分子生物学中两种不同学派和生物产业形成

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第889页（4358字）

分子生物学历来存在结构论和信息论两大学派，简介这两个学派各自的观点，了解他们两次会合导致生物产业形成的始末，从中理出值得思考的规律，是所有投身于生物产业研究与开发的工作者必须具备的知识。

1968年，美国斯坦特(G．S．Stent)较早对这两个学派做过一般性介绍，在生物学界和哲学界引起巨大反响，有关这方面的论着如雨后春笋。但系统叙述这两个学派的学术思想分歧点，历史上他们曾发生的两次会合从而引导形成第1代生物工程产业——遗传工程和第2代生物工程产业——蛋白质工程，这是迄今中外文献中所从未讨论过的。

结构论又称三维结构论，主要研究生物分子形状及其发育、分化和向愈来愈高级的有机体演化的全过程。

结构论认为分子结构是多态的，这对认识活有机体的机能至为关键；还认为一个细胞的生理功能只能用组成这个细胞的分子零部件的三维构象术语才能得到解释，因此主张要深入研究基因的发生和功能。此定义只提到功能，甚至连遗传信息都未提及。所以他们只热衷于测定这些生物分子的空间构型，而不是去努力探讨最复杂的生物学现象对物理学的依存性，也极少关注遗传学。至于生物分子功能也暂时放在一边，想留待以后再去研究，而这些分子是从何而来的，可以说连想都没有想过。由此看出，结构论是要将物理化学的方法和概念应用到诸如核酸、蛋白质之类的生物分子结构研究中。他们实际上是生物化学的一个分支学科，主体是英国剑侨的物理学、化学大师们。

信息论又称一维结构论，中心课题是生物遗传信息。主张遗传学有其自主性，不应掺杂进物理学、化学的观点；对物理学本身也抱有极大怀疑，认为生物学家们别指望从物理学家身上找到什么普遍性的规律，而研究生物学能丰富物理学内容；倡导有选择地研究遗传学。反对机械论和原子论，反对任何还原论的生物学和一切繁琐的分析；认为化学本身就是建筑在生理学基础上的，何必花那么大的力量去研究遗传信息载体DNA分子结构的几何学，有这么多的人力物力还不如去研究这类分子结构的拓扑学，故而绝对不可以将基因(生物学概念)和分子(化学概念)等同起来。

认为至关重要的是研究遗传信息复制过程中贮存信息载体的一维结构性质，而非三维结构性质，此外还要研究含氮碱基特异配对的作用。至于其它的生物分子结构，尤其是蛋白质分子结构连提都没有提。他们的代表人物甚至错误地认为生物化学没有用或用途不大；实际上他们也确实是用这类生物分子的一维结构术语来解释微生物遗传学的，主体是噬菌体研究组成员。

两派虽有交流，但不理想，总是未跳出彼此所持的学术观点范畴。

幸亏信息论者的第2号代表人物卢里亚(S．E．Luria)认识到DNA分子的化学知识对弄清DNA功能是不可缺少的，并果断地派遣他的学生沃森(J．Watson)赴丹麦学习生物化学。这位年轻的遗传学家、，信息论者不期于1951年在意大利举行的一次学术报告会上，见到来自剑桥的年轻物理学家威尔金斯(M．Wilkins)的DNA分子微丝X－射线衍射图，给与他以巨大的启迪。DNA能够结晶，这是他从未想到的。他为了进一步获得这方面知识，便又从哥本哈根转到剑桥学习X－射线衍射技术，他给云集于剑桥的一大批结构论者带来了生物遗传信息的基本概念。在其时的结构论者方面，虽然在血红蛋白和肌红蛋白研究中有过出色的成就，但这些蛋白质是从何而来的却从未考虑过。沃森的到来使他们茅塞顿开，沃森实际上是在两个学派之间充当了架桥人的角色，另一方面又使他本人有机会与另一个关键人物，年轻的物理学家克里克(F．Crick)走到了一起。一个是遗传学家，一个是物理学家，前者是信息论代表人物卢里亚的门生，后者是结构论代表人物勃罗兹(F．Perutz)的弟子，他们在学术上是互补的，把各自代表的学派所取得的最新成就、资料、数据等揉合在一起。1953年经过他们的综合、分析、装配成一个DNA双螺旋立体结构模型，使人一目了然。

它是20世纪生物学中最伟大的成就，标记着分子生物学诞生了。模型包含的普遍性遗传学涵义从细菌到大象是一概适用的，这是纯出于研究的需要，使这两个学派不知不觉地走到了一起，是结构论与信息论的第一次会合。

第1次会合所取得的划时代成就导致1973年首次成功地实现DNA重组试验，并形成第1代生物工程产业－遗传工程，为廉价地大量制造在工、农、医等各行各业有广泛用途的异源蛋白铺平了道路。但这只是如实地抄录、复制和表达自然界现有的各类蛋白质，而要使这类蛋白具备人们需要的各类特性，最重要的是改变酶底物特异性，从酶分子活性部位剔除那些与生产目的争夺底物的分子。

这就需要对现有天然蛋白质分子做些目的明确的修饰、改造，甚而全程重新设计地球上所没有的新蛋白质分子。1978年，美国细菌遗传学家贺契生(C．A．Hutchison)联合一些生化学家，运用结构论者桑格(F．Sangel)的DNA测序方法，用预先确定好顺序的寡脱氧核苷酸一小片段为诱变剂，实现“定位突变(side-directed mutagenesis)”，组构成功具有所需特性的突变株，从而产生具备生物学特性的蛋白质。1981年，美国尤勒姆(K．Ulmer)将此全过程冠以“蛋白质工程”名称，即利用X－射线衍射研究所获得的有关蛋白质三维构造方面的资料数据，再借助遗传水平上的变化来改变此蛋白的结构，合成新酶或新酶结构。以酪氨酸tRNA合成酶为例，分子结构中Thr51→Pro，酶对底物的亲和性成百倍增长。

由于目标明确，有巨额资金，市场前景广阔，这样便吸引来一大批世界一流专家。他们中间既有精通基因克隆、人工合成基因及寡核苷酸乃至定位突变操作能人，也有除这些遗传工程经典技术以外的诸如蛋白质结晶、分子结构测序、计算机成像模拟分子设计的巨匠。

他们为了完成共同承担的课题及其开发，一切学科界限、门户之见、学术分歧等统统丢在一边，出于科研和高技术产业开发双重需要使他们再一次走到一起来了。参加到蛋白质工程研究实体来的有不少当年结构论者和信息论者的学生或学生的学生，他们由离异而趋向统一，构成新的组合，把属于结构论和信息论两个学派所有的研究概念、方法、手段都使用上了，促进了这个新领域的飞速发展。

单是世界工业酶生产首户，丹麦Novo公司一家先后就有5种经过蛋白质工程饰变过的具备所需特性的新酶投入市场。全世界已掌握其分子构造的蛋白质已达300种，每年还能弄清楚10～20种蛋白的构造细节，此外还将不断有全程人工设计的新生物分子问世。这是结构论和信息论两个学派的第2次会合，由于这后一次会合是与产业开发挂钩的，预期比第一次会合能带来更多的新成就，其发展也将更加迅速。

科学史中历来就有两大传统，以伽利略、牛顿和拉瓦锡为一方，以狄德罗、拉马克和哥德为一方。分子生物学中结构论者似乎倾向于前者，而信息论者似乎是倾向于后者。所以分子生物学中出现两个学派也是有其历史渊源的，不是孤立的现象，而是科学发展的历史必然，是科学研究自身发展的要求和机遇。

两个或两个以上的不同领域、不同学派的知识、学术观点只是在解释某个特定问题上变得相互有联系，学科或学派的统一才得以实现。起初他们仅被视为有关学科的交叉研究领域或不同学派，以后在长期研究中由逐步建立起来的概念、关系、步骤、技术、标准等形成为新的领域，从而形成新的学科。昨天的学科发展成为今天的交叉学科或不同的学派，而今天的交叉学科或不同的学派有可能发展成为明天的新学科。

分子生物学中结构论和信息论的两次会合都反映了学科发展的上述规律：第一次会合导致DNA模型的建立，开始了“定则时期”(即DNA→RNA→蛋白质的“中心定则”)，引导形成第1代生物工程产业——遗传工程；第2次会合导致形成第2代生物工程产业——蛋白质工程。

随着研究的深化，人们发现要使蛋白质在机体内充分显示其生理活性，就必须同存在于细胞表面的糖质协调一致。例如将糖质联接到诸如促红细胞生成素之类的重要重组分子上，便能大大改进后者的生物学特性。

由于糖质是挂在被埋入细胞膜内的糖蛋白上，故它们又起着细胞的信息传递、识别和调节生物体内机能的作用。还由于包括癌细胞在内的病变细胞和正常细胞表面的糖质有所区别，故而据此可以诊断疾病，调节体内免疫机能。研究糖质的上述功能，并进而控制糖质合成和分解，以期加以有效利用。这不仅有助于弄清楚癌症的发病机理、疾病治疗和预防，还将为设计新药、人工脏器，开发功能性食品等另辟新径。这就是新崛起的糖质工程，它有可能构成为继遗传工程和蛋白质工程之后的第3代生物工程产业的支柱技术。由于糖质组成单位数量多，结构也极复杂，具有高度特异性。

例如4种不同的核苷酸只能构成24种不同的四核苷酸，而4种不同的单糖却能组构出35560种构型各异、特性不同的四糖。它虽不直接受基因调控，但基因调控酶，酶产生糖质，所以它是基因的二次产物。用经过蛋白质工程操作过的高度特异的糖基转移酶，从活化单糖一步步组构新的糖链或改变它的侧链数目，或变换其位置，为设计新药提供新的武库。

预期在作为第3代生物工程的支柱技术－糖质工程关键性实验中有可能实现结构论与信息论的第3次会合。

。【参考文献】：

1 Watson J D,et al. Nature. 1953,171 (4354) :737～738

2 Stent G S. Science, 1968.160(3826) :390～395

3 Thuillier P. La Recherche, 1972,23:439 ～ 446

4 Hutchison C A,et al. J Biol Chem,1978,253(18): 6551～6560

5 吴明．自然杂志，1981，10(4)∶779～784

6 Ulmer K．Science，1983，219(4585)∶666～671

7 吴明．生物工程学．过去－现在－未来．上海：上海知识出版社，1989．12～33

(中国科学院微生物所吴明撰)