第五章 生物技术

美国科学家成功创造“人造生命”

世界首个“人造生命”诞生

美国私立研究所克雷格·文特尔研究所的研究人员宣布他们已首次创造了一个完全由人造基因指令控制的人造细胞。这向人造生命的目标又迈进了一步。这项实验预示着生物学进入了新纪元，同时对生命的本质提出了意义深远的问题。而它也很可能会再次激起伦理、法律和公共安全界人士对人造生命的质疑。视频：世界首个人造生命在美国诞生克雷格.文特尔这一章将谈四个问题：从传统的生物技术到现代生物技术基因工程细胞工程现代生物技术的人文忧患一、从传统的生物技术到现代生物技术生物技术（Biotechnology）:从一般意义上说，运用有机体或生命物质作为原料进行加工生产，或者说直接对有机体或生物系统进行技术操作就是生物技术。

传统生物技术现代生物技术生物技术

国际合作及其发展组织于１９８２年对“生物技术”重新定义，它的含义是：应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器，对物料进行加工以提供产品、为社会服务的技术。中国古代时期生物技术的运用传统生物技术面包啤酒奶酪古巴比伦和埃及人对生物技术的运用传统生物技术抗生素种植和养殖领域：植物的嫁接，动物或植物的杂交育种传统生物技术在养殖和种植方面

所有这些技术活动都是在自然界已有的生物物种水平上，或者是在沿袭自然界存在已久的生化过程中展开的，其操作至多是按照人的目的，对生物的自然物质的生化过程进行纯化，或是加速其运动过程，从而来提高和优化产品的数量和质量。

因此，在总体上我们可以将最早的酿造技术，也包括以后的微生物理论基础上的酿造技术，遗传学理论建立起来的遗传育种、杂交技术以及酶工程等视为传统的生物技术。因此，在总体上我们可以将最早的酿造技术，也包括以后的微生物理论基础上的酿造技术，遗传学理论建立起来的遗传育种、杂交技术以及酶工程等视为传统的生物技术。现代生物技术:从20世纪70年代开始，以70年代建立的DNA重组技术为标志。1973年，美国加利福尼亚大学旧金山分校博耶教授和斯坦福大学科恩教授把两段DNA片段组合在一起，形成一个重组DNA分子，这是人类第一次有目的的基因重组尝试，此后产生了基因工程。

基因工程:用操作基因来改变自然生命物质的原有结构和成分.现代生物技术不再是在原有物种水平上和沿袭自然的途径,而是超越物种的界限,实现的是创造崭新的品种和有目的的改造和控制自然界已有的生化过程.

现代生物技术二、现代生物技术的核心--设计和重组生命物质DNA的基因工程现代生物技术基因工程细胞工程酶工程发酵工程核心工程人类对生命物质的认识

从种群、群落、生态系统，进人生物圈领域（宏观研究）

从生命个体系统，器官、组织、细胞、亚细胞进入分子。（结构分析和微观研究）分子生物学是在亚细胞和分子水平上研究有机高分子的结构和功能，分子生物学发展，最为突出的成绩就是在此理论基础上产生的基因工程技术。这是现代生物学发展的标志性的变革。

什么是基因：

基因（Gene,Mendelianfactor）是指携带有遗传信息的DNA或RNA序列，也称为遗传因子，是控制性状的基本遗传单位。基因通过指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息，从而控制生物个体的性状表现。

基因是具有遗传功能的DNA分子的一个片断,它携带着生物个体所有的遗传信息。DNA什么是基因工程：

基因工程就是采用类似于工程设计的方法，借助生物化学的手段，人为地转移和重新组合生物遗传物质DNA，从而达到改变生物遗传性状或创造新的生物品种的技术。(视频)1953年，由美国的沃森(J.Watson)和英国的克里克(F.Crick)在前人研究的基础上，阐明了DNA的双螺旋结构，并构建了较为完善的DNA双螺旋实物模型。

现代生物技术的核心基因技术工程，主要就是依据遗传学理论，研究和进行基因的分离、合成、切割，重组、转移等;也就是把某种生物中的DNA或基因分离出来，在生物体外进行切割，与载体重组，形成重组的DNA分子，然后导入受体细胞，使外源基因在受体细胞中表达的过程。通过这样的技术操作，改变生物性状或生物活动过程，甚至设计和重塑生命。基因工程

基因工程的第一步是寻找目的基因，即与人的目的有关的基因。比如为了培育耐寒、抗病虫害水稻新品种，就需要找出耐寒抗病虫害的基因。第二步是要对基因进行切割和再粘贴。1960年，瑞士科学家沃纳·阿尔伯发现核酸的内切酶具有限制性作用，在基因过程中可以扮演“剪刀”作用。以后，科学家又发现了“连接酶”，能起糨糊作用。1970年，美国分子生物学家内森斯使用“工具酶”首次实现了DNA切割。1971年，美国分子生物学家伯格运用工具酶首次将两种不同的DNA连接起来，形成新的DNA分子。实现了基因重组。基因工程的实质：通过人工方法模拟生物进化，按照人类的需要设计和创建具有新的性状的生物品系，制造新种类的生命。表明人类已经能在分子水平上精确认识生命的结构，控制生命过程，并重现生命信息。

由于基因工程是在分子水平上进行操作，因而它可以突破物种间的遗传障碍，大跨度地超越物种间的不亲和性，定向培育出生物新品种。基因工程“基因工程不是简单地从程度上面而是从性质上改变生物资源，从观念上重新组织我们与生物界的关系。”视频2分钟《基因工程》.flv

由于基因工程是在分子水平上进行操作，因而它可以突破物种间的遗传障碍，大跨度地超越物种间的不亲和性，定向培育出生物新品种。基因工程杰里米

·里夫金(i)转基因植物(2)转基因动物(3)人类疾病的基因诊断及基因治疗基因工程的应用

基因工程用于生物体新品种的研制，就形成所谓“转基因技术”，通过转基因技术主要可生产出转基因植物和转基因动物。中国农业科学院研究成功的转基因抗虫棉

(1)转基因植物通过基因工程获得的植物称为转基因植物美国科学家将蚕体内的一种基因植入葡萄中，培育出了能够抵抗皮尔斯病的转基因葡萄。转基因兰草日本转基因蓝玫瑰日本转基因蓝玫瑰惊艳亮相（20秒）.flv

转基因植物的广泛用途

第一，改善农作物对抗恶劣环境的能力，既包括抗恶劣环境——如抗霜害、耐旱、耐热、耐碱的新品种，也包括抗病害——如抗菌、抗虫、抗杀草剂的基因工程新品种。

美国孟山都公司把苏云金杆菌基因插入棉花植株获得了转基因棉花植株，经与农业研究局和一些大学科学家连续两年的田间试验，防治虫害效果良好。我国“抗虫棉”研究在“七五”期间开始进行，“八五”期间，在“863”计划资助下，人工合成的CryIA(b)和CryIA(c)杀虫基因导入我国棉花主栽品种获得成功，成为继美国之后，第二个拥有自主研制抗虫棉的国家。”第二，提高农作物的产量和品质。转鱼抗寒基因的番茄转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯不会引起过敏的转基因大豆

第三，转基因植物还可以用来改善自然环境。基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。

转基因植物直接带来的是转基因食物

转基因动物转基因动物是通过人工的实验方法，将别的基因导入动物的受精卵，使别的基因与动物本身的基因整合在一起，而且随细胞的分裂而繁殖，并且能够将别的基因信息遗传给后代。转基因动物与药物生产.flv

(2)转基因动物转基因动物

1982年.美国科学家把人的生长激素基因注射到小白鼠的受精卵中，得到了个子特别大的超级小白鼠，标志着第一个转基因动物的诞生。绿色荧光的转基因鱼乳汁中含有人生长激素的转基因牛

转基因动物转基因动物主要从三个方面发展使动物获得良好的性状把动物体作为生物反应器生产具有医学价值的蛋白质药物增强动物的免疫力

转基因动物使动物获得良好的性状即提升动物的产奶、产肉、产毛品质和增重快慢、产蛋频率等等。把动物体作为生物反应器生产有医学价值的蛋白质药物

（用羊做生物反应器生产人体干扰素）美科学家成功培育出转基因“蜘蛛山羊”国外媒体报道，由美国怀俄明大学分子生物学教授兰迪·路易斯(Randy

Lewis)带领的研究小组，开发了一种新的结合方式——即将蜘蛛织蜘蛛丝的基因与山羊基因相结合，从而产生出转基因山羊。

众所周知，蜘蛛网有很强的弹性和韧度，而且还可从仿造韧带和肌腱到制作防弹衣的角度对蜘蛛丝进行研究，可以说具有很多尚未开发出的潜力。除此之外，蜘蛛丝还含有高量的蛋白质。转基因山羊的羊奶中可以含与蜘蛛丝中相似的高蛋白。当这些转基因母羊到了哺乳期时，人们就可以净化它们的含有高度丝蛋白的羊奶。转基因动物与药物生产美国食品药品管理局（FDA）2009年2月6日首次批准了用转基因山羊奶研制而成的抗血栓药物Atryn上市。Atryn由设在马萨诸塞州的GTC生物制药公司研发生产，通过对山羊进行基因改造后，山羊奶中就会产生丰富的抗凝血酶，这种蛋白在人体内可以作为天然的血液稀释剂，用于治疗遗传性抗凝血酶缺乏症。与目前的生物发酵和细胞培养制药方式相比，这种转基因动物生产抗凝血酶的方式成本更低，生产规模也会更大。一个细胞培养工厂的成本为几亿美元，而使用转基因动物则可以少用几千万美元，另外，细胞培养还无法一次性生产出大量药物。

(3)人类疾病的基因诊断及基因治疗

基因治疗就是采用DNA重组技术进行疾病的预防和治疗,它的一般原理是将正常的基因直接或间接地送入细胞中，以修补错误的基因，使之恢复正常，也就是把可治疗疾病的基因导入病人体内，让其在体内表达，以取得治疗效果。或者设计出正常的遗传密码，代替突变的不正常的遗传密码。(3)人类疾病的基因诊断及基因治疗

广义的基因治疗还包括基因诊断。基因诊断是运用分子生物学的方法在DNA水平或RNA水平对某一基因进行分析，从而对特定的疾病进行诊断。

人类基因组计划

现代生物技术与人最直接相关的领域就是人类基因组计划。人类基因组计划(HGP)与“曼哈顿”原子弹计划、“阿波罗”登月计划并称为自然科学史上的“三大计划”。

人类基因组计划

1990年，美国正式启动为期15年的“人类基因组计划”，总投资30亿美元，其目标是测定人类基因组30亿个碱基对的全部DNA序列，进而破译人类基因组3万——10万个基因的遗传信息。随后英、日、德、法相继参加。1999年9月我国获准加入这一计划，负责测定人类3号染色体短臂上的一个约30MB区域的测序任务，该区域占整个人类基因组的1%。人类基因组计划

序列图物理图遗传图

1999年12月1日国际人类基因组计划联合研究小组宣布，完整破译出人体第22对染色体的遗传密码,这是人类首次成功地完成人体染色体完整基因序列的测定。2000年6月26日，六国科学家联合宣布，人类基因组草图已初步绘制完成，比计划提前了5年。接下来还需要绘制精图、功能定位图，从总体上由结构研究转入功能研究，即所谓“后基因组时代”。人类基因组计划.mpg

三、生命的技术复制——细胞工程

细胞工程是细胞水平上的生物工程，是指在细胞和亚细胞水平上的遗传操作。即人为地使细胞某些生物学特性按照人们的意愿发生改变，从而改良和创造新品种，生产人类所需要的新的生物类型。

细胞工程的优势在于避免了分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将细胞遗传物质直接转