胜过美猴王的“金箍棒”——细胞工程

金箍棒是传说中龙宫的镇宫之宝，在美猴王孙悟空的手心里，它可大可小，全凭猴王的兴致！将来，细胞工程学家就像美猴王一样，他可以根据预定的设计，用细胞工程学的方法，任意地改变或者创造细胞和生物有机体。

早在本世纪之初，科学家们已经能够在实验室中，把人体的细胞取出来，放在瓶子中进行培养，而且能够从细胞培养物中分离出可以用来治疗不少疾病的抗生素、疫苗等。

到了 30 年代末，科学家们开始在植物细胞的试管培养方面取得成功。他们把单个的细胞从植物有机体中分离出来，将它进行培养和一系列的处理，这样的一个细胞就可以分化发育，成为一棵植株，而且这棵植株具有母体植物的全部信息。例如，把牡丹的花粉取出来以后，经过培养，它就可以长成牡丹苗，成熟以后就能够盛开美丽诱人的牡丹花。这也就是生物学中通常所说的植物细胞的全能性。

目前，以植物细胞全能性为基础的植物组织和细胞培养技术已经能够培育各种试管植物一千多种；运用植物的花药培养技术也已经得到多种优良品种；从未被病毒感染过的植物生产、花卉苗木的快速大量繁殖已经收到明显效益；体外受精、胚胎培养为植物和动物品种的优化提供了新的途径；由癌细胞和脾细胞融合而成的杂交瘤，它所产生的单克隆抗体被称为“生物导弹”，在征服危及人类生命的恶魔——癌症将发挥重大作用。人们将这一门技术领域称作为细胞工程，它是生物工程的主要组成部分之一。

谈到这儿，我们给细胞工程下一个简单的定义。它就是应用细胞学的方法，按照我们人类的需要和预定的设计，有目的、有计划地保存、改变和创造新细胞及其遗传物质，从而产生新的种或者品种。细胞工程在新技术革命浪潮中占有重要的地位。

实际上，细胞工程只是一个大类，还可以将它分成好几个小类。例如，拿不同的体细胞进行杂交的，叫做细胞融合；在不同生物的细胞之间更换细胞器或者细胞核的，叫做细胞器移植或者细胞核移植；将体外受精的卵细胞拿到体内进行发育的，称为胚胎移植，等等。下面，我们举一些例子，逐一进行简单介绍。

泡马豆和人造小鼠

也许你不太熟悉这两样东西。它们都是通过细胞融合的方法创造出来的生物新品种。

多少年来，菜农们梦寐以求自己的菜地里能够生长出这样一种植物：它的地面以上部分硕果累累，坠满了营养丰富、香甜可口的番茄，而地面以下部分则结满了贮藏着淀粉、蛋白质等大量营养物质的大土豆。这就是“泡马豆”（Pomato），它的名称是由马铃薯（Potato）和蕃茄（tomato）的英文字母字头字尾重新组合而成，已经于 1978 年由联邦德国科学家利用细胞融合方法初步培育成功。培育出的“泡马豆”外型倾向于蕃茄，花叶果实具有杂种特点，遗憾的是地下部分没有长出科学家们想象中的大土豆。尽管如此，这一成功还是为科学家们利用细胞融合方法创造新植物开辟了前进的道路。目前，“泡马豆”的培养工作仍在继续进行。说到这儿，也许你要问，究竟什么是细胞融合？

细胞融合也称体细胞杂交，又叫无性杂交。一般来说，杂种的形成是通过杂交。可是，不同的物种之间，它们的精子和卵是不能随意结合而实现受精的，有的即使受精以后产生了杂种后代，如驴和马交配生出骡，但这种后代是不育的。因而，不同物种之间的杂交或者远缘杂交常常受到严格的限制。

细胞融合就是避开有性生殖，利用现代科学技术，分别取出两种生物的单个体细胞，使它们合二为一，融合成含有多种遗传物质的一个细胞。对于这个细胞，我们把它当成受精卵一样，作为新生命的开始，精心呵护它，使它最后长成完整的生物体。由于它来源于两种不同生物的细胞，保留了两种生物的遗传物质，因而具有两个亲本的遗传特征。人造小鼠也就是根据这一原理创造出来的。

下面，以人造小鼠的设计、产生为例，介绍动物细胞融合方法。整个工艺大体上可以分成四个步骤：

①细胞的分离组成人及哺乳类动物体的细胞具有极其复杂的结构和机能。细胞在机体内生长时，相互依赖，相互制约，在神经、体液的调节下形成了一种天然的内环境。体外生长时，细胞形态上发生了变化。分离体外生长的细胞，通常要加入某些称为消化液的试剂进行处理，常用的消化液有胰蛋白酶。

②诱导融合所谓诱导，就是加入诱导剂或者用其它方法促使有活力的亲本细胞融合。其方法大致上可以分为物理的和化学的两类。比如显微操作可以归入到物理方法中来；化学方法是指用特殊的药物作为诱导剂进行细胞融合。目前，化学方法用得较多，方法各异，有聚乙二醇融合法、仙台病毒融合法等，不同的方法都有自己的独到之处。

③异核细胞的筛选和培养融合后的细胞已经混为一体了，但融合细胞内还是含有不同来源的细胞核，这时的细胞称为异核细胞。在动物的异核细胞中，存在着一种生存竞争、优胜劣汰的现象，即其中一个亲本细胞的染色体，在细胞分裂的讨程中可能会逐渐被丢失。不过，这个问题好解决，科学家们往往采用一种选择培养基就可以将真正的异核细胞挑选出来，进行培养。

④胚胎移植这将在后文中进行介绍。

我们这里说的人造小鼠，是由瑞士和美国科学家利用细胞融合技术培育出的含人类染色体的小鼠。

在这个实验中，他们选用人的一种纤维肉瘤细胞和小鼠的畸胎瘤细胞。这两种细胞都是有缺陷的：人的纤维肉瘤细胞不能产生一种转移酶，小鼠的畸胎瘤细胞不能产生一种激酶，因而这两种细胞各自都缺少一种酶。这样，两种细胞都有了自然标记。

在实验中，人和小鼠的细胞融合后获得的杂种细胞，在继续培育繁殖中，小鼠的细胞千方百计地排除人的染色体，因此在杂种细胞中，人的染色体可能剩一条，也可能剩几条；有的细胞中可能剩这一条，也可能剩那一条；还有可能所有人的染色体都被排除。分析这些杂种细胞的结果表明，只有保留人类第 17 号染色体的杂种细胞，才能生成小鼠畸胎瘤细胞所缺陷的激酶。

由两个亲本细胞融合在一起形成的杂种细胞，就犹如精卵结合形成的受精卵一样，需要在“母亲”的哺育下才能成长。于是，科学家们为包含人类第 17 号染色体的杂种细胞找了一个“养母”。也就是说，将这个杂种细胞注入母鼠的胚泡中，再引入母鼠的子宫内，让其发育生长，直至子鼠出生。

经过对人造小鼠的生物化学测定，表明这种小鼠确实保留了微弱的人类

的酶的活性。

这一实验的成功，证明胚泡内的这种杂种细胞与胚泡一样，也形成了胎儿的正常组织。这不仅为人类遗传病的研究与治疗开辟了新的途径，而且表明，人类可以利用科学技术来提高人口的质量。所以，我们在科幻电影中经常能够看到的具有某些特异功能的“超人”，并不完全是由制片商凭空臆造出来的。

试管婴儿

孩子的诞生使家庭平添无穷的乐趣，而夫妇俩人有一方不孕则往往给家庭生活蒙上一层阴影。现在，人们不再为这个问题发愁了。

试管婴儿是胚胎移植技术发展的结果。胚胎移植是指受精卵移植或者称为“借腹生子”。起初，这项技术仅使用于畜牧业，后来，科学家们大胆地将这项技术用于人类，结果获得了成功。

世界上第一个试管婴儿于 1978 年诞生于英国，这个试管婴儿至今已经

18 岁了，而且他的妹妹也已经出世。近年来，不少国家都在争相发展和使用这项技术。仅澳大利亚每个月就有数个试管婴儿问世。

培育试管婴儿的技术主要包括两个内容：首先是体外人工受精，其次是胚胎移植。它的过程大致是这样的：将精子与卵子在试管内结合受精，25 天后把发育到 8 个细胞期的胚胎移植到女性的子宫中去发育成长，直到足月分娩。试管中进行受精的成功率是较高的，但胚胎移植的难度就比较大了，成功率也比较低。目前科学家进行研究的重点就是如何提高胚胎移植的成功率。

试管婴儿研究的成功不仅可以解决不孕妇女的生育问题，而且具有更深远的意义，它为人类的优生、优育、节育以及避免遗传疾病的繁衍提供了方法。另外，试管婴儿还为研究人类究竟从何而来以及如何发展进化提供了新的技术途径。但是，人为地为试管婴儿选择母体，要使社会能够接受，还不是个简单问题，它将涉及人伦、社会道德观念以及法律等一系列社会问题。

无籽西瓜

酷热的夏季，西瓜是不可缺少的消夏佳品。它不仅甜润解渴，而且营养丰富。不过，使人感到美中不足的是，吃西瓜往往需要吐籽。如果能大量生产无籽西瓜，自然是再好不过的了。

习惯上常说开花结果，似乎很难想象由瓜籽萌发、发育而成的西瓜会是无籽的。

遗传学上认为，生殖细胞（精细胞或卵）的可育性是有条件的。通常，生殖细胞中只含有这种生物的一套染色体。两性生殖细胞（精细胞和卵细胞）结合后，受精卵中的染色体就呈二倍体存在。如果染色体在数目上发生了变化，其结果不是不育，就是出现异常性状。培育无籽西瓜的诀窍就在这里。

首先，我们看一看无籽西瓜的染色体组成和培养过程。正常西瓜细胞为二倍体细胞，其中含有的染色体数目为 22 条，而它的生殖细胞中则只含有一

套染色体，即 11 条染色体。当两性生殖细胞结合后，长出的西瓜则含有 22

条染色体。与这种普通西瓜有所不同的是，无籽西瓜含有的染色体数目为 33 条。显然，无籽西瓜含有三个染色体组，因此叫做三倍体西瓜。

无籽西瓜的培育过程，不仅原理相当简单，方法也并不十分复杂。大体上是：首先用一种强烈的物理或者化学因素诱发出四倍体西瓜（含有四个染色体组，染色体数目为 44 条）。然后，用这种四倍体西瓜作为母体，二倍体

西瓜作为父本，杂交育种，就发育成了三倍体无籽西瓜（参阅图 8）。

现在，我们来看一看为什么三倍体西瓜几乎无籽。大家已经知道，生殖细胞中所含有的染色体数目必须是染色体组中染色体数目的整数倍，才会有生育能力或者说具有可育性。比如西瓜细胞中一个染色体组中的染色体数目是 11 条，那么只有含有这样的 11 条或者 22 条染色体的花粉精子或者卵才是可育的。

无籽西瓜的细胞内含有三个染色体组，即每种同源染色体都有三条。这样的细胞在形成生殖细胞时，每三条同源染色体中的两条分别分向两个生殖细胞，而另外一条染色体则无规律可循。由于 11 种同源染色体（33 条染色体）的行为都是如此，所以不难想象，形成的生殖细胞染色体数目是各种各样的，最少的有 11 条，最多的有 22 条，其余的介于其间。前面我们已经说

过，只有含有 11 条或者 22 条染色体的生殖细胞才是可育的，但这样的细胞

实在太少了。打一个简单的比方，抛 11 枚硬币时，一般是既有正面朝上，也有反面朝上，仅仅是数目多少不同而已；而要正面或者反面同时朝上，可能性也会有，但实在是非常少见。所以，无籽西瓜中差不多无籽的原因，是由于形成生殖细胞时，三个染色体组中有一个染色体组的染色体无规律的行为造成的，也就是说，是由于绝大多数生殖细胞不具有可育性造成的。

谈到这里，大家一定想问，无籽西瓜是用细胞工程中的什么技术制造出来的？从无籽西瓜的培育中，大家可以看出，是通过改变染色体的数目来达到制造无籽西瓜的目的。其实，这就是细胞工程中比较有成就的研究领域，叫染色体工程，它是按照人们的要求有计划地代换、添加或者削减同种或异种染色体的全部或一部分，从而达到定向改变遗传性和选育新品种的一门技术。像无籽西瓜这样的，三套染色体都是从西瓜的生殖细胞而来，所以叫做同源多倍体，另外还有异源多倍体、单体等，我们不作详细介绍。