啥是质粒？从生物武器到转基因食物都跟它有关

脱氧核糖核酸储存世代相传的遗传信息，被称为“生命密码”。从沃森和克里克发现DNA双螺旋结构的那一刻起，DNA的“魔盒”就被打开了，越来越多不同类型的DNA分子被解密了。研究发现，大多数DNA分子具有线性结构，如人类染色体DNA。如果单个细胞中的所有DNA分子都被扩增，长度可以达到3米。然而，细菌中存在一类环状的DNA分子，穿梭于DNA分子的广阔宇宙中。尽管它只有细菌染色体的千分之一大，但它是神奇的——它是神奇的质粒。

左图:细菌染色体DNA的线性结构；右图:质粒的环状结构

(按用户:西班牙语在英语*-自己的工作，抄送-南非2.5，https://commons.wikimedia.org/w/index.php?库里德=2080850)

像病毒但不是病毒

20世纪40年代，炭疽在美国猖獗。这是一种人畜共患的急性传染病，首先在德克萨斯州的鹿群中流行，导致大量鹿死亡。后来，在人群中发现了同样的症状:皮肤坏死、溃疡、焦痂、毒血和广泛的组织水肿……最终，感染者死于肺部、肠道和脑膜的急性感染。

炭疽杆菌的电镜观察(资料来源:美国疾控中心-贾尼斯·哈尼·卡尔)

在第一次世界大战期间，德国间谍机构将炭疽杆菌放入可消化的试管中，并将其植入饲料中，以毒化中立的军马，从而揭开了现代细菌战的帷幕。1928年，苏联生物武器之父雅科夫·菲什曼发现炭疽杆菌具有高强度和韧性，能够经受爆炸冲击和干燥处理。因此，它可以装载炸弹、炮弹和导弹来实现武器化。将来，它可能成为对人类构成最大威胁的生物战剂。

炭疽杆菌疫苗(来源:疫苗制造商紧急生物解决方案)

魔鬼也是佛

当然，质粒不是万恶之源。20世纪70年代，科学家开始改造天然野生质粒，并将其应用于基因工程技术，为基因工程打开了一扇新的大门。在保留天然质粒优点的基础上，人工修饰的质粒增加了抗性标记，人们可以根据需要筛选不同的菌株。同时，质粒也可以设计有多个克隆位点。利用质粒自我独立复制的特性，可以利用相关酶打开质粒分子，获取外源DNA，并将外源DNA的信息传递给宿主细菌，从而实现特性的转化。

构建重组质粒的步骤如下:1 .获得含有质粒的菌株；2.提取质粒并用相应的酶剪切质粒；3.将外源基因连接到剪切的质粒上以构建重组质粒；4.将重组质粒转移到新菌株中；5.新菌株获得了新的特性。(资料来源:http://es cool . IAS paper . net/what-is-genetic-modification/the-process-of-genetic-engineering/)

根癌农杆菌肿瘤诱导质粒(简称Ti质粒)的发现具有划时代的意义，并引导人类进入转基因技术时代。钛质粒是一种能自主复制的双链环状DNA分子，存在于根癌农杆菌细胞的亲核区之外。1977年，比利时分子生物学家马克·范·蒙塔古和约瑟夫·舍尔证实，这种钛质粒可以将外源基因整合到宿主植物的基因组中，并产生优异的特性，如抗病虫害、抗盐碱、抗除草剂、延长果蔬贮藏期等。利用这个过程，药物、抗体、疫苗等。也可以生产。

在与钛质粒相关的应用中，转基因食品是最具吸引力的。从理论上讲，人类可以根据自己的意愿通过Ti质粒转化植物来获得所需的食物。事实上，自从1983年科学家将氯霉素抗性基因从细菌转移到烟草并获得世界上第一种转基因植物以来，人类并没有停止转基因食品的发展。越来越多的转基因食品，如转基因大豆和转基因土豆，正走出实验室，走进人们的生活。

以转基因马铃薯为例，科学家利用聚合酶链反应技术在体外扩增出含有抗旱基因的DNA片段。合成后，用各种酶切割DNA片段，然后将产物在Ti质粒多克隆位点拼接得到重组质粒。通过根癌农杆菌介导重组质粒后，马铃薯愈伤组织被感染，作物可以获得外源抗旱基因，从而表现出耐旱性。

转基因马铃薯的培育步骤包括:1 .获得钛质粒；2.获得目标基因；3.重组质粒的构建；4.根癌农杆菌介导的马铃薯块转化和侵染:5.愈伤组织的形成；6.愈伤组织发芽成苗；7.试管苗长出块茎；8.马铃薯种子在田间的无性繁殖；9.形成具有所需特征的马铃薯。(作者绘图)

争议与前景

从它诞生的那一刻起，关于转基因食品的争论就从未停止过。虽然没有证据表明转基因食品会对人类健康造成危害，但目前的科学研究对基因操作过程中可能发生的意外变化及其对健康和环境的长期影响还不够深入。因此，美国、英国、法国、澳大利亚和新西兰等许多国家和地区都制定了相应的法律法规，对转基因食品进行标识和严格控制。

同时，随着克隆技术的不断发展，质粒的“魔力”得到了充分发挥，人工构建的质粒DNA序列的克隆、扩增、表达和保存得到了广泛应用。2017年，世界上第一对体细胞克隆猴“中种”和“花花”的诞生，标志着中国在非人灵长类动物疾病动物模型的国际研究中处于领先地位。依赖质粒载体的无性克隆系统加速了各种脑部疾病(阿尔茨海默氏病、自闭症等)的新药开发。)以及免疫缺陷、肿瘤和代谢疾病。

体细胞克隆猴“中种”和“花花”的日常生活(来源:中国科学院脑科学与智能技术研究中心)

质粒是微生物细胞中非常微小的成分，但它们在生物学的发展中具有非常重要的作用和巨大的前景。