我很难说生物技术在我们的经济中扮演着多大的角色，因为它渗透到了经济的许多方面。微生物和植物等转基因生物现在可以制造药物、食物、燃料，甚至织物。最近，生物技术公司Biodesic和投资公司Bioeconomy Capital的罗伯特·卡尔森（Robert Carlson）决定计算这些数字，最终得出了令人瞠目结舌的估计。他总结说，2012年是有良好数据的最后一年，仅美国生物技术的收入就超过3240亿美元。
卡尔森说：“如果我们谈论采矿业或几个制造业，生物技术比这些行业更重要。”。“我认为人们并不欣赏这一点。”
月老：生物技术先驱汉密尔顿·史密斯选择研究一种名为流感嗜血杆菌（上图），它可以提取外来DNA片段并将其整合到自己的DNA中。通过Getty Images提供医疗/UIG媒体生物技术的规模如此惊人，不仅仅是因为它的规模，还因为它的年轻。制造业在19世纪的工业革命中首次爆发。但生物技术只有大约40年的历史。它的出现在很大程度上要归功于20世纪60年代末约翰·霍普金斯大学微生物学家汉密尔顿·史密斯及其同事的一项发现，即一种称为限制性内切酶的蛋白质可以切割DNA。史密斯向世界展示了限制性内切酶的工作原理后，其他科学家开始将其用作改变基因的工具。
卡尔森说：“一旦你有能力开始用这些工具操纵世界，世界就会开放。”
限制性内切酶的故事是基础研究如何最终对社会产生巨大影响的一个典型例子。史密斯开始工作时并没有这样的雄心壮志。他只是想做一些科学。现年85岁的史密斯说：“我只是玩得很开心，边走边学。”。
如果限制性内切酶不受控制地肆虐，它们可以通过切割自己的DNA来杀死细菌。
1968年，当史密斯成为约翰霍普金斯大学的新助理教授时，他开始好奇细胞是如何将DNA切割成碎片并将其重新排列成新的排列方式的，这一过程被称为重组。史密斯说：“这是一个普遍现象。”。“每个生物都有重组系统。但当时，没有人知道它是如何机械地工作的。”
史密斯选择研究一种名为流感嗜血杆菌和许多其他物种一样，流感嗜血杆菌可以吸收外来DNA，要么从环境中吸取松散的片段，要么从微生物供体中获取。不知怎的，细菌可以将这些片段整合到自己的DNA中。
细菌通过这种方式获得有用的基因，赋予它们新的特性，例如对抗生素的耐药性。但重组也有消极的一面流感嗜血杆菌入侵病毒可以劫持细菌中的重组机制。然后，它们将自己的基因插入宿主的DNA中，使微生物产生新的病毒副本。
为了理解重组，史密斯通过将病毒引入被喂入放射性磷的细菌中来制造放射性病毒。细菌内部产生的新病毒最终在其DNA中含有放射性磷。史密斯和他的同事们随后可以将这些放射性病毒释放到其他细菌身上。科学家们预计，在感染期间，当病毒将其遗传物质插入宿主DNA中时，细菌的基因会变得具有放射性。
至少那是他们思想就会发生。当史密斯的研究生肯特·威尔科克斯（Kent Wilcox）用放射性病毒感染细菌时，放射性从未在细菌自身的基因组中消失。
为了弄清楚失败的原因，威尔科克斯向史密斯暗示，细菌正在破坏病毒DNA。他根据几年前由日内瓦大学微生物学家沃纳·阿伯（Werner Arber）提出的一个假设提出了他的建议。阿伯推测酶可以通过切断病毒的DNA来限制病毒的生长，并将这些假设分子称为“限制酶”
阿伯认识到，如果限制性内切酶肆无忌惮地肆虐，它们可以通过切断自己的DNA来杀死细菌。他推测细菌通过用碳原子和氢原子覆盖基因来保护自己的DNA免受攻击，从而避免自杀，这一过程称为甲基化。阿伯提出，限制性内切酶不能攻击甲基化的DNA，但它可以攻击入侵病毒的未受保护的DNA。
即使在今天，研究人员也经常使用限制性内切酶来切割开放基因。
威尔科克斯进行这项令人困惑的实验的前一周，史密斯给他的实验室分配了一份支持阿伯假设的具有挑衅性的新论文。哈佛大学的马修·梅塞尔森（Matthew Meselson）和罗伯特·袁（Robert Yuan）在论文中报道了他们如何在大肠杆菌中发现一种蛋白质，这种蛋白质可以切割外来DNA，换句话说，一种实际的限制性内切酶。怀着那篇论文的新鲜想法，威尔科克斯向史密斯暗示，他们刚刚在流感嗜血杆菌.
史密斯用一个优雅的实验验证了这个想法。他把病毒DNA倒进试管H.流感到另一个。然后，他在每一个试管中加入了一汤来自细菌的蛋白质。如果细菌真的制造限制性内切酶，汤中的酶会将病毒DNA切成小块。
科学家们离发明今天用来分析DNA的强大测序器还有几十年的时间。但史密斯想出了一个简单的方法来调查试管中的DNA。含有大块DNA的溶液比含有小块DNA的溶液更具粘性。所以史密斯用一种叫做粘度计的装置在他的两个试管中测量溶液。正如他所预测的那样，病毒DNA的粘性迅速降低。有些东西，有些东西流感嗜血杆菌蛋白质，可能是将病毒DNA切割成小块。
史密斯说：“所以我马上就知道这是一种限制酶。”。“五分钟的比赛结果很棒，你知道你有一个发现。”
史密斯和他的同事们对细胞提取物中的蛋白质进行了分类，直到最后确定了一种限制性内切酶。他们还发现了一种甲基化酶，可以保护流感嗜血杆菌用碳和氢屏蔽DNA，使其免受破坏。
史密斯和他的同事发表了限制性内切酶的显著细节后，其他科学家也开始对其进行研究。他们不仅研究酶，还开始将其用作工具。1972年，斯坦福大学生物学家保罗·伯格（Paul Berg）使用限制性内切酶切割SV40病毒的DNA，然后使用其他酶将另一种病毒的DNA连接到这些松散的末端。因此，伯格创造了一个由两个物种的遗传物质组成的DNA片段。
一群科学家跟随伯格的脚步。他们意识到，他们可以使用限制性内切酶将来自许多不同物种的基因插入细菌中，然后细菌可以从这些基因中大量生产蛋白质。实际上，细菌可以转化为生物工厂。
1978年，汉密尔顿·史密斯接到斯德哥尔摩打来的电话。他得知自己正在与沃纳·阿伯（Werner Arber）和丹尼尔·内森斯（Daniel Nathans）分享当年的诺贝尔医学奖，后者是约翰·霍普金斯大学（Johns Hopkins）的另一位科学家，曾用自己的实验跟进史密斯（Smith）的酶研究。史密斯既困惑又高兴。
“他们发现我措手不及，”史密斯说。“我一直认为诺贝尔奖获得者是非常聪明的人，他们完成了一些举世瞩目的事情。只是我看起来不像是那个级别的人。”
但他的工作的全部影响已经开始显现。公司纷纷涌现，致力于使用限制性内切酶来修改DNA。该技术的第一个商业应用来自于1976年成立的Genentech公司。基因技术公司的科学家使用限制性内切酶创造了一种大肠杆菌携带人类胰岛素基因。以前，糖尿病患者只能购买从牛和猪的胰腺中提取的胰岛素。基因泰克销售由在巨大的金属桶中培养的成群细菌产生的胰岛素。
多年来，科学家们在史密斯最初的成功基础上，找到了操纵DNA的新工具。然而，即使在今天，研究人员仍经常使用限制性内切酶来切割开放基因。卡尔森说：“它们仍然至关重要。”。“如果你想把一个特定的DNA序列放在另一个序列中，那么你通常还是用限制性内切酶来做这件事。”
随着Smith目睹限制性内切酶变得强大和多功能，他慢慢克服了诺贝尔冒名顶替综合症。他承认：“得到它可能没关系。”。
Carl Zimmer是《纽约时报》和13本书的作者。他目前正在写一本关于遗传的书。
这个故事是由科学慈善联盟作为其科学到社会系列的一部分，说明了基础科学研究的重要性。
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