基因工程更加精准编辑生物体

本文转自：深圳特区报

经基因编辑的猪肾脏可移植替代人体衰竭肾脏。 视觉中国

■ 深圳特区报记者 闻坤

3月16日，美国马萨诸塞综合医院为一名62岁患者进行了一项特殊的移植手术，将经基因编辑的猪肾脏移植入其体内替代自身衰竭器官。与2023年9月全球第二例接受猪心脏移植，并在两个月后因心力衰竭死亡的病人不同，猪肾脏移植病人恢复良好且目前已出院。医学专家表示，这种基因编辑猪器官移植方案可能为全球数百万肾衰竭患者带来希望。

随着基因工程技术的不断进步，我们正在见证一个前所未有的时代。科学家们利用CRISPR-Cas9等技术，能够更加精确地编辑生物体的基因，不仅使得精准基因治疗的梦想愈发触手可及，还正在改变工业、食品、农业、健康医药和生物技术等领域。

重写“生命密码”的基因工程

所谓基因，就是带有遗传信息的DNA片段，是产生一条多肽链或功能RNA所需的全部核苷酸序列。

1856-1863年，奥地利神父孟德尔种植并测试大约5000株豌豆植物，发现豌豆的某些特征可以稳定且有规律地遗传给下一代。他提出的“遗传因子”概念在半个世纪后，被美国科学家摩尔根定义为“基因”，创立基因学说。随着分子遗传学的发展，沃森和克里克于1953年揭示DNA的双螺旋分子结构，让人们进一步认识基因的本质。

“基因工程应用基因编辑、遗传工程、重组DNA技术、分子克隆及基因克隆等，被认为是生物技术中发展速度最快、创新成果最多、应用前景最广的核心技术。”美国国家科学院院士、南方科技大学前沿生物技术研究院院长朱健康说。

随着对基因工程研究不断深入，人们不仅想了解基因，还渴望改变它们，从而提高农作物的产量、改善生物体的性状，甚至用来治疗遗传缺陷。

据华大生命科学研究院副院长顾颖介绍，基因工程包含供体基因、受体细胞、工具酶、载体四大基本元件，是指将一种供体生物体的目的基因与适宜的载体在体外进行拼接重组，然后转入另一种受体生物体内，使之按照基因工程改造的目的稳定遗传并表达出目的基因，例如提高畜牧、水产、作物产量，改变其外形、体色、口感和营养成分等性状。

基因工程技术为基因的结构和功能研究提供了有力手段，能够跨越生物种属之间不可逾越的鸿沟，打破常规育种难以突破的物种界限，开辟了在短时间内改造生物遗传特性的新领域。

“剪切和粘贴”的基因编辑

基因编辑是怎么回事？顾颖表示，该技术是通过对碱基序列进行精准的插入、缺失或其他类型的突变，调整目标基因的功能和表达量，进而导致生物表型性状产生改变。

对接受基因编辑猪肾移植并康复出院的患者来说，其“救命肾”取自一个经过多重基因编辑的小型猪，这些基因编辑是为了防止供体器官遭到排斥（器官移植成功与否的关键），并降低患者在移植后感染猪肾脏里潜藏病毒感染受体的风险。

据了解，科学家用CRISPR–Cas9基因编辑技术修改了器官供体猪的69个基因位点，包括对能产生猪细胞表面三种糖的三个基因进行敲除。人体免疫系统会攻击携带这三种糖的细胞，并将其视为外来入侵者的标志。而另外敲入的七个基因则能产生防止猪肾脏器官排斥人体蛋白。

顾颖表示，CRISPR–Cas9是目前国际上最热门的基因编辑技术，为第三代技术系统。这种技术能够通过“剪切和粘贴”DNA序列来编辑基因组，就好像剪刀，能在指定位置剪断DNA，进行基因编辑。

目前，该项技术成功实现对果蝇、大鼠、猪、羊，以及罗非鱼、水稻、小麦、高粱等数十种生物的基因组精确修饰。甚至在一些疾病的基因治疗的应用领域都展现出极大的应用前景，例如血液病、肿瘤和其他遗传疾病。

基因工程的应用领域

基因工程诞生后，迅速应用于工业、农业、医药、食品、环保等行业和领域，彰显这一技术的巨大应用前景。

顾颖以环保举例说，科学家通过DNA重组技术，得到分解性能和降解能力非常不错的细菌，可以大大提高塑料的降解效率。此外，科学家还利用基因工程找到降解石油、农药、杀虫剂等的细菌，可用于农药厂、化工厂的废水处理。

在食品工业中，谷氨酸、调味剂、食品色素、酒类等都可以通过基因工程技术进行生产。如柠檬酸可以通过遗传改良的酵母和工程菌来生产。不仅如此，经过改造的细菌在乳酸、苹果酸、苏氨酸和色氨酸等重要食品原料生产中的产量大大超过传统方式。

在能源工业中，目前酒精生产主要依靠糖类作物、淀粉类谷物。利用酵母等基因工程菌种可以生产酒精，而且一些超级多功能细菌能从稻草秸秆、植物屑、植物下脚料等来生产酒精，并提高产量。

在农业生产中，科学家利用基因工程技术培育出各种具备抗旱、抗寒、抗盐碱，以及增加蛋白质或含油量等优良性状的新品种。基因工程还能提供可移植给人类的动物皮肤、角膜、心、肝、肾等器官，为众多危重患者带来希望。

在健康医药领域，基因工程药物一直是全球研发的热点领域。其中，生物活性多肽类药物广泛应用于治疗癌症、肝炎、发育不良、糖尿病等一些遗传病。目前，我国已有20多种基因工程药物批准上市，包括干扰素、重组人白细胞介素、重组人促红细胞生成素等。

基因工程生物安全监管

专家认为，基因编辑技术虽然应用广泛，但也要严格监管，以免对人类生存和国家安全产生危害。

贵州大学生命科学学院王旭初教授在《基因工程》中提到，由于基因工程是一门关于生命的新学科、新技术，目前还处在不断发展完善的阶段，其对人类健康、生态环境及生物伦理等的安全性有待进一步评价。基因工程技术本身应该在基因工程实验室生物安全及基因工程生物安全等方面开展研究，回答和解决其自身对人类健康、生态环境可能造成的潜在危险问题。

王旭初表示，在基因工程技术研发和应用的过程中，必须加强其生物安全监管，制定相关的法律法规，建立完善监管体系，开展全程制度化的监管工作。我国高度重视基因工程生物安全监管工作，已建立了较完整的安全管理法规、机构、检测与监测体系，并发布一系列基因工程生物环境安全、食品安全评价及成分测定的技术标准，但与欧美等国家的系统化监管还存在一定差距，需充分借鉴先进经验，不断完善我国的基因工程生物安全监管体系，为基因工程技术的广泛应用提供制度保障。政府部门应做好对公众进行基因工程生物安全的宣传教育工作，引导公众了解基因工程以及基因工程给人类和环境带来的巨大效益，避免出现“谈转基因色变”问题，为基因工程在我国良性发展营造正确的社会舆论，促进相关产业健康有序发展。