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中华学生百科全书-第251部分
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等。今后酶工程发展的步伐，也将与固定化技术的提高紧紧相连。
日常生活中的酶工程
如果要举几个例子来说明酶的应用，也许有人会提到：
加酶洗衣粉，洗衣粉添加进蛋白酶后大大增强了去污能力，能把衣物洗
得洁净如新；
多酶片，它所含的多种酶会增加人的消化能力，专治积食、消化不良；
SOD，全名叫超氧化物歧化酶，被广泛用于食品、饮料、牙膏和化妆品中，
它能去除人体内的垃圾——超氧化物，使人延缓衰老，保持青春活力；
加酶洗衣粉、多酶片和 SOD 饮料确实是酶的应用实例。不过，对于酶工
程来说，它们犹如大海中的几片浪花一样，只是简单的应而用已。在更深的
层次上，酶的应用更为丰富多彩，更能体现酶工程的无穷魅力。
糖，不仅一日三餐离不开，还常为节日喜庆作铺垫，在我们的生活中自
有它一定的地位。我们平时吃的蔗糖，是用甘蔗和甜菜生产的，这个传统已
经维持了数千年。进入 70 年代，这个传统被打破了。一种叫做高果糖浆的东
西开始部分取代蔗糖的地位，而高果糖浆正是酶工程的产物。
生产高果糖浆的原料是淀粉。它的生产过程比较复杂，原理却是简单明
了的。淀粉是由一个一个葡萄糖分子连接成的长链大分子。它先被α…淀粉酶
切成一段一段中等大小的分子，称为糊精，然后由糖化酶把糊精切成一个一
个的葡萄糖分子。这样淀粉也就变成了葡萄糖。葡萄糖也是甜的，但是甜味
不强，甜度只有蔗糖的 2／3 左右。于是再请葡萄糖异构酶出场，它的特长就
是把葡萄糖转化成果糖。果糖比蔗糖还甜得多，甜度是蔗糖的 1．7 倍左右。
经过转化、提纯、混和等工序，最后的产物是含果糖 55％、葡萄糖 45％的高
果糖浆。高果糖浆的甜味正好与蔗糖相当。
高果糖浆的优点在于它的原料是来源广泛、价格低廉的淀粉，生产成本
只是价格的 28％左右，因而在与蔗糖的竞争中处于十分有利的地位。在美
国、日本等发达国家，高果糖浆的产量连年大幅度增长，蔗糖的消费量却连
年大幅度下降。
在“为生活添加甜味”这一领域里，酶工程并没有因为生产高果糖浆的
成功而停止脚步，学者们又转向了两个课题：一个是用酶把葡萄糖转化成蔗
糖，一个是用蛋白酶来生产比蔗糖甜 200 倍的天门冬氨素。
自从 50 多年前青霉素被发现并投入临床应用以来，很长时期它一直是对
付许多炎症的首选药物。然而，它也有缺点，一是使用多了，许多病菌对它
产生了抗药性；二是它对一部分病菌本来就没有杀伤力。许多科学家开始研
究如何对青霉素进行改造。办法很快找出来了，那就是使用青霉素酰化酶对
青霉素进行裂解，然后再合成新一代的青霉素，它的名称是半合成青霉素。
半合成青霉素比它的母体——青霉素杀菌力更强，杀菌面更广，不过，青霉
素酰化酶很娇贵，不稳定，因而，实现半合成青霉素的工业化生产一度陷入
了僵局。
随着酶工程研究与开发的进展，这个僵局终于被打破了。德国科学家还
运用遗传工程手段改造大肠杆菌，获得了青霉素酰化酶高产菌株，大大提高
了生产效率。大批的半合成青霉素投入了临床应用，取得了理想的医疗效果。
今天，如果有谁的炎症在使用了甲氧苯青霉素、羧苄青霉素（它们都是半合
成青霉毒）后迅速消退，那也该谢谢那造福人类的酶工程。
生机勃勃的生物技术
食品的未来——蛋白质工程
奶酪是最原始的酶工程的产品。而今，现代的酶工程也将奶酪列为生产
对象。然而，困难出现了。生产奶酪时用来杀菌的 T4 溶菌酶，在工作环境温
度 67℃下，3 小时后活力仅剩下 0．2％，这样就无法维持正常生产。
这个问题留给蛋白质工程来解决。
蛋白质工程是新一代的生物工程。蛋白质工程的中心内容是改造现有的
蛋白质，生产新的、自然界并不存在的蛋白质来满足人们的需求。这些蛋白
质主要是酶。
高新技术的日新月异实在令人赞叹不已。生物工程至今还常常被人用“方
兴未艾”这个词来形容，却已经有了崭新的一代。基因工程、细胞工程、发
酵工程、酶工程这四大支柱已经被归入“老一代”了。
这些“老一代”的生物工程确实还存在缺陷，还有许多问题需要解决。
上面说到的 T4 溶菌酶便是一例。又如，人们寄托了很大希望的抗肿瘤、抗病
毒药物干扰素，遇热也极易变性，在 …70℃的低温条件下也只能保存很短的时
间。问题之二是产品的副作用。例如，用小鼠细胞培养、生产的单克隆抗体，
进入人体后一方面表现出强大的药理作用，一方面却会引起免疫反应，因为
它毕竟是异体蛋白。此外，生物工程的许多产品还存在着活性低、提纯困难
等问题，这些问题正是蛋白工程的攻关对象。
要改造一种蛋白质，大致要经过三个阶段：
一、通过计算机图像分析，找出蛋白质整体结构中足以引起某个性能发
生改变的关键部位，或者说在氨基酸长链中找到那个关键的氨基酸。然后确
定这个氨基酸需要如何加工修饰，或者干脆用哪一个氨基酸来代换。
二、找到生物细胞中指导合成这种蛋白质的 DNA 片段，并找出与那个关
键氨基酸相对应的碱基，经过分析后用另一个碱基来取代它。这个繁琐的过
程也少不了计算机的帮助。
三、将改造过的 DNA 片段移植到细菌、酵母菌或其他微生物体内，经过
培养，筛选出能“分泌”出理想的新蛋白质的菌株，再运用发酵工程大量生
产这种新蛋白质。
以上说的仅仅是蛋白质工程一种比较有代表性的生产过程，对这个过程
的描述也是极其粗略的。然而，它大概已经能表明，蛋白质工程集中了生物
工程的精粹，而且还是计算机技术和现代生物技术杂交生成的宠儿。
拿计算机图像显示来说，它显示的不仅是氨基酸排列顺序，也不仅是氨
基酸长链如何缠绕、盘旋的立体结构，还要显示出每个氨基酸的受力情况—
—在哪些相邻分子的引力下处于平衡状态。更进一步地，它还要显示如果某
个氨基酸发生改变，这个平衡状态将如何变化，对整个蛋白质的功能将会有
什么样的影响。如果没有现代计算机技术，这一切都是难以想象的。
蛋白质工程问世时间不长，取得的成果已经令人刮目相看：
那种 T4 溶菌酶，蛋白质工程施以回春妙手，将它的 3 位异亮氨酸换成半
胱氨酸，再跟 97 位半胱氨酸联接起来。这样，它在 67℃下反应 3 小时后，
活性丝毫未减。
在…70℃的低温下难以保存的干扰素，经蛋白质工程的点化，两个半胱氨
酸被换成丝氨酸，一下子变得可以保存半年之久了。
一种生产中很有用的酪氨酸转移核糖核酸酶，只是在一个位点上用脯氨
酸取代了苏氨酸，催化能力一下子提高了 25 倍。
对于用小鼠细胞培养生产的单克隆抗体，专家们已经提出了“开刀方
案”，打算把它整修得更接近于人的抗体，以减轻副作用。
……
蛋白质工程不仅要对那些生物工程的产品进行再加工，还要对一些纯天
然的蛋白质进行模拟和改造。
例如，那绵软、飘逸的蚕丝，那蓬松、暖和的羊毛，那纤细、坚韧的蛛
丝，它们本质上都是蛋白质。对它们进行模拟和改造，再实现大量生产，将
会获得性能比蚕丝、羊毛、蛛丝更优异的材料，改善我们的生活条件。
浏览一下对蛋白质工程的众多评价是很有意思的。
有人称它是第二代生物工程，有人称它是第二代基因工程。
有人说它“曙光初露”，有人说它“前途无量”。
80 年代，有人将“21 世纪是生物学的世纪”这句话改成“21 世纪是生
物工程的世纪”；90 年代，又有人提出，“21 世纪是蛋白质工程的世纪”。
众多人们的关注和瞩目才会引起众多的评价。众多评价至少传递出一条
信息：蛋白质工程充满魅力，充满希望。在近几年内，蛋白质工程可能会取
得更多的突破，又将会招来许多新的评价，我们期待着。
生命延续——低温生物工程
从 60 年代起，一门崭新的生物技术——低温生物技术逐渐形成，逐渐发
展。低温生物技术的要旨就是冷冻生命，就是通过迅速降温使生物达到超低
温，进入冬眠状态，从而得到长期保存。
低温生物技术的重大意义是显而易见的。冷冻生命就是延长生命，对许
多生物来说意味着延长人们使用它们的年限，时人类本身来说就是延长寿
命。后者自然更令人感兴趣。患了不治之症的病人如果对当代的医疗手段已
经绝望，可以冷冻起来，到三五十年后再得复苏。那时也许不治之症已经成
了药到病除的小事一桩。飞向另一行星的宇航员要忍受长达数年的枯燥无味
的旅途生涯，如果能冷冻起来进入冬眠状态，那么一觉醒来就可以精力充沛
地登上另一星球。这样，不仅使他避开了旅途寂寞，“捡”回了几年寿命，
还可以使航天器里面省去许多食品、饮料，轻装上阵。
低温生物技术要解决许多难题，其中冷冻速度是很关键的。冷冻速度过
快，生物细胞内的水分会结冰，把细胞涨破；冷冻速度过慢，细胞会脱水而
使盐分增加，蛋白质分解。各种细胞的组成成分和含水量都不一样，所以，
对于由各种器官组织、各种细胞组合成的生物机体，要确定一个最适宜的冷
冻速度是非常困难的事。类似的难题还有掌握复温的速度、避免细胞器的低
温损伤等等。
由于低温生物技术凝集着人类巨大的兴趣和期望，所以近 20 年来发展很
快。根据生理医学专家预测，到 2050 年，人类有可能第一次对冰冻保存的人
体施行解冻复苏手术。在 21 世纪内，人类通过用冬眠技术断断续续地放慢机
体的生理作用，会使人生命的跨度放大 20 倍。
声音的妙用
“对牛弹琴”是大家很熟悉的成语。在奶牛挤奶时播放音乐以提高产奶
量，过去也曾作为笑话流传过。而今，它却是举世公认而且广泛采用的饲养
手段了。只不过，作为一种现代化的饲养技术，它的内容更丰富了。例如，
音乐不仅是在挤奶时播放，在喂食、休息时也要定时播放；乐曲的选择也至
关重要，只有轻快、优美、流畅的乐曲才能达到理想的效果。据说有人试验
过，施特劳斯的圆舞曲《蓝色的多瑙河》会使奶牛的产奶量大增。而沉郁、
悲壮的贝多芬第九交响乐却会使产奶量锐减。
蚊子对声音是很敏感的。据说，有一位歌剧演员在演唱高调滑音时，一
群雄蚊子向他那大张着的嘴巴扑来，弄得他尴尬万分。也许是那滑音和雌蚊
的声音相近的缘故吧！相反，怀卵的雌蚊由于厌恶雄蚊的纠缠，一听到雄蚊
的声音就赶快溜之大吉。目前美国、西欧流行的声波驱蚊器就是根据这个原
理制造的。它发出的是雄蚊飞行时振翼的特殊声波，能把雌蚊赶得远远的。
而叮人吸血的正是雌蚊，雄蚊是不叮人的。这种声波驱蚊器在美国、西欧很
灵验，拿到中国就不灵了，因为中国雄蚊的飞行声与驱蚊器发出的声波不一
样。
根据鱼类对声波的反应，用特定的声波诱集或驱赶鱼类进行捕捞，是一
种现代化的渔业技术，已经很常见了。更奇妙的是“声音驯鱼”。就是对养
殖的鱼群用特定的声音进行训化，使它们一听到这种声音就会赶来取食。等
到这种条件反射稳固以后，把这些鱼放到鱼群聚集的海域，过一阶段再用这
种特定的声音进行诱捕。那些已驯化的鱼听到声音便急忙赶来，还充当了“带
头羊”的角色，带来了大量野生的未经训化的同伴。这种新奇的捕鱼手段试
验成功，而且取得了可观的效益。
光与生物工程
灯光捕鱼利用的是鱼类的趋光性，它可算是一项简单朴素的光生物技
术。光生物技术就是用光来调节生物的生长、发育和行为的技术。我们知道，
光是地球上一切生物的能量来源，是一切生物最重要的环境因素之一。生物
的进化和适应离不开光，生物的结构、功能、发育、行为均受到光的强烈影
响。光生物技术的研究中心是：确定光照的最适宜的波长、强度、偏振性和
持续时间等，达到用光调节生物生长、发育和行为的最佳效果。
我国吉林省的一些科技工作者长期深入研究用光照提高栽培人参的品质
和产量，设计了许多新技术，如接近光饱和点和连续光照，使用拱形调光棚，
配以红、蓝光透过能力较强的浅黄色薄膜，等等。这些光生物技术已取得了
喜人的成果。吉林省有一个县的 65 万平方米作物面积达到了每平方米产栽培
人参 1．12 千克的世界最高水平，而且人参的各种皂甙含量的总体水平赶上了
先进国家韩国和日本。
光照对动物的生长发育也有明显的调节作用。有人在猪圈中分别配置了
白光、蓝光和红光，每照射 12 小时，光照强度为 10～20 勒克斯。和不照光
的猪圈相比，白光使猪每天多增加体重 26 克，蓝光为 13 克，而红光则达到
了 43 克。有人又拿牛作了试验，发现同样的肉用牛，每天接受 16 小时光照
的比每天接受 9～12 小时光照的要多长肉 10％；而奶牛每天接受 16 小时光
照比自然光照条件下要增加 10％产奶量。类似的光照试验还曾以山羊的配种
和产羔、母马的发情和排卵、家禽的产蛋率和产肉率为课题，都取得了令人
满意的结果。目前有一些先进国家，光照管理又被列为动物饲养的重要管理
项目。
光对生物细胞的影响还孕育出一项崭新的医疗技术。
有一种很棘手的儿科疾病叫做新生儿黄疸症，是由于新生儿体内胆红素
过高而引起的。现在有一种先进而安全的治疗方法——光疗法，就是用波长
450 毫米的光照射新生儿全身（眼睛除外）。治愈率很高。原理是胆红素是
一种光敏物质，对波长 450 毫米的光尤其敏感。在光的作用下，许多胆红素
分子会转变成水溶性的化合物排出体外，从而达到妙手回春的治疗效果。
最令人感兴趣的，莫过于用一种光敏药物——卟啉类药物来治癌了。这
种卟啉类药物有两大特点。一是对光敏感。在波长为 625 毫微米左右的光照
下，它会改变结构的特性，杀伤所在部位细胞。二是对肿瘤细胞有亲和力。
它进入人体后随血液流动，对正常细胞冷若冰霜，与肿瘤细胞却是一见如故，
难舍难分。因为具有这两大特点，它作为肿瘤克星就很好理解了。在确定适
宜的剂量后，向患者注射这种卟啉类药物，过几天这些药物分子会聚集在肿
瘤部位。这时再用 625 毫微米的光进行定期照射，肿瘤会逐渐变色、渗血、
干燥、萎缩。一二周后会长出新的组织。至今，已有不少肿瘤患者在这种治
疗手段的帮助下获得了新生。
新生电脑
80 年代以米，许多电脑专家转而致力于研究人脑的结构和功能，期望用
最尖端的材料和电子线路来模仿人脑的功能，包括神经细胞的兴奋和抑制，
神经网络的联通和整合，大脑的思维、判别和反射等等。在此基础上，就可
以制造出新一代计算机——神经网络计算机。和过去的所有计算机不一样，
神经网络计算机有学习能力，会积累经验，增长知识，在记忆、联想、模糊
识别等方面逼近或超过人脑。它被称为第六代计算机。
1992 年，日本的一家公司宣布研制出一部“通用神经网络计算机”。这
部计算机模仿人脑神经细胞传递信息的方式，使用 32 个有学习能力的大规模
集成电路，不用软件，不需要解读软件命令的线路。它的处理速度奇快，人
脑要 1 个多小时读完的文字，它在千分之几秒内就能读完。
在当代的高新技术中，计算机技术和生物技术是两大主力。神经网络计
算机可说是这两大技术融汇的产物，但它是宏观方面的产品。在微观方面，
生物技术也同样为计算机技术做出了巨大的贡献，那就是近年来各发达国家
都在加紧研制的生物芯片。
作为计算机核心元件的芯片，至今仍是以半导体为材料的。但半导体芯
片的发展已快要达到理论上的极限。它面临的困境是半导体的集成密度受到
限制。一片硅片上最多只能排列几千万个晶体管元器体，否则就会有发热、
漏电等问题。这样，芯片的存储容量就有限了，而芯片容量的限制直接会影
响到计算机处理信息的速度。所以，要使计算机技术再次取得新的突破，必
然的趋势是用新一代的芯片——生物芯片来取代半导体芯片。
生物芯片的主体是生物大分子。蛋白质、核酸等生物大分子都具有像半
导体那样的光电转换功能和开关功能，但目前为各国科学家看好的是蛋白质
分子，蛋白质分子具有低阻抗、低能耗的性质，不存在散热问题。它的三维
立体排列使它具有较大的存储容量。使用蛋白质芯片的计算机，处理信息的
速度可提高几个数量级。另外，蛋白质分子还有自行组装和再生的能力，为
计算机全面模仿人脑、实现高智能化提供了可能。
选择哪种蛋白质分子来担当这一重任呢？这可是各国科学家在努力攻关
的核心问题。一种嗜盐菌的紫膜中的蛋白质分子（代号为 bR）看来是选作生
物芯片的理想材料，因为它来源广泛，具备作为光电转换和开关元件的优良
性能。而紫膜是目前唯一的结晶状生物膜，稳定性很好。我国科学家在紫膜
蛋白质分子的研究中也有不少建树，有可能为生物芯片的问世做出自己的贡
献。
制作生物芯片除了直接选用天然蛋白质分子之外，一种更为奇妙的手段
是制造人工蛋白质分子。这有两种途径：一种是通过 DNA 重组，使某种微生
物“分泌”出合乎要求的蛋白质分子；另一种是直接用蛋白质的基本材料氨
基酸来进行组装。人工蛋白质分子是根据理想的蓝图来进行构筑的，性能当
然比天然蛋白质分子优异，但同时也存在着更多的困难，目前尚处于实验研
制阶段，离实际应用还有不小的距离。
小人国的福音
人的身材有高有矮。虽然人的魅力并不主要取决于身材的高矮，但是，
人们总希望自己高大一点、魁梧一点，特别是个子偏矮的男同胞，总想找到
增高的药物和窍门。
然而，人们的注意力，则更多地放在那些被称为“侏儒”的超矮人身上。
在中国古代典籍和外国文学作品中，都描写过所谓小人国，如安徒生的
拇指姑娘、格列弗小人国历险的故事，在西方是家喻户晓的。这些虽然都是
童话、传说，在现实生活中，却也确实存在着超矮人。如非洲丛林中被称为
“世界矮人”的俾格曼部族的人，身高平均在 1．50 米以下。世界上最矮的人，
要算荷兰侏儒鲍林·玛斯特斯，她仅高 59 厘米，19 岁时因肺炎脑膜炎并发
而死。侏儒们身材虽矮，智力发育却与常人无异。这大概也是他们引人注目
的重要原因之一。
人们不禁要问，他们为什么这么矮？是什么在主宰人们身躯的高度？如
果找到这种东西，能否使矮人们都长高？
对于飞速发展的现代科学，这样的问题并不难回答。人们早已研究出，
控制人体身高的，是体内的脑垂体。脑垂体分泌出一种生长激素，刺激人的
生长。脑垂体必泌的生长激素多，人就长得高，分泌的生长激素少，人就矮。
若分泌的生长激素过多，人就会长成巨人，而分泌的生长激素过少，人的身
材就会矮小，畸形、甚至成为侏儒。而生长激素的分泌量又是由生长素释放
抑制因子控制的。
这样一来，治疗侏儒的办法不就找到了吗？只要将生长激素或生长素释
放抑制因子注入人体，人不就长高了吗？
然而事情并不那么简单。对于生长激素或生长素释放抑制因子，人们首
先是从人体或动物体中提取的，但非常困难。因为这两者在人体中的含量极
少。以往获得生长激素的唯一来源是人的尸体。从 600 具尸体的脑垂体中提
取的剂量，仅仅能治疗一个侏儒病人！若想从动物中获得生长激素释放抑制
因子，需要 50 万只羊脑才能提取到 0．005 克的纯激素！因素，大量获取生长
激素，是我们要攻克的一大难题。
经过长期的、艰苦的研究，今天，生物工程为解决这一难题展现了广阔
的前景。人们将人的生长激素基因通过遗传工程引进大肠杆菌，让大肠杆菌
来生产人的生长激素已获成功。
大肠杆菌是 1885 年由慕尼黑的一位年轻儿科医生 T．埃希里克在一块尿
布上发现的。原来它并未引起人们的注意，然而如今，它成为了一切重组基
因研究的中心，成为遗传工程的主角，使现代许多大企业家为它不顾风险而
拼死竞争。
这是为什么？原来，多年来，为大量获取生长激素，生物学家一直渴望
借助一种结构简单，能快速�
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