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了不起的生物技术
生物技术产业是一个巨大的产业，但你很难说清楚它究竟有多大，因为它已经渗入到各个领域之中。化工、制药、发酵、食品、轻工、采矿、造纸等许多传统产业中，都有它的身影。最近，一位美国研究人员根据2012年的经济数据，就试着分析了一下。最终他估计到，那一年的生物技术产业仅在美国的收入就超过了3240亿美元——这已经超过了采矿业和许多制造业的收入。
但更了不起的是，生物技术产业还是一个十分年轻的产业。制造业在19世纪的工业革命时开始兴起的，但生物技术产业只有40多岁。你可能不知道的是，生物技术产业的兴起，在很大程度上要归功于汉密尔顿·史密斯在20世纪60年代末的一个发现。这位来自美国约翰·霍普金斯大学的微生物学家和他的同事一起，发现了一种叫做限制性内切酶的蛋白质（简称限制酶），可以用来切割DNA。有了限制酶，科学家就可以根据需要去修改生物的基因，于是，生物技术的大门就正式打开了。
意外的实验
史密斯是如何发现限制酶的呢？时间得回到1968年。那时，史密斯还只是约翰·霍普金斯大学一个新来的助理教授，并没有什么远大的抱负，他只是好奇细胞是如何把DNA切成块再组合成新的DNA的——这个过程叫做“重组”。每一个生物都有重组系统，但在当时，没有人能搞清楚它们是如何运作的。
为了研究这一过程，史密斯选择了一种叫做流感嗜血杆菌的细菌作为研究对象。像许多其他细菌一样，流感嗜血杆菌可以利用外源DNA：从外面环境或从其他生物体中吸收一些DNA片段，然后经过重组，就能把这些DNA片段整合到自己的DNA中。
细菌可以用这种方式获得有用的基因，比如能抵抗抗生素的基因。但这种重组过程，也可能害了流感嗜血杆菌。入侵的病毒可以在细菌进行重组时劫持细菌，它们会把自己的基因插入到宿主的DNA中，于是细菌会被迫制开始复制新的病毒。
为了了解重组过程，史密斯培养出了一些DNA中含有放射性磷元素的病毒，然后让这些病毒去感染细菌。史密斯和他的同事预计，经过感染后，这些细菌的DNA也会具有放射性，因为有放射性的病毒会把自己的基因嵌入到宿主的DNA中。但是，当用有放射性的病毒去感染流感嗜血杆菌时，史密斯的一位学生发现放射性物质始终不会进入细菌的DNA中。
一个假说
史密斯和他的同事想起了几年前由瑞士日内瓦大学的微生物学家沃纳·亚伯提出的一个假说，认为细菌中可能会存在一种酶，通过切割病毒的DNA来限制病毒的生长。这种酶被称为“限制性内切酶”。
亚伯认为，如果限制酶在细胞内能随意破坏DNA的话，那么它们可能会把细菌自己的DNA破坏掉。所以，细菌需要一种办法保护自己的DNA免遭限制酶的毒手。他推测，一种保护手段就是甲基化。甲基是三个氢原子连接在一个碳原子上组成的一个基团，DNA的甲基化就是在DNA的某些部位上覆盖了甲基，这过程就像DNA带了帽子一样。限制酶不会识别甲基化的DNA，也就不会破坏它们了，但是限制酶会破坏病毒的DNA，因为病毒的没有甲基化。
之前，哈佛大学的科学家曾在大肠杆菌中发现了一种限制酶。这次，史密斯和他的同事认为，他们可能刚刚在流感嗜血杆菌中发现了一种新的限制酶。
一个简易的验证
于是，史密斯设计了一个简单的实验进行验证。他把病毒的DNA倒进一个试管，把流感嗜血杆菌的倒进另一个试管。然后，他把从流感嗜血杆菌中提取的蛋白质汤倒进这两个试管中。如果细菌的确能产生限制酶的话，蛋白质汤会把病毒DNA切成小块。
那么，史密斯如何检测DNA被切成小块了呢？那时候，还没有检测DNA的专业的仪器，但史密斯找到了一个非常简单的办法。他认为，被切成小块DNA的溶液会稀一些。于是他拿来了粘度计来检测两个试管中DNA溶液的粘稠度。實验结果正如预想的那样，加入蛋白质汤后，病毒DNA溶液的粘稠度迅速下降了，而细菌DNA溶液的粘稠度没有变化。所以，从流感嗜血杆菌提取的蛋白质汤中，肯定包含了能切割病毒DNA的蛋白质。
经过几个月的进一步研究后，史密斯和他的同事最终提取出了这种限制酶。他们发现的限制酶具有一种了不起的功能：可以识别特定的碱基序列，然后在识别处进行切割。也就是说，史密斯的限制酶可以精确地切割DNA。
此外，他们还发现了一种甲基化酶，能使得流感嗜血杆菌的DNA甲基化，来使得DNA避免遭受限制酶的破坏。
生物技术革命的开始
当史密斯和他的同事公开了他们的研究后，其他的科学家马上开始对其进行研究。不仅如此，他们还开始把它当成一种切割DNA的工具。1972年，美国斯坦福大学的生物学家保罗·伯格使用这种限制酶将一种病毒的DNA切了下来，然后用一种结合酶把这个DNA与另一种病毒的DNA结合了起来。于是，他首次在历史上制造了同时包含两个物种的遗传物质的一段DNA。
随后，许多科学家还意识到，他们可以利用限制酶把许多不同物种的基因切下来，插入到细菌的DNA中，这样细菌就能生产相应的蛋白质。于是，细菌就可以转化为一种生物工厂了。
1978年，汉密尔顿·史密斯与沃纳·亚伯、丹尼尔·内森（也来自约翰·霍普金斯大学，对限制酶进行了后续研究）一起，获得了当年的诺贝尔生理学或医学奖。当时的史密斯既高兴，又有点困惑。因为他认为那些诺贝尔获得者应该是做出一些惊天动地事情的聪明人，他觉得自己并不是那种人。但没过多久，限制酶的发现开始显现出巨大的影响。
许多致力于研究用限制酶修改基因的公司如雨后春笋一般开始建立起来。1978年，美国基因泰克公司首先把此技术转化为商业的应用。该公司的科学家使用限制酶，把能制造人类胰岛素的基因切下来，然后让大肠杆菌把这段基因重组到它们的DNA中，于是大肠杆菌就能生产胰岛素了。要是在以前，糖尿病患者只能购买那些从牛和猪的胰腺中提取的胰岛素。而现在，基因泰克可以在一个大的金属筒中培养大量的大肠杆菌来生产胰岛素，其成本大大降低。
经过多年的研究，科学家们已经找到更多操纵DNA的工具。不过，即使在今天，研究人员也会经常使用限制酶来切割DNA。
而谦虚的史密斯看到限制酶最终变为了一种强大的工具时，他才承认自己是配得上诺贝尔奖的。
生物技术产业是一个巨大的产业，但你很难说清楚它究竟有多大，因为它已经渗入到各个领域之中。化工、制药、发酵、食品、轻工、采矿、造纸等许多传统产业中，都有它的身影。最近，一位美国研究人员根据2012年的经济数据，就试着分析了一下。最终他估计到，那一年的生物技术产业仅在美国的收入就超过了3240亿美元——这已经超过了采矿业和许多制造业的收入。
但更了不起的是，生物技术产业还是一个十分年轻的产业。制造业在19世纪的工业革命时开始兴起的，但生物技术产业只有40多岁。你可能不知道的是，生物技术产业的兴起，在很大程度上要归功于汉密尔顿·史密斯在20世纪60年代末的一个发现。这位来自美国约翰·霍普金斯大学的微生物学家和他的同事一起，发现了一种叫做限制性内切酶的蛋白质（简称限制酶），可以用来切割DNA。有了限制酶，科学家就可以根据需要去修改生物的基因，于是，生物技术的大门就正式打开了。
意外的实验
史密斯是如何发现限制酶的呢？时间得回到1968年。那时，史密斯还只是约翰·霍普金斯大学一个新来的助理教授，并没有什么远大的抱负，他只是好奇细胞是如何把DNA切成块再组合成新的DNA的——这个过程叫做“重组”。每一个生物都有重组系统，但在当时，没有人能搞清楚它们是如何运作的。
为了研究这一过程，史密斯选择了一种叫做流感嗜血杆菌的细菌作为研究对象。像许多其他细菌一样，流感嗜血杆菌可以利用外源DNA：从外面环境或从其他生物体中吸收一些DNA片段，然后经过重组，就能把这些DNA片段整合到自己的DNA中。
细菌可以用这种方式获得有用的基因，比如能抵抗抗生素的基因。但这种重组过程，也可能害了流感嗜血杆菌。入侵的病毒可以在细菌进行重组时劫持细菌，它们会把自己的基因插入到宿主的DNA中，于是细菌会被迫制开始复制新的病毒。
为了了解重组过程，史密斯培养出了一些DNA中含有放射性磷元素的病毒，然后让这些病毒去感染细菌。史密斯和他的同事预计，经过感染后，这些细菌的DNA也会具有放射性，因为有放射性的病毒会把自己的基因嵌入到宿主的DNA中。但是，当用有放射性的病毒去感染流感嗜血杆菌时，史密斯的一位学生发现放射性物质始终不会进入细菌的DNA中。
一个假说
史密斯和他的同事想起了几年前由瑞士日内瓦大学的微生物学家沃纳·亚伯提出的一个假说，认为细菌中可能会存在一种酶，通过切割病毒的DNA来限制病毒的生长。这种酶被称为“限制性内切酶”。
亚伯认为，如果限制酶在细胞内能随意破坏DNA的话，那么它们可能会把细菌自己的DNA破坏掉。所以，细菌需要一种办法保护自己的DNA免遭限制酶的毒手。他推测，一种保护手段就是甲基化。甲基是三个氢原子连接在一个碳原子上组成的一个基团，DNA的甲基化就是在DNA的某些部位上覆盖了甲基，这过程就像DNA带了帽子一样。限制酶不会识别甲基化的DNA，也就不会破坏它们了，但是限制酶会破坏病毒的DNA，因为病毒的没有甲基化。
之前，哈佛大学的科学家曾在大肠杆菌中发现了一种限制酶。这次，史密斯和他的同事认为，他们可能刚刚在流感嗜血杆菌中发现了一种新的限制酶。
一个简易的验证
于是，史密斯设计了一个简单的实验进行验证。他把病毒的DNA倒进一个试管，把流感嗜血杆菌的倒进另一个试管。然后，他把从流感嗜血杆菌中提取的蛋白质汤倒进这两个试管中。如果细菌的确能产生限制酶的话，蛋白质汤会把病毒DNA切成小块。
那么，史密斯如何检测DNA被切成小块了呢？那时候，还没有检测DNA的专业的仪器，但史密斯找到了一个非常简单的办法。他认为，被切成小块DNA的溶液会稀一些。于是他拿来了粘度计来检测两个试管中DNA溶液的粘稠度。實验结果正如预想的那样，加入蛋白质汤后，病毒DNA溶液的粘稠度迅速下降了，而细菌DNA溶液的粘稠度没有变化。所以，从流感嗜血杆菌提取的蛋白质汤中，肯定包含了能切割病毒DNA的蛋白质。
经过几个月的进一步研究后，史密斯和他的同事最终提取出了这种限制酶。他们发现的限制酶具有一种了不起的功能：可以识别特定的碱基序列，然后在识别处进行切割。也就是说，史密斯的限制酶可以精确地切割DNA。
此外，他们还发现了一种甲基化酶，能使得流感嗜血杆菌的DNA甲基化，来使得DNA避免遭受限制酶的破坏。
生物技术革命的开始
当史密斯和他的同事公开了他们的研究后，其他的科学家马上开始对其进行研究。不仅如此，他们还开始把它当成一种切割DNA的工具。1972年，美国斯坦福大学的生物学家保罗·伯格使用这种限制酶将一种病毒的DNA切了下来，然后用一种结合酶把这个DNA与另一种病毒的DNA结合了起来。于是，他首次在历史上制造了同时包含两个物种的遗传物质的一段DNA。
随后，许多科学家还意识到，他们可以利用限制酶把许多不同物种的基因切下来，插入到细菌的DNA中，这样细菌就能生产相应的蛋白质。于是，细菌就可以转化为一种生物工厂了。
1978年，汉密尔顿·史密斯与沃纳·亚伯、丹尼尔·内森（也来自约翰·霍普金斯大学，对限制酶进行了后续研究）一起，获得了当年的诺贝尔生理学或医学奖。当时的史密斯既高兴，又有点困惑。因为他认为那些诺贝尔获得者应该是做出一些惊天动地事情的聪明人，他觉得自己并不是那种人。但没过多久，限制酶的发现开始显现出巨大的影响。
许多致力于研究用限制酶修改基因的公司如雨后春笋一般开始建立起来。1978年，美国基因泰克公司首先把此技术转化为商业的应用。该公司的科学家使用限制酶，把能制造人类胰岛素的基因切下来，然后让大肠杆菌把这段基因重组到它们的DNA中，于是大肠杆菌就能生产胰岛素了。要是在以前，糖尿病患者只能购买那些从牛和猪的胰腺中提取的胰岛素。而现在，基因泰克可以在一个大的金属筒中培养大量的大肠杆菌来生产胰岛素，其成本大大降低。
经过多年的研究，科学家们已经找到更多操纵DNA的工具。不过，即使在今天，研究人员也会经常使用限制酶来切割DNA。
而谦虚的史密斯看到限制酶最终变为了一种强大的工具时，他才承认自己是配得上诺贝尔奖的。