出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為微生物學家、中科院院士鄧子新演講實錄：
我們人類歷史上經歷了多次的工業革命：第一次的工業革命是1765年以蒸汽機誕生為標誌，把我們帶進了蒸汽機的時代；第二次的工業革命主要是以半導體為標誌，帶我們進入了電子時代；第三次的工業革命則是以1946年美國人發明的第一台電子計算機為標誌，帶我們進入了信息時代。
那時候的計算機，跟我們今天的手機或者手提電腦非常不一樣，大小可能要佔我們這個房間的1/4甚至更大的空間，重量可能有好幾頭大象那麽重。
但是不管怎麽樣，這台計算機的誕生把我們帶進了信息時代。
那麽，第四次的工業革命是一場什麽樣的革命呢？
1953年Waston和Crick發現了DNA雙螺旋結構，可以說是開啟了生命科學的新時代，這也是生命科學的這一次工業革命中的開端。
隨著DNA雙螺旋結構的發現，到了1956年，Arthur Kornberg發現DNA聚合酶，1966年發現氨基酸密碼子，1970年發現了限制性內切酶，1975年研究出單克隆抗體，1982年第一個基因工程的藥物——重組的人胰島素被FDA批準上市，到了1983年發明PCR技術以後，我們今天的生命科學和生物產業發生突飛猛進的變化！
1990年，人類基因組計劃啟動；1997年，克隆的多利羊誕生；本世紀初，人類基因組計劃完成，得到了完整的測序結果。
在生命科學的發展過程中，有很多是諾貝爾獎級別的結果，使得今天的生命科學迅猛發展。這是一個全新的時代！
DNA是生命的物質基礎
我們回過頭來看一看DNA是什麽？
從化學結構上來講，我們把DNA叫做脫氧核糖核酸——是G、A、T、C，4種鹼基和核苷酸，再加上糖基組成的雙螺旋結構物質。這種雙螺旋結構編碼了自然界千變萬化的遺傳現象，可以說是構成了我們生物界無窮無盡的遺傳信息之源。
後來，我們了解到DNA實際上是遺傳的物質基礎，它編碼基因轉錄成RNA，再翻譯成蛋白質，這個叫中心法則。
這一個法則使得我們知道基因的作用和意義，基因控制著生物的遺傳性狀，一個基本的部門控制一個遺傳性狀，而若乾基因構成一個生命體基因遺傳信息的總和，我們把它叫做基因組。
DNA除了基本結構之外，還可以進行一些修飾：
有的修飾是發生在鹼基上，叫做DNA的甲基化。甲基化最初是細菌自我防衛的手段，為了保護自己的DNA不被外來生物的DNA所侵襲，所以給自己的DNA戴一個帽子，它編碼了限制內切酶，不切它自己，隻切外來的DNA。
後來發現原來這種標記非常的重要，基因的轉錄、翻譯以及基因的表達、調控都受到甲基化的控制，所以出現了一個新的學科，也是得了諾貝爾獎的學科，叫“表觀遺傳學”。
除了DNA鹼基上的甲基化以外，剛才主持人也提到有另外一種修飾，我們叫做“硫修飾”，這也是我的團隊攻克了20多年的一個成果，從一個漫不經意、司空見慣、比芝麻還要小的偶然現象，最後闡明是在DNA的結構上有一種新的元素整入到DNA骨架上，我們叫做“磷硫酰化”。
這個磷硫酰化有很重要的生物學意義：可以作為一種全新的細胞防衛反應；也可以抗氧化、抗酸、抗鹼、抗壓力；可以促進生物細胞的生長……還有新的意義逐步地在發現，所以我的團隊現在也還是在這個領域繼續開拓著。
硫修飾就是把DNA骨架上五種蛋白合力，把DNA上面的半胱氨酸或者是硫酸根中的硫，從無機的轉移到DNA骨架上面，是複製後的一種修飾。
為什麽說DNA是遺傳物質基礎，而蛋白質不是呢？
跟大家分享一個最經典的故事——1944年，阿菲瑞做了一個非常著名的轉化實驗，他當時分別用蛋白質、DNA等去轉化小鼠。結果用蛋白質轉化小鼠，小鼠不得病，而用DNA轉化小鼠的時候，產生了明顯的致病效果。
進一步實驗證明，單獨用DNA轉化時，小鼠會致病；而用DNA酶把DNA切成碎片後，小鼠不致病，這明顯地說明是DNA在起作用！（DNA酶是一種蛋白質，它可以使DNA水解成碎片）
這個實驗證明了一個偉大的概念——“DNA是生命的物質基礎”，由此現代生命科學揭開了序幕。
DNA編碼的斑斕世界
DNA編碼了色彩斑斕的生命世界：這個世界有人、有大猩猩，也有小得不能再小的病毒、細菌、真菌，也有完全滅絕的恐龍，我相信它也是DNA編碼的，還有可能已經絕跡但是可能仍然存在於泰國的猛獁，俗稱長毛象的可愛動物。
有可愛的大熊貓、滇絲猴、有傳說中的野人，還有中華鱘這種可愛的魚。
當然還有植物：像銀杏樹，珙桐、也就是俗稱的鴿子樹，桫欏等等。
長壽的龜鱉家族，它們可以本能的遺傳繁衍；一些植物可以生活在非常貧瘠的土壤，可以在沙漠、在鹽鹼地上本能的適應；還有一些植物可以有神經控制的應激反應——像某種植物它可以伸開它的背膀正常的生活，當有昆蟲侵擾它的時候，它會把翅膀束起，從而把昆蟲包進去，非常的神秘！
所以，我們說DNA是生命之水。
DNA也是禍福之源
DNA的自然恐怖——流行性疾病。世界衛生組織說，這個世紀可能有一百多種流行性疾病，不光是感冒、禽流感、SARS、埃博拉……還有許許多多的疾病，包括早期肺結核等等。
這些疾病嚴重地威脅人類的生長、生存和發展，這些細菌看起來都很小，但是它們造成的危害，對如今的生物安全和社會安全來說是非常大的問題。
我尤其要提到狂犬病，因為我們國家的發病情況位居世界第二，是死亡率最高的病毒傳染病。
狗、貓是很多人的寵物，我們如何找到既防病防害、又飼養寵物的平衡點呢？所以，社會控制必須提上議事日程。
除此之外，還有微生物會引起大約1700多種的植物病害，每年造成數以千萬計的農業損失，有水稻紋枯病、小米的赤黴病、玉米的小斑病……包括瓜果蔬菜人參，可以說是不一而足。
還有一些微生物的恐怖，實際上是人為造成的，我們也必須加以認識：包括克隆人、克隆動物，有害的動物和有害的植物，或者是微生物，這些是我們要加以管控的；尤其是基因武器，如果控制得不好，它比核武器有過之而不及！
基因武器的研製，相對來說也不是那麽複雜，因為它可以根據現有的一些病原菌，以及一些稀有的、不同民族的基因，民族專一性的一些基因，敏感性的、易感性的基因等，可以很容易製造出來，生產的工藝很簡單、生產量又大，沒有異塵餘生、沒有汙染，成本也低，所以說是非常可怕的，而且是人為的。
所以，從這個意義上講，我們要保護我們民族自己的基因，要保護尤其是那些易感性的基因不被國內外或者恐怖勢力所利用。
另外，在今天的社會裡還有眾多的食品、藥品安全問題，如果處理得不好，這是我們人類在自我犯罪，像蘇丹紅、瘦肉精、地溝油、毒豆芽，還有毒酒、假酒、硫磺薑……等等，這種都是我們人類活動在自己危害我們自己，必須要自我約束、自我管控。
對自然的危害我們可以通過科學的解決，對社會的、人為的危害，我們如何應對？這是包括今天在座的、包括科學家和社會，共同要意識到和認知的問題。
當然，DNA也是財富。
像“根瘤菌”——花生、大豆、苜蓿根部都可以結很大的瘤，這些瘤可以固定空氣中許多的氮，它可以產生像硫酸銨這樣的肥料，所以不用施肥就可以生長的枝葉繁茂，氮的很大一部分都是靠這種生物固定的。
還有一些細菌——像“假單胞菌”——它可以把寒冷空氣中的一些水霧凝聚成雪花，用來來裝點我們的江山；還有一些細菌可以在含鈣的環境中形成鈣的微晶體，可以保護古建築，這樣美麗的色彩實際上都是細菌在這裡起作用，形成了微晶體。
“轉基因”這個方面，像農業的轉基因食品，更是超出了生物自有的一些固有有益性狀：保鮮期長的番茄、抗除草劑的大豆，還有抗蟲的棉——就是把蘇雲金芽孢杆菌的Bt基因轉進去以後，可以殺死棉鈴蟲，不要再施什麽抗蟲的農藥。
抗蟲的玉米，也是把Bt毒素基因放進玉米裡，它可以抗玉米病；還有抗除草劑的油菜；像抗病毒的木瓜，某些蛋白可以克隆到這種木瓜樹裡邊去。
在動物方面，可以工程化凝乳酶，它產生的這種酶可以使牛奶凝固。
還有一些生長激素的基因，可以把它放到牛、馬身上，使得他產生更多的、有益的製品。
新一代的基因產品裡頭，今天可以說是已經形成一個基因一個品種一個產業的格局。
跟大家分享個“黃金水稻”的例子。
在非洲很缺乏維生素A，而引起像失明、小兒的一些疾病，而當地的維生素A還不是一個很便宜的藥，不是一般人用得起的。
如果把一些產生維生素A的前體，像胡蘿卜素，這些基因給它裝進去，水稻就可以產生這種前體物質，可以協助合成維生素A，吃了這種水稻可以解決非洲的麻疹、痢疾和雙目失明等問題。
還有人工草皮。如今的草皮生長很慢也很低，我想大家進入了一個環境，如果長得像蘆葦蕩一樣，你也不願意進去。這些轉基因的草皮生長慢，不用經常地割草，可以美化我們的環境。
還有像番茄、香蕉這樣一些水果，如果把一些蛋白或者DNA整合到裡面去，它可以產生像痢疾、肝炎、麻疹這樣的一些疫苗，我們吃了這種水果就可以免疫了，就不用再打針、打疫苗。
還有像植酸酶，把這種酶植入到玉米裡，可以做成動物的飼料，植酸酶可以在細胞裡幫助消化吸收，形成動物所需要的營養。
還有向日葵，把草酸鹽氧化酶的基因轉到向日葵裡邊去，可以抗黴菌。
還有，我們可以把像蜘蛛織網的一些基因放到綿羊皮裡，子彈都打不穿！
另外，像如今的抗草甘膦的種業裡，是把草甘膦的一些抗原基因放進去，形成了一個產業。就說動物、植物都可以進行這種育種，我就不再舉這種例子了。
另外，傳統的動植物改良方面，可以通過把鯽魚、鯉魚的卵取出來，注射到金魚卵裡面去，實際上是把它們的messenger RNA注射到受精卵裡，可以形成鯽金魚和鯉金魚，這是傳統的動物育種。
今天的DNA技術——就是所謂的動物基因工程——可以創造新的物種，改變物種，賦予它一些全新的性狀，可以用於動物器官的移植，解決人體某些器官移植時候的不足。
還有些遺傳性疾病，我們要了解它是單基因控制的，還是多基因病，然後可以進行基因治療，包括像癌症、心血管、腦血管、精神病、糖尿病、風濕病，還有免疫性的疾病，血友病，色盲、白化病……等等很多疾病。
遺傳性的疾病可以通過知道它的機制、知道它是單基因病還是多基因病，進行追根溯源、進行基因治療。“換基因”，這是治本的。
生物技術還可以增強我們的健康水準，像疫苗。
另外，我們可以“工程化”某些微生物，本來會產生某種酸破壞幼兒牙齒的釉質，如果這種微生物被改變以後，放到牙膏裡去，這種產品就不會有這種破壞作用。對一個微生物的改造可以形成產業的增長點。
我再稍微談一點藥物，像“青霉素”可以說是現代藥學的奇跡，尤其在二戰期間拯救了成千上萬計程車兵的生命，在二戰在中國戰場上青霉素也是比黃金都要貴多少倍。
後來發現很多微生物都會產生，植物也產生一些抗細菌、抗真菌、抗病毒、抗糖尿病、降低膽固醇等等的物質，應用越來越廣泛。
今天這個藥物的市場經濟價值非常之大，藥物品種有一百多種，每年的市值300億以上，整個藥物市場佔比超過20%。有十餘種單品市值超過10億美金。
解碼DNA的天職
我們了解DNA、了解它的利和害。“趨勢避害”是解碼DNA的“天職”。
如今的地球面臨著很多的威脅，人類的挑戰很大，能源的危機、資源的危機，食品、藥品還有生物物種的消亡……這都給我們人類提出了巨大的挑戰。
石化資源開始短缺。化石的資源都是不可再生的，迅速枯竭，而且會產生大量的二氧化碳氣體，排放到地球空間中。
又有垃圾焚燒等問題，環境汙染越來越惡化。
如今大量的碳資源都不可再生，是指農副產品，沒有充分利用。全球每年有1700億噸的生物質，利用率只有3.5%，如果我們能夠把利用率變成5%，比如用它生產燃料代替柴油或汽油，可能會達到全球的石油總量那麽多。
我們每年生產的7億噸秸稈，其中2億噸被就地焚燒，這種現象要靠農業生物技術來改變它。
如今很多的產品可以通過生物煉製、發展細胞生物工廠來進行生物催化，把可再生的生物生產過程中的副產品，變成能源產品、生物材料、化工產品，比如洗滌產品、化工產品等。
在生物能源方面，可以生產各種不同的液體燃料，比如說乙醇，可以用來替代汽油、生物柴油等，作為柴油和航空燃料的替代品。
但是這些產品也存在著很多問題。比如說，乙醇附加值低、容易腐蝕儲存設備、也不能管道運輸等等；生物柴油是植物油和天然氣、甲醇反應得到的，還存在一些問題，用發酵法生產柴油現在可能是出路。
但是，原料也是我們賴以生存的糧食。2006年美國大肆發展生物油，使得整個的玉米需求量增加，價格上漲76%。
所以，發展的方向是要用微生物的方法來改造代謝途徑，用合成生物學的方法，而且要發展種植非糧的原料。
另外，把環境中大量的有毒有害化合物，像戴奧辛、多氯聯苯、多溴聯苯醚等等，靠微生物轉化成為二氧化碳和水。
人類活動產生的很多垃圾要被焚燒，這種活動要靠人類自己來製約。最終要靠微生物技術來把它降解成二氧化碳和水。
像尼古丁，我們知道對身體是有害的，抑製神經中樞，麻痹心髒，血壓升高等等，有一種微生物可以降解它，使得它變成二氧化碳和水。
石油也會汙染環境，海邊的一些生物一身油，根本就無法生存。
微生物也可以用來進行廢水處理、土壤環境的修複等。
現在要構建超級微生物，使它生長快速，把很多降解環境廢物的基因整合起來，使它能夠對付地球上嚴峻的汙染。
新的疾病不斷地出現，我們還要發展“合成生物學的技術”。使得今後生產藥物的過程，就跟擺拚圖一樣，我們把這些基因跟它的化學結構分解成不同的模塊，了解清楚這些模塊的基因功能，然後像拚圖塊一樣拚出某種臆想的藥物。比如，某一個藥物改變一個羥基結構，顏色發生變化、功能發生變化。
“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自“格致論道講壇”公眾號（SELFtalks），轉載請注明公眾號出處，未經授權不得轉載。
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