基因工程（現(xiàn)代生物技術）應用前景和發(fā)展

1、 基因工程的發(fā)展現(xiàn)狀及前景摘要：從20世紀70年代初發(fā)展起來的基因工程技術，經(jīng)過30多年來的進步與發(fā)展，已成為生物技術的核心容。許多科學家預言，生物學將成為21世紀最重要的學科，基因工程及相關領域的產(chǎn)業(yè)將成為21世紀的主導產(chǎn)業(yè)之一近年來隨著生物工程技術的發(fā)展，許多基因工程抗體陸續(xù)問世?；蚬こ萄芯亢蛻脟婕稗r(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥、能源、環(huán)保等許多領域。關鍵字：基因工程；基因工程抗體；前景；現(xiàn)狀；發(fā)展一、基因工程介紹1、基本定義生物學家于20世紀50年代發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結構，從微觀層面更進一步認識了人類及其他生物遺傳的物質(zhì)載體，這是人類在生物研究方面的一次重大突破。60年代以后，科學家開始破譯生

2、物遺傳基因的遺傳密碼，簡單地說，就是將控制生物遺傳特征的每一種基因的核苷酸排列順序弄清楚。在搞清楚某些單個基因的核苷酸排列順序基礎上，進而進行有計劃、大規(guī)模地對人類、水稻等重要生物體的全部基因圖譜進行測序和詮釋。美國從1991年起，準備用15年時間完成人體基因組測序計劃。5基因工程（Genetic engineering）原稱遺傳工程。從狹義上講，基因工程是指將一種或多種生物體（供體）的基因與載體在體外進行拼接重組，然后轉(zhuǎn)入另一種生物體（受體），使之按照人們的意愿遺傳并表達出新的性狀。因此，供體、受體和載體稱為基因工程的三大要素，其中相對于受體而言，來自供體的基因?qū)儆谕庠椿?。除了少?shù)RNA病

3、毒外，幾乎所有生物的基因都存在于DNA結構中，而用于外源基因重組拼接的載體也都是DNA分子，因此基因工程亦稱為重組DNA技術（DNA rebination）。另外，DNA重組分子大都需在受體細胞中復制擴增，故還可將基因工程表征為分子克隆或基因的無性繁殖（Molecular cloning）。廣義的基因工程定義為DNA重組技術的產(chǎn)業(yè)化設計與應用，包括上游技術和下游技術兩大組成部分。上游技術指的是外源基因重組、克隆和表達的設計與構建（即狹義的基因工程）；而下游技術則涉及到含有重組外源基因的生物細胞（基因工程菌或細胞）的大規(guī)模培養(yǎng)以及外源基因表達產(chǎn)物的分離純化過程。因此，廣義的基因工程概念更傾向于工

4、程學的疇。值得注意的是，廣義的基因工程是一個高度統(tǒng)一的整體。上游DNA重組的設計必須以簡化下游操作工藝和裝備為指導思想，而下游過程則是上游基因重組藍圖的體現(xiàn)與保證，這是基因工程產(chǎn)業(yè)化的基本原則。1二、基因工程發(fā)展1、基因工程在農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 基因工程在農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)上的應用主要是培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)或具有特殊用途的動植物新品種。近幾年來，利用基因工程方法培養(yǎng)的轉(zhuǎn)基因動植物在農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)上取得了一系列的突破，尤其是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上推出了一批創(chuàng)新品種，顯示出了巨大的發(fā)展?jié)摿?。基因工程在農(nóng)業(yè)方面的應用主要表現(xiàn)在兩個方面。首先，是通過基因工程技術獲得高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和具有優(yōu)良品質(zhì)的農(nóng)作物。例如，用基因工程的方法可以改善糧食

5、作物的蛋白質(zhì)含量。1981年，科學家將菜豆儲存蛋白的基因轉(zhuǎn)移到向日葵中，培育出了“向日葵豆”植株。如果以此作為技術基礎，把大豆蛋白的基因轉(zhuǎn)移到水稻、小麥等糧食作物中，就可以提高這些作物的蛋白質(zhì)含量，改善它們的品質(zhì)。其次，是用基因工程的方法培育出具有各種抗逆性的作物新品種。自然界中細菌的種類是非常多的，在細菌身上幾乎可以找到植物所需要的各種抗性，如抗蟲、抗病毒、抗除草劑、抗鹽堿、抗干旱、抗高溫等。如果將這些抗性基因轉(zhuǎn)移到作物體，將從根本上改變作物的特性。1982年科學家把細菌中的抗卡那霉素基因轉(zhuǎn)移到煙草、向日葵和胡蘿卜等作物中，一舉獲得成功。此后短短的幾年中，科學家又培育出了數(shù)十種具有抗病毒、抗

6、蟲、抗除草劑的作物新品種。如抗蟲的煙草、番茄、馬鈴薯、玉米、大豆、油菜、棉等作物，抗黃瓜花葉病毒、苜?；ㄈ~病毒的作物，以及抗除草劑的植物等。1993年，中國農(nóng)業(yè)科學院的科學家成功地將云金芽孢桿菌中的抗蟲基因轉(zhuǎn)入棉植株，培育成了抗棉鈴蟲的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉。6基因工程在畜牧養(yǎng)殖業(yè)上的應用也具有廣闊的前景，科學家將某些特定基因與病毒DNA構成重組DNA，然后通過感染或顯微注射技術將重組DNA轉(zhuǎn)移到動物受精卵中。由這種受精卵發(fā)育成的動物可以獲得人們所需要的各種優(yōu)良品質(zhì)，如具有抗病能力、高產(chǎn)仔率、高產(chǎn)奶率和高質(zhì)量的皮毛等。1982年，美國科學家將人的生長素基因和牛的生長素基因分別注射到小白鼠的受精卵中，得到

7、了體型巨大的“超級小鼠”。人們還用同樣的方法，陸續(xù)獲得自然界中從來就不曾有過的“超級綿羊”和“超級魚”等動物?？茖W家進行上述試驗的目的，不僅在于培育出體型巨大品質(zhì)優(yōu)良的動物，更重要的是利用某些特定的外源基因在哺乳動物體的表達，從這些動物的乳腺細胞中獲得人類所需要的各類物質(zhì)，如激素、抗體及酶類等?；蚬こ踢€可以為人類開辟新的食物來源。據(jù)報道，科學家用雞蛋白基因在大腸桿菌和酵母菌中表達獲得成功。這表明，有朝一日，人們將能夠用發(fā)酵罐培養(yǎng)的大腸桿菌或酵母菌來生產(chǎn)人類所需要的卵清蛋白。不久的將來，人們還可以用基因工程的方法從微生物中獲得人們所需要的糖類、脂肪和維生素等產(chǎn)品。（1）轉(zhuǎn)基因技術 轉(zhuǎn)基因技術就

8、是按照人們預先設計的生物藍圖,把所需要的基因從一種生物的細胞提取出來,在體外進行“外科手術”,然后把所需要的基因?qū)肓硪环N生物的細胞中,從而有目的地改造生物的遺傳特性,創(chuàng)造出符合人類需要的新品種。轉(zhuǎn)基因技術能培養(yǎng)出多種快速生長的轉(zhuǎn)基因魚、轉(zhuǎn)基因羊、產(chǎn)奶量高的轉(zhuǎn)基因牛等,還能培育出抗旱、抗?jié)?、抗鹽堿、抗枯萎病和抗除草劑的轉(zhuǎn)基因作物,還培育出抗蟲作物,科學家將殺蟲基因轉(zhuǎn)入植物體后,植物體就能合成霉素蛋白,產(chǎn)生這種霉素蛋白基因的作物有煙草、馬鈴薯、番茄、棉花和水稻等,其中效益最大的是抗蟲棉。7 （2）基因克隆技術 “多莉的誕生”意味著人類可以利用動物的一個組織細胞,像翻錄磁帶或復印文件一樣,大量生產(chǎn)

9、出相同的生命體。利用它可以拯救瀕臨滅跡的物種,或是復制一些優(yōu)良品種等等。然而在進一步細想克隆,卻也著實讓人深慮。首先,若是無節(jié)制地“復制”某種物種,就會打破自然界的生態(tài)平衡,破壞優(yōu)勝劣汰的自然法則,給自然界帶來了混亂。其次,從理論上說“克隆”哺乳動物的成功,即為“克隆”人類準備了前提條件,再經(jīng)過技術的不斷改善,毫無疑問,不久以后就能“克隆”出人。對此大學生命科學院院長、省生物工程學會副理事長黃純農(nóng)教授認為,不必過分擔心。他說,當前“克隆”技術還有完善的過程,暫時達不到大量“復制”人的地步。再者各地已相繼制定了法令,為“克隆”人進行限制。當然,“克隆”技術的產(chǎn)生,歸根到底是利大于弊,它將被廣泛應

10、用于人類,前景燦爛,方興未艾?？茖W的進步和人的觀念的變化,是無法阻止的。 （3）應用基因技術的優(yōu)點 從前面可以看出,基因技術的突破,是科學家得以用傳統(tǒng)育種專家難以想象的方式改良動植物品種,其優(yōu)點是顯而易見的。第一,可降低生產(chǎn)成本。一個品種的基因加入另一種基因,會使該品種特性發(fā)生變化,具備原品種所不具備的因子,從而增強了抗病、抗雜草或抗蟲害能力。由此可減少植物農(nóng)藥和除草劑的用量,降低種植成本。并且動物死亡率明顯降低,從而提高養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)濟效益。第二,可提高動植物產(chǎn)量。一種動植物的基因改良后,更容易適應環(huán)境,能更有效抵御各種災害的襲擊,并使產(chǎn)量更高。第三,轉(zhuǎn)基因技術可以使開發(fā)動植物的時間大為縮短。利

11、用傳統(tǒng)的育種方法,需要七、八年時間才能培育出一個新的品種,而基因工程技術培育出一種全新的動植物品種,時間可縮短一半。因此,有專家認為,不出多少年,轉(zhuǎn)基因技術將改變世界。第四,轉(zhuǎn)基因技術還可根據(jù)人們的需要,賦予農(nóng)作物新的特性。例如可以使農(nóng)作物自己釋放出殺蟲劑,可以使農(nóng)作物在旱地或鹽堿地上生長,或者生產(chǎn)出營養(yǎng)更為豐富的食品。2、 基因工程在醫(yī)學上的發(fā)展（1）基因工程制藥 生產(chǎn)基因工程藥品在藥品生產(chǎn)中，有些藥品是直接從生物體的組織、細胞或血液中提取的。由于受原料來源的限制，價格十分昂貴。用基因工程方法制造的“工程菌，可以高效率地生產(chǎn)出各種高質(zhì)量、低成本的藥品。如胰島素、干擾素和乙肝疫苗等。基因工程藥

12、品是制藥工業(yè)上的重大突破。胰島素是治療糖尿病的特效藥。一般臨床上給病人注射用的胰島素主要從豬、牛等家畜的胰腺中提取，每100 kg胰腺只能提取45 g胰島素。用這種方法生產(chǎn)的胰島素產(chǎn)量低，價格昂貴，遠遠不能滿足社會的需要。1979年，科學家將動物體能夠產(chǎn)生胰島素的基因與大腸桿菌的DNA分子重組，并且在大腸桿菌表達獲得成功。這樣，用2 000 L大腸桿菌培養(yǎng)液就可以提取100 g胰島素，相當于從2 t豬胰腺中提取的量。1982年，美國一家基因公司用基因工程方法生產(chǎn)的胰島素開始投入市場，其售價比用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的胰島素的售價降低了30%50%。干擾素是病毒侵入細胞后產(chǎn)生的一種糖蛋白。由于干擾素幾乎能

13、抵抗所有病毒引起的感染，如水痘、肝炎、狂犬病等病毒引起的感染，因此，它是一種抗病毒的特效藥。此外，干擾素對治療乳腺癌、骨髓癌、淋巴癌等癌癥和某些白血病也有一定療效。傳統(tǒng)的干擾素生產(chǎn)方法是從人血液中的白細胞提取的，每300 L血液只能提取出1 mg干擾素。19801982年，科學家用基因工程方法在大腸桿菌及酵母菌細胞獲得了干擾素，從每1 kg細菌培養(yǎng)物中可以得到2040 mg干擾素。從1987年開始，用基因工程方法生產(chǎn)的干擾素進入了工業(yè)化生產(chǎn)，并且大量投放市場。目前，用基因工程方法生產(chǎn)的藥物已經(jīng)有六十余種，除胰島素、干擾素外，還有白細胞介素、溶血栓劑、凝血因子、人造血液代用品，以及預防乙肝、狂犬

14、病、百日咳、霍亂、傷寒、虐疾等疾病的各類疫苗。其中一部分藥品已經(jīng)商品化，還有一部分處于臨床試驗階段。我國的第一個生物工業(yè)園區(qū)生物技術工業(yè)園區(qū)已經(jīng)正式興建。1997年，我國自己生產(chǎn)的白細胞介素-2、干擾素、乙肝疫苗、人生長激素等幾種基因工程藥物也已經(jīng)投產(chǎn)。10 用于基因診斷與基因治療 基因工程技術還可以直接用于基因的診斷和治療。基因診斷是用放射性同位素（如32P）、熒光分子等標記的DNA分子做探針，利用DNA分子雜交原理，鑒定被檢測標本上的遺傳信息，達到檢測疾病的目的。例如，肝炎病毒引起的傳染病易于傳播，給診斷和治療都帶來了很多困難，利用DNA探針可以迅速地檢出肝炎患者的病毒，為肝炎的診斷提供了

15、一種快速簡便的方法。目前用基因診斷方法已經(jīng)能夠檢測出腸道病毒、單純皰疹病毒等許多種病毒?；蛟\斷技術在診斷遺傳性疾病方面發(fā)展得尤為迅速。目前人們已經(jīng)可以對幾十種遺傳病進行產(chǎn)前診斷。例如，用珠蛋白的DNA探針可以檢測出鐮刀狀細胞貧血癥，用苯丙氨酸羥化酶基因探針可以檢測出苯丙酮尿癥。此外，基因診斷技術在腫瘤診斷中的應用也取得了重要成果，例如，用白血病患者細胞中分離出的癌基因制備的DNA探針，可以用來檢測白血病。8基因治療是把健康的外源基因?qū)胗谢蛉毕莸募毎?，達到治療疾病的目的。例如，有一種人類遺傳病叫做半乳糖血癥，患這種病的人，由于細胞半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因缺陷而缺少半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶，因此當乳糖分解

16、成半乳糖后，不能繼續(xù)轉(zhuǎn)化為葡萄糖，過多的半乳糖在體積聚，會引起肝、腦等功能受損。1971年，美國的一位科學家在體外做了這樣一個試驗，他用帶有半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因的噬菌體侵染患者的離體組織細胞，結果發(fā)現(xiàn)這些組織細胞能夠利用半乳糖了。這表明，用基因替換的方法治療這種遺傳病是可能的。當然，這僅僅是在人體外完成基因的表達，而要將基因轉(zhuǎn)移到人體的細胞，還有許多技術上的難題需要解決。但是我們相信，不久的將來，人類一定能夠用基因工程的方法治療白化病、苯丙酮尿癥等許多遺傳病。隨著基因工程的不斷發(fā)展，許多疑難病癥，如惡性腫瘤、艾滋病、心血管疾病，以及糖尿病等，也都可以被人類征服。3（2）基因工程抗病毒疫苗為人類抵

17、御病毒侵襲提供了用武之地?；蚬こ桃倚透窝滓呙?、狂犬病疫苗、流行性出血熱病毒疫苗、輪狀病毒疫苗等應用于臨床，提高了人類對各種病毒病的抵御能力。比如，乙型肝炎病毒疫苗的問世，使我國新生兒不再遭遇乙型肝炎病毒的侵襲，也降低了人群肝癌的發(fā)病率。又如，為治愈癌癥正在研制的用單克隆抗體制成的 “生物導彈”，就是按照人類的設計，把“生物導彈”發(fā)射出去，精確地命中癌細胞，并炸死癌細胞而不傷害健康的細胞。就單克隆細胞而言，單克隆細胞在腫癌的診斷檢測、顯示定位、監(jiān)測病變、監(jiān)測療效等方面也有重要價值。人類還通過基因工程生產(chǎn)抵御各種病菌、血吸蟲、虐原蟲等疫苗，提高人體對各種傳染病的免疫力。脫氧核糖核酸或者基因疫苗的

18、問世，變革了機體的免疫方式。如今，人們翹首關注困擾人類的艾滋病病毒(人類免疫缺陷病毒)疫苗的早日問世?；蚬こ炭贵w技術的發(fā)展，為克服單克隆抗體生產(chǎn)細胞株在生產(chǎn)過程中的不穩(wěn)定性，為生產(chǎn)大量高效抗病毒疫苗提供了先進的生產(chǎn)工藝。（3） 基因工程治療疾病臨床實踐已經(jīng)表明，基因治病已經(jīng)變革了整個醫(yī)學的預防和治療領域。例如，有一種人類遺傳病叫做半乳糖血癥，患這種病的人，由于細胞半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因缺陷而缺少半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶，因此當乳糖分解成半乳糖后，不能繼續(xù)轉(zhuǎn)化為葡萄糖，過多的半乳糖在體積聚，會引起肝、腦等功能受損。1971年，美國的一位科學家在體外做了這樣一個試驗，他用帶有半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因的噬菌體侵染患者

19、的離體組織細胞，結果發(fā)現(xiàn)這些組織細胞能夠利用半乳糖了。這表明，用基因替換的方法治療這種遺傳病是可能的。當然，這僅僅是在人體外完成基因的表達，而要將基因轉(zhuǎn)移到人體的細胞，還有許多技術上的難題需要解決?，F(xiàn)在已知的人類遺傳疾病約有4000種，包括單基因缺陷和多基因綜合征。運用基因工程技術或者基因打靶的手段，將病毒的基因殺滅，插入校正基因，得以治療、校正和預防遺傳疾病的目的。 人類精心設計的基因工程操作，克服了不同個體甚至物種之間由于器官移植所產(chǎn)生的免疫排斥作用，實現(xiàn)人體之間的移植已獲成功，成功的實體器官移植有腎、心、肝、胰、肺、腸，也有雙器官和多器官的聯(lián)合移植。而人體與動物之間的器官移植成為現(xiàn)實，臨

20、床應用已是指日可待的事了。脫氧核糖核酸化學合成的完善和自動化，脫氧核糖核酸擴增技術的優(yōu)化，為合成基因“探針”，提高臨床診斷的質(zhì)量，是人類所殷切企盼的?；蛑委熡袃煞N途徑，一是體細胞的基因治療，二是生殖細胞的基因治療。體細胞的基因治療是將正常的遺傳基因?qū)胧芫穆鸭毎?，讓這種遺傳物質(zhì)進入受精卵的基因組，并隨著受精卵分裂，分配到每一個子細胞中去，最終糾正未來個體的遺傳缺陷。而生殖細胞的基因治療是將人類設計的“目的基因”導入患有遺傳病病人的生殖細胞，此法操作技術異常復雜，又涉及倫理，緩行之理充足，故尚無人涉足。9（4） 基因工程診病運用基因手段診病，從基因中尋找病根，旨在根治遺傳性疾病和為癌癥、艾滋

21、病、白癡病之類的“不治之癥”尋找新的診斷渠道。目前，聚合酶鏈反應的基因診斷技術是在基因水平上對人體疾病進行診斷的最新技術。從原理上說，醫(yī)生只要擁有適當?shù)墓ぞ摺疤结槨保涂烧_診斷任何一種基因疾病，而且不論該疾病基因是否產(chǎn)生相應的蛋白質(zhì)。此法診斷已經(jīng)不限于癌癥的診斷，也用于產(chǎn)前診斷和癥狀前診斷。此外，用在法醫(yī)上，特別是鑒定犯罪，只要在犯罪現(xiàn)場采到一滴血、一根毛發(fā)或者微量的唾液、精斑或者單個精子，都可為擒獲犯罪提供線索。 基因工程是20世紀生命科學領域中最偉大的成就，開辟了生命科學的新紀元?；蚬こ虇柺烙?971年，其標志是人類成功地把兩種不同種類的脫氧核糖核酸分子組合成人類第一個雜種脫氧核糖核酸

22、。基因工程是一種分子水平上的生物工程，是生物工程的核心，是生物工程的靈魂，它可以超越動物、植物和微生物之間的界限，創(chuàng)造出新的生物類型?；蚬こ滩粌H在醫(yī)學上應用廣泛，而且廣泛應用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、冶金、畜牧漁業(yè)、環(huán)保、資源、能源等領域，為人類的豐衣足食和健康長壽提供了持續(xù)的實用價值很高的產(chǎn)品，發(fā)展前景極為廣闊。3、基因工程應用于環(huán)保方面 基因工程的方法可以用于環(huán)境監(jiān)測。據(jù)報道，用DNA探針可以檢測飲用水中病毒的含量。具體的方法是使用一個特定的DNA片段制成探針，與被檢測的病毒DNA雜交，從而把病毒檢測出來。此方法的特點是快速、靈敏。用傳統(tǒng)方法進行檢測，一次需要耗費幾天或幾個星期的時間，精確度也不高。

23、用DNA探針只需要花費一天的時間，并且能夠大幅度地提高檢測精度，據(jù)報道，1 t水中有10個病毒也能檢測出來。基因工程還可以用于被污染環(huán)境的凈化。隨著石油工業(yè)的迅速發(fā)展，石油這種含有多種烴類的物質(zhì)不斷地對陸地、海洋造成污染。自然環(huán)境中有一類叫做假單孢桿菌的細菌能夠分解石油，但是，每一種假單孢桿菌只能分解石油中的某一種成分。1975年，科學家用基因工程的方法，把能分解三種烴類的基因都轉(zhuǎn)移到能分解另一種烴類的假單孢桿菌，創(chuàng)造出了能同時分解四種烴類的“超級細菌”。用超級細菌分解石油，可以大大提高細菌分解石油的效率。90年代后期問世的DNA改組技術可以創(chuàng)新基因，并賦予表達產(chǎn)物以新的功能，創(chuàng)造出全新的微生

24、物，如可將降解某一污染物的不同細菌的基因通過PCR技術全部克隆出來，再利用基因重組技術在體外加工重組，最后導入合適的載體，就有可能產(chǎn)生一種或幾種具有非凡降解能力的超級菌株，從而大提高降解效率。 目前，科學家已經(jīng)用基因工程方法培養(yǎng)出了“吞噬”汞和降解土壤中DDT的細菌，以及能夠凈化鎘污染的植物。還有一些科學家正努力通過基因重組構建新的殺蟲劑，以取代生產(chǎn)過程中耗能多，又易造成環(huán)境污染的農(nóng)藥，并試圖通過基因工程的方法回收和利用工業(yè)廢物。凡此種種，都是一些可望取得成功和發(fā)展前景十分光明的研究課題。4三、前景展望 由于基因工程運用DNA分子重組技術，能夠按照人們預先的設計創(chuàng)造出許多新的遺傳結合體，具有新奇遺傳性狀的新型產(chǎn)物，增強了人們改造動植物的主觀能動性、預見性。而且在人類疾病的診斷、治療等方面具有革命性的推動作用，對人口素質(zhì)、環(huán)境保護等作出具大貢獻。所以，各國政府及一些大公司都十分重視基因工程技術的研究與開發(fā)應