现代生物技术

（feiyun39@126.com)向上帝挑战----浅谈现代生物学技术一、生物学发展简史二、现代生物技术三、基因工程四、21世纪生命科学中的十大难题

报告内容（1）描述生物学阶段（19世纪中叶以前）

主要从外部形态特征观察、描述、记载各种类型生物，寻找他们之间的异同和进化脉络达尔文《物种起源》（1859）寒武纪生命大爆发云南澄江动物群

（2）实验生物学阶段（19世纪中到20世纪中）利用各种仪器，通过实验过程探索生命活动的内在规律。MendelPasteurFleming（青霉素)DNA是遗传物质DNA双螺旋结构的发现揭开了分子生物的新纪元（3）创造生物学阶段（20世纪中叶以后）

分子生物学和基因工程的发展使人们有可能“创造”新的物种。现代生物技术的特点（3）高投入和高利润：借助于实验室大量复杂的基础研究工作，前期科研投入往往非常高，而其成果的收益也非常大。建立在实验室研究基础上的生物技术的发展已经为人类带来了巨大的利益和财富。（4）高挑战性：人为地制造自然界前所未有的生物产品或生物物种，这些产品的安全性对现代技术是一种挑战，对人类的伦理、人性的尊严也都是一种挑战（1）高技术：精细和密集的复杂技术（2）高效能：突破自然的生殖隔离，可按人类的需要设计和改造生物的结构和功能，定向地组建具有特定性状的新物种和新品系。能制造生产能力强大和满足特殊需要的优良的动物、植物和微生物品种，生物物种也有可能量身订做。其效能是传统技术难以相比的。

人口问题却又是人类社会面临的极大挑战。

新生命的诞生使人们欢欣鼓舞人之初：被精子包围的卵子人口70亿13亿多

研究人员培育的“超级水稻”在产量和蛋白质含量两方面均优于寻常品种

粮食

袁隆平指导栽培“超级稻”亩产926公斤创纪录

健康

80年代，在美国发现第一例艾滋病，至今美国已有>106感染者。

E.Johnson是洛杉矶湖人队球星，1991年被检查出为HIV病毒阳性。两个月时，因输血染上艾滋病的男孩。

资源矿物能源（石油煤）必将枯竭，生物能源已在开发之中。很多不起眼的生物，很可能就是药物、材料等的宝贵资源。墨西哥荒原中的仙人掌类植物一个20米直径的水池年产4吨藻类，加工后可得相当于3000升柴油的燃料。

一英亩三角大戟可生产相当于50吨石油的燃料。生长在淡水和海水中的一种硅藻三角大戟

环境这是最早一份关于环境对生物种群影响的研究报告工业化前英国乡村有很多白色蛾子停在布满淡色苔藓的树皮上，不易被鸟发现；工业化后，黑色蛾子逐渐取而代之，因为黑烟污染了环境，黑色蛾子更易藏身。在体外对不同生物的遗传物质（基因）进行剪切、重组、连接，然后插入到载体分子中（细菌质粒、病毒或噬菌体DNA)，转入微生物、植物或动物细胞内进行无性繁殖，并表达出基因产物。（一）基因工程的定义1997年多利羊诞生使体细胞克隆哺乳动物成为可能沃尔小组成功克隆两只恒河猴

吴明杰小组：5只克隆猪虫中之王---真正的大虫新人类伙伴狗与鸟兼得？都不得！别惹我！现在可不比以前！你吃它还是它吃你？！鼠形猕猴桃人参果也会有吧？蛙状萝卜外源DNA在寄主细胞内可大量扩增，和高水平表达。1.跨物种性2.无性扩增外源基因到另一种不同的生物细胞内进行繁殖。（二）基因工程的特征制造带有抗生素抗性基因或有产生病毒能力的基因的新型微生物有可能在人类或其它生物体内传播。1.对环境的影响2.新型病毒的出现重新组合一种在自然界尚未发现的的生物性状有可能给现有的生态环境带来不良影响。（三）基因工程的安全隐患将肿瘤病毒或其它动物病毒的DNA引入细菌有可能扩大癌症的发生范围。4.人造生物扩散新组成的重组DNA生物体的意外扩散可能会出现不同程度的潜在危险。3.癌症扩散是将克隆到的特殊基因导入受体植物，使之增加一些优质性状（高产、稳定、优质、抗虫、抗病等）。（1）转基因植物1.基因工程在农业生产中的应用（四）基因工程的应用无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻中国已经批准进入大田的转基因植物马铃薯：抗病毒、抗逆、高营养品质水稻：抗病毒、抗虫、抗除草剂棉花：抗虫玉米：抗虫大豆：抗除草剂小麦：抗除草剂、高营养品质番茄：抗病、耐储存甜椒：抗病辣椒：抗病毒烟草：抗病毒、抗虫番木瓜：抗病毒矮牵牛：改变花色杨树：抗虫微生物：提高固氮效率将外源基因导入动物细胞，并在基因组内稳定整合，遗传给后代。使动物成为生物反应器生产有用的活性蛋白等。（2）

转基因动物在乳汁中分泌人组织纤溶酶源激活物和尿激酶的转基因小鼠；分泌a1抗胰蛋白酶的转基因山羊等。把大鼠生长因子转入小鼠得到巨大型的转基因小鼠。基因工程不是发现，而是创造。

基工的魅力只有想不到的没有办不到的四、21世纪生命科学中的十大难题Greatquestionsoftenmakegoodscience.Oneofthemostcreativequalitiesaresearchscientistcanhaveistheabilitytoasktherightquestions-NobelphysicslaureateDavidGross(2004).研究主要在模式动物中开展（线虫、果蝇、非洲爪蟾、小鼠等），其中部分领域的研究已取得重要进展。利用模式动物进一步阐明神经发育生物学的关键问题、研究人类重要疾病的发病机制，是现代生命科学研究的重要趋势。指导预防和治疗重大神经发育缺陷性疾病。1.神经发育：一个复杂而又远未解决的难题2.生物学难题：生命是怎样开始的?地球上一切生命最古老的共同祖先，即第一个能够复制自身的原始细胞，是由构成宇宙间98％物质的六大元素组成的，它们是氢、氦、碳、氮、氧、氖。然而，这些无机元素是怎样形成具有生命的原始细胞的?至今仍是一个谜。

3.医学困境：人类可以彻底消灭疾病吗?19世纪初期，医生仍用放血等原始方法为病人治病，他们对麻醉剂、消毒、细菌等还一无所知。目前，人类对付疾病的能力，几乎是毋庸置疑的，不少科学家相信在20年内，癌症、艾滋病、疟疾、精神错乱等将被人类陆续征服。禽流感非典甲流NDM-1超级细菌4.脑科学难题：智能从何而来?

根据骨骼化石、原始的石器工具、原始人类的遗址，科学家提出了许多人类智能起源的解释，但这些解释都带有很大的猜测成分。关于智能的起源目前仍然是个难解的谜，然而科学家相信：21世纪，人类将进入伟大的大脑时代。知识经济时代的到来，正需要一个“伟大的大脑时代”相适应。

大脑左半球的神经纤维组成的网格结构猕猴大脑的扩散光谱核磁共振：神经纤维直角交叉的三维结构5.威胁人类健康的十大医学难题

1、十心脏器质性病变

2、癌症

3、脑血管病（包括高血压一系列症状）

4、肺结核

5、糖尿病系列病症

6、免疫缺陷病

7、血液病

8、慢性肾衰

9、运动神经元疾病

10、艾滋病

西方医学界在本世纪初提出了威胁人类健康的十大医学难题，他们经过了100年的尝试，没有成功，基本失败了。

6.作为生命基础的蛋白质的结构能确定吗?目前我们不能根据纯粹的理论基础来阐明蛋白质的形状，用实验方法确定蛋白质结构是十分繁琐的事情。随着已解出的蛋白质结构的增多以及科学家开发出蛋白质基本结构分类的更加精细的方法，生物化学家将能不断地利用计算机来模拟新发现的蛋白质的结构。

7.能合成人工生命形式吗?美国克莱格.文特尔研究所宣布，在实验中制造出世界首个完全由人造基因指令控制的人造生命，使人类的能力拓展到可以操纵自然世界，将来可制造有特殊功能的生物，在生产疫苗及洁净能源等领域大派用场。

丝状支原体丝状亚种：植入的DNA片段包含约850个基因，而人类DNA图谱上共有约2万个基因。

耗时15年花费3.1亿

哈佛实践伦理学教授列库斯说：“文特尔打开了人类历史的大门，窥探它的未来。他向上帝的角色迈进：创造自然界中从没存在过的生命。这种可能虽然远在未来，却是真实和意义重大。但是，所要面对的风险也是前所未有的。”

8.能否准确地再建人类种群史?随着DNA序列数据日益容易积累，人类种群之间的关系将越来越清楚，从而揭示相互融合的历史以及隔离和迁徙的时期。种族和人种表现出主要是社会和文化思想上的差异，从科学上讲，将发现类型间不存在明显的根本界限。虽然我们知道人类似乎具有显著的多样性，但过去10年的研究表明，我们人类种群比众多其他种群更单一。遗传数据证明观点：现代人类相对较近地(也许在10到20万年前)起源于非洲，然后逐渐扩散到世界其余地区。9.社会将对遗传知识爆炸式增长作何反应?科学进步和向往简朴、更自然的生活方式将产生矛盾，它们之间的紧张状态，可能将随着基因组学越来越多地渗入我们的日常生活而加剧。倡导回归自然的反技术运动可能会因遗传科学的全部新发现而熄灭吗?遗传信息和技术将为改良卫生和减轻痛苦提供巨大的机会。但任何技术都伴随着风险，并且技术的作用越大，风险也越大。如何评价遗传信息的爆炸式增长?。人类胚胎，在母体自从由单一细胞开始，直到33天大。其四肢末端的形状像鱼鳍。人类胚胎而54天大时，足中出现了跟骨和距骨，其形态与两亿六千万年前一种有某些哺乳动物特征的爬行动物相似。人类胚胎而68天大时，这两个足骨的形态介于爬行类和哺乳类之间。人类胚胎而72天大时，两个足骨的形态与出现于8000万年前的有胎盘哺乳动物相似。10.能弄清基因如何决定哺乳动物发育的细节吗?科学家已证实了几条基本规律:1.一种复杂结构可以通过一系列比较简单的中间阶段来完成演化