根据美国疾病控制与预防中心（CDC）的数据，烟草是世界上最致命的植物，每年导致七百多万人死亡。但在本周公布的一项新研究中，康奈尔大学和伊利诺伊大学的研究人员正在通过基因工程为烟草植物开辟新的方向。烟草植物不仅不会带来致癌物质，还能廉价地生产洗衣洗涤剂的成分，远比制造商目前的价格便宜。
科学研究往往是一个令人沮丧的过程，充满了枯燥和挫折。但有时，一项实验的结果会超出预期。例如，在他们上周发表于《自然·植物》杂志的新研究中，研究人员取得了如此出色的成果，以至于他们用“非凡”一词来形容。在赋予烟草新功能的尝试中，工程师们将一种产生 Cel6A 酶的细菌基因插入了植物的叶绿体中。
与许多植物酶一样，Cel6A 和其他纤维素酶（之所以这样命名，是因为它们能分解纤维素，即植物细胞的外壁）能够高效地分解较大的化合物。Cel6A 在洗衣洗涤剂中非常有用，它们能够分解污渍。他们的想法是重新设计烟草植物，使其生产大量该酶，然后将其分离出来，用于制造洗衣洗涤剂。
基于之前的工作，研究人员已经知道烟草植物能够高效地在室内生产这些酶。现在，他们想弄清楚它们在室外是如何表现的。因此，在新研究中，他们测试了基因改造后的烟草在远离实验室的田间（如果该想法得以实现，烟草将在此生长）的表现，以及它们如何应对正常植物必须面对的各种变量，如雨水、高温、昆虫侵袭和感染。他们发现，户外的环境出乎意料地适合这些经过设计的植物，而且它们产生的 Cel6A 比研究人员预测的还要多。尽管如此，它们产生的蛋白质总量仍略低于在温室和生长室中产生的。
曾在美国加州大学洛杉矶分校研究植物分子生物学的退休教授 Elaine Tobin 表示，这项实验提供了一种经济高效的生产 Cel6A 的方法。“他们有一个伟大的想法，并将其付诸实践。”
论文作者之一、康奈尔大学生物与环境工程学教授 Beth Ahner 表示，她从一群法国科学家那里获得了灵感，他们于2009年测量了制造额外转基因蛋白对烟草正常生长的影响。这些法国的烟草植物的 Rubisco 酶含量较低，而 Rubisco 酶是一种帮助植物在光合作用中捕获二氧化碳的关键酶。“早期工作激发了我们对植物拥有这种负担时会发生什么的好奇心，”她说。她开始与一名研究生合作，研究他们是否可以生产一种可用于生物燃料生产的蛋白质。当博士候选人 Jennifer Schmidt 加入并对这项研究感到好奇时，他们决定致力于 Cel6A 的研究。
Ahner 说，他们从一种常见的堆肥细菌 Thermobifida fusca 中获取了该研究的基因。目前，洗衣洗涤剂制造商通过微生物生物反应器生产用于洗衣洗涤剂的酶：这是大型旋转的细菌罐，可以产生 Cel6A。科学家必须使用某种生命形式——无论是细菌、植物还是动物——来生产转基因生物，每种方法都有其缺点。研究人员最早使用的生物是细菌，它们生产的人类胰岛素于1982年首次正式上市。但细菌需要无菌环境，这意味着科学家必须使用昂贵的清洁设备和耗时的预防措施。动物是另一种选择——但它们有神经系统，这会带来一系列道德和后勤问题。
然而，植物传播人类疾病的风险很小，而且人类已有超过一万年的植物种植经验。在美国，也有大量用于烟草生产的空间。研究小组还设置了多重安全措施，以确保转基因植物不会与其他人群混合。他们在植物繁殖前就移除了它们。即便如此，大多数叶绿体（转基因植物中产生酶的基因所在之处）是母系遗传的，因此即使植物发生繁殖，花粉（即植物的精子）也不应该传播这些变化。
Schmidt 表示，现在研究人员知道他们可以高效地创造 Cel6A，他们的下一个目标是将其标准化。为此，她想在分子层面上理解这个过程。尽管烟草植物总体上产生了比预期更多的蛋白质，但一些植物的产量比另一些高。“我这个项目最后阶段的目标是[从中]消除猜测，”Schmidt 说。“我们能否简化[这个过程]，让这个项目在未来更快一些？”
Ahner 表示，实验室也可能研究其他酶，这些酶可以服务于完全不同的功能。她暗示，行业可能在幕后进行这项研究，她希望公众了解相关情况。“我们希望，如果有些公司在田间种植这些，他们也能从我们的工作中受益。”
当被问及实验中的挑战时，大多数科学家会给出冗长的回答，但 Schmidt 说，几乎每一步都按计划进行。Ahner 表示赞同。“在某种程度上，这些都是非常幸运的情况。”
