上海干部在线学习城讲义之生物技术对人类健康的影响

生物技术的发展现状大纲一、生物技术的概念与产生1生物技术和健康的概念2生物技术的产生与发展二、现代生物技术的进展1现代生物技术发展史上的重要事件2现代生物技术的研究方向三、各国生物技术的现状1美国2英国3法国4德国5瑞典6巴西7日本8印度9新加坡10中国知识点汇总概念C01：技术C02：生物技术C03：健康原理K01：生物技术的起源K02：近代生物技术的诞生K03：现代生物技术的发展K04：现代生物技术发展史上重要事件K05：现代生物技术进展的主要方面K06：美国的生物技术现状K07：英国的生物技术现状K08：法国的生物技术现状K09：德国的生物技术现状K10：瑞典的生物技术现状K11：巴西的生物技术现状K12：日本的生物技术现状K13：印度的生物技术现状K14：新加坡的生物技术现状K15：中国的生物技术现状信息I01：1802年,生物学从博物学中独立出来，是法国科学家拉马克（Lamarck）命名的，以瑞典的林奈（Linnaeus）创立双名法分类系统为基础I02：生物技术作为专业名词在1917年由匈牙利工程师Karl Ereky提出I03：1990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I04：2002年中国独立完成水稻基因组研究，使其杂交水稻处于世界领先水平正文一、生物技术的概念与产生1生物技术和健康的概念技术，泛指人类基于实践经验和知识而形成的操作方法、工艺或技能。在各个领域均有体现，宏观的如科学技术、工程技术、农业技术；微观的如开车技术、修理技术、种菜技术等。生物技术属于宏观到中观层面的技术。（1）生物技术概念生物技术（biotechnology）是应用自然科学和工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工，以提供产品来为社会服务的技术（1982年，OECD）。具体来说，生物技术就是应用生命科学研究成果，以人们意志设计，对生物或生物的成分进行改造和利用的技术。现代生物技术综合分子生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、胚胎学、免疫学、化学、物理学、信息学、计算机等多学科技术，可用于研究生命活动的规律和提供产品为社会服务。它包括基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程等。生物技术有时（不严格地）也称生物工程，是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础科学的科学原理，采用先进的科学技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种研究目的。现代生物技术已发展到高通量组学（omics）芯片技术、基因与基因组、人工设计与人工合成生物学等系统生物技术。（2）健康概念以前，人们习惯认为“没有疾病就是健康”；1977年，世界卫生组织将健康概念确定为“不仅仅是没有疾病和身体虚弱，而是身体、心理和社会适应的完满状态”；20世纪90年代，健康的含义注入了环境的因素，即健康为：“生理心理社会环境”四者的和谐统一；进入21世纪，还有人提出“健、康、智、乐、美、德”组成所谓“大健康”概念，大健康成为幸福人生的更佳境界。人类健康是指建立在个体健康基础上的人类总体宏观健康概念，是个体健康的集中体现。2生物技术的产生与发展生物学起源于西方的博物学，历史上指对大自然的宏观观察和分类，范围广泛，包括对植物、动物、矿物的研究，还包括现代意义上的地理、天文学,甚至人类学等。1802年，生物学从博物学中独立出来，由法国科学家拉马克（Lamarck）命名，以瑞典的林奈（Linnaeus）创立双名法分类系统为基础。这一阶段称为经典生物学时期，主要研究生物的分类和部分功能。第二阶段以从1838年开始的细胞学说和1900年建立的经典遗传学作为主要代表，这一阶段称为实验生物学阶段，一直延续到1953年。第三阶段从1953年华生（Watson）和克里克（Crick）发现DNA双螺旋结构为起点的分子生物学时期开始，直到今天。这三个阶段对应了现代生物学发展的三阶段。（1）生物技术的起源古老生物技术生物技术是最古老的技术，可追溯到一千多年前。其实，农业活动的开始便是生物技术的发端：当我们的祖先最早懂得制酱、酿酒、造醋等，这便是最初的发酵工程。但直到微生物的发现和微生物学的产生，经典遗传学的建立及相关化学理论和技术的出现，古老的生物技术逐步吸收并运用这方面的知识，才被纳入科学技术的轨道。古老生物技术的起源和生物学的起源发展有直接关系。（2）近代生物技术的诞生传统生物技术生物技术作为专业名词在1917年由匈牙利工程师卡尔艾瑞克（Karl Ereky）提出，原意是指用甜菜作为饲料大规模养猪，含义是利用生物将原材料变成产品。经典遗传学的应用产生了遗传育种；细胞学的理论被用于生产便出现了细胞工程；酶学理论与化工技术的结合便产生了酶工程；半个世纪前，抗菌素工业的突起，标志着发酵工业已进入工程技术领域。但随着科学技术的发展，用现代科技的眼光来看，上述发展只能称为传统的生物技术，其地位在各类其他技术领域面前仍显得渺小，其原因在于它的价值尚不足以影响国计民生。只有当它演变成现代生物高技术时，才具备了划时代的意义和战略价值。（3）现代生物技术的发展高科技生物技术生物技术从传统技术演变到高技术的最主要因素是生物学，特别是分子生物学的最新理论成就和当代主要的尖端技术，如微电子高技术和电子计算机技术的相互渗透，在现代生物学诸领域中大量地使用高精尖仪器，如：超速离心机、液体闪烁计数仪、电子显微镜、高压液相色谱仪、DNA合成仪、DNA顺序分析仪、多肽序列仪等，这些仪器多由微机控制。这种渗透使得生物学研究得以深入到分子水平，从而才为各个生物工程的出现奠定了理论基础。特别是基因工程，若没有华生（Watson）和克里克（Crick）的DNA模板学说（中心法则）及雅各布（F. Jacob）和莫诺（J.Monod）的操纵子学说，没有限制性核酸内切酶的发现等分子生物理论上的突破，就不可能有当今基因工程高技术的出现。没有微生物营养缺陷型强迫杂交导致基因重组的微生物遗传学上的突破，便不会有今日的杂交瘤技术，当然就不会有单克隆抗体技术的出现。同样，没有细胞遗传学一系列技术方法的进步，也不会有今日细胞工程的出现。如果没有蛋白质晶体化学和蛋白质三维结构的深入分析，以及化工技术的进步，便不会有今日蛋白质工程和酶工程的产生。抗菌素工业本是发酵工程中的规模最大且工艺较先进的发酵工程，但唯有在引入计算机控制及传感器检测等技术后，才真正称得上发酵工程高技术。1982年，世界经济合作及发展组织（OECD）对生物技术名词重新定义：生物技术是应用自然科学和工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。在上述技术的发展过程中，社会的需求产生了在竞争机制作用下的横向联合。为求生存、求发展使人们渴求技术进步的主动性达到空前的强烈，从而使技术知识的传播及相互渗透以空前的深度和广度迅速进行。如：第一个DNA体外重组实验的成功，至今不到30年，但已有大批基因工程产品问世；而基因工程技术也早已渗透到细胞工程、酶工程、发酵工程等领域中去了，出现了一大批用传统技术方法无法研制的新产品。总之，在竞争机制下，同行或不同行的科学家、企业家之间的横向联合，是生物技术从传统技术转化为高技术的主要社会因素。二、现代生物技术的进展1现代生物技术发展史上的重要事件1917年，首次使用生物技术名词；1943年，大规模生产青霉素；1944年，实验证明DNA是遗传物质；1953年，华生克利克阐明DNA双螺旋结构；19611966年，破译遗传三连体密码；1977年，分离成功第一个限制型内切酶；1972年，首次合成完整tRNA基因；1973年，建立DNA重组技术；1975年，建立单克隆抗体技术；1976年，DNA测序技术诞生；1978年，美国基因公司在大肠杆菌中成功表达胰岛素；1980年，美国最高法院裁定，基因工程操作的微生物可获专利；1981年，第一个单克隆抗体诊断试剂盒在美国批准使用；1982年，第一个用DNA重组生产的动物疫苗在欧洲批准使用；1983年，基因工程Ti质粒用于植物转化；1988年，美国授予对肿瘤敏感的基因工程鼠专利；1988年，PCR方法问世；1990年，美国批准第一个体细胞基因治疗方案；1997年，英国培养出第一只克隆绵羊多利；1998年，美国批准艾滋病疫苗人体试验；1998年，日本培养出克隆牛，英国、美国培养出克隆鼠等；1999年，美国首次发现小鼠肌肉组织成体干细胞可横向转变成血液细胞；2003年，人类基因组测序计划完成；2007年，胚胎肝细胞研究获重大突破。在生物技术发展的历史中，值得一提的是各国的诺贝尔奖获得比例。从1901年到2010年，除了二次世界大战之外，每年一次评奖，共产生了608项各种诺贝尔奖，其中美国获284项，英国83项，德国66项，法国31项，瑞典18项，瑞士15项，荷兰14项，俄国14项，日本13项，奥地利11项。共有27个国家获得过诺贝尔奖，除了日本之外，全为欧美囊括。整个110年历史中，有7位美籍华人获奖，包括杨振宁、李政道、丁肇中、李远哲、朱棣文、崔琦等，我国本土还没有实现诺贝尔奖零的突破。我国在生命技术发展历史上，离诺贝尔奖最近的一次是1965年的人工合成结晶牛胰岛素，但是后来由于政治环境的变动，到1978年底才正式为此提出申请。我国这一项目在1965年的水平是很高，处于世界领先地位，但是到1978年的时候已经被欧美一些国家赶超了。所以，虽然瑞典皇家科学院接受了中国的申请，但是最后评审结果还是失败了。这一年的化学奖由美国和德国获得。从这个生物技术发展史来看，我国近年来在生物技术的研究上有很大发展和突破，但是离国际领先水平还有很大差距。2现代生物技术的研究方向随着人类基因组、水稻基因组、拟南芥基因组以及其他重要微生物等50多种生物基因组全序列测定工作的完成，目前国际基因组研究开发的总体趋势已发生了新的变化，转入了对基因组功能的研究。进入后基因组时期，功能基因组和蛋白质组研究成为主要研究热点。（1）生物制药方面单克隆抗体药物正在兴起，全世界正在研制的生物技术药品中，四分之一为各类单克隆抗体。2010年，世界单克隆抗体药物的销售额已达200亿美元。（2）农业生物技术方面转基因农作物的研究和应用已有很大增长，四大转基因农作物已在全世界种植；澳大利亚研究者利用生物技术培育的水芹中含有-3油脂，这种油脂能够降低心脏疾病的发生率。同时，转基因技术开发出含有乙型肝炎疫苗的马铃薯。（3）动物生物技术方面美国农业部生物技术研究者开发出能够自然抵抗乳腺炎的奶牛；阿根廷科学家利用生物技术，使乳牛产出的奶中具有足够的人类垂体生长素，以满足人类对该种激素的需求。（4）器官移植技术方面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。韩国的异种移植研究，通过生物技术使乳猪具有LAG基因，这种基因可以提高器官异种移植的耐受力，减少免疫排斥反应。（5）能源方面能源紧张已经是全球面临的关键性难题，近年来生物能源尤其受到重视，各国都在大力发展生物能源（包括生物乙醇、生物柴油和生物制氢等）、生物基化学品和生物材料等领域，并加大以工业微生物为代表的新型催化、转化过程的应用，以节能、减排、增效。生物技术在上述工业领域的作为，有可能为绿色循环经济提供根本性的解决方案，实现新的工业革命。（6）人类基因组方面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，将为基因治疗提供必要的理论依据。2006年5月18日，人类1号染色体的基因测序图正式公布，1号染色体中的3141个基因全部测序完成，这些基因的缺陷涉及350多种疾病，如癌症、帕金森病和阿尔茨海默病等。至此，人类基因组计划圆满完成。三、各国生物技术的现状1美国美国在生物技术领域处于全球领导地位，无论是在研究水平和投资强度上，还是在产业规模和所占市场份额上都是如此。目前，美国在艾滋病研究、基因组测序、克隆和干细胞研究等广泛领域均占据了领先地位，启动了基因变异鉴别工程，目的是寻找出20万个与人类疾病有关的变异基因，这方面的成果将有助于开发更有效、副作用更小的药物。联邦卫生部门还在着手进行“临床蛋白质组学计划”，开发以蛋白质组研究为基础的癌症诊疗技术。2006年，美国伊利诺斯大学和加利福尼亚大学的科学家采用世界上功能最强和运算速度最快的计算机，首次对卫星状烟草花叶病毒进行了其完整生命形态的数字仿真，模拟仿真了单个卫星状烟草花叶病毒所含的全部原子和在病毒周围的一个小水滴，两者加起来共有驳陆离100多万个原子。由于计算量巨大，该数字仿真病毒仅“存活”了50 ns（1 ns=10-9s）。该成果是在“飞速测试”生命有机体方面首次获得的重要进步，将有助于更好地了解病毒的工作机制。美国科学家安德鲁菲尔和克雷格梅洛因发现RNA干扰机制获2006年诺贝尔奖，科学家认为RNA干扰技术不仅是研究基因功能的重要工具，也可以使致病基因“沉默”用以治疗癌症和艾滋病等，还可用于农业。RNA干扰的应用前景令人兴奋不已。2英国英国的生物技术产业仅次于美国，居世界第二，迄今英国在生物和医学领域已获得了80多个诺贝尔奖。DNA结构及单克隆抗体构造的发现，DNA指纹印的发明，以及抗体工程的进展等为产业的发展创造了十分有利的条件。英国是“人类基因组”计划的重要参与者，承担了约1/3的测序工作。英国又是世界上第一只克隆羊“多莉”的诞生地。此外，它在基因治疗等方面也有不俗的表现。英国纽卡斯尔大学达勒姆生物干细胞研究所的纳耶尼亚博士领导的研究小组，首次成功地用胚胎干细胞制造的人造精子培育出了生命。研究人员从老鼠的胚胎中分离出精原干细胞（可发育成早期精子细胞的干细胞）进行培养，最终培育出7只老鼠。这项研究成果有助于深入了解精子生成的生物过程，也为科学家研究生命如何孕育提供了动物模型。更重要的意义在于首次表明由人类培育出的精子可以最终形成完整的生命个体，这为研究遗传学、癌症或细胞重组等学科提供了思路，也为解决人类不育症带来了新的希望。英国纽卡斯尔大学的学者首次利用脐带血干细胞培育出微型人造肝脏。他们首先从婴儿脐带血中提取干细胞，然后将干细胞放入生物反应器，并添加激素和化学物质，刺激干细胞形成肝脏组织。这些微型肝脏已可用来测试新药。还可以培育出修复肝脏损伤的人造肝脏组织，甚至有可能用这一方法培育出人造肝脏用于器官移植。3法国法国生物技术水平不低。法国功能基因组公司（genOwaySA）克隆出世界上第一个大鼠胚胎，为未来干细胞治疗的发展铺平了道路。4德国德国历史上就是科技强国。德国科学家开发出新的显微技术受激发射减损（STED），它克服了传统光学显微镜分辨率的衍射限制（200 nm），使科学家观察到40 nm的结构。这为了解细胞和蛋白质精细结构提供了更清晰的视野。5瑞典瑞典的生物技术在基础研究、应用研究和产业化等方面都已跻身于世界先进行列，并在某些领域居世界前沿水平。生产的霍乱疫苗则被世界卫生组织认为是世界上最有效的疫苗，并已在若干国家登记注册。6巴西巴西高度重视生物技术，大力实施基因组计划。在破译和绘制人类癌细胞基因组图谱方面的世界排名仅次于美国。2001年4月，巴西完成了112万个癌细胞基因片段的测序工作。到2002年，他们完成了一个乳腺癌肿瘤细胞的完整基因组图谱。7日本日本生物技术原来开发方面落后于欧美，但近年来日本生物技术研究发展很快，在某些方面具有一定优势，如日本冈崎国立研究所的水稻基因研究、京都大学的再生医疗研究、东京工科大学片柳研究所的生物探测装置研究、田中耕一的蛋白质和糖链研究等均位居世界领先水平。此外，日本科学家在解析各种疑难病的基因和脑科学研究方面也不断取得突破性进展。在尖端生物技术领域干细胞研究中，日本是站在世界上最前列的国家之一。由4个皮肤细胞培育出干细胞功能的IPS细胞，干细胞为基础，开展培育骨髓移植和人工器官的研究。8印度印度科研人员在生物技术的某些方面，如动植物DNA的重组、生物信息技术、对微生物和动物细胞的基因控制技术等已经确立了自己的竞争地位。在干细胞研究领域，经美国国立卫生研究院鉴定的世界上仅有的64所培养实验室中，印度就占到了10所。这使印度进入世界胚胎细胞菌采集最先进的十大研究中心之列。疫苗是印度生物制药的一个亮点。9新加坡新加坡基因组研究院科学家宣布成功绘制了4000多个基因开关位置图谱，这如同基因组图谱有了“全球定位系统”。医学界的科学家一直希望能以干细胞疗法治疗诸如糖尿病、阿尔茨海默病、先天性肌肉萎缩症等疾病，基因开关位置图谱的成功绘制，有望为干细胞疗法带来突破，使科学家有可能按图索骥，对症进行药品开发和基因修正。10中国从总体上看，我国生物技术在第三世界处于领先地位。1999年，我国作为唯一的发展中国家加入国际公共领域人类基因组计划，2000年6月如期完成所承担的百分之一的测序任务；2002年独立完成水稻基因组研究，使中国的杂交水稻处于世界领先水平；同时我国克隆技术研究领域和干细胞研究，已步入世界先进行业。我国基因工程多肽药物、单抗和新型诊断试剂在仿制的基础上向创新发展，已能生产目前国际上市的大多数基因工程多肽药物，基因工程干扰素-1b系国际首创，重组人肿瘤坏死因子、重组蛋白检测抗体已申请专利，首创的免疫PCR胃癌诊断试剂已获得新药证书，有望开发出一系列的高灵敏度癌症诊断试剂。基因工程疫苗的研制取得明显进展，基因工程乙肝疫苗投放市场，对乙肝的预防起到了非常重要的作用。基因治疗取得突破，研制成功具有高效导入功能的靶向性非病毒型载体系统，获得了一批转基因动物，通过研究出现一批创新性成果，克隆了大量人、动物、植物的新基因，创造了具有多种用途的新型表达载体等。我国已成为世界上转基因作物推广面积最大的国家之一，如东北大豆已被转基因大豆大部分替代。转基因水稻还没有被农业部批准大规模使用，我国杂交水稻还守住阵地，在世界上处于领先水平。返回顶端疾病诊断与生物制药中的生物技术大纲一、生物技术与疫苗1疫苗的作用与传染病2疫苗的发展历程二、生物技术与疾病诊断1单克隆抗体技术2DNA诊断技术3生物芯片技术三、生物技术与生物制药1抗生素2其他天然药物3基因工程药物四、生物技术与生物疗法1基因治疗2基因疗法3人类基因组计划知识点汇总概念C01：单克隆抗体及技术C02：生物芯片技术C03：基因治疗C04：基因疗法C05：遗传病C06：人类基因组原理K01：疫苗的作用K02：传染病的三种分类K03：疫苗的发展历程K04：单克隆抗体技术的应用K05：DNA诊断技术的应用K06：生物芯片技术的应用K07：抗生素的滥用现象K08：基因工程技术生产蛋白质药物的优越性K09：基因疗法的现状和困难K10：人类对人类基因组的了解信息I01：19世纪中叶，法国科学家巴斯德（Pasteur）首先发明了细菌的纯种培养技术及减毒疫苗的制备技术I02：1978年，坎（Kan）和杜齐（Dozy）首先应用羊水细胞DNA限制性片段长度多态性（RFLP）作镰状细胞贫血症的产前诊断I03：1928年，Fleming发现一种被称为点青霉（Penicilliumnotatum）的真菌能产生一种被称为青霉素的物质I04：1972年，重组DNA技术的问世宣告了现代生物技术的诞生正文据不完全统计，目前生物技术的实际应用，约60%是在医药卫生方面，与人类健康直接或间接有关的高达90以上。生物技术在医药卫生领域的主要产品包括：疾病预防的疫苗、疾病诊断的单克隆抗体、基因探针、疾病治疗的生物药品及其他一些新的治疗手段。随着医药生物技术的发展，生物芯片、基因诊断、免疫诊断等高技术病原体检测与疾病诊断等技术已经迈上了一个新台阶；基因治疗、干细胞治疗等生物治疗技术将开辟疾病治疗技术的新领域；一批基因治疗方案、药物将逐渐进入应用阶段。一、生物技术与疫苗1疫苗的作用与传染病利用疫苗对人体进行主动免疫是预防传染性疾病的基本手段之一。人类接受疫苗之后，可以在体内建立起对入侵物质感染的免疫抗性，从而使自己免受相应病原体的侵染。如果以后再遇到相应的侵入，人类的免疫系统也会被激活，使入侵的病原体被中和失活或致死而排出体外，使致病性降低或消失。传染病是人类健康的杀手，传染病感染人有三个传播环节：第一，传染源，指各种病原体，包括细菌、病毒、寄生虫等；第二，传播途径，包括空气、病原生物；第三，易感人群。按照管理控制的要求，传染病可以分三类：（1）甲类传染病，也称为强制管理传染病。例如，鼠疫、霍乱。对此类传染病发生后报告疫情的时限，对病人、病原携带者的隔离、治疗方式以及对疫点、疫区的处理等，均须强制执行。（2）乙类传染病，也称为严格管理传染病。包括：传染性非典型肺炎、艾滋病、病毒性肝炎、脊髓灰质炎、人感染高致病性禽流感、麻疹、流行性出血热、狂犬病、流行性乙型脑炎、登革热、炭疽、细菌性和阿米巴性痢疾、肺结核、伤寒和副伤寒、流行性脑脊髓膜炎、百日咳、白喉、新生儿破伤风、猩红热、淋病、梅毒、钩端螺旋体病、血吸虫病、疟疾等。对此类传染病要严格按照有关规定和防治方案进行预防和控制。其中，传染性非典型肺炎、炭疽中的肺炭疽、人感染高致病性禽流感这三种传染病虽被纳入乙类，但可根据实际情况，直接采取甲类传染病的预防、控制措施。（3）丙类传染病，也称为监测管理传染病，包括：流行性感冒、流行性腮腺炎、风疹、急性出血性结膜炎、麻风病、流行性和地方性斑疹伤寒、黑热病、包虫病、丝虫病，除霍乱、细菌性和阿米巴性痢疾、伤寒和副伤寒以外的感染性腹泻病。对此类传染病要按国务院卫生部的监测管理方法进行管理。目前，已有几十种用于人类主要传染性疾病的疫苗。在我国，儿童方面已有七种疫苗列入计划免疫（卡介苗、小儿麻痹疫苗、百白破、麻疹疫苗、乙型肝炎疫苗、乙型脑炎疫苗、流行性脑炎疫苗），由国家免费提供疫苗。2疫苗的发展历程人类利用疫苗预防传染病可追朔到公元10世纪，在宋朝的真宗时代，我国就有了接种人痘预防天花的记载；到了明代则已广泛种植痘苗；1796年，英国医生詹纳（Jenner）改用更为安全的牛痘代替人痘接种；1980年5月，第三十三届世界卫生大会庄严宣告全世界已消灭天花。这是人类利用疫苗战胜烈性传染病的一项伟大壮举。19世纪中叶，法国科学家巴斯德（Pasteur）首先发明了细菌的纯种培养技术及减毒疫苗的制备技术，并首先用于牛、羊的炭疽病预防。这种疫苗称为第一代疫苗。20世纪70年代之后，由于基因工程技术的发展，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抗原（某种蛋白质）基因克隆在细菌或真核细胞内，利用细菌或细胞生产病原体的抗原。基因工程疫苗被称为第二代疫苗。1990年，科学家沃尔夫（Wolff）首先报道了小鼠肌肉注射质粒DNA，质粒及其所携带的基因可以被细胞摄取并表达。这种疫苗兼有基因工程疫苗的安全性和减毒活疫苗激发机体强免疫反应的双重性，且免疫效果持久，制备简便，省时价廉，短短几年内已获得了可喜的成果并展示了诱人的前景。这种疫苗称为第三代疫苗。艾滋病疫苗的研究是目前国际上基因工程疫苗研究投入最大的项目，全球已有约40多种的艾滋病疫苗正在研究之中。但由于艾滋病病毒与丙肝病毒相类似，具有多型善变的特点，因此对艾滋病疫苗的研究并不顺利。二、生物技术与疾病诊断1单克隆抗体技术单克隆抗体是利用细胞融合技术，在体外大量培养融合细胞，由融合细胞产生大量的抗体。单克隆抗体只识别某一特定的抗原决定簇，具有特异性强、分布均一、灵敏度高、产量大、容易标准化生产等优点，明显优于多克隆抗体。目前，世界上已建立的单克隆抗体品种数以万计，其中数千种已经上市。单克隆抗体主要用于病原体感染的体外诊断。此外，还包括：（1）鉴定微生物病原体包括细菌性、病毒性、寄生虫性传染病的临床诊断及食品、环境等可能污染物的病原体检验。（2）确定激素水平用于评价内分泌功能及妊娠试验，特别是早早孕的检验。（3）检测肿瘤相关蛋白质如癌胚抗原、甲胎蛋白等，对肿瘤进行早期诊断及治疗后的疗效评价。（4）检验血液中的药物含量包括检测违禁药物、运动员兴奋剂等，检测如庆大霉素、环孢素等治疗药物的浓度，以确定最佳用药量。（5）肿瘤治疗将肿瘤治疗药物结合到抗肿瘤的特异单克隆抗体上，制成所谓的生物导弹，利用抗体与肿瘤的特异结合能力，使药物集中到肿瘤部位，减少药物的副作用。（6）动植物病原体的检测。（7）分离某些贵重的生物活性物质等。2DNA诊断技术1978年，科学家坎（Kan）和杜齐（Dozy）首先用羊水细胞DNA限制性片段长度多态性（RFLP）作镰状细胞贫血症的产前诊断，从而开创了DNA诊断的新技术。30多年来，DNA诊断技术取得了飞速的发展，建立了多种多样的检测方法。这些检测方法可用于遗传性疾病、肿瘤、传染性疾病等多种疾病的诊断。如：利用PCR扩增技术进行检验的传染性因子，如结核杆菌、淋球菌、多种导致腹泻的肠道传染性细菌、丙型肝炎病毒、乙肝病毒等。利用PCR技术进行遗传性疾病的诊断，如地中海贫血的Bart综合症。由于大多数遗传性疾病缺乏有效的治疗手段，所以对于具有某种遗传病的家系的出生前的胎儿进行产前诊断，对患病胎儿实施人工流产或引产不失为一条避免遗传病患儿出生，从而达到优生目的的有效方法。DNA亲子鉴定是目前应用最广泛的DNA分型鉴定，技术使用方便。具体来说，DNA亲子鉴定是利用人体的某些细胞，包括人的血液、毛发、口腔上皮细胞甚至任何人体的组织细胞来进行。一个人有23对（46条）染色体，同一对染色体同一位置上的一对基因称为等位基因，一般一个来自父亲，一个来自母亲。如果检测到某个DNA位点的等位基因，一个与母亲相同，另一个就应与父亲相同，否则就存在疑问了。利用DNA进行亲子鉴定，只要作十几至几十个DNA位点检测，如果全部一样，就可以确定亲子关系。如果有3个以上的位点不同，则可排除亲子关系。有一两个位点不同，则应考虑基因突变的可能，需要加做一些位点的检测进行辨别。DNA亲子鉴定，否定亲子关系的准确率几近100%，肯定亲子关系的准确率可达到99.99%。在我国，一般可以个人受理的检测现在的价格并不高，一般在800到1000元左右，可以在母亲不在场的情况下鉴定。操作方法很简单，或者用棉花签在口腔内刮下口腔细胞，或者用小孩的毛发、手指端的血滴，大概三到五天就可以出报告。3生物芯片技术生物芯片（biochip）技术是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机（CCD）对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。生物芯片有很多种，包括基因芯片、蛋白质芯片、多糖芯片和神经元芯片等，能够从各个层次揭示生命的奥秘。生物芯片是指能对生物分子进行快速并行处理和分析的薄型固体器件，它只有指甲盖大小。目前，研究与应用得比较多的是基因（DNA）芯片。生物芯片在医学领域中具有广泛的应用前景。目前，生物芯片在临床检验方面的主要应用有：（1）快速检测基因表达；（2）遗传病检测的应用；（3）传染因子检测的应用；（4）血液疾病的检测等。三、生物技术与生物制药1抗生素1928年，科学家弗莱明（Fleming）发现一种被称为点青霉（Penicilliumnotatum）的真菌能产生一种被称为青霉素的物质，这种物质可以抑制许多细菌的生长。对它的研究彻底地改变了人类与细菌性传染病的关系，使其得到了有效控制。受青霉素的启发，人们对许多微生物产生的天然抗生素进行了大规模的筛选，迄今人们已发现了约6000种具有抗生活性的天然物质，估计今后每年还会有100200种新的抗生素被发现。在全世界使用的抗生素当中，有50%的比例被滥用或不合理地使用，在中国这一比例更高达80%。据统计，我国每年使用抗生素原料大约21万吨，除了出口的3万吨，大部分用于医疗和农业，人均消费抗生素138克左右，是美国的10倍。2009年，我国用于医疗输液104亿瓶，相当于13亿中国人每人输液8瓶，远超于世界平均水平的2.5至3瓶，这其中真正需要使用抗生素的病人所占比例应当不满20%。抗生素的滥用产生了一些不良后果，出现了越来越多的耐药性致病菌，比如耐药结核杆菌，它的发展速度惊人。国内有的病人在真正需要抗生素的时候，会发现很多抗生素对他已经无效了。我国滥用抗生素的现象可以找出四方面的原因：（1）医生的原因：医生给不该开抗生素的病人开抗生素；（2）患者的原因：患者稍微有点问题，就主动要求使用抗生素；（3）社会原因：我国允许抗生素进入广告，这在国外往往是不允许的，我国药业企业为了追求利润，在大众媒体上大肆宣传，夸大疗效，误导消费者；（4）隐性食品原因：我国农业养殖业的饲料和用药当中允许使用抗生素，这些食用动物进入人体后也成为人体滥用抗生素的一大源头。社会人群在使用抗生素上有几点误区。比如认为抗生素可以预防感染；认为抗生素除了口服，还可以外用；认为广谱抗生素优于窄谱抗生素；认为价格贵的抗生素优于便宜的抗生素、新出品的抗生素优于老的抗生素；认为抗生素可以等同于消炎药。这些误区需要通过教育宣传来纠正。实际上国际社会对抗生素的规定是很严格的，在美国，没有医生的药方，个人很难买到抗生素。科学地使用抗生素，需要转变思路。首先，从增强病人自身的免疫力入手，能用物理疗法，尽量不用化学疗法。第二，假如必须使用抗生素，除了对症下药之外，还要通过培养体内有益细菌的生长来抑制致病菌。2其他天然药物（1）人参人参疗效显著，但天然资源少，生长速度慢，价格昂贵。人们正试图寻找其他途径生产人参的有效成分人参皂苷。1964年，我国科学家罗士伟教授首先成功地进行了人参组织培养。其后，许多国家也开展了培养生产人参皂苷的研究工作。现在，已可用组织培养的方法生产人参皂苷，并证实其药理药性与生药新鲜人参相同。（2）紫杉醇紫杉醇是近年来发现的重要抗癌药物，能有效地治疗卵巢癌、乳腺癌等癌症。紫杉醇的生产只能通过大量砍伐这种珍稀植物来实现，所以，如何获得充足的药物一直是医学家和环境学家争论的问题。利用生物技术生产或处于研究阶段的药物还有：强心苷、阿吗碱、莨菪碱、利血平、胡萝卜素、维生素C等。3基因工程药物蛋白质是生命活动最重要的物质之一，已知很多蛋白质与人类的疾病密切相关。大家所熟悉的侏儒症与病人缺少生长激素有关；一些糖尿病人则是由胰岛素合成不足引起的；出血不止的血友病人则是由于缺少凝血因子或。在DNA重组技术出现之前，大多数人用蛋白质药物主要从人（如血液、尿液）或动物的组织、器官中提取，成本特别高，产率和产量很低，供应十分有限且存在不安全因素。例如，生产1微克的白细胞干扰素或5毫克的生长激素，需要50万头绵羊的绵羊脑；生产10克胰岛素则需要45公斤猪的胰脏。基因工程技术可以克服传统方法生产蛋白质药物的困难。（1）将有治疗意义的蛋白质基因克隆后，导入细菌、酵母等生长旺盛的表达系统中，使这个基因接受表达系统中强的表达元件的控制而大量表达。这样，人们就可以很容易地得到可供临床使用的大量药物。（2）用基因工程生产人源的蛋白质药物将是安全、有效的，不用担心其他病原体的污染，也不用担心动物源药物的抗原性。（3）基因工程技术不仅可以获得大量的有活性的人源药物，且可通过基因工程的方法对蛋白质基因的结构加以改造，使被修饰后的蛋白质药物性质更加稳定、活性更高、副作用更低。由于基因工程技术在生产药物上的诱人前景，世界各国均十分重视这项技术的研究和开发。1982年10月，世界上第一个基因工程药物治疗胰岛素依赖性糖尿病的人胰岛素在美国正式获准上市。至今，经过严格的动物药理、毒理试验及临床试验，已有100多种药物获准大批量生产并上市；300多种药物处于临床阶段；近千种药物处于研发状态，形成一个巨大的高新技术产业，产生了不可估量的社会效益和经济效益。四、生物技术与生物疗法1基因治疗基因治疗是指正常基因替代缺陷基因或修复缺陷基因以校正遗传疾病的生物技术，也就是利用遗传学的原理治疗人类的疾病。传统意义上的基因治疗（Gene Therapy）是指目的基因导入靶细胞以后与宿主细胞内的基因发生重组，成为宿主细胞的一部分，从而可以稳定地遗传下去并达到对疾病进行治疗的目的。基因治疗分为体细胞基因治疗与性细胞基因治疗，前者不传代，后者可传代。 遗传病就是指由遗传物质改变而引起的疾病，有染色体病、单基因病、多基因病三种类型，具有先天性、终生性、家族性三大特点。目前，已发现的遗传病有3000多种，我国发病率310。高血压、糖尿病是最普遍的遗传病，后代风险比常人高1020倍。2基因疗法基因疗法（Gene Therapeutics）是指采用基因工程技术，使目的基因和宿主细胞内的基因不发生重组，但目的基因仍可得到暂时的表达，也被称为基因校正疗法。目前，全世界约有几百个基因治疗方案处于实验室研究和临床试验之中，少数方案已用于临床。基因治疗根据所治疗的疾病类型可分为遗传性疾病的基因治疗、肿瘤的基因治疗、传染性疾病的基因治疗等。到目前为止，只有少数几种遗传性疾病具有基因疗法的方案。如腺苷脱氨酶（ADA）基因缺陷引起的严重联合免疫缺陷症（SCID）；凝血因子（F）基因缺陷引起的血友病B（HEMB）；低密度脂蛋白受体（LDLR）基因缺陷引起的家族性高血脂症（FId）目前，已进行过临床试验的遗传病主要有：SCID（重症联合免疫缺陷）、高胆固醇血症、血友病、肺气肿、肌营养不良症、地中海贫血等。基因疗法的现状和困难，主要表现在四个方面：（1）了解基因功能的难度大；（2）传递基因的难度高；（3）单基因疾病毕竟是有限的，很多疾病是多基因疾病，这增加了其复杂性；（4）成本太高，这一点需要社会保障体系的支持，通过生物高科技的发展来降底成本。3人类基因组计划1972年，重组DNA技术的问世宣告了现代生物技术的诞生。它的诞生推动了生命科学基础研究的进程，使生命科学从单纯的基础理论与合理开发利用生物资源跃上了改造和创造生命的新阶段，跃上了单纯基础理论研究与合理开发利用生物资源相结合的新台阶。“人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）”的实施是生物技术在人类基因的基础理论研究与合理利用、开发人类基因资源的一个成果。人类基因组指的是人类生殖细胞所包含的全部基因，估计有5万10万个基因（当时的估计），由3.2109碱基对（bp）组成。2000年6月26日，美国总统克林顿在白宫举行记者招待会，郑重宣布：经过上千名科学家的共同努力，被比喻为生命天书的人类基因组草图已基本完成（测序完成97%、序列组装完成85%）。2001年2月12日，由美、日、德、法、英、中组成的国际人类基因组计划及美国Celera公司联合宣布对人类基因组的初步分析结果：（1）人类基因组有31.6亿个核苷酸，3万-4万个结构基因。结构基因的数量只有酵母菌的四倍、果蝇的二倍，比线虫也只多一万多个基因，数目少得惊人。（2）基因在染色体上非均匀分布，有些区域有很多的基因，即所谓的“热点”区域；有些区域（约1/4）则没有或有极少的基因，好像是“荒漠”。（3）人与人之间有99.9%的基因密码是相同的。不同种族之间的差异并不比同一种族不同个体之间的差异大。返回顶端基因工程与环保中的生物技术大纲一、基因工程1基因和基因工程概念2基因工程的基本操作步骤二、转基因动物和植物1转基因动物2转基因植物三、生物技术在环保上的应用1环境与人体健康2我国水环境现状3生物治理的优点4现代生物技术在环境保护中的主要应用知识点汇总概念C01：基因C02：基因工程C03：转基因动物C04：转基因植物原理K01：基因工程的基本操作步骤K02：提取目的基因的两种方法K03：转基因动物培育的基本原理K04：转基因动物培育的关键技术K05：转基因动物培育的主要方法K06：转基因动物技术的应用领域K07：转基因植物技术的应用领域K08：转基因植物技术的应用现状K09：环境致病因素的主要表现K10：我国水资源的现状K11：生物治理的优点K12：现代生物技术在环境保护中的主要应用信息I01：1909年，遗传学家约翰森（W. Johannsen）提出基因（gene）的概念正文一、基因工程1基因和基因工程概念1909年，遗传学家约翰森（W. Johannsen）提出基因（gene）的概念。在遗传学发展的早期阶段，它仅是一个逻辑推理的概念，而不是一种已经证实了的物质和结构。基因的现代定义是：DNA（脱氧核糖核酸）分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列总称，是遗传物质的最小功能单位。从位置定义，基因也就是染色体（一级结构）的片段。基因工程（genetic engineering），也叫基因操作、重组DNA技术。它是一项将生物的某个基因通过载体运送到另一种生物的活细胞中，并使之无性繁殖（称之为“克隆”）和行使正常功能（称之为“表达”），从而创造生物新品种或新物种的遗传学技术。基因工程的核心是构建重组体DNA的技术，所以基因工程和重组DNA技术有时也就成为同义词。基因工程的出现，标志着人类已经能够按照自己的意愿进行各种基因操作，能够规模性地生产基因产物，并且能够自主设计和创建新的基因、新的蛋白质和新的生物物种。2基因工程的基本操作步骤（1）提取目的基因获取目的基因主要有两种方法：从供体细胞的DNA中直接分离基因；人工合成基因。直接分离基因最常用的方法是“鸟枪法”，又叫“霰弹射击法”。做法是：用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段，将这些片段分别载入运载体，然后通过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞提供的DNA（即外源DNA）的所有片段分别在各个受体细胞中大量复制（在遗传学中叫做扩增），从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把带有目的基因的DNA片段分离出来。许多抗虫、抗病毒的基因都可以用上述方法获得。用鸟枪法获得目的基因的优点是操作简便，缺点是工作量大，具有一定的盲目性。同时，由于真核细胞的基因含有不表达的DNA片段，所以一般使用人工合成的方法获得目的基因。人工合成基因的方法目前主要有两条：一是以目的基因转录成的信使RNA（核糖核酸）为模版，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需要的基因；二是根据已知的蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA序列，然后按照碱基互补配对的原则，推测出目的基因的核苷酸序列，再通过化学方法，以单核苷酸为原料合成目的基因。（2）目的基因与运载体结合基因表达载体的构建（即目的基因与运载体结合）是基因工程的核心。将目的基因与运载体结合的过程，实际上是不同来源的DNA重新组合的过程。如果以质粒（细菌环状DNA）作为运载体，首先要用一定的限制酶切割质粒，使质粒出现一个缺口，露出黏性末端，然后用同一种限制酶切断目的基因，使其产生相同的黏性末端，并将切下的目的基因的片段插入质粒的切口处，再加入适量DNA连接酶，质粒的黏性末端与目的基因DNA片段的黏性末端就会因碱基互补配对而结合，形成一个重组DNA分子。 （3）将目的基因导入受体细胞目的基因的片段与运载体在生物体外连接形成重组DNA分子后，下一步是将重组DNA分子引入受体细胞中进行扩增。基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等，主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径使体外重组的DNA分子转移到受体细胞。例如，如果运载体是质粒，受体细胞是细菌，一般是将细菌用氯化钙处理，以增大细菌细胞壁的通透性，使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞。目的基因导入受体细胞后，就可以随着受体细胞的繁殖而复制，由于细菌的繁殖速度非常快，在很短的时间内就能够获得大量的目的基因。 （4）目的基因的检测和表达目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过检测与鉴定才能知道。这是基因工程的第四步工作。 以上步骤完成后，必须通过一定的手段对受体细胞中是否导入了目的基因进行检测。重组DNA分子进入受体细胞后，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达过程。基因工程步骤扼要的可概括为三步：目的基因制备或合成、目的基因转运、受体整合表达。二、转基因动物和植物1转基因动物（1）转基因动物概念转基因动物指把人或哺乳动物的某种基因导入到哺乳动物（如鼠、兔、羊和猪）的受精卵里，目的基因若与受精卵染色体DNA整合，细胞分裂时，该基因随染色体的倍增而倍增，使每个细胞中都带有目的基因，使性状得以表达，并稳定地遗传给后代，从而获得基因产品。（2）转基因动物培育的原理与方法转基因动物培育的基本原理是借助分子生物学和胚胎工程的技术，将外源目的基因在体外扩增和加工，再导入动物的早期胚胎细胞中，使其整合到染色体上，当胚胎被移植到代孕动物的输卵管或子宫中后，发育成携带有外源基因的转基因动物。培育转基因动物的关键技术包括：外源目的基因的制备、外源目的基因的有效导入、胚胎培养与移植、外源目的基因表达的检测等。根据目的基因导入的方法与对象不同，培育转基因动物的主要方法有基因显微注射法、逆转录病毒感染法、胚胎干细胞介导法、精子载体导入法等。（3）转基因动物技术的应用领域转基因动物技术在生物学基础研究、医学、农业及生物工程等领域的应用，已取得有相当价值的成果。1）研究基因的结构和功能及其表达与调控；2）建立人类疾病动物模型；3）研究人类疾病基因治疗；4）研制生物反应器