在人类揭开自然界神秘面纱的征途中，基因工程已经从科幻小说中的幻想变成了现实中最令人心潮澎湃的科学实践。从古代农业中简单的育种选择到当代科学家对基因精准的编辑，人类对遗传技术的掌握已经实现了革命性的飞跃。
设想一下，如果我们能够更精准地操控生命的基础代码，那么治愈那些曾被认为是绝症的遗传疾病、大幅提升粮食生产效率、“定制”生物以满足工业需求……都将成为可能。同时，这些进步也带来了复杂的新挑战、新问题：基因工程将如何塑造我们的明天？在改善人类生活的同时，如何确保基因工程具备生物安全性、顺应社会伦理，从而避免潜在的负面影响？
基因工程缘起
自农业革命伊始，人类便投身于改变物种基因的伟大事业，这是一场历时弥久的探索。在古代，尽管先民们尚未掌握遗传学的深层规律，他们却凭借直观的观察，朴素地认识到某些生物特性能够从亲代传递至子代。简言之，他们对于“遗传”这一概念已有了初步的认识。基于对遗传现象的理解，先民们开始尝试通过筛选具有特定特性的个体进行配对，以此培养出符合人类需求的新品种。这一过程就是“人工选择”，它与英国生物学家达尔文所描述的“自然选择”相辅相成，共同成为驱动新物种形成和物种多样性的核心动力。在达尔文的经典著作《物种起源》中，他对这两种选择机制均进行了深入的探讨和阐释。正是得益于数千年的人工选择，人类得以成功培育出多样化的农作物和家畜品种，极大地丰富了我们的农业产出和生活资源。
遗传学的发展使育种技术进入了一个新的科学时代。虽然当时的人们尚未完全了解基因的本质，但遗传学的理论和方法已经极大地提高了人工选择的效率。除了传统的杂交技术，科学家们还开发出了诱变育种技术，利用化学物质或辐射诱发基因突变，并通过人工选择来培育具有特定特性的植物和动物。直到今天，许多重要的经济作物和家养动物，包括杂交水稻、观赏植物、肉鸡、家猪和奶牛等，都是通过人工选择培育出来的。然而，科学家们并不满足于此，他们开始思考：“如果我们能够直接操控基因，是否会创造出更适应人类需求的动植物品种呢？”
基因是什么
要实现直接操控基因这一目标，首先需要弄清楚基因到底是什么。20世纪中叶，科学家逐渐揭示了基因的本质—一段脱氧核糖核酸，简称DNA。随后，美国分子生物学家詹姆斯·沃森和英国生物学家弗朗西斯·克里克构建了DNA的双螺旋结构模型。基于这一发现，克里克进一步提出了中心法则，阐明了遗传信息从DNA到RNA（核糖核酸），最终传递到蛋白质的流动过程。也就是说，在生物体内，遗传信息被编码于DNA分子中，在机体需要时被转录至RNA，最后根据RNA上的信息合成蛋白质，这一过程被称为“翻译”。蛋白质在细胞中扮演着多种角色，如生物催化剂（酶）、细胞结构的构建成分（结构蛋白）及细胞信号分子等，它们是生物体功能和特性的决定性因素。中心法则的提出，为后续的遗传学研究奠定了基础。
随着人们对基因本质的理解进一步加深，如何精确操控基因成为科学界关注的前沿问题。20世纪50年代末，几项关键技术的重大突破为基因工程的发展奠定了坚实的基础。
科学家最先面临的挑战是如何获取并制备基因，这在本质上涉及合成DNA的过程。生物体内的DNA在细胞分裂前会自我复制，确保每个新细胞都得到一份完整的遗传信息副本。这一复制过程是由DNA聚合酶催化的。1958年，美国科学家阿瑟·科恩伯格发现了细菌的DNA聚合酶，并利用这一发现，在试管中成功合成了一段DNA，这是人类历史上首次实现 DNA的人工合成。进入20世纪80年代，凯瑞·穆利斯发明了聚合酶链式反应技术（PCR），该技术通过周期性地改变温度，模拟了DNA的自然复制过程。通过这一过程，目标DNA片段可以被指数级放大，从而在短时间内大量合成特定DNA，极大地提高了操控基因的效率和实用性。
成功获取基因后，科学家面临的挑战是如何将这些基因有效地引入细胞，并确保它们能在细胞分裂过程中稳定地传递。这一过程被称为基因克隆，它涉及一系列精密的科学步骤。
首先，我们需要一个基因载体—一种能够在细胞内自主复制的DNA片段。最常用的载体是经过改造的细菌质粒。质粒是细菌中的小型环状DNA，它们不仅能够自我复制，而且有一种让细菌细胞不得不保留它们的机制，即携带抗生素抗性基因。这种基因赋予细胞对特定抗生素的抵抗力，从而使其在含有抗生素的环境中更具生存优势。
然而，即便有了载体，如何将目标基因嵌入其中仍是一个问题。这就需要用到限制性内切酶—一种能够识别并切割特定DNA序列的酶。BamHI就是一种限制性内切酶，它专门识别并切割DNA上的GGATCC序列（在G和G之间切割）。经BamHI切割后，DNA末端会形成特定的“黏性末端”，这些末端可以与相同限制性内切酶切割产生的末端形成稳定的连接（见图1）。假设我们有一个含有BamHI识别位点GGATCC的质粒和一个两端同样带有BamHI识别位点的目标基因，通过使用BamHI对两者进行切割，质粒就会变为线性质粒，而目标基因两端形成“BamHI黏性末端”。将这些切割产物混合，并加入DNA连接酶，就可以将目标基因的“黏性末端”与质粒的末端连接起来，形成一个新的闭合环状DNA分子（已包含了外源基因）。通过这种方式，外源基因得以整合进质粒载体，并可以被转入细胞，实现基因的克隆和表达。该技术的精妙之处在于，它不仅使我们能够将特定基因引入细胞，还能确保这些基因在细胞的生命周期中稳定传递。
科学实验或生产中使用的质粒载体一般都经过人工改造，在特定部位嵌入了多种不同的限制性内切酶识别位点，科学家便可以根据实验或生产的需要，选择恰当的限制性内切酶来精确切割基因和载体，实现精确的DNA操作。这一技术策略不仅能实现基因的克隆和表达，而且标志着DNA重组技术的重要进展。
在20世纪六七十年代，包括限制性内切酶和DNA连接酶在内的关键技术大多已经成熟，人类也具备了克隆基因的能力。在20世纪70年代末，基因工程领域迎来了向应用技术转向的契机。
基因工程正式启航
基因泰克（Genetech）作为首家上市的基因工程公司，标志着生物技术进入了一个新时代。该公司由重组DNA技术的先驱赫伯特·伯耶参与创立。基因泰克推出的首个产品是重组胰岛素，这是治疗糖尿病的革命性药物。
胰岛素是由胰岛分泌的激素，主要功能是降低血糖水平。对于1型糖尿病患者而言，由于胰岛功能受损，他们必须通过注射胰岛素维持血糖稳定。在重组胰岛素诞生之前，胰岛素的供应主要依赖于从动物体内提取。这种方式不仅成本高昂，而且由于动物胰岛素与人胰岛素之间存在氨基酸序列的差异，可能导致患者产生免疫反应，影响治疗效果。此外，从人类遗体中提取的胰岛素同样无法满足广泛的医疗需求。基因泰克公司利用基因工程技术合成的重组胰岛素不仅解决了供应问题，还极大地提高了治疗效果，成为糖尿病治疗史上的一个里程碑。
随着制药技术不断进步，制药公司对胰岛素基因进行了进一步的改造，通过引入特定的突变基因，开发出了具有改良特性的胰岛素。例如，甘精胰岛素通过在分子结构的特定位置用甘氨酸替代天冬氨酸，并增加两个精氨酸，延长了胰岛素的作用时间，为患者提供了更为便捷的治疗方案。这种通过改变蛋白质氨基酸序列来优化其生物性质的技术被称为蛋白质工程，这是基因工程领域的又一重要进展。
自重组胰岛素成功上市以来，一系列基因工程产品相继问世，广泛应用于医学领域。例如，生长激素、红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等已经成为治疗相关疾病的有效药物。然而，并非所有基因工程产品都达到了预期的临床效果。例如，白细胞介素2是一种在免疫细胞成熟过程中发挥关键作用的细胞因子，尽管初步研究显示白细胞介素2具有抑制肿瘤生长的潜力，但由于副作用难以控制，其临床应用仍然受限。另一个例子是干扰素，这是一种具有广泛抗病毒活性的细胞因子。基因工程合成的干扰素在治疗某些病毒性疾病和恶性肿瘤方面已显示出显著疗效，但要实现将其变为“万能药”的长远目标，仍有很长的路要走。
以上提及的基因技术通常涉及利用基因工程使宿主细胞（通常是细菌，有时也包括酵母）产生具有药用价值的蛋白质。随着技术的进步，现在科学家可以在一个细胞内引入多个外源基因，并通过突变来调节宿主细胞基因的表达水平，从而改变细胞的代谢途径，促使其合成特定的化学分子。这种技术被称为代谢工程技术，可以视为基因工程的高级形式。在这一领域，美国科学家杰伊·基斯林取得了令人瞩目的成就。他在酵母细胞中引入了编码两种酶的基因，这两种酶能够合成青蒿酸；通过进一步的基因操作，提高了青蒿酸前体化合物的合成效率，并减少了其消耗。通过发酵过程，改造后的酵母可大量生产青蒿酸，再通过化学反应将青蒿酸高效转化为青蒿素，从而大大降低了青蒿素的生产成本，为疟疾治疗做出了重大贡献。
从植物到动物的遗传改良
起初，基因技术主要聚焦于微生物细胞领域的应用，随着研究逐步深入，其触角已经远远超出微生物领域。现在，基因工程被广泛地应用于植物和动物的遗传改良，极大地丰富了生物技术的内涵。
植物的基因工程
抗虫玉米
植物转基因技术的一个关键工具是根癌农杆菌，这是一种在自然环境中能够引发植物肿瘤的细菌。根癌农杆菌携带有一个名为Ti的质粒，质粒中包含一个特殊的DNA片段—T-DNA。当植物遭到损伤时，根癌农杆菌便会趁机从伤口处侵入植物组织，并将T-DNA注入植物细胞内，并将其整合入植物的基因组中。T-DNA上的基因表达会促使植物细胞增殖，形成肿瘤。在基因工程领域，科学家们会将目标外源基因插入T-DNA，利用根癌农杆菌这一特性，实现植物的转基因。
20世纪80年代，基因工程技术迎来了一个重要的里程碑—第一种抗虫害玉米问世。通过转基因技术，这种玉米拥有了苏云金杆菌毒素基因，通常情况下，该毒素在苏云金杆菌孢子中以晶体形式存在。这些晶体被特定昆虫（如鳞翅目、鞘翅目和双翅目昆虫）摄入后，会在昆虫消化道的碱性环境中溶解，溶解后的毒素则会与昆虫消化道细胞的特定受体结合，破坏昆虫肠道的完整性，导致昆虫死亡。此外，苏云金杆菌毒素展现出的高度专一性意味着它对特定昆虫具有杀伤力，对哺乳动物则无毒性，因此，苏云金杆菌毒素常被用作生产生物农药。随着植物基因工程技术的发展，通过使玉米表达这种毒素的特性，科学家成功培育出了具有抗虫害特性的转基因玉米。这不仅提高了作物产量，还有助于减少化学农药的使用，对环境保护具有重要意义。
继成功培育出抗虫害玉米之后，科学家利用苏云金杆菌毒素基因进一步开发了抗虫害棉花、土豆、西红柿和水稻等作物。这项技术的广泛应用提升了作物产量，也减少了农民对化学农药的依赖。然而，这些转基因作物的推广也引发了一些争议。
首先，人们担心昆虫可能逐渐对苏云金杆菌毒素产生耐受性，这可能会降低转基因作物的抗虫效果。这是农业科学家们长期、密切关注的问题。其次，人们担忧苏云金杆菌毒素可能对非目标昆虫造成伤害。1999年，有报道指出，转基因玉米的花粉可能污染了帝王蝴蝶的食物来源—马利筋（一种北美地区常见的草本植物），从而对这种蝴蝶的生存构成威胁。尽管后续研究认为转基因玉米对帝王蝴蝶的影响微乎其微，但这类作物对生态系统造成的长期影响仍需要进一步研究。再次，关于苏云金杆菌毒素的人体安全性也存在疑问。尽管目前的研究显示，这种毒素对哺乳动物无毒，但公众对其是否可能引起过敏反应以及苏云金杆菌的基因是否会通过消化系统转移至人体细胞中仍存有疑虑。不过，现在还没有足够的研究证据证明转基因植物会造成以上提及的种种问题。
黄金大米
另一种引人关注的转基因作物是在2000年前后开发的“黄金大米”。这种大米的开发基于这样一个事实：在许多以水稻为主食的发展中国家，由于贫困人口难以获得多样化的食物，而水稻本身又不含维生素A，便导致不少人患上了维生素A缺乏症。缺乏维生素A会导致夜盲症、免疫力下降，严重时，还可能使人失明。在南亚和东南亚的贫困地区，维生素A缺乏症较为常见。
“黄金大米”通过在水稻中引入几个与胡萝卜素合成相关的基因，使大米富含胡萝卜素，从而呈现黄色。这种大米能够为人体提供足够的胡萝卜素，而胡萝卜素在体内可转化为维生素A，有助于解决维生素A缺乏问题。然而，“黄金大米”也面临争议，主要集中在其必要性上。批评者认为，维生素A缺乏的根本原因是贫困导致的单一食物结构，因此，消除贫困和促进食物多样性是更有效的解决办法，而不仅仅是在大米中增加胡萝卜素。由于这些争议，“黄金大米”的实际应用一直存在障碍。
动物的基因工程
转基因小鼠
继转基因植物之后，转基因动物的研究也开启了生物技术的新篇章。1981年，科学家利用显微注射技术成功创造出世界上第一只转基因小鼠，这标志着动物转基因技术的诞生。
在应用显微注射技术时，必须将外源基因直接注入受精卵中。然而，这种方法存在一些局限性：外源基因可能会随机地插入动物基因组的多个位置。这不仅可能导致基因组的不稳定，还可能干扰原有基因及新引入基因的正常表达。为了克服这些挑战，科学家随后开发了更多、更为精细的技术方法。
其中一种被广泛采用的技术方法是利用胚胎干细胞进行基因编辑。胚胎干细胞形成于胚胎发育的早期阶段，具有分化为体内任何类型细胞的潜力。通过在体外条件下精确操作，科学家可以将外源基因整合到胚胎干细胞的特定位点。随后，这些经过基因编辑的干细胞被植入动物胚胎中。最后，正常发育出生的动物体内的部分细胞就是来源于转基因的胚胎干细胞，从而形成“嵌合体”。
由于其生殖细胞中可能同时包含转基因和非转基因的类型，这些嵌合体动物的后代有部分可能完全继承了转基因特征。通过筛选嵌合体动物的后代，科学家就能够培育出完全转基因的动物。这一技术方法不仅提高了基因编辑的精确度，也为生物医学研究和潜在的治疗应用开辟了新的道路。
转基因小鼠的出现，对于生物医学领域的科学研究至关重要。这些经过基因改造的小鼠携带着特定的基因，展现出多种多样的生物学特性，为科学研究提供了丰富的模型。例如，将致癌基因引入小鼠基因组，科学家便能够在小鼠的自然生命周期内观察癌症的发展过程，深入探究其发病机制。
转基因小鼠的应用不仅限于基础科研，在应用学科领域也发挥着重要作用。1975年，科学家开创性地将“免疫过的小鼠脾细胞”（一种已经通过特定抗原刺激引发免疫反应的细胞）与骨髓瘤细胞融合，创造出能够持续分泌特定抗体的杂交瘤细胞。这一重大技术突破，促成了单克隆抗体的诞生。单克隆抗体以其卓越的特异性而著称，它们专一地靶向并识别单一的抗原表位。这种独特的能力使得单克隆抗体在检测和治疗疾病方面表现出非凡的精确度，有“生物导弹”之称，为精准医疗提供了强大的工具。
然而，由于早期的单克隆抗体是小鼠源性的，与人类抗体存在差异，可能引发人体的免疫排斥反应，限制了其临床应用。为了解决这一问题，科学家利用转基因技术，培育出携带人类免疫球蛋白基因的小鼠。这些小鼠产生的单克隆抗体是完全人源性的，有效避免了免疫排斥问题，极大地提高了治疗的安全性和有效性。如今，完全人源性的单克隆抗体已经成为治疗肿瘤、自身免疫疾病等众多疾病的有力工具，在现代医学中发挥着重要作用。
转基因家畜
转基因小鼠对科研和医疗领域影响深远，科学家对家畜进行转基因研究则开辟了农业生产和生物医学的新疆界。通过精准的基因编辑，科学家正在尝试培育生长更快、营养价值更高的家畜。不过，绝大部分此类家畜目前还停留在研究阶段，并没有真正进入市场。然而，也有例外情况，2015年，美国市场上出现了一个突破性产品—转基因三文鱼。通过基因改造，这种三文鱼可以产生更多的生长激素，其生长速度是普通三文鱼的两倍。
在生物医学领域，转基因家畜的研究尤为引人注目。例如，科学家正在开发转基因猪，这些猪的器官可能用于人类的器官移植。由于人类的免疫系统对外来器官会产生排异反应，因此，通过转基因技术改变猪的某些基因，可以降低器官移植后的排异风险。2022年，转基因猪的心脏和肾脏已经成功地在人体中进行了试验性植入，这预示着未来我们可能在解决器官短缺这一重大挑战上取得突破性进展。
改变人类基因 治疗遗传疾病
转基因技术在动物机体上的成功应用，也让科学家开始思考：我们是否可以用同样的技术来治疗人类的遗传性疾病，从而纠正基因缺陷。然而，这一想法很快遭遇到伦理的挑战。改变基因，可能永久性地影响人类种群的遗传信息。为了治疗遗传疾病，科学家是否有权利通过基因技术改变人类基因呢？
以镰刀型细胞贫血症为例，这是一种因血红蛋白基因突变引起的疾病，会导致红细胞变形并引发严重症状，甚至死亡。不过，如果个体只携带一个突变基因副本，该个体通常不会表现出症状，反而可能对疟原虫感染有抵抗力。这一现象解释了为何该疾病在疟疾多发的非洲较为普遍。由此可见，镰刀型细胞贫血症相关基因并非全无益处。
面对这样的情况，如果我们有能力通过技术手段移除导致镰刀型细胞贫血的基因，我们是否应该这么做呢？这样的修改可能会在未来几代人中逐步消除这一突变基因。然而，这种改变可能带来的长远后果是难以预测的。在当前缺乏广泛共识的背景下，对于是否应该修改人类基因，持谨慎态度是明智的。我们必须在推进科学进步的同时，深入考虑其可能引发的伦理问题和社会影响。
如何进行基因治疗
如何在不改变人类遗传基因的前提下进行基因治疗？答案是专注于对成年人的体细胞进行治疗。这种方法的好处在于，它只针对特定的器官和组织，不会触及生殖细胞，因此避免了将转基因细胞遗传给后代的风险。
以血友病为例，这是一种由于遗传缺陷导致患者无法合成必要的凝血因子（如Ⅷ或Ⅸ因子）的疾病。目前，血友病的主要治疗方法是定期注射从献血者血浆中提纯的外源凝血因子，这种治疗需要持续终生，并且存在感染传染病的风险。基因治疗为血友病提供了一种全新的治疗策略。
由于凝血因子主要在肝脏中合成，基因治疗的目标是改变部分肝细胞的基因，使它们能够自行合成有效的凝血因子。目前的技术策略是使用经过改造的病毒（如腺相关病毒）作为载体，携带凝血因子基因。将这种病毒载体注射入人体后，它会感染肝脏细胞，并将凝血因子基因传递给这些细胞，赋予它们合成凝血因子的能力。2022年，基于该技术的第一款血友病基因疗法药物成功上市，为凝血因子Ⅷ缺陷的血友病患者带来了新的治疗希望。尽管这一进展令人鼓舞，但通过基因疗法治疗血友病的道路仍然面临挑战，包括凝血因子基因表达水平随时间降低、肝脏毒性以及人体可能产生的对抗病毒载体的抗体，这些都可能导致基因治疗效果减弱或治疗失败。
治疗血友病相对简单，因为它只涉及向人体细胞中添加一个缺失的基因。然而，对于那些由所谓显性遗传疾病引起的病症，治疗过程则更为复杂。这类疾病是由于DNA中存在一个异常基因所导致的。在显性遗传模式下，患者的两条染色体上即使只有一条染色体携带有缺陷基因，也足以引发疾病。
亨廷顿舞蹈病就是一个典型的例子。这种神经退行性疾病与大脑中异常蛋白的积累有关。患者只要遗传到一个突变基因副本，就足以产生缺陷蛋白，进而导致神经损伤。因此，治疗这类疾病的关键在于从DNA中彻底移除致病基因。这一挑战不仅涉及技术难题，还包括伦理和安全性的考量，需要科学家在推进技术进展的同时，谨慎权衡每一步的影响。
基因编辑技术开辟新天地
基因编辑技术的飞速发展为治疗遗传性疾病开辟了新天地。2020年，诺贝尔化学奖的荣誉授予了两位基因研究领域的科学家—卡彭蒂耶和杜德纳，以表彰她们对CRISPR-Cas9（一种基因编辑技术）的发现和应用。CRISPR最初是细菌用来防御病毒入侵的天然机制。当细菌遭受病毒攻击时，它能捕获病毒的遗传片段并整合到自己的基因组中。这些片段随后转录成RNA，与Cas9蛋白结合，形成复合体，当相同的病毒再次入侵时，这一复合体能够识别并切割病毒DNA，使其失效。
在生物工程技术中，CRISPR-Cas9提供了一种前所未有的精确方法，通过设计特定的RNA序列，引导Cas9蛋白直达目标基因的特定位点进行切割。这种“基因剪刀”技术，使我们能够精确地修改目标基因，为治疗疾病提供了新策略。例如，针对亨廷顿舞蹈病等由单一突变基因引起的遗传性疾病，理论上通过CRISPRCas9便可精确切除带有致病突变的基因片段，防止缺陷蛋白质的产生。尽管目前这些应用主要还处于动物实验阶段，但随着技术的不断成熟和安全性的验证，未来以CRISPR-Cas9为代表的基因编辑技术有望发挥重要作用，为众多显性遗传病患者带来新的希望。
基因工程面临的挑战
随着技术的不断进步，基因工程在医学和生物科学领域的应用日益广泛。然而，技术的发展也伴随着潜在的滥用风险。
红细胞生成素—一种由肾脏合成的细胞因子，能够促进红细胞的生成，在临床上有着广泛的应用，但也面临被滥用的风险。由于可以增加红细胞数量，红细胞生成素经常被用于提高中长跑、自行车等耐力运动员的运动成绩。然而，这种做法在体育竞技中被严格禁止，因为它违背了公平竞赛的原则，还可能损害运动员的健康，如增加血栓和心脏病突发的风险。
更令人担忧的是，随着基因治疗技术的发展，出现了所谓的基因兴奋剂。这种技术可能通过基因治疗手段，将红细胞生成素基因直接注入运动员的肌肉组织，使肌肉细胞分泌额外的红细胞生成素，以此提高运动员的成绩。尽管目前尚未有确凿证据表明有运动员使用过这类基因兴奋剂，但为了预防潜在的滥用问题，研究机构已经开始着手开发检测技术。
自20世纪70年代末基因工程应用技术问世以来，它为人类带来了前所未有的益处。然而，基因工程的双刃剑特性也不容忽视，它既有可能改善人类生活，也有可能引发一系列争议和问题。如何平衡这一技术的发展与风险，确保它能够更好地服务于人类，同时避免其潜在的负面影响，是我们面临的一个重要而持久的挑战。只有世界各国和社会各界齐心协力才能确保基因技术健康、有序发展，给人类带来福祉。
【责任编辑】张小萌