生物工程的应用前景与展望

生物工程的应用前景与展望当今,新的科学革命浪潮中引人注目的遗传工程(即生物工程)给许多领域带来飞跃发展。例如癌症、高血压、遗传性疾病、老化等机理的阐明,胰岛素、生长激素、干扰素、酶等徽生物工业产品产率的提高,赋予农作物以耐寒、高产等优良特性的育种等等,世界各国都予以重视,正积极研究开发。由于生物工程技术的迅速发展,迫使我们不得不对生物工程的概念和应用发展有所认识和了解。本文对此试作详细讨论。伴随着生命科学的新突破，现代生物技术已经广泛地应用于工业、农牧业、医药、环保等众多领域，产生了巨大的经济和社会效益。食品方面首先，生物技术被用来提高生产效率，从而提高食品产量。其次，生物技术可以提高食品质量。例如，以淀粉为原料采用固定化酶（或含酶菌体）生产高果糖浆来代替蔗糖，这是食糖工业的一场革命。第三，生物技术还用于开拓食品种类。利用生物技术生产单细胞蛋白为解决蛋白质缺乏问题提供了一条可行之路。目前，全世界单细胞蛋白的产量已经超过3000万吨，质量也有了重大突破，从主要用作饲料发展到走上人们的餐桌。材料方面通过生物技术构建新型生物材料，是现代新材料发展的重要途径之一。首先，生物技术使一些废弃的生物材料变废为宝。例如，利用生物技术可以从虾、蟹等甲壳类动物的甲壳中获取甲壳素。甲壳素是制造手术缝合线的极好材料，它柔软，可加速伤口愈合，还可被人体吸收而免于拆线。其次，生物技术为大规模生产一些稀缺生物材料提供了可能。例如，蜘蛛丝是一种特殊的蛋白质，其强度大，可塑性高，可用于生产防弹背心、降落伞等用品。利用生物技术可以生产蛛丝蛋白，得到与蜘蛛丝媲美的纤维。第三，利用生物技术可开发出新的材料类型。例如，一些微生物能产出可降解的生物塑料，避免了“白色污染”。能源方面生物技术一方面能提高不可再生能源的开采率，另一方面能开发更多可再生能源。首先，生物技术提高了石油开采的效率。其次，生物技术为新能源的利用开辟了道路。现代生物技术越来越多地运用于农业中，使农业经济达到高产、高质、高效的目的。农作物和花卉生产生物技术应用于农作物和花卉生产的目标，主要是提高产量、改良品质和获得抗逆植物。首先，生物技术既能提高作物产量，还能快速繁殖。其次，生物技术既能改良作物品质，还能延缓植物的成熟，从而延长了植物食品的保藏期。第三，生物技术在培育抗逆作物中发挥了重要作用。例如，用基因工程方法培育出的抗虫害作物，不需施用农药，既提高了种植的经济效益，又保护了我们的环境。我国的转基因抗虫棉品种，1999年已经推广200多万亩，创造了巨大的经济效益。畜禽生产利用生物技术以获得高产优质的畜禽产品和提高畜禽的抗病能力。首先，生物技术不仅能加快畜禽的繁殖和生长速度，而且能改良畜禽的品质，提供优质的肉、奶、蛋产品。其次，生物技术可以培育抗病的畜禽品种，减少饲养业的风险。如利用转基因的方法，培育抗病动物，可以大大减少牲畜瘟疫的发生，保证牲畜健康，也保证人类健康。农业新领域基因工程不仅提高了农牧产品的产量和质量。利用转基因植物生产疫苗是目前的一个研究热点。科研人员希望能用食用植物表达疫苗，人们通过食用这些转基因植物就能达到接种疫苗的目的。目前已经在转基因烟草中表达出了乙型肝炎疫苗。利用转基因动物生产药用蛋白同样是目前的研究热点。科学家已经培育出多种转基因动物，它们的乳腺能特异性地表达外源目的基因，因此从它们产的奶中能获得所需的蛋白质药物，由于这种转基因牛或羊吃的是草，挤出的奶中含有珍贵的药用蛋白，生产成本低，可以获得巨额的经济效益。医药卫生领域是现代生物技术应用得最广泛、成绩最显著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域。疾病预防利用疫苗对人体进行主动免疫是预防传染性疾病的最有效手段之一。注射或口服疫苗可以激活体内的免疫系统，产生专门针对二、生物工程的发展史生物工程的发展并不是偶然的,而是整个遗传科学不断发展的合乎逻辑的必然结果。1953年watson和Criek通过x射线衍射法提出了DNA分子双螺旋空间结构的新见解,建文了“遗传密码”和“模板学说”,从而揭示了分子遗传学的序幕,使遗传学跃进到分子水平。随后,在人工分离基因、人工合成基因以及基因重组和表达分别取得成功,又导致了现代遗传学中一个新的分子的出现,即遗传工程(或生物工程)。遗传学从整体水平到细胞水平,进而跃到分子水平,仅仅经厉了八十多年的时间,其进展速度是十分惊人的。70年代后期,我国很快地开始跟踪国际生物技术的发展,并开辟了有关的研究和开发工作。经过十几年的努力,我国的生物技术己有了一定的基础和相当的规模,并取得一定的成绩和成果,对社会和生产起了一定的影响。如,乙型肝炎病毒表面抗原基因工程疫苗、胰岛素、日一干扰素、人生长激素等基因工程研究己获得阶段成果。目前已有几种单克隆诊断试剂投入市场。三、生物工程的其体技术及其相互关系生物工程的具体技术及其相互关系或基因操作(图见封四),一般是将某种生物细胞(供体细胞)的某个或某几个基因的DNA分子提取出来或人工合成,在体外借助于酶的作用,人工合成一个大分子的“嵌合体”,再通过质粒(质粒是一种存在于细菌中,如大肠杆菌中小而完整的DNA环),即运载体,将其携带到宿主细胞(受体细胞)中去,使转移的基因或外源DNA分子在宿主细胞中繁殖和遗传,以改变后者的遗传特性。所以这种生物工程实质上是分子水平的杂交。从图可见,生物工程的应用领域丰富多采;其中微生物起着巨大的作用。此外,动植物细胞本身的改造和利用也有发展前景。如何将生物工程应用于医疗卫生和医药工业是当前面临重要的研究课题,也是今后的发展方向。四、基因组技术的研究重组体DNA技术的发展,也就是基因“工程,,技术的发展,所以本文重点讨论DNA重组的方法、种类、条件等,以便于今后的使用和研究。基因重组必须具备三种条件:①外源(供体)DNA,②载体DNA,③宿主细胞或受体细胞。供体DNA需具备以下特点:①较纯的DNA片段,②能被限制性内切酶消化成不同大小的片段,③有一定的内切酶选择性位点,④DNA序列中具有一定的编码序列,而载体DNA同样应具备以下特征:①能在细胞中独立自我复制,②带有可以被筛选的基因标记(一般为两个),③只有一种限制性内切酶的酶切位点,以便把外源DNA连接在它的上面,又不妨碍它本身细胞增殖。此外,基因重组过程中还需要四个主要的工具:①限制性内切酶(Restrictionendornuelease),这类酶起裁剪工具的作用,它只能在固定的DNA部位上剪切。目前已发现有百种以上的限制性内切酶(如枷mHI、Bgll、EcoRI、Hindl)。②DNA连接酶(DNALigase),它在基因重组中主要起搬运工具作用。它能把外源DNA“搬”到载体DNA上,并使二者连接在一起。依靠这酶,载体DNA才能携带另一种生物的DNA进入寄主细胞。③载体DNA,该DNA在重组中主要起交通工具作用。外源DNA通过连接酶连接在它的上面,再经由它运送到宿主细胞里去。④转化过程,也就是使已经重新组合的外源DNA与载体DNA放进大肠杆菌去的过程。目前基因重组研究最为常用的技术是基因组文库构建和cDNA文库的构建。它们是DNA重组中非常重要的一门技术,具体方法如下。1.基因组文库构建:细菌、动物、人体染色体基因组DNA经内切酶切割后和载体DNA连接,使成为重组DNA分子,重组DNA与包装裂解物经离体包装反应,变为可感染的噬菌体顺粒,后者经转导宿主在指示菌株内构建成重组的基因组文库。.2cDNA文库构建:首先分离纯化经体外反转录酶的作用后合成出互补的双链cDNA,经内切酶剪切和连接酶作用与载体DNA连接重组,经转化或包装宿主在受体细胞内使构建成CDNA文库。构建的基因文库有以下用途:①从荃因组文库或cDNA文库筛选出有用的基因克隆,从被筛出来的克隆中进行结构序列分析,和基因转录调控机制的研究;②用特异DNA探针或特异抗体探针从基因文库中筛选出与医药工业有密切相关的重组基因菌株,开拓新药品种或单克隆抗体的大量制备,干扰素、疫苗、激素、酶和其他蛋白质生产以及遗传病的治疗等,③从基因文库中筛选出特异基因,并制备出DNA探针作遗传病、肿瘤和其它疾病的丛因诊断。五、生物工程的应用前景.生物工程在实践上的应用前景己日益引起人们的重视。现在已经能够将真核细胞的基因转移到原核生物的细胞中,并使之表达,例如使细菌产生出各种多肤激素等。它的应用前景有以下几个方面。1.在医药上的应用设想:(1)治疗癌症的设想:目前己知癌细胞的病变过程,主要是由于基因调节控制失灵,使蛋白质酶的生产发生混乱所致。针对这种机制,最近又发展了反义技术,使癌症的基因治疗又迈进了新的一步。反义技禾是利用细胞核物质片段(即反义寡核昔酸或反义基因)和细胞中的DNA或RNA相结合,从而控制DNA或RNA的功能。它的主要用途是阻止细胞产生某一细胞基因所编码的特定蛋白质,还可以用于结合病毒、细菌核物质中的DNA或其他形式的RN人,阻止它们的复制。目前生物学家认为反义技术治疗癌症比其他治疗方法更为优越,它可以避免化疗的有害副作用。目前美国已有4个以上这类型公司从事反义RNA进行疾病治疗的研究开发。(2)医药工业上的应用发展:1977年美国某中心已成功地用大肠杆菌生产出人脑激素-生长激素释放因子(Somatostatin)。这是a科学上头等重大的胜利”。9178年美国HoP“国家医学中心又成功地用人工合成的人胰岛素基因掺入到大肠杆菌中获得功能的表达。使大肠杆菌终于成为生产胰岛素的一座“活工厂”。近几年来,InternMinerChem公司和iBoferon公司及以Hiver公司分别成功地研制出人生长调节素C在大肠杆菌中得到高水平表达,和日一干扰素重组DNA载体以及抗艾滋病病毒疫苗生产等。从上述的应用发展来看,生物工程在医药领域上已取得了引人注目的成就,这是生物技术发展的必然趋势。2基因诊断的应用发展:基因诊断技术近两年来飞速发展,它已经从研究室逐渐向临床实验室过渡。美国各大医疗中心已开始建立这类临床实验室。随着DNA探针杂交技术和体外基因扩增技术(PCR技术)的发展,目前国外已研制出许多遗传病基因诊断的探针(例如G一6一DP缺陷DNA探针、乙型肝炎、艾滋病病毒基因探针以及hGH基因探针等)。1989年美国Murey公司(Norcriss,Gerrgia)研制出艾滋病快速诊断盒(商品名为EvaluateS10MinuteAIDsTest),并得到美国食品与药品管理局(FDA)的批准。六、生物工程今后孟点的发展趋势生物工程中尖端技术是遗传信息操作技术,即指重组DNA、DNA转染、细胞融合、核转移等技术。如上所述,该技术应用广泛,前景诱人。今后应重点发展有关细胞分化研究,和推动有关细胞间信息传递机制和脑一神经系统、免疫系统(包括双功能