀟

當今社會，生物技術在經濟領域中幾乎無處不在，因此，我們很難確切地知道生物技術在整體經濟中究竟佔有多大的分量。現在的轉基因生物，比如細菌和植物，已經能夠生產藥物、食品、燃料甚至服裝面料。羅伯特 · 卡爾森（Robert Carlson）是生物科技公司 Biodesic 的負責人和投資公司生物經濟資金（Bioeconomy Capital）的創始人。他最近仔細的算了筆帳，結果得出了一項驚人的結論——在2012年（這是他能獲取到有效數據的最近的年份），美國單單在生物科技領域獲得的財務收入就超過3240億美元。

卡爾森說：「生物技術對經濟的貢獻比我們常常談論的礦產業和製造業還要多，我認為這出乎所有人的預料。」

生物技術的發展速度讓人感到震驚的原因並不在於該產業的規模，而在於它還過於年輕。兩個世紀之前的第一次工業革命帶來了生產業首次巨大的變革，與之相比，生物技術產業誕生至今只有40年。它的出現要歸功於約翰斯 · 霍普金斯大學的微生物學家哈密爾頓 · 史密斯（Hamilton Smith）和他的同事，他們在20世紀60年代發現了可以切割 DNA 的限制性內切酶（Restriction enzymes）。史密斯向全世界展示了限制性內切酶的作用，於是，其他科學家就開始把這種酶當作「剪刀」，用於基因編輯。

卡爾森說：「一旦你可以開始用這些工具改變世界，新世界的大門也隨之打開。」

限制性內切酶的應用是一個教科書級別的經典實例，它表明了基礎研究最終如何對社會產生巨大的經濟效益。史密斯在最開始研究限制性內切酶的時候，並沒有心懷這麼宏大的理想，他僅僅是想做些科學研究。這位現在已經85歲高齡的老人曾經說過：「科學研究實在太有趣了，對我來說，學無止境。」

△ 哈密爾頓 · 史密斯（圖片來源：wikipedia）

一個令人沮喪的實驗

在1968年，史密斯還只是約翰斯 · 霍普金斯大學里一名初出茅廬的講師。當時，他對基因重組很感興趣——基因重組指的是細胞能將 DNA 切割成片段，然後再將這些片段重新組合成新的 DNA 序列的過程。史密斯說：「當時，誰都知道基因重組，這太常見了，每個生物體都有一套基因重組的體系，但是，沒有人知道基因重組的運作細節。」

因此，他選擇了一種名為流感嗜血桿菌（Haemophilus influenza）的細菌，研究它如何進行基因重組。流感嗜血桿菌和其他細菌一樣，可以直接攝取來自外界或者供體微生物的遊離 DNA 片段，並以某種方式把這些 DNA 片段整合到自己的基因組中。

△ 哈密爾頓 · 史密斯研究的是一種名為流感嗜血桿菌（如圖所示）的細菌如何進行基因重組的過程。這種細菌可以攝取外源的遊離DNA片段，並把它整合到自己的基因組中。

細菌通過這種轉化方式獲得呈現新遺傳性狀的基因，這賦予了細菌新的特性，比如對抗生素的耐藥性。但是，流感嗜血桿菌的基因重組是一把「雙刃劍」。入侵的病毒（比如噬菌體）能夠「劫持」細菌內部的基因重組「裝置」，把自己的 DNA 注入宿主內部，利用宿主的蛋白質編譯系統來構建自己所需的蛋白質外殼，從而能夠進行不斷的自我複製。

△ 噬菌體正在感染細菌。（圖片來源：fglm.ch）

為了弄清楚基因重組的過程，史密斯用放射性同位素標記法標記病毒——首先用磷的放射性同位素標記細菌的 DNA，然後再用病毒侵蝕細菌。這些病毒在細菌內部增殖，於是它們的基因也同樣標記有放射性同位素。然後史密斯和他的同事用這些標記有放射性同位素的病毒感染另一批細菌。在感染時，由於病毒會將自己的遺傳物質插入細菌的 DNA，所以他們預計這一批細菌的 DNA 同樣會攜帶放射性同位素。

至少，這是他們預期會觀察到的現象。然而，史密斯帶領的研究所肯特 · 威爾科特斯（Kent Wilcox）用放射性同位素標記的病毒感染細菌后，卻沒有在細菌的 DNA 中檢測到放射性。

病毒的DNA去哪兒了？

在威爾科特斯做實驗的幾年前，日內瓦大學的微生物學家沃納 · 阿爾伯（Werner Arber）曾提出過一種假設：有一種酶可以通過切斷病毒的 DNA，限制病毒增殖，並將這種酶命名為「限制性內切酶」。也正是基於阿爾伯的假設，威爾科特斯想出了一個合理的理由來解釋實驗為何失敗，並告訴了史密斯——流感嗜血桿菌能摧毀病毒的 DNA。

阿爾伯認為如果限制性內切酶失控，這種酶就會不斷切割細菌本身的 DNA，最終殺死細菌。他推測，流感嗜血桿菌可以通過用碳原子和氫原子來修飾 DNA ——這個過程稱為 DNA 甲基化（DNA methylation），從而避免基因慘遭自己內部的限制性內切酶的「毒手」。他提到，限制性內切酶不能切割已經甲基化的 DNA，但它可以襲擊來自病毒的未被甲基化的 DNA。

在威爾科克斯開展這個另人沮喪的實驗的前一周，史密斯曾向他的實驗室推薦了一篇證明阿爾伯假設成立的論文。論文作者是哈佛大學的學者馬修 · 梅斯森（Matthew Meselson）和羅伯特 · 元（Robert Yuan），他們發現大腸桿菌中有一種能夠切除外源 DNA 的蛋白質，換句話說，這種蛋白質就是限制性內切酶。威爾科特斯記住了這篇文章，他告訴史密斯他們可能是碰巧發現了另一種存在於流感嗜血桿菌中的限制性內切酶。

為了測試了這個想法，史密斯做了個巧妙的實驗。他將病毒的 DNA 和流感嗜血桿菌的 DNA 分別置於兩個試管中，然後往每一個試管里都加入細菌內部的蛋白質混合物。如果細菌確實產生了限制性內切酶，混合物中的酶就會把病毒的 DNA 切成碎片。

測序儀是幾十年前被發明出的一種用來分析 DNA 序列的強大工具，直到今天仍在使用。不過，史密斯採用了一種更為簡便的方法來辨別試管中 DNA 片段的長短：含有長鏈 DNA 的溶液比含有短鏈 DNA 的溶液更粘稠，所以史密斯用粘度計測量了兩個試管中溶液的粘稠程度。結果正如他預料的那樣，含有病毒 DNA 的溶液粘稠度很快就降低了，這就可以推斷出病毒 DNA 被某些物質——很可能是流感嗜血桿菌內部的某些蛋白質——切成了小段。

△ 限制性內切酶切割遺傳物質。（圖片來源：passel.unl.edu）

「我立刻就知道這一定是限制性內切酶。」史密斯說道， 「那真是個絕妙的時刻——只要五分鐘，你就知道新發現誕生了。」

隨後，史密斯和他的同事不斷地重複著從細菌提取物中分離蛋白質的工作，在經歷了幾個月的枯燥乏味后，喜悅和滿足終於降臨：他們最終找到了限制性內切酶，還發現甲基化酶能夠通過用碳原子和氫原子來保護細菌本身的 DNA，以免被限制性內切酶「大卸八塊」。

當諾獎來敲門

史密斯和他的同事發表了他們如何發現限制性酶的研究細節，隨後其他科學家也開始了相關研究。不過他們不僅研究了限制性內切酶的特性，還把這種酶當作「工具」。1972年，斯坦福大學的生物學家保羅 · 伯格（Paul Berg）利用限制酶切割 SV40 病毒的 DNA，然後用另一種酶將其他病毒的 DNA「粘到」切割后的 DNA 片段末端，創造出了由兩個物種的遺傳物質組成的 DNA 片段。

許多科學家緊隨著伯格的腳步，意識到他們可以用限制性內切酶將其他不同物種的基因插入到細菌的 DNA 中。這樣一來，細菌就可以表達屬於其他物種的蛋白質，變成活生生的「生物工廠」。

1978年，史密斯接到了一個從斯德哥爾摩打來的電話，他被告知自己與沃納 · 阿爾伯、約翰 · 霍普金斯大學的丹尼爾 · 納思斯（Daniel Nathans）共同獲得了當年的諾貝爾醫學獎。丹尼爾 · 納思斯是在史密斯后，進一步開展實驗，研究限制性內切酶的微生物學家。史密斯承認，聽到這個喜訊時，他高興得有點發懵。

史密斯說：「消息來得太突然，我毫無防備。我一直認為摘得諾貝爾獎桂冠的人是那些能取得驚天動地的成就的天才，我覺得自己跟他們根本就不是一伙人。」

但是，他的發現確實對生物技術產業產生了至關重要的影響。各種各樣的生物製藥公司不斷湧現，致力於使用限制性內切酶改造 DNA。成立於 1976年的基因泰克（Genentech）是第一個吃螃蟹的公司，它將這一技術用於商業——該公司的科學家使用限制性內切酶來構造攜帶人胰島素基因的大腸桿菌菌株。在此之前，糖尿病患者只能購買從牛和豬的胰臟中提取的胰島素——價格昂貴，製作困難。而基因泰克生產的胰島素來自於巨大的金屬發酵罐所培育的細菌，這大大降低了胰島素製作成本。

△ 基因泰克的生物發酵罐。（圖片來源：The New York Times）

多年來，史密斯最初的成功為許多後來的科學家提供了基因編輯的工具，使他們受益匪淺。即使到今天，限制性內切酶仍是研究人員常用的切割轉錄基因的工具。卡爾森認為：「限制性內切酶仍然十分重要，如果你想把某一個具有特定序列的 DNA 與另一段 DNA 連到一起，那麼你最常用的工具就是它。

隨著史密斯見證了限制酶的用處變得越來越多，功能越來越強大，他終於逐漸挺直了腰板兒，克服了自己的「諾貝爾獎冒名頂替綜合征」。

「看來我拿這個獎還是 OK 的，」 他終於對這一事實放寬了心。