生物技術(shù)及其應(yīng)用前景.doc

生物技術(shù)及其應(yīng)用前景 一、酶工程與發(fā)酵工程酶工程與發(fā)酵工程是生物技術(shù)中有著悠久歷史的兩門技術(shù)。近20年來，隨著與生物技術(shù)相關(guān)的諸多基礎(chǔ)理論和技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展，這兩門傳統(tǒng)的生物技術(shù)逐步走出被動(dòng)、低效的狀態(tài)，而發(fā)展成為主動(dòng)、高效的當(dāng)代生物技術(shù)，被列入到高技術(shù)領(lǐng)域。（一）酶工程酶工程就是利用酶的催化作用進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)人們所需產(chǎn)品的技術(shù)。催化劑即指能化學(xué)變化加速而翻身不變的物質(zhì)。酶是一類具有特殊催化反應(yīng)能力的蛋白質(zhì)，它由生物體的活細(xì)胞產(chǎn)生。在生物體內(nèi)進(jìn)行的各種化學(xué)反應(yīng)，幾乎都需要在酶的催化下才能順利地完成。我們每天吃的米飯、雞蛋、肉類等的食物都必須在胃分泌的胃蛋白酶和胰臟分泌的淀粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶等的作用下，分解成葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和甘油等小分子，才能透過小腸壁，被組織吸收和利用；人體生長(zhǎng)的時(shí)候，體內(nèi)又會(huì)進(jìn)行各種蛋白質(zhì)、脂肪等的合成反應(yīng)，這些合成反應(yīng)也需要在酶的催化下完成。一旦酶的正常催化作用遭到干擾破壞，輕則會(huì)使生物體表現(xiàn)出某些癥狀，重則將危及生命。比如，在人體內(nèi)有一種內(nèi)酪氨酸酶，當(dāng)它不能行使正常作用時(shí)，人就會(huì)得白化病。在人類中有一種半乳糖血癥的遺傳病，發(fā)病的原因是由于患者體內(nèi)缺乏將半乳糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖的酶，造成患者血液中半乳糖含量急劇升高往往在嬰兒期就死亡。酶工作技術(shù)的應(yīng)用范圍大致有：（1）對(duì)生物寶庫中存在天然酶的開發(fā)和生產(chǎn)；（2）自然酶的分離純化及鑒定技術(shù)；（3）酶的固定化技術(shù)（固定化酶和固定化細(xì)胞技術(shù)）；（4）酶反應(yīng)器的研制和應(yīng)用；（5）與其它生物技術(shù)領(lǐng)域的交叉和滲透。其中固定化酶技術(shù)是酶工程的核心。在洗衣粉中加入一些酶可大大加強(qiáng)其去污能力，這是把酶催化劑作為一種添加劑加入到產(chǎn)品中去，促進(jìn)了產(chǎn)品與作用對(duì)象的化學(xué)反應(yīng)。但是對(duì)于像用葡萄糖生產(chǎn)果糖行業(yè)來說，需要用酶，而酶又不能留在產(chǎn)品中，否則會(huì)影響產(chǎn)品純度。再說，成批的反應(yīng)物中，加入的酶在反應(yīng)結(jié)束后，沒有被消耗掉，但卻失去了再被利用的機(jī)會(huì)，這顯然是一種浪費(fèi)。若能夠?qū)⒚腹潭ㄆ饋恚粌H能使其在常溫、常壓下行使專一的催化功能，而且由于酶密度提高，使催化效率更高、反應(yīng)更易控制。固定著的酶不會(huì)跑到溶液里，與產(chǎn)物混合，這樣酶便可反復(fù)使用，從而使產(chǎn)品成本降低。因此，固定化酶技術(shù)十分重要。酶的固定方法主要有：通過非特異性物理吸附法或生物物質(zhì)的特異吸附作用將酶固定到載體表面，叫作吸附法；利用化學(xué)方法將載體活化，再與酶分子上的某些基因反應(yīng)，形成共價(jià)的化學(xué)鍵，從而使酶分子結(jié)合到載體上，這種方法叫共價(jià)鍵合法，是廣泛采用的制備固定化酶的方法。與固定化酶技術(shù)相配套的是酶生物反應(yīng)器。一個(gè)安裝有固定化酶材料的容器就是酶生物反應(yīng)器，它是把反應(yīng)物質(zhì)變成產(chǎn)品的重要生產(chǎn)車間，葡萄糖溶液緩緩流進(jìn)裝有葡萄糖異構(gòu)酶的生物反應(yīng)器，出來的就是比原來溶液甜的多的新液體。酶工程對(duì)醫(yī)藥、醫(yī)療方面貢獻(xiàn)巨大?，F(xiàn)在，菠蘿蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶、胃蛋白酶等十幾種可以進(jìn)行食物轉(zhuǎn)化的酶都已進(jìn)入食品和藥物中，以解除許多有胃分泌功能障礙患者的痛苦，此外還有抗腫瘤的L-天冬酰胺酶、白喉毒素，用于治療炎癥的胰凝乳蛋白酶，降血壓的激肽釋放酶，溶解血凝塊的尿激酶等。另外，新型青霉素產(chǎn)品及青霉素酶抑制劑等也都是酶工程在醫(yī)藥醫(yī)療領(lǐng)域的成功應(yīng)用實(shí)例。（二）發(fā)酵工程現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長(zhǎng)激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學(xué)工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶、維生素和單細(xì)胞蛋白等。從廣義上講，發(fā)酵工程由三部分組成：是上游工程，發(fā)酵工程和下游工程。上游工程包括優(yōu)良種株的選育，最適發(fā)酵條件（pH、溫度、溶氧和營(yíng)養(yǎng)組成）的確定，營(yíng)養(yǎng)物的準(zhǔn)備等。發(fā)酵工程主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)。這里要有嚴(yán)格的無菌生長(zhǎng)環(huán)境，包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對(duì)發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種連接管道進(jìn)行滅菌的技術(shù)；在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無菌空氣的空氣過濾技術(shù)；在發(fā)酵過程中根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)要求控制加料速度的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；還有種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術(shù)。此外，根據(jù)不同的需要，發(fā)酵工藝上還分類批量發(fā)酵：即一次投料發(fā)酵；流加批量發(fā)酵：即在一次投料發(fā)酵的基礎(chǔ)上，流加一定量的營(yíng)養(yǎng)，使細(xì)胞進(jìn)一步的生長(zhǎng)，或得到更多的代謝產(chǎn)物；連續(xù)發(fā)酵：不斷地流加營(yíng)養(yǎng)，并不斷地取出發(fā)酵液。下游工程指從發(fā)酵液中分離和純化產(chǎn)品的技術(shù)：包括固液分離技術(shù)（離心分離，過濾分離，沉淀分離等工藝），細(xì)胞破壁技術(shù)（超聲、高壓剪切、滲透壓、表面活性劑和溶壁酶等），蛋白質(zhì)純化技術(shù)（沉淀法、色譜分離法和超濾法等），最后還有產(chǎn)品的包裝處理技術(shù)（真空干燥和冰凍干事燥等）。二、基因工程基因工程是利用DNA重組技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)或改造生物產(chǎn)品的技術(shù)。是將外源的或是人工合成的基因即DNA片段(目的基因)與適宜的載體DNA重組，然后將重組DNA轉(zhuǎn)入宿主細(xì)胞或生物體內(nèi)，以使其高效表達(dá)。1968年，沃納釩俊岫內(nèi)森斯博士和漢密爾肥訪芩共康諞淮未喲蟪司刑崛雋訟拗菩閱誶忻改芄輝贒NA上尋找特定的“切點(diǎn)”，認(rèn)準(zhǔn)后將DNA分子的雙鏈交錯(cuò)地切斷。他們于1978年獲諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。目前被發(fā)現(xiàn)的限制性內(nèi)切酶已有500種以上。當(dāng)一種限制性內(nèi)切酶在一個(gè)特異性的堿基序列處切斷DNA時(shí)，就可在切口處留下幾個(gè)未配對(duì)的核苷酸，叫做粘性末端，另外一個(gè)用同種限制性內(nèi)切酶切斷的DNA片段也有粘性末端，這兩個(gè)互補(bǔ)的粘性末端彼此結(jié)合就形成了生個(gè)重組DNA分子?，F(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)利用限制性內(nèi)切酶將胰島素基因從人類細(xì)胞的染色體中切出，并將其插入到細(xì)菌的質(zhì)粒DNA中，這樣就在細(xì)菌自身的遺傳物質(zhì)中摻入了一個(gè)外源基因。隨著細(xì)菌代謝活動(dòng)的進(jìn)行，胰島素就會(huì)與細(xì)菌自身的蛋白質(zhì)一起被合成，并貯存在菌體內(nèi)。當(dāng)這種帶有胰島素基因的細(xì)菌被大量培養(yǎng)時(shí)，人類胰島素也可以不斷地從這樣的細(xì)菌中提取出來?，F(xiàn)在，科學(xué)家們還利用重組脫氧核糖核酸DNA技術(shù)將一些有益的基因連接到細(xì)菌的質(zhì)粒脫氧核糖核酸DNA上，再將這樣的重組質(zhì)粒導(dǎo)入到植物或動(dòng)物體內(nèi)，以期望培養(yǎng)出優(yōu)良的動(dòng)植物新品種。1、目的基因的獲得目的基因即人們所要獲得某種蛋白質(zhì)的基因。獲得目的基因的方法有：從生物基因組中分離。一種辦法是用“分子剪刀”剪切供體分子，把它切成一些比基因略長(zhǎng)的片段，然后再?gòu)闹姓页霭枘康幕虻钠巍５侥壳盀橹?，人們用這種方法已分離出種大腸桿菌蛋白質(zhì)的基因和雞的組蛋白基因等。逆轉(zhuǎn)錄合成。通常以RNA為模板，在逆轉(zhuǎn)酶下合成DNA，稱其為DNA。人工合成。如果某種蛋白質(zhì)的基因是已知的?？梢酝ㄟ^化學(xué)方法合成。2、目的基因的導(dǎo)入有了目的基因，還不能直接把目的基因送進(jìn)受體細(xì)胞，因?yàn)槟壳按嬖谟诘厍蛏系纳?，無論是復(fù)雜的還是簡(jiǎn)單的，都是長(zhǎng)期歷史進(jìn)化的產(chǎn)物，都是有保衛(wèi)自身不受異種生物侵害和穩(wěn)定地延續(xù)自己種族的本領(lǐng)。如果外來的“單槍匹馬”硬馮進(jìn)受體細(xì)胞，受體細(xì)胞就會(huì)把它“消滅”。當(dāng)外來的這種不速之客進(jìn)入大腸桿菌體內(nèi)時(shí)，大腸桿菌內(nèi)部的內(nèi)切酶就毫不留情地使其“粉身碎骨”或“體無完膚”。在這種情況下，生物工程們就只好采用重組技術(shù)。理想的基因運(yùn)載工具是病毒、噬菌體和質(zhì)粒。質(zhì)粒能自由進(jìn)出細(xì)菌細(xì)胞，當(dāng)用“分子剪刀”把它切開，再給它安裝上一段外來的DNA片段后，它依然如故地能自我復(fù)制。首先將目的基因與質(zhì)粒經(jīng)過內(nèi)切酶進(jìn)行“裁剪”，然后靠“連接酶”的作用，將目的基因和質(zhì)粒（或病毒）重新組合起來形成重組。重組就是在質(zhì)粒（或病毒）的“帶領(lǐng)”下進(jìn)入受體的過程叫“轉(zhuǎn)化”，得到重組的細(xì)胞叫“轉(zhuǎn)化細(xì)胞”。直接導(dǎo)入法有電擊、顯微注射、直接吸收、基因槍等方法。（1）電擊法：借助電擊儀高壓脈沖把目的基因打入宿主細(xì)胞。（2）顯微注射法：利用微量注射器在顯微鏡下直接把目的基因注入宿主細(xì)胞。（3）直接吸收法：把目的基因和宿主細(xì)胞混在一起，讓其吸收。（4）基因槍法：在金屬微粒上涂一層目的基因，然后發(fā)射到宿主細(xì)胞中。間接導(dǎo)入法常用的載體是質(zhì)粒、噬菌體、科斯質(zhì)粒。（1）質(zhì)粒是細(xì)菌染色體DNA以外的環(huán)狀雙鏈DNA分子，它能自我復(fù)制，也可整合到細(xì)胞染色體DNA中與其一起表達(dá)。質(zhì)粒通常還含有標(biāo)記基因，這可以從細(xì)胞的表型特征來識(shí)別。（2）噬菌體是一種細(xì)菌病毒，其環(huán)狀雙鏈DNA可以作為目的基因的載體。（3）科斯質(zhì)粒是一種雜種質(zhì)粒，含有質(zhì)粒和噬菌體的部分順序，很適合用作真核生物基因的載體。3、目的基因表達(dá)及表達(dá)產(chǎn)物分離目的基因進(jìn)入宿主細(xì)胞后，可以與宿主細(xì)胞DNA整合在一起，并一起表達(dá)。表達(dá)后所產(chǎn)生的蛋白質(zhì)可以用一般分離蛋白質(zhì)的方法分離和純化。把目的基因裝在運(yùn)載體上后，就看運(yùn)載體能否將目的基因運(yùn)到受體細(xì)胞了。這是基因工程的最后一步。一般情況下，轉(zhuǎn)化成功率為百分之一。這樣低的轉(zhuǎn)化率實(shí)在難以滿足遺傳工程師們的要求。為此，遺傳工程師們創(chuàng)造了在低溫條件下用氯化鈣處理受體細(xì)胞和增加重組濃度的辦法來提高轉(zhuǎn)化率。采用氯化鈣處理事，能增大受體細(xì)胞的細(xì)胞壁透性，從而使雜種分子更容易進(jìn)入。目的基因的導(dǎo)入過程是我們?nèi)庋劭床坏降?。因此，要知道?dǎo)入是否成功，事先應(yīng)找到特定的標(biāo)志。例如我們用一種經(jīng)過改造的抗四環(huán)素質(zhì)粒PSC作載體，將一種基因移入自身無抗性的大腸桿菌時(shí)，如果基因移入后，大腸桿菌不能被四環(huán)素殺死，說明導(dǎo)入成功了三、生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用植物基因工程是指植物學(xué)領(lǐng)域的基因工程，其研究對(duì)象是植物。利用植物基因工程技術(shù)，改良作物蛋白質(zhì)成分，提高作物中必需的氨基酸含量，培育抗病毒、抗蟲害、抗除草劑的工程植株以及抗鹽、抗旱等逆境植株，在當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已顯示出巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并展示了植物基因工程在未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣闊前景。（一）品質(zhì)育種高產(chǎn)作物：最早運(yùn)用基因克隆技術(shù)的基因是植物種子、塊莖等貯藏器官中的貯藏蛋白基因。菲律賓馬尼拉的國(guó)際水稻研究所已經(jīng)培育出超級(jí)水稻，1.5萬斤/公傾。非洲培育出超級(jí)木薯增產(chǎn)10倍。我國(guó)袁隆平被譽(yù)為“雜交水稻之父”現(xiàn)在培育出的高光效水稻2.25萬公斤/公傾。高光效玉米6萬公斤/公傾。促進(jìn)健康的食品：杜邦和孟山都公司即將推出多種可榨取有益心臟的食用油的大豆。兩大公司還將聯(lián)手推出味道更鮮美且更容易消化的強(qiáng)化大豆新品種。一般情況下，玉米、小麥、水稻等谷類蛋白中缺乏賴氨酸?，F(xiàn)在已培育出高賴氨酸的玉米、小麥和水稻。生物改良新飼料：不久人們可以給家禽和奶牛喂食生物改良飼料，以便為人類提供更優(yōu)良的蛋白質(zhì)并幫助動(dòng)物吸收磷。生物改良飼料可以產(chǎn)生兩項(xiàng)效益，即既能降低飼料成本，又能減少動(dòng)物糞便中磷含量，因而有益于保護(hù)生態(tài)環(huán)境。含抗疾病物質(zhì)農(nóng)作物：艾爾姆公司與其它公司合作，正在研究高含量抗癌物質(zhì)的西紅柿，以及可用于生產(chǎn)血紅蛋白的玉米和大豆。杜邦公司正在研究如何使大豆含有異黃酮成分，人們食用這種大豆就可以防止心臟病發(fā)作。此外，內(nèi)含疫苗的香蕉和馬鈴薯也正在加緊研究中。特種轉(zhuǎn)基因棉花和玉米：孟山都公司正在采用生物工程技術(shù)改良棉花，以使其出產(chǎn)天然藍(lán)色和黃褐色纖維用于紡織布料。杜邦公司開發(fā)的一種微生物，有助于在棉花中產(chǎn)生超高彈性聚酯纖維，而卡吉爾和道化學(xué)公司則計(jì)劃從玉米中提取塑料。（二）抗性育種抗蟲植物 從名為蘇云金桿菌的細(xì)菌中提出引起鱗翅目昆蟲神經(jīng)中毒而死亡的內(nèi)毒素基因，轉(zhuǎn)入煙草、番茄和馬玲薯中，這些轉(zhuǎn)基因的植物殺蟲效果良好。毒素基因還能穩(wěn)定遺傳，而毒素對(duì)人畜無害?？共《局参?日本人從蒼蠅體內(nèi)分離到一種抗菌性很強(qiáng)的蛋白質(zhì)基因，并將這種基因轉(zhuǎn)移到作物細(xì)胞中培養(yǎng)出抗病的煙草、白菜。番茄是世界性水果和蔬菜，全球產(chǎn)量巨大，但最大缺陷是不耐貯運(yùn)，易腐爛。現(xiàn)已培育出耐貯運(yùn)的轉(zhuǎn)基因番茄?？钩輨┲参?方法一是將有除草作用的酶或蛋白質(zhì)的基因轉(zhuǎn)入植物，使其拷貝數(shù)增加，從而轉(zhuǎn)基因植物中這種酶或蛋白質(zhì)的量大大增加。如除草劑濃度不足以全部破壞植物體內(nèi)的這種酶或蛋白，就不能殺死植物，而雜草則因?yàn)槊负偷鞍妆怀輨┢茐亩粴⑺馈７椒ǘ寝D(zhuǎn)移一種酶的基因到植物中，草甘磷是一種光譜除草劑，人們?cè)谝环N細(xì)菌突變中發(fā)現(xiàn)了抗草甘磷的基因。轉(zhuǎn)基因植物能不被殺死。方法三是針對(duì)除草劑能識(shí)別酶上面的位點(diǎn)這一特點(diǎn)，用基因突變的方法使該位點(diǎn)上的相應(yīng)氨基酸發(fā)生突變，但這種基因突變不損壞該酶的二級(jí)結(jié)構(gòu)和酶保證功能，使除草劑不能識(shí)別這個(gè)位點(diǎn)。自1996年以來美國(guó)研究人員一直種植一種轉(zhuǎn)基因改良棉花，這種棉花中含有一種從細(xì)菌中提取對(duì)棉鈴蟲和苞芽蟲有致命危害的基因。抗鹽堿作物 一種酵母中發(fā)現(xiàn)了一種抗鹽堿基因?，F(xiàn)在人們已經(jīng)培育出抗鹽堿的大麥、番茄和某些瓜類。抗旱作物 人們發(fā)現(xiàn)玉米中4種抗旱基因?？赏ㄟ^基因工程培育出抗旱作物。美國(guó)人聲稱能把仙人掌的基因轉(zhuǎn)入小麥玉米大豆中?？购魑?我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)生活在寒溫帶的“美洲擬鰈”的冷水魚能抗凍蛋白。把這種基因注入番茄的花粉管，得到轉(zhuǎn)基因抗寒番茄。實(shí)驗(yàn)表明，這種番茄幼苗比對(duì)照品種致死溫度下降2，所需積溫減少125。并表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗晚霜能力。（三）固氮育種有些細(xì)菌具有固定游離氮的能力，特別是生長(zhǎng)在豆科植物根部的根瘤菌能有效地將游離氮轉(zhuǎn)變可被作物直接吸收利用的氮。20世紀(jì)50年代又發(fā)現(xiàn)了近百種固氮微生物，有藍(lán)藻、綠藻、細(xì)菌和真菌。這些固氮生物是通過固氮酶完成的。人們正致力于把其基因轉(zhuǎn)移到其它作物上去。并分離出一些有利于硝鹽吸收和利用的基因，這將大大提高肥料的吸收和利用。四、生物技術(shù)在醫(yī)藥方面的應(yīng)用1、生物工程藥物生物工程藥物就是利用生物工程技術(shù)制造的藥物，是生物工程服務(wù)于社會(huì)的一類新產(chǎn)品。它和傳統(tǒng)的化學(xué)藥物以及從動(dòng)、植物中提取藥物的最大區(qū)別在于生產(chǎn)過程。通過基因工程或細(xì)胞工程培養(yǎng)出高產(chǎn)菌種或動(dòng)、植物細(xì)胞株，稱為“工程菌”或“工程細(xì)胞株”，再利用現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)大規(guī)模培養(yǎng)，從中提取出所需藥物。人們利用基因工程可以生產(chǎn)天然稀有的醫(yī)用活性多肽或蛋白質(zhì)。例如，用于抗病毒、抗腫瘤的藥物干擾素和白細(xì)胞介素等；用于治療心血管系統(tǒng)疾病的藥物有尿激酶原及組織型溶纖蛋白酶原激活因子等；用于防治傳染病的有各種疫苗，如乙型肝炎疫苗、腹瀉苗等；用于體內(nèi)起調(diào)節(jié)作用的激素有胰島素和其它生長(zhǎng)激素等。自從1982年美國(guó)首次批準(zhǔn)基因工程胰島素上市以來，各國(guó)已有十多種基因工程醫(yī)藥產(chǎn)品先后獲準(zhǔn)上市，有更多的基因工程產(chǎn)品正在進(jìn)行不同階段的臨床試驗(yàn)?；蚬こ讨扑幃a(chǎn)業(yè)已經(jīng)初步形成。人們通過細(xì)胞工程可以生產(chǎn)醫(yī)藥用的單克隆抗體。利用淋巴細(xì)胞雜交瘤株，通過大量細(xì)胞培養(yǎng)，可制備出高度專一和生物學(xué)結(jié)構(gòu)單一的單克隆抗體。它在生物和醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)研究、疾病的診斷、預(yù)防和治療中成為有力工具。40年代初，青霉素的大規(guī)模液體深層發(fā)酵開創(chuàng)了現(xiàn)代發(fā)酵工程之先河。50年代，發(fā)酵產(chǎn)品種類迅速擴(kuò)大。隨著生物化學(xué)、基因工程和酶工程的發(fā)展，抗生素及其它微生物代謝藥物的生產(chǎn)進(jìn)入一個(gè)新階段。利用微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)可以對(duì)化學(xué)方法難以合成的中間體進(jìn)行合成，結(jié)合化學(xué)方法研制新的合成路線，從而生產(chǎn)活力更強(qiáng)的衍生物，例如更高效的抗腫瘤藥物羥基喜樹堿和前列腺素；通過基因誘變，使微生物產(chǎn)生新的合成途徑，從而獲得新的代謝產(chǎn)物，例如去甲基四環(huán)素等；利用微生物產(chǎn)生的酶，對(duì)藥物進(jìn)行化學(xué)修飾，例如多種半合成青霉素的生產(chǎn)。1977年美國(guó)加洲大學(xué)和國(guó)立醫(yī)學(xué)中心將生長(zhǎng)激素釋放抑制因子基因與大腸桿菌pBB322質(zhì)粒DNA實(shí)現(xiàn)了體外重組，并從10升這樣大腸桿菌發(fā)酵液中提取到5mg這種激素。按常規(guī)需要50萬只羊的腦才能提取。這是首次得到的基因工程藥物。人們利用基因工程可以生產(chǎn)天然稀有的醫(yī)用活性多肽或蛋白質(zhì)。例如，用于抗病毒、抗腫瘤的藥物干擾素和白細(xì)胞介素等；用于治療心血管系統(tǒng)疾病的藥物有尿激酶原及組織型溶纖蛋白酶原激活因子等；用于防治傳染病的有各種疫苗，如乙型肝炎疫苗、腹瀉苗等；用于體內(nèi)起調(diào)節(jié)作用的激素有胰島素和其它生長(zhǎng)激素等。自從1982年美國(guó)首次批準(zhǔn)基因工程胰島素上市以來，各國(guó)已有十多種基因工程醫(yī)藥產(chǎn)品先后獲準(zhǔn)上市，如人生長(zhǎng)激素、-干擾素、人絨毛膜生長(zhǎng)激素、促紅細(xì)胞生成素、白細(xì)胞介素-2、凝血因子VII、抗胰蛋白酶、尿激酶等。有更多的基因工程產(chǎn)品正在進(jìn)行不同階段的臨床試驗(yàn)。40年代初，青霉素的大規(guī)模液體深層發(fā)酵開創(chuàng)了現(xiàn)代發(fā)酵工程之先河。50年代，發(fā)酵產(chǎn)品種類迅速擴(kuò)大。隨著生物化學(xué)、基因工程和酶工程的發(fā)展，抗生素及其它微生物代謝藥物的生產(chǎn)進(jìn)入一個(gè)新階段。利用微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)可以對(duì)化學(xué)方法難以合成的中間體進(jìn)行合成，結(jié)合化學(xué)方法研制新的合成路線，從而生產(chǎn)活力更強(qiáng)的衍生物，例如更高效的抗腫瘤藥物羥基喜樹堿和前列腺素；通過基因誘變，使微生物產(chǎn)生新的合成途徑，從而獲得新的代謝產(chǎn)物，例如去甲基四環(huán)素等；利用微生物產(chǎn)生的酶，對(duì)藥物進(jìn)行化學(xué)修飾，例如多種半合成青霉素的生產(chǎn)?！吧飳?dǎo)彈”是免疫導(dǎo)向藥物的形象稱呼，它由單克隆抗體與藥物、酶或放射性同位素配合而成，因帶有單克隆抗體而能自動(dòng)導(dǎo)向，在生物體內(nèi)與特定目標(biāo)細(xì)胞或組織結(jié)合，并由其攜帶的藥物產(chǎn)生治療作用。生物導(dǎo)彈在核醫(yī)學(xué)上，特別在人體掃描圖技術(shù)和腫瘤定位方面已獲得很大進(jìn)展。例如，向病人血液中注射用示蹤量放射性物質(zhì)標(biāo)記的單克隆抗體，抗體將攜帶放射活性物質(zhì)通過全身血液滲透到所有組織。由于腫瘤細(xì)胞表面有特異性抗原可與單克隆抗體結(jié)合，因而這種抗體一放射性同位素結(jié)合物就不斷積累在腫瘤上。應(yīng)用常規(guī)核醫(yī)學(xué)顯示微儀器掃描病人身體，就可以在攝影底片上得到放射活性圖像，放射活性密集的區(qū)域即腫瘤所在部位2、基因診斷和治療基因治療有體細(xì)胞基因治療和生殖細(xì)胞基因治療。雖然，體細(xì)胞基因治療有基因補(bǔ)償和反義技術(shù)等方法，但生殖細(xì)胞的基因治療由于治療難度大，涉及倫理問題，故還是一個(gè)禁區(qū)，尙無人涉足。體細(xì)胞基因治療的基因補(bǔ)償技術(shù)是用正?；虼婊蛐拚毕莼?。該技術(shù)用于單基因病的治療往往很有效，而多基因疾病和獲得性基因病由于本身發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，難以調(diào)控，加上基因補(bǔ)償技術(shù)的不完善，因此，該技術(shù)用于這兩種基因病的治療療效甚微。體細(xì)胞基因治療的反義技術(shù)包括反義寡核苷酸技術(shù)、反義RNA技術(shù)和核酶技術(shù)。前兩者稱為反義封閉。反義技術(shù)是通過對(duì)RNA剪接進(jìn)行干預(yù)來實(shí)現(xiàn)修復(fù)RNA突變或糾正RNA剪接錯(cuò)誤，使突變基因的正常功能得以部分恢復(fù)2。反義技術(shù)只修復(fù)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA，不修復(fù)基因本身。它雖比較安全但不徹底。基因的功能在一定程度上得以矯正，但并未從根本上解決問題。病根未除，子代仍需反復(fù)治療。在反義封閉的情況下，連RNA的突變也未修復(fù)，不僅子代，患者自己在反義藥物消耗完后也需及時(shí)補(bǔ)充，需要反復(fù)治療。人類的遺傳病有2000種左右，染色體數(shù)目異常、染色體畸變、基因結(jié)構(gòu)改變都可導(dǎo)致先天性遺傳疾病。如鐮刀型紅細(xì)胞貧血癥就是由于血紅蛋白-亞基第6位氨基酸密碼突變引起的，苯丙酮酸尿癥則是由于苯丙氨酸羥化酶基因缺失引起。遺傳病很難治，如果在胚胎發(fā)育早期就診斷出，則可以采用人工流產(chǎn)的方法預(yù)防出生，或在出生后早期治療。一般，基因突變會(huì)導(dǎo)致其限制性內(nèi)切酶識(shí)別位點(diǎn)的丟失或新生。一種稱為“限制酶酶解片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析”方法可以檢測(cè)出突變的基因。對(duì)于那些基因順序明確，致病基因突變點(diǎn)已知的遺傳病，可采用一種“等位特異性寡核苷酸探針檢測(cè)法”進(jìn)行診斷。近年來發(fā)展的“聚合酶鏈反應(yīng)”技術(shù)，也被用于診斷。基因治療是目前醫(yī)學(xué)上最熱門的研究課題，1990年美國(guó)成功地為一位患重癥聯(lián)合免疫缺陷（腺苷脫氨酶缺陷）綜合征的小女孩實(shí)施基因治療，原來只能終生在無菌隔離條件下生存，現(xiàn)在回到了自然生活。近10年來，世界上已有近400基因治療方案開始應(yīng)用于臨床，其中美國(guó)占了一半。由于起步時(shí)間短，基因治療尚處于基礎(chǔ)研究和臨床試驗(yàn)階段，為此，不少美國(guó)科學(xué)家對(duì)基因治療看法是“需要回到實(shí)驗(yàn)室”。我國(guó)轉(zhuǎn)基因治療計(jì)劃已列入高科“863”計(jì)劃已取得成果。復(fù)旦大學(xué)在血友病基因治療方面取得進(jìn)展。腫瘤的基因治療就是應(yīng)用基因工程技術(shù)直接糾正腫瘤細(xì)胞基因的結(jié)構(gòu)及功能缺陷以及直接殺傷或間接通過增強(qiáng)宿主對(duì)腫瘤的殺傷和防御能力來治療腫瘤。腫瘤的基因治療有眾多的優(yōu)點(diǎn)，它可以直接修正腫瘤細(xì)胞的突變基因結(jié)構(gòu)，使治療更有針對(duì)性，更少地影響正常臟器的功能，從而解決了傳統(tǒng)治療的不徹底、毒副作用大的缺點(diǎn)，同時(shí)，還能防止腫瘤的轉(zhuǎn)移、復(fù)發(fā)，甚至可通過基因改造，完全杜絕腫瘤的發(fā)生，徹底克服癌癥。2003年3月新科學(xué)家雜志報(bào)道，美國(guó)加州大學(xué)的研究小組成功地利用“涂”有PEG（聚乙烯乙二醇）高分子層的脂質(zhì)體，將治療基因遞送到人體大腦。這是一項(xiàng)重大的突破和成就，因?yàn)檫^去的研究表明，病毒傳遞媒介“個(gè)頭”太大，無法跨越“血腦屏障”。這項(xiàng)新的研究成果將有望治療帕金森氏病。2001年Collateral Therapeutics, Inc.在Molecular Therapy雜志上宣布其體內(nèi)和體外臨床前檢驗(yàn)結(jié)果顯示：以冠狀動(dòng)脈給藥方式注入Collateral的腺病毒載體（Ad5型腺病毒）對(duì)雄性生殖細(xì)胞沒有影響。這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)有關(guān)腺病毒載體引入體內(nèi)后意外轉(zhuǎn)移進(jìn)入生殖細(xì)胞的潛在危險(xiǎn)是不太可能的結(jié)論，即在很大程度上肯定了用腺病毒作基因治療載體的安全性。目前基因治療中使用較普遍的載體為病毒載體，包括逆轉(zhuǎn)錄病毒載體、單純皰疹病毒載體、腺病毒載體等。攜帶目的基因的逆轉(zhuǎn)錄病毒載體進(jìn)入靶細(xì)胞后在基因組的插入位置是隨機(jī)的，由此可能帶來不良后果，例如可能引起宿主細(xì)胞基因組插入突變、破壞細(xì)胞生長(zhǎng)必需基因或抑癌基因、外源基因的整合造成宿主細(xì)胞染色體的重排、激活原癌基因等。逆轉(zhuǎn)錄病毒也可能引起特異的惡變性，如MOMLV與T淋巴細(xì)胞瘤有關(guān)，F(xiàn)riend小鼠白血病引起紅白血病。此外，重組病毒顆?？赡芘既话b了包裝細(xì)胞中的mRNA，如果它進(jìn)入靶細(xì)胞并有效地逆轉(zhuǎn)錄并整合入靶細(xì)胞基因組，表達(dá)有害產(chǎn)物，將對(duì)靶細(xì)胞造成危害4。由于逆轉(zhuǎn)錄病毒載體存在上述一些弊端，因此最近有些學(xué)者提出用不同的非病毒性系統(tǒng)作基因轉(zhuǎn)移載體之用，包括脂質(zhì)體、DNA蛋白結(jié)合體、DNA蛋白質(zhì)與缺陷病毒的結(jié)合體。但是在所有上述技術(shù)中，有效的把基因?qū)爰?xì)胞仍是主要難題?；蛑委熭d體安全性和有效性仍需進(jìn)一步深入研究。作為“分子外科”的基因治療畢竟目前仍處于發(fā)展階段，其中還存在許多有待解決的問題，如：導(dǎo)入的靶向性、基因的穩(wěn)定高效表達(dá)、導(dǎo)入基因的安全性、尋找合適的及安全的載體、基因治療與社會(huì)倫理道德問題等等，都是當(dāng)前基因治療實(shí)踐中所遇到的重大困難，還需要科研工作者們繼續(xù)不懈地探索。事實(shí)上，這些難點(diǎn)都是目前腫瘤基因治療研究的熱點(diǎn)，并在不斷出現(xiàn)新的進(jìn)展。3、基因保鍵美國(guó)密歇根大學(xué)牙科學(xué)院研究員盧瑟福德及其同事將一片牙齦組織放在實(shí)驗(yàn)室中，讓其生長(zhǎng)出更多的細(xì)胞。然后將重組病毒刺入牙齦細(xì)胞，這種病毒攜帶有負(fù)責(zé)合成骨骼生長(zhǎng)因子的基因。研究人員隨后在手術(shù)用凝膠上播撒被處理過的牙齦細(xì)胞，并將其固定成適合于骨骼植部位的形狀，然后將之移植。結(jié)果，細(xì)胞開始產(chǎn)生生長(zhǎng)因子，這促使周圍的骨頭生長(zhǎng)，甚至長(zhǎng)出新的骨頭。他們將白鼠的頭蓋骨去除了一大塊，但白鼠在接受基因療法后，一個(gè)月內(nèi)頭蓋骨重新長(zhǎng)好了。五、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物及克隆動(dòng)物1983年，美國(guó)首先進(jìn)行轉(zhuǎn)基因動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，把含有生長(zhǎng)素基因是重組DNA轉(zhuǎn)移到小鼠的受精卵中，結(jié)果培養(yǎng)出巨鼠。美國(guó)培養(yǎng)出生長(zhǎng)快20%的轉(zhuǎn)基因鯉魚，澳大利亞培養(yǎng)出增產(chǎn)5%羊毛的轉(zhuǎn)基因羊。早期的轉(zhuǎn)基因藥物是通過大腸桿菌生產(chǎn)的，分離純化十分困難，所以極其昂貴?，F(xiàn)在則希望從轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的血液或奶中得到。1998年初，上海醫(yī)學(xué)遺傳研究所傳出了震驚世界的消息：中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)獲得5只轉(zhuǎn)基因山羊。其中一只奶山羊的乳汁中，含有堪稱血友病人救星的藥物蛋白有活性的人凝血因子。這是由中國(guó)工程院院士曾溢濤教授為首的科學(xué)家們經(jīng)過艱辛探索獲得的重大成果。同樣令人振奮的是，由黃淑幃教授首創(chuàng)的轉(zhuǎn)基因羊研制新路線，使人類用高新技術(shù)建造“動(dòng)物藥廠”的夢(mèng)想出現(xiàn)了曙光。轉(zhuǎn)基因羊的出世，在世界上引起的轟動(dòng)，不下于克隆羊多利的出生。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物就像一座天然原料加工廠，可以源源不斷地提供人類所需要的寶貴產(chǎn)品。經(jīng)動(dòng)物體內(nèi)自然加工的產(chǎn)品，可直接分泌到乳汁中，便于收集而不必像“殺雞取卵”一樣傷害動(dòng)物本身，也不需要制造基因藥物花費(fèi)昂貴的投資的特殊設(shè)備。用轉(zhuǎn)基因家畜生產(chǎn)1克藥物蛋白質(zhì)，所需成僅0.2-0.5美元。同800-5000美元相比，相差竟有千倍萬倍之大。而且，它的產(chǎn)量之高，也出乎意料，科學(xué)家們測(cè)算，一只轉(zhuǎn)基因羊提供的活性蛋白，相當(dāng)于上海全年獻(xiàn)血總量所含同蛋白質(zhì)的總和。目前，世界上已有數(shù)十家轉(zhuǎn)基因動(dòng)物公司，重點(diǎn)研究通過動(dòng)物乳汁生產(chǎn)貴重的藥用蛋白質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)藥物，一些走在前面的公司已獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。荷蘭一家公司用轉(zhuǎn)基因牛生產(chǎn)乳鐵蛋白，每年銷售額達(dá)數(shù)億美元；英國(guó)羅斯林研究所（即第一個(gè)研究出克降羊）用轉(zhuǎn)基因羊生產(chǎn)可治療肺腫的一種蛋白酶，每升羊奶可售6000美元。年銷售額可望達(dá)到250億美元。那時(shí)，因?yàn)轱曫B(yǎng)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物，畜牧業(yè)的面貌將大變，成為具有高額利潤(rùn)的新型高科技產(chǎn)業(yè)。到21世紀(jì)，世界將遍布“動(dòng)物藥廠”。不過，這畢竟是10年、20年也可能是更長(zhǎng)時(shí)間以后的事。因?yàn)?，到目前為止，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的數(shù)量還是極為有限。自1982年第一只轉(zhuǎn)基因動(dòng)物（小老鼠）降世以來的十幾年間，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的批量繁殖仍未實(shí)現(xiàn)。1989年至1996年間，用“顯微注射受精卵移植胚胎的受孕率都很低，英國(guó)羅斯林研究所從2877只羊中才獲得56只轉(zhuǎn)基因羊；上海醫(yī)學(xué)遺傳研究所從119只羊獲得5只。雖然成功率比羅斯林研究所提高不少，但仍處于實(shí)驗(yàn)階段。不久前，美國(guó)俄勒岡地區(qū)靈長(zhǎng)類動(dòng)物園研究中心科學(xué)家宣布，已克隆出了第一只非人類的靈長(zhǎng)類動(dòng)物猴子（名叫“泰特拉”的短尾猴）。六、能源與環(huán)保選育可大量生產(chǎn)能源化學(xué)物質(zhì)的工程菌，開發(fā)生物來源的石油替代產(chǎn)品；選育可降解工業(yè)和生活廢棄物的工程菌，用以處理垃圾，變廢為寶；處理工業(yè)“三廢”，石油泄漏等，解決環(huán)境污染問題。生物學(xué)家們正嘗試運(yùn)用生物技術(shù)開發(fā)出能夠?qū)⒅参镏械睦w維素降解進(jìn)而轉(zhuǎn)化為可以燃燒的酒精等新能源。自然界有取之不盡的植物纖維素資源，這項(xiàng)技術(shù)的突破有可能成為能源技術(shù)的新方向。美國(guó)科學(xué)家已用基因工程培育出了一種能同時(shí)降解四種烴類的“超級(jí)工程菌”。原先自然菌要用一年才能消化掉的海上浮油，這種細(xì)菌幾個(gè)小時(shí)就能吃光，所以可以利用它來迅速消除因油輪失事造成的海洋各種污染。七、克隆人的倫理道德問題1. 特別關(guān)注：克隆研究能走多遠(yuǎn)？1997年2月，英國(guó)科學(xué)家宣布克隆羊多利在1996年7月誕生，這使得“克隆”這一專業(yè)名詞幾乎在一夜之間為大多數(shù)公眾耳熟能詳。而當(dāng)它再與“人”字組合起來形成“克隆人”這一名詞時(shí)，有的人開始興奮，有的人則開始恐懼。被過度渲染的美好前景，被夸張描繪的恐怖情狀，與科學(xué)、倫理、宗教、法律和社會(huì)等方面眾說紛紜的觀點(diǎn)糾纏在一起，使得更多的人對(duì)克隆技術(shù)的發(fā)展感到迷惑與茫然?？寺〖夹g(shù)研究究竟能走多遠(yuǎn)？克隆技術(shù)在動(dòng)物身上的研究和應(yīng)用并沒有太多的禁區(qū)，很多國(guó)家都在加快研究，以利用克隆技術(shù)培養(yǎng)家畜新品種、拯救瀕危動(dòng)物以及生產(chǎn)藥物原料等。不過，當(dāng)克隆技術(shù)涉及人類自身時(shí)，爭(zhēng)論就大了很多。在16日于德國(guó)柏林閉幕的以“生物醫(yī)學(xué)研究和生殖中的克隆技術(shù)”為題的研討會(huì)上，多名各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的克隆問題研究專家基本達(dá)成共識(shí)，將生殖性克隆人列入克隆技術(shù)發(fā)展的禁區(qū)，但對(duì)于醫(yī)療性克隆的研究，卻依然爭(zhēng)論不休。多利羊誕生至今已將近7年，羊、牛、豬、鼠、兔、貓乃至猴這種與人類特征最為相近的靈長(zhǎng)類動(dòng)物都陸續(xù)擁有了各自的克隆版本。但毫無疑問，克隆技術(shù)依然處于“萌芽狀態(tài)”，人類要達(dá)到完全熟練掌握并安全利用克隆技術(shù)的目標(biāo)，道路長(zhǎng)遠(yuǎn)且曲折。培育出多利的英國(guó)蘇格蘭羅斯林研究所所長(zhǎng)格里芬指出，迄今所有的動(dòng)物克隆試驗(yàn)中，平均只有12的克隆胚胎可以成活。盡管隨著技術(shù)的發(fā)展這一比例有望得到不斷提高，但“鑒于物種的多樣性，將非人類生物進(jìn)行的克隆技術(shù)研究的成果應(yīng)用到人類自身時(shí)，并不能確保安全”。雖然如此，但僅僅從技術(shù)上來說，不斷積累的科研進(jìn)步總有逼近克隆人成功的一天。人們對(duì)克隆人或許有一天降臨人世而感到惴惴不安。確切地說，這是對(duì)濫用克隆技術(shù)可能給人類自身帶來危害的恐懼。會(huì)議上，專家們圍繞在克隆研究方面劃分禁區(qū)的問題爭(zhēng)論不休，其核心或許不是在克隆技術(shù)研究的過程中，做到哪一步就必須停止不前，而是在應(yīng)用現(xiàn)在與今后的各種克隆技術(shù)研究成果時(shí)，哪里應(yīng)該明確地標(biāo)上“雷區(qū)”的牌子。正如德國(guó)教育和科研部部長(zhǎng)布爾曼女士在會(huì)議開幕式上致辭所說，“目前對(duì)克隆技術(shù)不同的科研方法和目標(biāo)的定義還不是很明確”，生殖性克隆研究與醫(yī)療性克隆研究之間的曖昧關(guān)系難以界定，恐怕才是專家們最為頭疼的問題。以醫(yī)治疾患為目的而對(duì)人類胚胎進(jìn)行克隆，和以生殖為目的而使克隆胚胎最終成為一個(gè)降臨人世的生命，兩者之間隔著的不過是一張薄薄的紙而已?？寺∪藥淼闹T如導(dǎo)致物種滅絕，歷史人物復(fù)生等