第一節(jié)生物技術(shù)

第一節(jié)生物技術(shù)一、生物技術(shù)概述生物技術(shù)這個詞最初是由一位匈牙利工程師KarlEreky于1917年提出的。當(dāng)時他提出的生物技術(shù)的含義是指用甜菜作為飼料進(jìn)行大規(guī)模養(yǎng)豬，即利用生物將原材料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品。物換星移，百年后的今天，“生物技術(shù)”已遠(yuǎn)遠(yuǎn)的突破了當(dāng)初概念的界定，生物技術(shù)已成為本世紀(jì)的戰(zhàn)略技術(shù)，成為推動世界經(jīng)濟增長的主要技術(shù)動力，在技術(shù)、經(jīng)濟、社會活動中扮演著重要角色，并且將在醫(yī)藥業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品制造、化工、環(huán)保、新能源以及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級等方面大放異彩。1982年國際合作及發(fā)展組織對生物技術(shù)定義為：生物技術(shù)是應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)的原理，依靠微生物、動物、植物作為反應(yīng)器將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品來為社會服務(wù)的技術(shù)。它是一門涉及多學(xué)科（分子生物學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、化學(xué)工程、精密機械加工）、分支眾多（農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、醫(yī)藥生物技術(shù)、生物技術(shù)疫苗、生物技術(shù)診斷、家畜生物技術(shù)、海洋生物技術(shù)等）的綜合性技術(shù)。已經(jīng)涉及到我們生活的方方面面。當(dāng)前，隨著生命科學(xué)和其它學(xué)科的迅猛發(fā)展，以及這些學(xué)科的相互滲透。生物技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，除了我們比較熟悉的四大生物工程（下節(jié)我們將詳細(xì)講述）外，新的生物技術(shù)層出不窮。隨著人類基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、糖生物學(xué)等功能基因組學(xué)的發(fā)展，以及轉(zhuǎn)基因技術(shù)、干細(xì)胞技術(shù)、克隆技術(shù)等，特別是生物芯片技術(shù)、生物信息科學(xué)、生物大分子的功能研究、高密度發(fā)酵技術(shù)和蛋白質(zhì)復(fù)性技術(shù)的發(fā)展等等，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)展現(xiàn)出了更加光明的前景。由此在產(chǎn)生經(jīng)濟效益和促進(jìn)人們生活、健康水平的提高等方面起到的作用是不可估量的。國外生物技術(shù)重點領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢（一）以蛋白組為重點的功能基因組研究成為技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略要地隨著人類基因組圖譜的公開，功能基因組學(xué)轉(zhuǎn)而成為本世紀(jì)生物技術(shù)的領(lǐng)頭羊。在后基因組時代，需要把豐富的基因序列數(shù)據(jù)提高到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能水平。研究蛋白質(zhì)在疾病組織中的精確作用，確定與蛋白質(zhì)有關(guān)的信號傳導(dǎo)事件（例如癌癥細(xì)胞的生長）的發(fā)生機制，可以更快地開發(fā)出高效、治療精確的新型藥物；了解各種蛋白質(zhì)的相互關(guān)系、影響及其協(xié)調(diào)作用，進(jìn)而分析蛋白質(zhì)功能是如何被藥物改變的，對于更好地確定藥物的靶向性和預(yù)測藥物的毒副作用有著深遠(yuǎn)的意義。到2010年，大多數(shù)制藥學(xué)家將會極自然地以整合方式應(yīng)用基因組、蛋白質(zhì)組和化學(xué)方面的資料來開發(fā)新藥和實現(xiàn)藥物對任何個體的最適化。（二）生物芯片是基因組研究與新藥開發(fā)的得力工具生物芯片是繼PCR技術(shù)后的又一次生物技術(shù)革命，主要分為基因芯片和蛋白質(zhì)芯片兩種?；蛐酒壳伴_發(fā)較成熟，應(yīng)用也較多?；蛐酒夹g(shù)由于其在高通量基因表達(dá)分析、大規(guī)?；虬l(fā)現(xiàn)、DNA序列分析以及SNP分析中明顯的技術(shù)優(yōu)越性而必將在即將到來的SNP研究熱潮和后基因組時代中大放異彩。它還是研究闡明藥物作用機制潛在的強有力的工具，這類研究可以確定藥物作用的靶基因，為新藥篩選研究提供線索。因而，開發(fā)特異性高、檢測容量大、靈敏度高、造價相對較低的新型應(yīng)用基因芯片已是各國科技界、產(chǎn)業(yè)界共同矚目的技術(shù)必爭之地。與基因芯片相比，蛋白芯片的進(jìn)展勢頭也非?？春?，并且它在臨床上的應(yīng)用前景是更值得關(guān)注的。蛋白芯片與藥物的研發(fā)更接近，也貼近疾病的臨床檢測和診斷，未來“核酸+蛋白”的檢測將為病人提供更確切的治療方案（不過蛋白芯片的研發(fā)技術(shù)難度高于DNA芯片）。而lab-on-chip的核心在于它的制造工藝上，如何實現(xiàn)它對樣品處理到檢測分析的整合，如何大幅度提高檢測的靈敏度和降低使用成本，這是實現(xiàn)其臨床應(yīng)用的最關(guān)鍵的因素。實際上，生物芯片就是一個技術(shù)平臺，隨著微矩陣技術(shù)的發(fā)展，芯片的標(biāo)準(zhǔn)化、樣本取得、處理和芯片雜交檢測后的數(shù)據(jù)存儲、分析、解讀將成為人們關(guān)注的焦點。因此，與這一焦點密切相關(guān)的生物信息學(xué)技術(shù)的發(fā)展被認(rèn)為是現(xiàn)代和未來生物技術(shù)的基石。（三）生物信息學(xué)是破譯生命密碼和實現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的必由之路基因組學(xué)、高通量篩選、組合化學(xué)、基因表達(dá)研究以及藥物基因組學(xué)、蛋白質(zhì)學(xué)的研究正在為我們帶來大量數(shù)據(jù)資料，如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化存儲、讀取、分析、實現(xiàn)從信息數(shù)據(jù)到生命信號的解讀剖，是當(dāng)前生命科學(xué)研究的重中之重，對這些數(shù)據(jù)的分析將決定誰可以從海量信息中“網(wǎng)”到“魚”——實現(xiàn)生命密碼的破譯，實現(xiàn)生命科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。在把基因組信息和蛋白質(zhì)組信息轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品的過程中，生物信息學(xué)起著關(guān)鍵作用，并已成為后基因組時代生命科學(xué)發(fā)展的核心和漸成規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。未來生物信息學(xué)的快速發(fā)展將有賴于數(shù)據(jù)的整合處理，對不同來源的數(shù)據(jù)的有效整合處理主要有三個挑戰(zhàn)：計算基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)模式和預(yù)測分析模式。計算基礎(chǔ)設(shè)施包含數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理能力兩個方面，數(shù)據(jù)建模的挑戰(zhàn)是如何建立一個有用的、可發(fā)展的、可交互的生物學(xué)數(shù)據(jù)模式，而預(yù)測分析模式則在要解決如何高效、自動化地獲取有用的科學(xué)假設(shè)的問題。（四）干細(xì)胞研究技術(shù)潛力無限，應(yīng)用前景廣闊干細(xì)胞尤其是胚胎干細(xì)胞的識別、分離、增殖、分化已經(jīng)成為細(xì)胞生物學(xué)以及整個生命科學(xué)的研究熱點，組織工程尤其是干細(xì)胞的研究，正在成為后基因組時代的極為關(guān)鍵的研究部分之一，此外，干細(xì)胞研究在新藥開發(fā)方面的潛力也不容忽視。干細(xì)胞在組織器官再造中的價值已成共識，尤其是胚胎干細(xì)胞，由干細(xì)胞體外培養(yǎng)誘導(dǎo)的細(xì)胞、組織和器官，用于移植時可避免免疫排斥。未來，一旦生物倫理得到科學(xué)和理性的規(guī)范，干細(xì)胞將在組織工程領(lǐng)域搶盡頭采，逐步取代傳統(tǒng)的異體移植。新藥開發(fā)方面，干細(xì)胞將提供新藥的藥理、藥效、毒理及藥代等研究的細(xì)胞水平的研究手段。例如，人體多能干細(xì)胞研究將大大改變藥品研制和安全性試驗的方法，新藥的療效可以先用由多能干細(xì)胞培育的人類細(xì)胞系進(jìn)行試驗，比以往的用動物試驗更加有效可靠。胚胎干細(xì)胞還可用來研究人類疾病的發(fā)生機制和發(fā)展過程，以便找到有效和持久的治療方法。干細(xì)胞還是基因治療的理想的靶細(xì)胞，因為它可以自我更新，治療基因通過它帶入人體中，能夠持久地發(fā)揮作用，而不必?fù)?dān)心像分化的細(xì)胞那樣，在細(xì)胞更新中可能丟失治療基因。鑒于干細(xì)胞的技術(shù)潛力和產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略意義，各國都設(shè)立專門計劃投入大量資金進(jìn)行干細(xì)胞技術(shù)的研究開發(fā)。例如，美國政府2000年起準(zhǔn)許用政府經(jīng)費進(jìn)行人體胚胎干細(xì)胞研究；日本把干細(xì)胞技術(shù)視作在生命科學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域超歐美國家的絕好機遇，在2000年度啟動的“千年世紀(jì)工程”中把干細(xì)胞工程作為四大重點之一；英國醫(yī)學(xué)委員會也在2002年開始實施建立儲存成體和胚胎干細(xì)胞的公共干細(xì)胞庫的計劃。未來的干細(xì)胞研究將主要集中以下幾方面：自我更新的機理，定向分化的機理，胚胎干細(xì)胞建系（尤為人胚胎干細(xì)胞），細(xì)胞移植和細(xì)胞工程，胚胎干細(xì)胞定向發(fā)育成三維器官，胚胎干細(xì)胞移植的安全性問題等等。干細(xì)胞的研究及應(yīng)用，將會給人類帶來全新的醫(yī)療手段，干細(xì)胞的廣闊應(yīng)用前景促使干細(xì)胞技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)應(yīng)運而生，將成為生物技術(shù)領(lǐng)域最熱點產(chǎn)業(yè)之一。（五）認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)開始被發(fā)達(dá)國家納入戰(zhàn)略技術(shù)層面生命科學(xué)與多學(xué)科的交叉研究正成為國際科學(xué)界的一種新的研究模式，生命科學(xué)正與信息科學(xué)、材料科學(xué)、物理科學(xué)、化學(xué)科學(xué)等聯(lián)手共圖發(fā)展。近年Bio-X、NBIC等概念的提出正體現(xiàn)了這樣一種理念。美國2001年底提出的NBIC匯聚技術(shù)中特別涉及認(rèn)知科學(xué)（包括認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)），提出將當(dāng)前四個迅速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域——納米科學(xué)與技術(shù)、生物技術(shù)（包括生物制藥及基因工程）、信息技術(shù)（包括先進(jìn)計算機與通信）、認(rèn)知科學(xué)（包括認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)）進(jìn)行協(xié)同和融合研究、發(fā)展，并通過交叉研究，在認(rèn)知科學(xué)層面最終使人類實現(xiàn)自我了解和自我控制，把人的知識、智能以及技能提高到新的高度?？梢灶A(yù)見，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)這一興起于20世紀(jì)90年代的交叉學(xué)科將在21世紀(jì)得到更多的關(guān)注和更快的發(fā)展。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)由歐美國家發(fā)起，90年代初迅速發(fā)展起大跨度的多層次腦研究，1992年-1995年美國的M-P基金會連續(xù)資助了十個認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究項目，歐洲一些主要國家也加強了相應(yīng)的研究項目的資助力度。在美國形成了東西海岸兩大研究中心，在歐洲，英、德、法等國也在努力開拓這方面的研究，起步較晚的德國也在1997-1999年間建立了最先進(jìn)的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)試驗基地。因此其領(lǐng)先技術(shù)仍為歐美國家所占有。（六）生物醫(yī)藥技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化是生物技術(shù)發(fā)展的終極目標(biāo)之一生物技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域、為人類的健康造福是生物技術(shù)發(fā)展的最主要目標(biāo)，也是各國投資、扶持的重點。生物醫(yī)藥技術(shù)包括兩方面內(nèi)容：一是利用生物體作為生物反應(yīng)器，按人們意志來研究生產(chǎn)出醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)品；二是利用生物技術(shù)來改進(jìn)或創(chuàng)造出新的診斷、治療預(yù)防疾病的方法?；蚪M、生物芯片、生物信息學(xué)、干細(xì)胞等技術(shù)的發(fā)展熱潮，無一不是瞄向其最終技術(shù)成果在人類健康領(lǐng)域的應(yīng)用，因此，發(fā)展生物醫(yī)藥技術(shù)和產(chǎn)業(yè)是生物技術(shù)進(jìn)展的終極目標(biāo)之一。（七）生物安全的監(jiān)管雖然紛爭不斷，但總體趨向一致隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的快速發(fā)展，人類在通過利用各種生物技術(shù)來改變生物的生物學(xué)特性的同時，存在著對生物多樣性、生態(tài)環(huán)境以及人體健康產(chǎn)生潛在危險的可能性。生物安全已成為各國政府、科技界、社會公眾普遍關(guān)注的焦點。20世紀(jì)90年代以來，在一些國際組織（如APEC、OECD、WTO、FAO、CODEX等）召開的會議上對轉(zhuǎn)基因作物的安全性及相關(guān)問題給予了更多的關(guān)注。有關(guān)機構(gòu)已建立了旨在評價轉(zhuǎn)基因作物安全性的框架體系。一些發(fā)達(dá)國家如美國、歐盟和日