生物工程的應用前景與展望

生物工程的應用前景與展望當今,新的科學革命浪潮中引人注目的遺傳工程(即生物工程)給許多領域帶來飛躍發(fā)展。例如癌癥、高血壓、遺傳性疾病、老化等機理的闡明,胰島素、生長激素、干擾素、酶等徽生物工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)率的提高,賦予農(nóng)作物以耐寒、高產(chǎn)等優(yōu)良特性的育種等等,世界各國都予以重視,正積極研究開發(fā)。由于生物工程技術的迅速發(fā)展,迫使我們不得不對生物工程的概念和應用發(fā)展有所認識和了解。本文對此試作詳細討論。伴隨著生命科學的新突破，現(xiàn)代生物技術已經(jīng)廣泛地應用于工業(yè)、農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等眾多領域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟和社會效益。食品方面首先，生物技術被用來提高生產(chǎn)效率，從而提高食品產(chǎn)量。其次，生物技術可以提高食品質(zhì)量。例如，以淀粉為原料采用固定化酶（或含酶菌體）生產(chǎn)高果糖漿來代替蔗糖，這是食糖工業(yè)的一場革命。第三，生物技術還用于開拓食品種類。利用生物技術生產(chǎn)單細胞蛋白為解決蛋白質(zhì)缺乏問題提供了一條可行之路。目前，全世界單細胞蛋白的產(chǎn)量已經(jīng)超過3000萬噸，質(zhì)量也有了重大突破，從主要用作飼料發(fā)展到走上人們的餐桌。材料方面通過生物技術構(gòu)建新型生物材料，是現(xiàn)代新材料發(fā)展的重要途徑之一。首先，生物技術使一些廢棄的生物材料變廢為寶。例如，利用生物技術可以從蝦、蟹等甲殼類動物的甲殼中獲取甲殼素。甲殼素是制造手術縫合線的極好材料，它柔軟，可加速傷口愈合，還可被人體吸收而免于拆線。其次，生物技術為大規(guī)模生產(chǎn)一些稀缺生物材料提供了可能。例如，蜘蛛絲是一種特殊的蛋白質(zhì)，其強度大，可塑性高，可用于生產(chǎn)防彈背心、降落傘等用品。利用生物技術可以生產(chǎn)蛛絲蛋白，得到與蜘蛛絲媲美的纖維。第三，利用生物技術可開發(fā)出新的材料類型。例如，一些微生物能產(chǎn)出可降解的生物塑料，避免了“白色污染”。能源方面生物技術一方面能提高不可再生能源的開采率，另一方面能開發(fā)更多可再生能源。首先，生物技術提高了石油開采的效率。其次，生物技術為新能源的利用開辟了道路?，F(xiàn)代生物技術越來越多地運用于農(nóng)業(yè)中，使農(nóng)業(yè)經(jīng)濟達到高產(chǎn)、高質(zhì)、高效的目的。農(nóng)作物和花卉生產(chǎn)生物技術應用于農(nóng)作物和花卉生產(chǎn)的目標，主要是提高產(chǎn)量、改良品質(zhì)和獲得抗逆植物。首先，生物技術既能提高作物產(chǎn)量，還能快速繁殖。其次，生物技術既能改良作物品質(zhì)，還能延緩植物的成熟，從而延長了植物食品的保藏期。第三，生物技術在培育抗逆作物中發(fā)揮了重要作用。例如，用基因工程方法培育出的抗蟲害作物，不需施用農(nóng)藥，既提高了種植的經(jīng)濟效益，又保護了我們的環(huán)境。我國的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種，1999年已經(jīng)推廣200多萬畝，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。畜禽生產(chǎn)利用生物技術以獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的畜禽產(chǎn)品和提高畜禽的抗病能力。首先，生物技術不僅能加快畜禽的繁殖和生長速度，而且能改良畜禽的品質(zhì)，提供優(yōu)質(zhì)的肉、奶、蛋產(chǎn)品。其次，生物技術可以培育抗病的畜禽品種，減少飼養(yǎng)業(yè)的風險。如利用轉(zhuǎn)基因的方法，培育抗病動物，可以大大減少牲畜瘟疫的發(fā)生，保證牲畜健康，也保證人類健康。農(nóng)業(yè)新領域基因工程不僅提高了農(nóng)牧產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)疫苗是目前的一個研究熱點?？蒲腥藛T希望能用食用植物表達疫苗，人們通過食用這些轉(zhuǎn)基因植物就能達到接種疫苗的目的。目前已經(jīng)在轉(zhuǎn)基因煙草中表達出了乙型肝炎疫苗。利用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥用蛋白同樣是目前的研究熱點?？茖W家已經(jīng)培育出多種轉(zhuǎn)基因動物，它們的乳腺能特異性地表達外源目的基因，因此從它們產(chǎn)的奶中能獲得所需的蛋白質(zhì)藥物，由于這種轉(zhuǎn)基因?；蜓虺缘氖遣?，擠出的奶中含有珍貴的藥用蛋白，生產(chǎn)成本低，可以獲得巨額的經(jīng)濟效益。醫(yī)藥衛(wèi)生領域是現(xiàn)代生物技術應用得最廣泛、成績最顯著、發(fā)展最迅速、潛力也最大的一個領域。疾病預防利用疫苗對人體進行主動免疫是預防傳染性疾病的最有效手段之一。注射或口服疫苗可以激活體內(nèi)的免疫系統(tǒng)，產(chǎn)生專門針對二、生物工程的發(fā)展史生物工程的發(fā)展并不是偶然的,而是整個遺傳科學不斷發(fā)展的合乎邏輯的必然結(jié)果。1953年watson和Criek通過x射線衍射法提出了DNA分子雙螺旋空間結(jié)構(gòu)的新見解,建文了“遺傳密碼”和“模板學說”,從而揭示了分子遺傳學的序幕,使遺傳學躍進到分子水平。隨后,在人工分離基因、人工合成基因以及基因重組和表達分別取得成功,又導致了現(xiàn)代遺傳學中一個新的分子的出現(xiàn),即遺傳工程(或生物工程)。遺傳學從整體水平到細胞水平,進而躍到分子水平,僅僅經(jīng)厲了八十多年的時間,其進展速度是十分驚人的。70年代后期,我國很快地開始跟蹤國際生物技術的發(fā)展,并開辟了有關的研究和開發(fā)工作。經(jīng)過十幾年的努力,我國的生物技術己有了一定的基礎和相當?shù)囊?guī)模,并取得一定的成績和成果,對社會和生產(chǎn)起了一定的影響。如,乙型肝炎病毒表面抗原基因工程疫苗、胰島素、日一干擾素、人生長激素等基因工程研究己獲得階段成果。目前已有幾種單克隆診斷試劑投入市場。三、生物工程的其體技術及其相互關系生物工程的具體技術及其相互關系或基因操作(圖見封四),一般是將某種生物細胞(供體細胞)的某個或某幾個基因的DNA分子提取出來或人工合成,在體外借助于酶的作用,人工合成一個大分子的“嵌合體”,再通過質(zhì)粒(質(zhì)粒是一種存在于細菌中,如大腸桿菌中小而完整的DNA環(huán)),即運載體,將其攜帶到宿主細胞(受體細胞)中去,使轉(zhuǎn)移的基因或外源DNA分子在宿主細胞中繁殖和遺傳,以改變后者的遺傳特性。所以這種生物工程實質(zhì)上是分子水平的雜交。從圖可見,生物工程的應用領域豐富多采;其中微生物起著巨大的作用。此外,動植物細胞本身的改造和利用也有發(fā)展前景。如何將生物工程應用于醫(yī)療衛(wèi)生和醫(yī)藥工業(yè)是當前面臨重要的研究課題,也是今后的發(fā)展方向。四、基因組技術的研究重組體DNA技術的發(fā)展,也就是基因“工程,,技術的發(fā)展,所以本文重點討論DNA重組的方法、種類、條件等,以便于今后的使用和研究?；蛑亟M必須具備三種條件:①外源(供體)DNA,②載體DNA,③宿主細胞或受體細胞。供體DNA需具備以下特點:①較純的DNA片段,②能被限制性內(nèi)切酶消化成不同大小的片段,③有一定的內(nèi)切酶選擇性位點,④DNA序列中具有一定的編碼序列,而載體DNA同樣應具備以下特征:①能在細胞中獨立自我復制,②帶有可以被篩選的基因標記(一般為兩個),③只有一種限制性內(nèi)切酶的酶切位點,以便把外源DNA連接在它的上面,又不妨礙它本身細胞增殖。此外,基因重組過程中還需要四個主要的工具:①限制性內(nèi)切酶(Restrictionendornuelease),這類酶起裁剪工具的作用,它只能在固定的DNA部位上剪切。目前已發(fā)現(xiàn)有百種以上的限制性內(nèi)切酶(如枷mHI、Bgll、EcoRI、Hindl)。②DNA連接酶(DNALigase),它在基因重組中主要起搬運工具作用。它能把外源DNA“搬”到載體DNA上,并使二者連接在一起。依靠這酶,載體DNA才能攜帶另一種生物的DNA進入寄主細胞。③載體DNA,該DNA在重組中主要起交通工具作用。外源DNA通過連接酶連接在它的上面,再經(jīng)由它運送到宿主細胞里去。④轉(zhuǎn)化過程,也就是使已經(jīng)重新組合的外源DNA與載體DNA放進大腸桿菌去的過程。目前基因重組研究最為常用的技術是基因組文庫構(gòu)建和cDNA文庫的構(gòu)建。它們是DNA重組中非常重要的一門技術,具體方法如下。1.基因組文庫構(gòu)建:細菌、動物、人體染色體基因組DNA經(jīng)內(nèi)切酶切割后和載體DNA連接,使成為重組DNA分子,重組DNA與包裝裂解物經(jīng)離體包裝反應,變?yōu)榭筛腥镜氖删w順粒,后者經(jīng)轉(zhuǎn)導宿主在指示菌株內(nèi)構(gòu)建成重組的基因組文庫。.2cDNA文庫構(gòu)建:首先分離純化經(jīng)體外反轉(zhuǎn)錄酶的作用后合成出互補的雙鏈cDNA,經(jīng)內(nèi)切酶剪切和連接酶作用與載體DNA連接重組,經(jīng)轉(zhuǎn)化或包裝宿主在受體細胞內(nèi)使構(gòu)建成CDNA文庫。構(gòu)建的基因文庫有以下用途:①從荃因組文庫或cDNA文庫篩選出有用的基因克隆,從被篩出來的克隆中進行結(jié)構(gòu)序列分析,和基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制的研究;②用特異DNA探針或特異抗體探針從基因文庫中篩選出與醫(yī)藥工業(yè)有密切相關的重組基因菌株,開拓新藥品種或單克隆抗體的大量制備,干擾素、疫苗、激素、酶和其他蛋白質(zhì)生產(chǎn)以及遺傳病的治療等,③從基因文庫中篩選出特異基因,并制備出DNA探針作遺傳病、腫瘤和其它疾病的叢因診斷。五、生物工程的應用前景.生物工程在實踐上的應用前景己日益引起人們的重視。現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)⒄婧思毎幕蜣D(zhuǎn)移到原核生物的細胞中,并使之表達,例如使細菌產(chǎn)生出各種多膚激素等。它的應用前景有以下幾個方面。1.在醫(yī)藥上的應用設想:(1)治療癌癥的設想:目前己知癌細胞的病變過程,主要是由于基因調(diào)節(jié)控制失靈,使蛋白質(zhì)酶的生產(chǎn)發(fā)生混亂所致。針對這種機制,最近又發(fā)展了反義技術,使癌癥的基因治療又邁進了新的一步。反義技禾是利用細胞核物質(zhì)片段(即反義寡核昔酸或反義基因)和細胞中的DNA或RNA相結(jié)合,從而控制DNA或RNA的功能。它的主要用途是阻止細胞產(chǎn)生某一細胞基因所編碼的特定蛋白質(zhì),還可以用于結(jié)合病毒、細菌核物質(zhì)中的DNA或其他形式的RN人,阻止它們的復制。目前生物學家認為反義技術治療癌癥比其他治療方法更為優(yōu)越,它可以避免化療的有害副作用。目前美國已有4個以上這類型公司從事反義RNA進行疾病治療的研究開發(fā)。(2)醫(yī)藥工業(yè)上的應用發(fā)展:1977年美國某中心已成功地用大腸桿菌生產(chǎn)出人腦激素-生長激素釋放因子(Somatostatin)。這是a科學上頭等重大的勝利”。9178年美國HoP“國家醫(yī)學中心又成功地用人工合成的人胰島素基因摻入到大腸桿菌中獲得功能的表達。使大腸桿菌終于成為生產(chǎn)胰島素的一座“活工廠”。近幾年來,InternMinerChem公司和iBoferon公司及以Hiver公司分別成功地研制出人生長調(diào)節(jié)素C在大腸桿菌中得到高水平表達,和日一干擾素重組DNA載體以及抗艾滋病病毒疫苗生產(chǎn)等。從上述的應用發(fā)展來看,生物工程在醫(yī)藥領域上已取得了引人注目的成就,這是生物技術發(fā)展的必然趨勢。2基因診斷的應用發(fā)展:基因診斷技術近兩年來飛速發(fā)展,它已經(jīng)從研究室逐漸向臨床實驗室過渡。美國各大醫(yī)療中心已開始建立這類臨床實驗室。隨著DNA探針雜交技術和體外基因擴增技術(PCR技術)的發(fā)展,目前國外已研制出許多遺傳病基因診斷的探針(例如G一6一DP缺陷DNA探針、乙型肝炎、艾滋病病毒基因探針以及hGH基因探針等)。1989年美國Murey公司(Norcriss,Gerrgia)研制出艾滋病快速診斷盒(商品名為EvaluateS10MinuteAIDsTest),并得到美國食品與藥品管理局(FDA)的批準。六、生物工程今后孟點的發(fā)展趨勢生物工程中尖端技術是遺傳信息操作技術,即指重組DNA、DNA轉(zhuǎn)染、細胞融合、核轉(zhuǎn)移等技術。如上所述,該技術應用廣泛,前景誘人。今后應重點發(fā)展有關細胞分化研究,和推動有關細胞間信息傳遞機制和腦一神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)(包括雙功能