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生物工程的应用前景与展望


生物工程的应用前景与展望
当今,新的科学革命浪潮中引人注目的遗传工程(即生物工程)给许多领域带来飞跃发 展。例如癌症、高血压、遗传性疾病、老化等机理的阐明,胰岛素、生长激素、干扰素、酶 等徽生物工业产品产率的提高,赋予农作物以耐寒、高产等优良特性的育种等等,世界各国都 予以重视,正积极研究开发。由于生物工程技术的迅速发展,迫使我们不得不对生物工程 的概念和应用发展有所认识和了解。本文对此试作详细讨论。伴随着生命科学的新突破,现 代生物技术已经广泛地应用于工业、农牧业、医药、环保等众多领域,产生了巨大的经济和 社会效益。 食品方面 首先,生物技术被用来提高生产效率,从而提高食品产量。其次,生物技术可以提高食 品质量。例如,以淀粉为原料采用固定化酶(或含酶菌体)生产高果糖浆来代替蔗糖,这是 食糖工业的一场革命。第三,生物技术还用于开拓食品种类。利用生物技术生产单细胞蛋白 为解决蛋白质缺乏问题提供了一条可行之路。 目前, 全世界单细胞蛋白的产量已经超过3000 万吨,质量也有了重大突破,从主要用作饲料发展到走上人们的餐桌。材料方面通过生物技 术构建新型生物材料,是现代新材料发展的重要途径之一。 首先,生物技术使一些废弃的生物材料变废为宝。例如,利用生物技术可以从虾、蟹等 甲壳类动物的甲壳中获取甲壳素。甲壳素是制造手术缝合线的极好材料,它柔软,可加速伤 口愈合,还可被人体吸收而免于拆线。 其次,生物技术为大规模生产一些稀缺生物材料提供了可能。例如,蜘蛛丝是一种特殊 的蛋白质,其强度大,可塑性高,可用于生产防弹背心、降落伞等用品。利用生物技术可以 生产蛛丝蛋白,得到与蜘蛛丝媲美的纤维。 第三,利用生物技术可开发出新的材料类型。例如,一些微生物能产出可降解的生物塑 料,避免了“白色污染” 。

能源方面 生物技术一方面能提高不可再生能源的开采率,另一方面能开发更多可再生能源。 首先,生物技术提高了石油开采的效率。其次,生物技术为新能源的利用开辟了道路。 现 代生物技术越来越多地运用于农业中,使农业经济达到高产、高质、高效的目的。 农作物和花卉生产 生物技术应用于农作物和花卉生产的目标,主要是提高产量、改良品质和获得抗逆植物。 首先,生物技术既能提高作物产量,还能快速繁殖。其次,生物技术既能改良作物品质,还 能延缓植物的成熟,从而延长了植物食品的保藏期。第三,生物技术在培育抗逆作物中发挥 了重要作用。例如,用基因工程方法培育出的抗虫害作物,不需施用农药,既提高了种植的 经济效益,又保护了我们的环境。我国的转基因抗虫棉品种,1999年已经推广200多万亩, 创造了巨大的经济效益。 畜禽生产利用生物技术以获得高产优质的畜禽产品和提高畜禽的抗 病能力。首先,生物技术不仅能加快畜禽的繁殖和生长速度,而且能改良畜禽的品质,提供 优质的肉、奶、蛋产品。其次,生物技术可以培育抗病的畜禽品种,减少饲养业的风险。如 利用转基因的方法,培育抗病动物,可以大大减少牲畜瘟疫的发生,保证牲畜健康,也保证 人类健康。农业新领域基因工程不仅提高了农牧产品的产量和质量。 利用转基因植物生产疫苗是目前的一个研究热点。科研人员希望能用食用植物表达疫 苗, 人们通过食用这些转基因植物就能达到接种疫苗的目的。 目前已经在转基因烟草中表达 出了乙型肝炎疫苗。 利用转基因动物生产药用蛋白同样是目前的研究热点。 科学家已经培育 出多种转基因动物, 它们的乳腺能特异性地表达外源目的基因, 因此从它们产的奶中能获得 所需的蛋白质药物,由于这种转基因牛或羊吃的是草,挤出的奶中含有珍贵的药用蛋白,生 产成本低,可以获得巨额的经济效益。 医药卫生领域是现代生物技术应用得最广泛、成绩 最显著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域。疾病预防利用疫苗对人体进行主动免疫是预 防传染性疾病的最有效手段之一。 注射或口服疫苗可以激活体内的免疫系统, 产生专门针对

病原体的特异性抗体。 20世纪70年代以后, 人们开始利用基因工程技术来生产疫苗。 基因工程疫苗是将病原体 的某种蛋白基因重组到细菌或真核细胞内,利用细菌或真核细胞来大量生产病原体的蛋白, 把这种蛋白作为疫苗。 例如用基因工程制造乙肝疫苗用于乙型肝炎的预防。 我国生产的基因 工程乙肝疫苗,主要采用酵母表达系统产生疫苗。疾病诊断生物技术的开发应用,提供了新 的诊断技术,特别是单克隆抗体诊断试剂和DNA诊断技术的应用,使许多疾病特别是肿瘤 、传染病在早期就能得到准确诊断。图4-40是单克隆抗体的制备。单克隆抗体以它明显的优 越性得到迅速的发展,全世界研制成功的单克隆抗体有上万种,主要用于临床诊断、治疗试 剂、特异性杀伤肿瘤细胞等。有的单克隆抗体能与放射性同位素、毒素和化学药品联结在一 起,用于癌症治疗,它准确地找到癌变部位,杀死癌细胞,有 “生物导弹” 、 “肿瘤克星” 之称。 DNA诊断技术是利用重组DNA技术,直接从DNA水平作出人类遗传性疾病、肿瘤、传 染性疾病等多种疾病的诊断。它具有专一性强、灵敏度高、操作简便等优点。 疾病治疗生物技术在疾病治疗方面主要包括提供药物、基因治疗和器官移植等方面。 利用基因工程能大量生产一些来源稀少价格昂贵的药物, 减轻患者的负担。 这些珍贵药物包 括生长抑素、胰岛素、干扰素等等。基因治疗是一种应用基因工程技术和分子遗传学原理对 人类疾病进行治疗的新疗法。世界上第一例成功的基因治疗是对一位4岁的美国女孩进行的 ,她由于体内缺乏腺苷脱氨酶而完全丧失免疫功能,治疗前只能在无菌室生活,否则会由于 感染而死亡。经治疗,这个女孩可进入普通小学上学。截至1997年6月,全世界已批准的临 床基因治疗方案有218项,接受基因治疗和基因转移的患者总数已有2557名患者。 在2013年6月3日的"Cell"期刊上发表的罗伯特·温伯格等研究人员在乳腺癌侵袭性的研 究取得了新成果:基因决定乳腺癌细胞命运。 1990年,人类基因组计划在美国正式启动,2003年4月14日,中美英日法德六国科学家

宣布:人类基因组序列图绘制成功。人类基因组计划的完成,有助于人类认识许多遗传疾病 以及癌症的致病机理, 将为基因治疗提供更多的理论依据。 器官移植技术向异种移植方向发 展,即利用现代生物技术,将人的基因转移到另一个物种上,再将此物种的器官取出来置入 人体,代替人的生病的“零件” 。另外,还可以利用克隆技术,制造出完全适合于人体的器 官,来替代人体“病危”的器官。 污染监测现代生物技术建立了一类新的快速准确监测与 评价环境的有效方法,主要包括利用新的指示生物、利用核酸探针和利用生物传感器。 人们分别用细菌、原生动物、藻类、高等植物和鱼类等作为指示生物,监测它们对环境的反 应, 便能对环境质量作出评价。 核酸探针技术的出现也为环境监测和评价提供了一条有效途 径。例如,用杆菌的核酸探针监测水环境中的大肠杆菌。 近年来,生物传感器在环境监测中的应用发展很快。生物传感器是以微生物、细胞、酶 、抗体等具有生物活性的物质作为污染物的识别元件,具有成本低、易制作、使用方便、测 定快速等优点。 污染治理现代生物治理采用纯培养的微生物菌株来降解污染物。 例如科学家利用基因工程技 术,将一种昆虫的耐DDT基因转移到细菌体内,培育一种专门“吃”DDT的细菌,大量培 养,放到土壤中,土壤中的DDT就会被“吃”得一干二净。再例如科学家研制出一种耐污 力强的生物菌种RhP,放到污染的水中,可在不消耗水体氧气的情况下,迅速吸收消耗水体 中的氮、磷、硫、碳等污染元素,减少水体的富营养成份,切断蓝藻生长的营养来源,达到 治理蓝藻的目的。 一、生物工程的甚本概念 广义上说,生物工程是应用生命现象为人类造福的科学技术,概括地说,是利用DNA重组技 术,有目的、有计划、有定向地创造新的生物品种和类型。也有人称它为显微工程。生物工 程是70年代初期才发展起来的一门新学科。 主要是在分子生物学、 分子遗传学和徽生物学基 础理论研究基础上发展起来的。当今的生物工程己进入了新的综合性科学术技阶段。

二、生物工程的发展史 生物工程的发展并不是偶然的,而是整个遗传科学不断发展的合乎逻辑的必然结果。1953 年watson和Criek通过x射线衍射法提出了DNA分子双螺旋空间结构的新见解,建文了 “遗传密 码”和“模板学说”,从而揭示了分子遗传学的序幕,使遗传学跃进到分子水平。随后,在人工 分离基因、人工合成基因以及基因重组和表达分别取得成功,又导致了现代遗传学中一个新 的分子的出现,即遗传工程(或生物工程)。遗传学从整体水平到细胞水平,进而跃到分子水平, 仅仅经厉了八十多年的时间,其进展速度是十分惊人的。70年代后期,我国很快地开始跟踪国 际生物技术的发展,并开辟了有关的研究和开发工作。经过十几年的努力,我国的生物技术己 有了一定的基础和相当的规模,并取得一定的成绩和成果,对社会和生产起了一定的影响。如, 乙型肝炎病毒表面抗原基因工程疫苗、胰岛素、日一干扰素、人生长激素等基因工程研究己 获得阶段成果。目前已有几种单克隆诊断试剂投入市场。 三、生物工程的其体技术及其相互关系生物工程的具体技术及其相互关系或基因操作( 图见封四),一般是将某种生物细胞(供体细胞)的某个或某几个基因的DNA分子提取出来或人 工合成,在体外借助于酶的作用,人工合成一个大分子的“嵌合体”,再通过质粒(质粒是一种 存在于细菌中,如大肠杆菌中小而完整的DNA环),即运载体,将其携带到宿主细胞(受体细胞) 中去,使转移的基因或外源DNA分子在宿主细胞中繁殖和遗传,以改变后者的遗传特性。所以 这种生物工程实质上是分子水平的杂交。从图可见,生物工程的应用领域丰富多采;其中微生 物起着巨大的作用。此外,动植物细胞本身的改造和利用也有发展前景。如何将生物工程应 用于医疗卫生和医药工业是当前面临重要的研究课题,也是今后的发展方向。 四、基因组技术的研究 重组体DNA技术的发展,也就是基因 “工程,,技术的发展,所以本文重点讨论DNA重组的方 法、 种类、 条件等,以便于今后的使用和研究。 基因重组必须具备三种条件:①外源(供体)DNA, ②载体DNA,③宿主细胞或受体细胞。供体DNA需具备以下特点:①较纯的DNA片段,②能被

限制性内切酶消化成不同大小的片段 ,③有一定的内切酶选择性位点 ,④DNA序列中具有一 定的编码序列,而载体DNA同样应具备以下特征:①能在细胞中独立自我复制,②带有可以被 筛选的基因标记(一般为两个),③只有一种限制性内切酶的酶切位点,以便把外源DNA连接在 它的上面,又不妨碍它本身细胞增殖。 此外,基因重组过程中还需要四个主要的工具:①限制性 内切酶(Restrictionendornuelease),这类酶起裁剪工具的作用,它只能在固定的DNA部位上剪 切。目前已发现有百种以上的限制性内切酶(如枷mHI、Bgll、EcoRI、Hindl)。②DNA连接 酶(DNALigase),它在基因重组中主要起搬运工具作用。它能把外源DNA“搬”到载体DNA 上,并使二者连接在一起。依靠这酶,载体DNA才能携带另一种生物的DNA进入寄主细胞。③ 载体DNA,该DNA在重组中主要起交通工具作用。 外源DNA通过连接酶连接在它的上面,再经 由它运送到宿主细胞里去。④转化过程,也就是使已经重新组合的外源DNA与载体DNA放进 大肠杆菌去的过程。目前基因重组研究最为常用的技术是基因组文库构建和cDNA文库的构 建。它们是DNA重组中非常重要的一门技术,具体方法如下。 1.基因组文库构建:细菌、动物、人体染色体基因组DNA经内切酶切割后和载体DNA连接 ,使成为重组DNA分子,重组DNA与包装裂解物经离体包装反应,变为可感染的噬菌体顺粒,后 者经转导宿主在指示菌株内构建成重组的基因组文库。 .2cDNA文库构建:首先分离纯化经体外反转录酶的作用后合成出互补的双链cDNA,经内 切酶剪切和连接酶作用与载体 DNA 连接重组 , 经转化或包装宿主在受体细胞内使构建成 CDNA文库。构建的基因文库有以下用途:①从荃因组文库或cDNA文库筛选出有用的基因克 隆,从被筛出来的克隆中进行结构序列分析,和基因转录调控机制的研究;②用特异DNA探针 或特异抗体探针从基因文库中筛选出与医药工业有密切相关的重组基因菌株,开拓新药品种 或单克隆抗体的大量制备,干扰素、疫苗、激素、酶和其他蛋白质生产以及遗传病的治疗等, ③从基因文库中筛选出特异基因,并制备出DNA探针作遗传病、肿瘤和其它疾病的丛因诊断 。

五、生物工程的应用前景. 生物工程在实践上的应用前景己日益引起人们的重视。现在已经能够将真核细胞的基因 转移到原核生物的细胞中,并使之表达,例如使细菌产生出各种多肤激素等。它的应用前景有 以下几个方面。 1.在医药上的应用设想: (1)治疗癌症的设想:目前己知癌细胞的病变过程,主要是由于基因调节控制失灵,使蛋 白质酶的生产发生混乱所致。针对这种机制,最近又发展了反义技术,使癌症的基因治疗又迈 进了新的一步。反义技禾是利用细胞核物质片段(即反义寡核昔酸或反义基因)和细胞中的 DNA或RNA相结合,从而控制DNA或RNA的功能。 它的主要用途是阻止细胞产生某一细胞基 因所编码的特定蛋白质,还可以用于结合病毒、细菌核物质中的DNA或其他形式的RN人,阻 止它们的复制。目前生物学家认为反义技术治疗癌症比其他治疗方法更为优越,它可以避免 化疗的有害副作用。目前美国已有4个以上这类型公司从事反义RNA进行疾病治疗的研究开 发。 (2)医药工业上的应用发展 :1977年美国某中心已成功地用大肠杆菌生产出人脑激素 -生长激 素释放因子(Somatostatin)。这是a科学上头等重大的胜利” 。9178年美国HoP“国家医学中心 又成功地用人工合成的人胰岛素基因掺入到大肠杆菌中获得功能的表达。 使大肠杆菌终于成 为生产胰岛素的一座“活工厂” 。近几年来,InternMinerChem公司和iBoferon公司及以Hiver 公司分别成功地研制出人生长调节素 C 在大肠杆菌中得到高水平表达 , 和日一干扰素重组 DNA载体以及抗艾滋病病毒疫苗生产等。从上述的应用发展来看,生物工程在医药领域上已 取得了引人注目的成就,这是生物技术发展的必然趋势。 2 基因诊断的应用发展:基因诊断技术近两年来飞速发展,它已经从研究室逐渐向临床实验

室过渡。美国各大医疗中心已开始建立这类临床实验室。随着DNA探针杂交技术和体外基 因扩增技术 (PCR技术 )的发展 ,目前国外已研制出许多遗传病基因诊断的探针 ( 例如G一 6一

DP缺陷DNA探针、 1989年美国Murey 乙型肝炎、 艾滋病病毒基因探针以及hGH基因探针等)。 公司(Norcriss,Gerrgia)研制出艾滋病快速诊断盒 (商品名为EvaluateS10MinuteAIDsTest),并得 到美国食品与药品管理局(FDA)的批准。 六、生物工程今后孟点的发展趋势生物工程中尖端技术是遗传信息操作技术 ,即指重组 DNA、DNA转染、细胞融合、核转移等技术。如上所述,该技术应用广泛,前景诱人。今后应 重点发展有关细胞分化研究,和推动有关细胞间信息传递机制和脑一神经系统、免疫系统(包 括双功能和单链的单克隆抗体 ,和特异基因型和抗特异基因型疫苗开发 ),代谢系统等在个体 整体上的调节机制的研究,同时,推动真核细胞生物从而建立能够适用于真核生物的生物技术 。

七、结语 生物工程是以生命科学为基础,利用生物体系和工程原理,提供商品或社会服务的综合性科学 技术。作为最新高科技行业,它将会为人类文明带来革命性发展。当今世界上生物工程的发 展方兴未艾,随着它在科研领域里不断有所突破,将来在医药、医疗、工农业等领域的应用必 然是前途无量的。


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