DNA儲存著世代相傳的遺傳信息，被譽為“生命的密碼”。從沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的那一刻起，DNA的“魔幻之盒”被打開，越來越多不同類型的DNA分子被解密。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)DNA分子呈線性結(jié)構(gòu)，例如人的染色體DNA，如果將單個體細(xì)胞中的DNA分子全部展開，長度可達(dá)2-3米。然而有一類存在于細(xì)菌中的DNA分子卻呈環(huán)狀，穿梭在浩瀚的DNA分子宇宙。雖然它的大小只有細(xì)菌染色體的千分之一，卻魔力無窮——它就是神奇的“質(zhì)粒”(plasmid)。

左：細(xì)菌染色體DNA的線性結(jié)構(gòu);右：質(zhì)粒的環(huán)狀結(jié)構(gòu)

似病毒而非病毒

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20世紀(jì)40年代，炭疽熱橫行美洲。這是一種人畜共患的急性傳染病，起初流行于美國德克薩斯州的鹿群，造成大批鹿群死亡。隨后在人群中發(fā)現(xiàn)了同樣的癥狀：皮膚壞死、潰瘍、焦痂、毒血和組織廣泛水腫……最終，感染者因出現(xiàn)肺、腸和腦膜的急性感染而喪命。

科學(xué)家們試圖通過尋找感染源來攻克這一傳染病。他們發(fā)現(xiàn)，真兇是炭疽桿菌中的一種毒性物質(zhì)。并且，他們認(rèn)為這種物質(zhì)為病毒，通過快速繁殖而感染宿主細(xì)胞，引發(fā)動物或人生病。直到1950年，美國生物學(xué)家喬治·萊德伯格(Joshua Lederberg)才證實這種物質(zhì)并非病毒，并于1952年將其命名為“質(zhì)粒”。

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質(zhì)粒是一種大小在1-200kb不等的環(huán)狀DNA分子，獨立于細(xì)菌染色體之外，并且具有自我復(fù)制能力。細(xì)菌中的質(zhì)粒含量最為豐富，螺旋體、放線菌和酵母等微生物中也有發(fā)現(xiàn)。電鏡下的質(zhì)粒是共價、閉合、環(huán)狀、小型的雙鏈超螺旋DNA分子，形似“麻花”。由于發(fā)現(xiàn)質(zhì)粒和其在細(xì)菌基因重組中的功能，萊德伯格斬獲了1958年的諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎。那么，質(zhì)粒與病毒到底有何異同，為何能迷惑科學(xué)家如此之久?首先，質(zhì)粒與病毒一樣，都能進(jìn)行自我復(fù)制，快速繁殖;其次，它們都能賦予宿主一定的表型，引發(fā)性狀改變。但兩者的不同也很明確：病毒是由一個核酸分子(DNA或RNA)與蛋白質(zhì)構(gòu)成的非細(xì)胞形態(tài)，是寄生于生命體甚至非生命體的入侵有機物種。一般的病毒都有兩到三個組成成分：RNA或DNA，蛋白質(zhì)，脂質(zhì)(部分病毒沒有)。而質(zhì)粒只有一種成分，即DNA，并且質(zhì)粒還是細(xì)胞的組成部分。

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雖然病毒和質(zhì)粒并不相同，但存在千絲萬縷的聯(lián)系。2017年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的研究團(tuán)隊在南極考察時，在古細(xì)菌體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一種特殊的質(zhì)粒，它的外表和行為都很像病毒，卻缺少表明其是病毒的基因?？梢哉f，這是一種帶有病毒屬性的質(zhì)粒。研究團(tuán)隊據(jù)此推測，最早出現(xiàn)的病毒可能就是從這樣的質(zhì)粒進(jìn)化而來的。

不安分的獨行俠

質(zhì)粒DNA如同“黑客”一般，能夠擺脫宿主染色體DNA復(fù)制調(diào)控系統(tǒng)的束縛，獨立“編程”自主復(fù)制。這主要歸功于質(zhì)粒DNA上的復(fù)制起始位點，可以開啟自身的復(fù)制，還有相應(yīng)的調(diào)控基因，可以控制復(fù)制的頻率。這意味著質(zhì)粒能夠改變宿主細(xì)菌的特性，從而發(fā)揮效力。

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此外，質(zhì)粒還具有可轉(zhuǎn)移性。在天然條件下，借助細(xì)菌的接合作用，絕大多數(shù)野生型質(zhì)?？梢詮囊粋€宿主細(xì)胞轉(zhuǎn)移至另一個宿主細(xì)胞，甚至還可以進(jìn)入親緣關(guān)系較近的不同種宿主菌中。這一過程依賴于質(zhì)粒轉(zhuǎn)移相關(guān)基因——mob基因的表達(dá)產(chǎn)物與其他蛋白因子的相互作用：mob基因編碼移動相關(guān)蛋白，在tra轉(zhuǎn)移蛋白的結(jié)合作用下，將質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到新宿主細(xì)胞的nic缺口位點，質(zhì)粒即可通過缺口進(jìn)入到新的新宿主細(xì)胞中。然而，一山不容二虎，如果兩種質(zhì)粒具有相同或相似的復(fù)制子結(jié)構(gòu)及調(diào)控模式，它們就不能穩(wěn)定地存在于同一宿主細(xì)胞內(nèi)，這種現(xiàn)象稱為質(zhì)粒的不相容性。

生物武器黑歷史

質(zhì)粒的宿主細(xì)菌很多，有我們熟知的大腸桿菌、枯草桿菌，還有令人聞風(fēng)喪膽的炭疽熱芽孢桿菌(炭疽桿菌)。依托這一菌種研制的生物武器——炭疽彈，是人類開始認(rèn)識病原菌后研發(fā)的第一個生物武器。

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1870年，科學(xué)家羅伯特·科赫(Robert Koch)分離出炭疽桿菌。他發(fā)現(xiàn)這種細(xì)菌生命力極強、易培養(yǎng)、穩(wěn)定性高，體外保存六個月仍能保持足夠的毒性和感染性。然而，科赫當(dāng)時并不知道炭疽桿菌致命的真正原因。直到19世紀(jì)末，科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)炭疽桿菌毒力因子的來源是pXO1和pXO2兩個質(zhì)粒。其中質(zhì)粒pXO1含有編碼產(chǎn)毒基因，可以產(chǎn)生毒力因子和各種毒素，質(zhì)粒pXO2含有編碼細(xì)菌莢膜蛋白合成所必須的基因。兩個毒性質(zhì)粒彼此依存，任何一個質(zhì)粒缺失都將降低炭疽桿菌的毒性，產(chǎn)生減毒株。

炭疽桿菌電鏡觀察圖(來源：美國CDC – Janice Haney Carr)

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第一次世界大戰(zhàn)期間，德國間諜部門將炭疽桿菌裝入可消化試管，包埋于飼料當(dāng)中，以毒殺中立國的軍馬，拉開了現(xiàn)代細(xì)菌戰(zhàn)的帷幕。1928年，蘇聯(lián)生物武器之父雅科夫·費什曼(Jacov Fishman)發(fā)現(xiàn)炭疽桿菌有很高的強度和韌性，能承受爆炸沖擊和干燥處理，因此可以裝入炸彈、炮彈和導(dǎo)彈，實現(xiàn)武器化，未來可能成為對人類威脅最大的一種生物戰(zhàn)劑。1939年，臭名昭著的日本731部隊在我國華中浙、贛地區(qū)大量培養(yǎng)炭疽桿菌，并用活人進(jìn)行細(xì)菌試驗及細(xì)菌武器效能試驗，致使我國軍民大批死亡。其中HA型炸彈(哈彈)即為炭疽桿菌炸彈，外型酷似普通的鋼殼炸彈，而內(nèi)含的榴霰彈一旦爆炸，炭疽桿菌就會通過傷口感染殺傷目標(biāo)，同時造成可延續(xù)數(shù)十年的地面污染。1942年，英國征用了蘇格蘭的一個小島——格林亞德島進(jìn)行炭疽桿菌試驗，計劃向德國牧場投放炭疽彈殺死大批牲畜，以切斷肉食供應(yīng)(因此該計劃又稱“素食行動”)，同時制造全國性的炭疽熱爆發(fā)，以除掉希特勒的納粹政權(quán)。二戰(zhàn)結(jié)束后，美國一直秘密進(jìn)行炭疽戰(zhàn)劑的研發(fā)，如R-400型炸彈。然而，美國在2001年遭遇了前所未有的生物恐怖襲擊，被稱為“美國炭疽事件”。這一事件引起了全球范圍的軍事反思，各國陸續(xù)開始履行《禁止生物武器公約》，生物武器的研發(fā)目的從攻擊轉(zhuǎn)為防御。炭疽桿菌的研究嚴(yán)格限于實驗室內(nèi)進(jìn)行，包括炭疽桿菌的基因改造以及疫苗的研發(fā)。目前，包括我國在內(nèi)的很多國家已經(jīng)研制出炭疽桿菌疫苗。

炭疽桿菌疫苗(來源：疫苗生產(chǎn)商Emergent BioSolutions)

亦魔也亦佛

當(dāng)然，質(zhì)粒并不是萬惡之源。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家開始對天然野生型的質(zhì)粒進(jìn)行改造，并應(yīng)用于基因工程技術(shù)，開啟了基因工程新的大門。在保留天然質(zhì)粒優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，人工改造的質(zhì)粒增加了抗性標(biāo)記，人們可以根據(jù)需求篩選不同的菌株。同時，質(zhì)粒上還可以設(shè)計多克隆位點，利用相關(guān)的酶將質(zhì)粒分子打開，接入外源DNA，利用質(zhì)粒自我獨立復(fù)制的特性，將外源DNA的信息傳遞給宿主細(xì)菌，從而實現(xiàn)性狀的改造。

構(gòu)建重組質(zhì)粒的步驟：1。 獲取含有質(zhì)粒的菌株;2。 提取質(zhì)粒并用相應(yīng)的酶剪切質(zhì)粒;3。 外源基因連接到剪切后的質(zhì)粒，構(gòu)建重組質(zhì)粒;4。 重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)入新的菌株;5。 新的菌株獲得新的性狀。(來源：http://eschool.iaspaper.net/what-is-genetic-modification/the-process-of-genetic-engineering/)

根癌農(nóng)桿菌致瘤質(zhì)粒(tumor-inducing plasmid，簡稱Ti質(zhì)粒)的發(fā)現(xiàn)具有劃時代意義，引導(dǎo)人類進(jìn)入轉(zhuǎn)基因技術(shù)時代。Ti質(zhì)粒是存在于根癌農(nóng)桿菌細(xì)胞擬核區(qū)之外的能自主復(fù)制的雙鏈環(huán)狀DNA分子。1977年，比利時分子生物學(xué)家馬克·萬·蒙塔古(Marc Van Montagu)和約瑟夫·舍爾(Jozef Schell)證實，這種Ti質(zhì)粒能將外源基因整合到宿主植物的基因組中，產(chǎn)生優(yōu)良性狀，如抗病蟲害、抗鹽堿、耐除草劑、延長果蔬貯存期等，利用這一過程還可生產(chǎn)藥物、抗體、疫苗等。

與Ti質(zhì)粒相關(guān)的應(yīng)用中，最引人注目的是轉(zhuǎn)基因食品。從理論上講，人類可以通過Ti質(zhì)粒轉(zhuǎn)化手段，按照自己的意愿改造植物，得到所需要的食品。事實上，自從1983年科學(xué)家將來自細(xì)菌的氯霉素抗性基因轉(zhuǎn)入煙草中，并獲得世界上第一例轉(zhuǎn)基因植物開始，人類就沒有停止轉(zhuǎn)基因食品的研制。越來越多的轉(zhuǎn)基因食品走出實驗室，走進(jìn)人們的生活，如轉(zhuǎn)基因大豆、轉(zhuǎn)基因馬鈴薯等。

以轉(zhuǎn)基因馬鈴薯為例，科學(xué)家將含有抗旱相關(guān)基因的DNA片段通過PCR技術(shù)進(jìn)行體外擴(kuò)增，合成之后利用各類酶剪切DNA片段，再把產(chǎn)物拼接于Ti質(zhì)粒多克隆位點處，得到重組質(zhì)粒。重組后的質(zhì)粒通過根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)，侵染馬鈴薯愈傷組織，作物即可獲得外源抗旱基因，從而表現(xiàn)出耐旱性。

轉(zhuǎn)基因馬鈴薯培育步驟：1。 獲取Ti質(zhì)粒;2。 獲取目的基因;3。 構(gòu)建重組質(zhì)粒;4。 根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化侵染薯塊;5。 形成愈傷組織;6。 愈傷組織發(fā)芽成苗;7。 試管苗結(jié)薯;8。 結(jié)成的小薯種入大田無性繁殖;9。 形成具有目的性狀的馬鈴薯。(作者制圖)

爭議與前景

從誕生的一刻起，圍繞轉(zhuǎn)基因食品的爭議就從未停息。雖然還沒有任何證據(jù)表明轉(zhuǎn)基因食品會對人體健康造成危害，但是對于基因操作過程中可能發(fā)生的意想不到的變化，以及其對于健康和環(huán)境的長期影響，目前科學(xué)研究還不夠深入。因此，很多國家和地區(qū)，如美國、英國、法國、澳大利亞、新西蘭等，都制定了相應(yīng)的法律法規(guī)，對轉(zhuǎn)基因食品進(jìn)行標(biāo)注和嚴(yán)格管控。

與此同時，隨著克隆技術(shù)的不斷發(fā)展，質(zhì)粒的“魔力”也越發(fā)得以施展，人工構(gòu)建的質(zhì)粒DNA序列的克隆、擴(kuò)增、表達(dá)及保存得到了廣泛的應(yīng)用。2017年，世界上首對體細(xì)胞克隆猴“中中”“華華”誕生，標(biāo)志著我國在非人靈長類疾病動物模型研究中處于國際領(lǐng)先地位。這種依托質(zhì)粒載體的無性克隆體系，加速了針對多種腦疾病(阿爾茨海默病、自閉癥等)以及免疫缺陷、腫瘤、代謝性疾病的新藥研發(fā)進(jìn)程。

體細(xì)胞克隆猴“中中”和“華華”日常生活狀態(tài)(來源：中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心)

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質(zhì)粒雖然是微生物細(xì)胞中的極為微小的組分，但是在生物學(xué)的發(fā)展中具有十分重要的作用和遠(yuǎn)大的前景。它像一把鑰匙，打開了基因的“魔盒”，既為人類帶來健康和福祉，又可能引發(fā)災(zāi)禍與戰(zhàn)爭。在生物技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，我們只有利用好這把雙刃劍，才能讓質(zhì)粒繼續(xù)造福人類，推進(jìn)社會的可持續(xù)發(fā)展。