让病毒为人所用
除了病毒消灭了人体 , 以及人体消灭了病毒外 , 人们之所以很长时间以来没能了解病毒与人类的共生 , 是因为科学家们一般会把精力放在那些传染性极强的有害病毒上 , 而要研究其他病毒则很难拿到研究资金 。
然而 , 正是人类与病毒共生的情况部分地解决了人类快速进化的难题 。 全新的基因或者基因变异体总是来自入侵人类基因组的病毒 。 病毒另一个人们都已经知道的特点 , 就是变异快 。 2013年 , 一项关于人类肠道病毒组的研究跟踪检测了一个人体内病毒的种类、数量和变异情况 , 结果发现 , 其中有478种相对普遍的病毒 , 而绝大多数以前都没有识别出来 。 大部分病毒都是噬菌体 , 就是可以感染细菌的那类病毒 。
80%的病毒在两年半的观察时间中都存活着 , 但它们都变异了 , 变异的速度各不相同 。 有些病毒变异得非常之快 , 以至于后来它们都被认定为新的物种 。
人类整个基因组中至少有8%的序列的源头是病毒 。 10多万个逆转录病毒DNA片段嵌在我们的核心基因组里 , 在那里它们已经复制传播了几千年 。
也是基于病毒对于人类演化独特的作用 , 在科学家们不断认识病毒的同时 , 科学家们也在尝试不断改造病毒 , 并为人类所用 。 一方面 , 一些病毒促成了生命科学中很多重要规律的发现 , 历年诺贝尔奖中至少有14项颁给了与病毒有关的研究 。 由于病毒的组成和结构相对简单、容易操作 , 科学家们常常先从病毒学的研究中受到启发 , 进而管窥到自然界的奥秘 。
比如 , 霍华德·特明、戴维·巴尔的摩从病毒中发现反转录现象 , 完善了生命的“中心法则” 。 又比如 , 彼特·杜赫提、罗夫·辛格纳吉在研究体内免疫细胞对病毒的识别时 , 发现了决定器官移植时是否排斥的主要组织相容性复合体 , 为免疫遗传学奠定了基础 。
另一方面 , 病毒之毒也给了人们以毒攻毒的机会 。 比如 , 脊髓灰质炎病毒是引起小儿麻痹症的元凶 , 为了预防这种病毒 , 要给幼儿吃一种糖丸 , 而这种糖丸就是一类安全有效的减毒活疫苗——其有效成分就是基因组变异后毒力减弱的病毒株 。 糖丸疫苗自20世纪60年代由美国科学家阿尔伯特·沙滨发明后得到广泛应用 , 有效降低了全球小儿麻痹症的发病率 。
还有一种被称为病毒载体疫苗的技术 , 会让“从良”的病毒形成免疫记忆 。 通过在体外改造病毒 , 在细胞内大量扩增、纯化后制备的病毒载体疫苗 , 是把病毒进行了“移花接木”的改造 , 使其“从良” , 然后在健康人体内形成免疫记忆 。
项目负责人、中国工程院院士、军事医学研究院研究员陈薇说得形象:在“学习”病毒的前提下 , 对病毒进行“手术” , 用移花接木的方法 , 改造出一个我们需要的载体病毒 , 并注入人体产生免疫 。
利用和改造病毒
改造病毒 , 才是对病毒最高级的应用 。 病毒基因组上有许多功能强大的遗传元件 , 利用这些遗传元件 , 科学家们设计了各式各样的载体 , 成为实验室里不可或缺的分子生物学工具 。 我们将病毒基因组中的致病成分删除、替换上外源基因 , 病毒就变成了运载基因的“小汽车” 。 今天 , 这些“小汽车”已经开始应用于临床 , 治疗某些遗传性疾病和肿瘤 。
比如 , 在基因治疗中 , 使用病毒载体向活体生物的基因组里插入基因 。 病毒之所以适合做载体 , 是因为其自身的特异性 。 毕竟 , 病毒演化出了极为有效的方式 , 可以渗透进一切类型的细胞 。 无论是哪个种类的生物 , 包括细菌、植物、动物等都必须对抗寄生性病毒 , 因为病毒的唯一目的就是劫持细胞 , 把它们的DNA插入宿主 , 并借助宿主细胞完成自身的复制 。
在亿万年的演化过程中 , 病毒几乎“摸清了”细胞防御系统的每一个弱点 , 它们向宿主中安插基因的策略近乎完美 。 因此 , 作为工具 , 病毒载体极为可靠 , 研究人员使用病毒载体向目的细胞中投递基因的成功率接近100% 。
病毒不仅知道如何把自己的DNA导入宿主细胞 , 而且知道如何把它们融入宿主的基因组 。 二十世纪二三十年代 , 科学家开始利用细菌进行遗传学研究 。 然而 , 令科学家感到困惑的是 , 细菌的病毒(噬菌体)看起来好像是凭空出现 , 引起了感染 。 后续研究表明 , 这些病毒实际上把它们的基因组打碎成几个片段 , 插入基因组 , 并潜伏在那里 , 直到条件合适才引起感染 。
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