互动科普

野草中的商机

一家德国公司开发出窥探植物代谢作用的方法。

Kathryn Brown

除草剂的化学不是什么新鲜事，然而，Trethewey在1995年的一场演讲中听到除草剂如何影响大麦的代谢作用时，他突然灵机一动。当时，化学制品公司巴斯夫（BASF）正采用气体层析法，来测试某些潜在除草剂对植物代谢的效果。Trethewey想知道这项技术能否推广到用来分析各种植物的日常代谢作用。

Trethewey当时是德国马克斯普朗克分子植物生理研究所的一名生物化学家，和那里许多人一样，他希望利用生物技术来改造植物，让植物适应不同的生活环境，让这植物合成新药物，或者仅仅让植物生长得更好。现在大家对植物代谢有了清楚的概念：和人一样，植物也需要摄入养分（阳光、水和空气），然后将养分转化为许多种代谢产物，从维生素到防御性毒素不等，但这一生化过程是如何完成的呢？

这在很大程度上是个谜。尽管正在崛起的”功能性基因组学“不久前已开始寻找各种基因所对应的蛋白质，但由于科学家们对植物的代谢途径不甚了解，导致大多数技术止步不前。相比之下，在改变植物基因后，进行植物的代谢分析或是记录其代谢产物，似乎能够更迅速地掌握有关植物代谢途径的信息。这种植物代谢分析采用的是系统分析法，它可以找出基因如何调控代谢过程，并筛选出携带我们所期望性状的基因。

在用转基因土豆做了一些试验后，Trethewey确信该方法可行。于是他和5位同事起草了一份商业计划书，提交给风险投资商和生物技术公司，并且最终与巴斯夫公司达成协议，巴斯夫承诺在5年内提供2600万美元，将他们的想法变成可行的产品。1998年，该团队在柏林成立了“代谢组学“（Methanomics）公司（Metanomics是metabolism和genomics的合成）。他们的目标是寻找植物代谢过程中的关键基因，例如能够让植物耐寒或产油高的基因，然后将这种新植株及其基因组资料授权给育种者和生物技术公司使用。为了实现这个目标，代谢组学公司建立了巨大的技术平台，包括改造植物基因，繁衍、测试这些植物，最后将它们分类到代谢图谱（MetaMap）数据库中进行编目。这项工程包括90位员工、50台质谱仪、4500平方米实验室、办公室、温室和培养室，以及超过14万种品系的植物。

寻找植物重要的新陈代谢产物是代谢组学公司的明确目标。该公司把静止子(silencer)嵌入到土壤杆菌中，再让这种杆菌去感染阿拉伯芥的种子。这样就制造出许多种基因被随机剔除的阿拉伯芥品系，每一种品系都恰好丧失一种基因活性或者缺少一段DNA。接着他们又用类似的技术，从酵母和其他生物体中，把基因引入阿拉伯芥，制造出过度表现的品系，每一种品系都包含一个外来基因。

在培育了两代之后，科学家将改造的植株与作为参照物的未改造植株进行对比测试。他们将磨碎的植物组织放到质谱仪中，用气相或液相层析的方法，来溶解并分离其中的代谢产物。然后，这些代谢产物被分解成离子片断，并且按照大小进行分类。当所有这些都完成之后，科学家就知道每种植物含有哪些代谢产物以及含量的多少。例如，如果植物叶子里充满了可食用的植物油，他们就会检测出这种变化，并找出相应的基因。到目前为止，该公司已培育出超过4万种“基因剔除”的品系，以及10万种“过度表现”的品系。

代谢分析法是功能性基因组学的典型应用，它要求从基因上改变生物体的遗传性状，然后迅速筛选出发生了化学或物理变化的个体。这一方法的特点是可以快速找出植物复杂的代谢途径、全览植物的代谢网络。如工厂巡视员一样，科学家想精确知道Plant是如何制造出各式各样的化学产品的(plant在英文中兼具植物和设备两个含义——译注)。例如，代谢组学公司希望知道，是哪些代谢途径使得植物具有耐寒抗冻的性状，以度过恶劣的室外环境。因此，他们将改变了基因和未改变基因的植株一起放到极端恶劣的环境下，比方说缺水和没有阳光的环境。科学家将每一株植物的反应记录在代谢组学公司的数据库中，然后用生物信息学软件从植物的反应中寻找特定的生化模式。未经改造的植株在低温下有什么反应?哪种改造的植株表现更出色?它们的代谢作用有什么差异?或者如Trethewey所说：“在阿拉伯芥的2.7万个基因中，究竟哪些基因能真正影响代谢途径，表现出耐寒的能力?这是很明确的目标，我们将取得重大进展。”

代谢组学公司要处理的基因数量是巨大的，平均每周要纯化150种基因来改造植株，然后进行1万次层析分析和质谱仪测量，还要处理150G字节的资料。单是一个阿拉伯芥细胞估计就包含有1.5-3万种化合物。因此Metanomics公司的首席执行官J．Krotzky说，公司最大的麻烦始终都是资料的整理。他把公司那些令人头痛的资料，与为人类基因组测序的Celera公司所处理的资料相比。他说：“我们花了不少时间，来调整这个巨大的技术平台。我们每天要处理成千上万株鲜活的植物，要想把每一株植物的差异性，控制到仅在代谢途径上有些许变化，这的确是一项重大的科学挑战。”

Krotzky时刻以其他生物技术公司的失败为警钟，他补充说，代谢组学公司默默地干了4年，先完成了内部的测试并证实理论的正确后，才对外公开了他们的成果。他宣称公司已确定出大约300种新植物基因的功能，而且打算很快就在期刊上发表初步的结果。今年晚些时候，客户还可以获得他们的代谢图谱数据库。该公司没有透露任何发现的细节，尽管在新发现中包括一些耐寒基因和氨基酸合成基因。

位于美国俄克拉荷马州的Samuel Roberts Noble基金会，是一家致力于提高农作物产量的非营利组织，该组织的植物生物学主任A. Dixon认为，代谢组学公司的路子走对了。他说：“他们拥有大批受过良好教育的生物学家、最先进的仪器设备，而且与重要学术团体有着紧密合作。”尽管有许多生物信息类公司，但代谢组学公司与美国北卡罗莱纳州的典范基因学(Paradigm Genetics)公司的商业精英小组合作，从事更深入的植物代谢试验和软件的开发。Krotzky评论说：“在代谢分析法领域，我认为目前我们是其他公司急欲追赶的目标。”

代谢组学公司计划进入两个分支领域，一个是开发农作物商品，另一个是研究具有制药潜力的植物产品。另外，他们还可能替生物技术公司测试基因改造植物的安全性。正如krotzky指出的，毕竟代谢组学公司已经有技术在代谢层次上比较常规植物与基因改造植物的差异。沿着这条路，他希望公司的科学家能够将阿拉伯芥约2.7万个基因的功能全部解出。不过他也承认，即便是代谢组学这样的公司，这一里程碑也不是今天或明天就能到达的。

【柯江华／译  曾少立／校】