人类基因工程为更多的分析化学家卷入核酸领域的研究提供了机会。因为这不需要较多的经验和研究观点，所做的努力也不是很多。3年前，国家研究委员会颁布了绘制和排列人类基因组的报告。在这份报告中，基本上规定了现在美国正在推行的一系列计划。3年后，人类基因工程仍在分子生物学和难以被局外人理解方面成为众矢之的，并且后者比前者更为严重。

分子生物学总是依赖于外界周期性的更迭、在过去25年里，分子生物学的概念框架几乎没有发生什么变化，唯一改变的是关于生物大分子的详细研究的可行性。目前，来自化学家、物理学家、工程师和计算机科学家的一种新的观点和实验手段的渗透正在建立于复合DNA时代的革命进程之上。这一进程的关键是分子生物学家和其他学科专家之间的相互增进联系。

本文是为了提供某些需要的交叉结合而作的一项尝试，笔者60年代末获物理无机化学博士学位，并且做了大量有关分子基因方面的研究。这种双向结合的经验使我相信在分析化学和分子基因学科的交叉边缘有很多机遇，不过它同样使我感到很难利用它们。

目标和计划

人类基因工程的目标是什么呢？简单的说，主要是通过采用新技术来分析DNA的排列，使之能够达到109左右的尺寸，运用这些新技术来决定包含3×109个碱基对的核苷酸的排列，这些核苷酸的排列构成了人的细胞（如精子和卵细胞）。另外，发展管理和分析这些数据的技术。人类基因工程的目标还包括确定几种类型的有机组织的基因排列并研制出高分辨率人类基因连接图。

尽管对基因组的排列进行深入细致的研究和实验会被看作是对人的基因排列的生物干涉而受到非议，科学家们仍把它列入基因工程的计划。总的说来，这些有机生物组织的基因组尺寸加起来还不到人体的10%。

现代基因连接图包含一个多代家族的人基因组中多形片段的遗传（即DNA片断通常在不同人之间显示不同的排列）。这允许在突变基因的基因组中的定位，从而导致基因疾病这一过程遵循的原则是、基因组（例如，一个突变基因的一个多形DNA片段上的一段特殊的变形体）中在相靠近的DNA片段总是被一起遗传给下一代。

这些目标足以阻止那种所谓“马上去干”的想法。目前已经确定的连续最长的DNA片段仅仅只有2×105个碱基对。过去15年里，DNA排列确定总量加起来才有5×107个碱基对。在人类基因组的有重大价值的进步尚未出现以前，必须发展大规模的基础技术。5年计划中的第一阶段主要有以下四个方面，这些都是为核心问题所做的初步准备工作，它包括：中等规模尺寸BNA排列，基因连接绘制，自然绘制和技术发展。

基因排列只限于少量含有106个碱基对范围内的物体，因特殊生物学上的兴趣选择人DMA片段或者有机组织样品的基因组。在低等组织中的基因组织比人类要紧密。因此从每一个排列的基组中得到的有关生物学方面的新信息就相应要多些，事实上，人类的基因不总是比有机组织的多，如果是多的话，多余可能表示已经确定的主题上的精细变化。

DNA绘制——上述的基因连接图和自然绘图将在第一个5年计划中起主要作用。绘图被用来确定DNA分子中界标的次序和空间。最初的界标表示为排列标记位（STSs）。一开始科学家的目标是用STSs描绘人类基因，从而确定人类24个染色体中大约3×104个界标的位置。自然描绘在逻辑上是DNA排列研究的第一步，它如同人造卫星在把照片送到地面作进一步分析以前已经拍下了陆地和海洋的可分辨的图样。最后，对于少量DNA样品，将用高技术进行直接的分析和研究，如标绘、排列等情况。

基因工程与分析化学

技术的发展，这个计划长期可行的关键，正是分析化学家们所期望的，前进的阻力主要来自于学科而非技术方面——也就是说，解决这个问题，科学家将有很大难度。存在于分子基因学和化学这两个学科对每个人来讲有显著差异，因而造成两者相互联系的障碍。进一步讲，没有哪一门学科天生就是被某种特定研究所采纳的。

很少有分子基因学家懂得化学的方法，即使是他们在大学曾经受过很好的医学和分析化学的训练。70年代分子基因学中引人注目的进步是它越来越独立于相邻学科领域，成为一个封闭的自我体系。实验分子基因学家大部分都是在这个时期培养出来的，有时因研究重点在基因结构和基因表达而被称为“5'-3'-intron-exon”时期。这一时期实验技术的详细定义是南方和北方，重新联接和梯形凝胶。技术进步包括实验方法的相互结合和交换的迅速发展已有15~20年。

在这个时期，核苷酸原理的基础研究（如提纯，检测，分离和核苷酸分子处理方法）在很大程度上被忽视了。主要例外是——磷酸酰胺脉冲凝胶电泳被用于2个数量级倍数的DNA分子上，可以通过电泳进行分离，使人工合成的经济的由100个或更多的核苷酸组成的脱氧核苷酸成为可能——并证实了以下原则：一个来自分子基因学和生物物理化学的接壤处，另一个则来自有机化学。在先进技术没有发展成为现实以前，没有哪一个会像提出一个关键性的问题那样被认识。

在研究形成时期，分析化学家几乎不能从既定的分子基因学家那里取得什么来指导分析DNA分子的新技术。他们将自己教育自己去遵循服务于当前标准条款的提议并设法更有效地达到相同目标。回顾DNA基因组的特征标绘中需要获得的信息类型已经超出本文的范围，不过或许棒球场上的人们会给基础分析的挑战下个定义。

当处理通过标位DNA分子重组程序制备的新的分子无性系时，实验活动的一个典型单元——由一个实验室技术专家通过几天的时间开展执行——通常含有100个样品的10个研究步骤（如离心分离、溶剂萃取、沉淀、酶促反应、电泳分离）。开始，分子很可能代表悬浮在1~10 ml范围内培养介质中的病毒或者细胞。单个样品很可能包含大约1011个相同的双螺旋ONA分子，在长度上等于5×102~5×104个碱基对（即0.5~5.0 ug DNA分子）上。实验程序开始是把DNA分子空间缩小到100~500 ul，以后更进一步压缩至10~100 ul。

少量样品分子通过聚合酶链式反应放大预备的样品，可以给予同样的考虑。可是，在这种情况下，采取开始的步骤即稀释分子样品，生物复杂样品将被忽视，分子很可能在空间存在着数百个碱基对而非数千个碱基对，样品分子的大小将是以上所说的范围中的最低限。不过，任何一种情形的基本原则仍需保持相似。

需要什么？

在核酸研究领域中最迫切的需求是日益增长的实验量。尽管普通的自动化技术能提供某些保证，但目前的技术应用仍是非常原始的。主要进展中最明显的探讨是设法减小核酸分子的大小。

与固态电子学的比拟是值得仔细考虑的。当前形势可以跟建立分立晶体管电路时代作个比较。下一步是仿效微处理器。当前核酸分子尺寸决定于人的操作和独立的眼睛的分辨能力，这和50年代决定电子线路的尺寸是同样的考虑。

一个似乎可能的目标是把样品分子的尺寸缩小到细胞水平。从而使生化样品模量性的水平经受时间的考验。细胞体积处于10-12 L范围内，它比目前所能获得的最小的DNA分子样品的体积还要小106倍，样品仍包含104级数的分子。这个数字和检测技术提供的范围是一致的，并且足够让样品分离而不引起严重的样品波动。如果按现在的比例继续下去，10-12 L尺寸的DNA样品对培养的细胞或病毒来说相应会减小到10-9 L尺寸。

在当前的实验阶段和把DNA分子尺寸压缩百万倍之间有一个宽广的领域。即使是10倍的减少也将引起明显的效果，100倍的减少将会改变核酸实验的前景。尽管DNA分子定性的新方法是很受欢迎的，在定量方面的巨大改变所产生的影响同样不可低估。早在50年代通用计算机已经广泛应用于DNA分子的定性分析，但是，必须等到所有仪器的参与并发挥作用才能显示这种进步的巨大影响。

结 论

假定分析化学家在ONA分子研究中从分子基因学家那里得到很少的帮助，那么是什么在其中阻碍呢？正如生物学家试图利用即时潜力来判断研究以阐述生物问题，做学术的化学家喜欢研究能提供有关DNA分子结构和形成定性方面的观点。

微处理器在工业装置上的发明并不是偶然的。P-N结的研究主要在结构的内在特性——并非在较合适的尺寸用于某些地方。相同地，希望核酸研究发生革命性变化的分析化学家能从生物学家和化学家那里期望一个不热情的欢迎。可是，科学领导的价值何在？

人类基因工程中新的东西是一个用于研究计划的接收器，它以前属于管辖之列。基因工程计划是科学方针指导下的其它领域中的实验。在这一领域中科学基本原理的创新精神是压倒一切的。有关“不是任何理论研究者想去做”的争议是没有后退余地的。事实上，禁止这种流行会帮助我们重新检查研究计划的基本价值。

技术领域几乎不存在明显的无限制，在这里数量级数的提高为下一个提高做准备，但决不超过当前应用的需求或与基本限制发生冲突。数字计算机是最早的无限制的技术。有一天基因材料的分析会被看作是另一件事，它已经成为生物学研究的核心技术。然而任何东西一旦进入核心地位就注定了科学眼界的狭隘。我们不利地提供这个选择已经带来深刻的实验后果，并且在我们了解自身，了解大自然中起着如此重要的作用。

[Analytical Chemistry，第63卷第7期]