1、基因工程(genetic engineering)又称基因拼接技术和DNA重组技术,是以分子遗传学为理论基础,以分子生物学和微生物学的现代方法为手段,将不同来源的基因按预先设计的蓝图,在体外构建杂种DNA分子,然后导入活细胞,以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品的遗传技术。基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。
基因工程是生物工程的一个重要分支,它和细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程共同组成了生物工程。所谓基因工程(genetic engineering)是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术。它是用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质——DNA大分子提取出来,在离体条件下用适当的工具酶进行切割后,把它与作为载体的DNA分子连接起来,然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中,以让外源物质在其中“安家落户”,进行正常的复制和表达,从而获得新物种的一种崭新技术。它克服了远缘杂交的不亲和障碍。
1974年,波兰遗传学家斯吉巴尔斯基(Waclaw Szybalski)称基因重组技术为合成生物学概念,1978年,诺贝尔医生奖颁给发现DNA限制酶的纳森斯(Daniel Nathans)、亚伯(Werner Arber)与史密斯(Hamilton Smith)时,斯吉巴尔斯基在《基因》期刊中写道:限制酶将带领我们进入合成生物学的新时代。2000年,国际上重新提出合成生物学概念,并定义为基于系统生物学原理的基因工程。
重组DNA技术的基本定义
重组DNA技术是指将一种生物体(供体)的基因与载体在体外进行拼接重组,然后转入另一种生物体(受体)内,使之按照人们的意愿稳定遗传并表达出新产物或新性状的DNA体外操作程序,也称为分子克隆技术。因此,供体、受体、载体是重组DNA技术的三大基本元件。
基因工程的基本定义
狭义上仅指基因工程。
是指将一种生物体(供体)的基因与载体在体外进行拼接重组,然后转入另一种生物体(受体)内,使之按照人们的意愿稳定遗传,表达出新产物或新性状。
重组DNA分子需在受体细胞中复制扩增,故还可将基因工程表征为分子克隆(Molecular Cloning)或基因克隆(Gene Cloning)。
广义上包括传统遗传操作中的杂交技术、现代遗传操作中的基因工程和细胞工程。
是指DNA重组技术的产业化设计与应用,包括上游技术和下游技术两大组成部分。
上游技术:基因重组、克隆和表达的设计与构建(即DNA重组技术);
下游技术:基因工程菌(细胞)的大规模培养、外源基因表达产物的分离纯化过程。
广义的基因工程概念更倾向于工程学的范畴。
广义的基因工程是一个高度的统一体:
上游重组DNA的设计必须以简化下游操作工艺和装备为指导思想;
下游过程则是上游重组蓝图的体现与保证。---基因工程产业化的基本原则。
基因工程是指重组DNA技术的产业化设计与应用,包括上游技术和下游技术两大组成部分。上游技术指的是基因重组、克隆和表达的设计与构建(即重组DNA技术);而下游技术则涉及到基因工程菌或细胞或基因工程生物体的大规模培养以及基因产物的分离纯化过程。
基因工程是利用重组技术,在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法,对各种生物的核酸(基因)进行改造和重新组合,然后导入微生物或真核细胞内,使重组基因在细胞内表达,产生出人类需要的基因产物,或者改造、创造新特性的生物类型。
从实质上讲,基因工程的定义强调了外源DNA分子的新组合被引入到一种新的寄主生物中进行繁殖。这种DNA分子的新组合是按工程学的方法进行设计和操作的,这就赋予基因工程跨越天然物种屏障的能力,克服了固有的生物种(species)间限制,扩大和带来了定向改造生物的可能性,这是基因工程的最大特点。
基因工程包括把来自不同生物的基因同有自主复制能力的载体DNA在体外人工连接,构成新的重组的DNA,然后送到受体生物中去表达,从而产生遗传物质的转移和重新组合。
基因工程要素:包括外源DNA,载体分子,工具酶和受体细胞等。
一个完整的、用于生产目的的基因工程技术程序包括的基本内容有:(1)外源目标基因的分离、克隆以及目标基因的结构与功能研究。这一部分的工作是整个基因工程的基础,因此又称为基因工程的上游部分。(2)适合转移、表达载体的构建或目标基因的表达调控结构重组。(3)外源基因的导入。(4)外源基因在宿主基因组上的整合、表达及检测与转基因生物的筛选。(5)外源基因表达产物的生理功能的核实。(6)转基因新品系的选育和建立,以及转基因新品系的效益分析。(7)生态与进化安全保障机制的建立。(8)消费安全评价。
特征
1)跨物种性
外源基因到另一种不同的生物细胞内进行繁殖。
2)无性扩增
外源DNA在宿主细胞内可大量扩增和高水平表达。
优点
基因工程最突出的优点是打破了常规育种难以突破的物种之间的界限,可以使原核生物与真核生物之间、动物与植物之间,甚至人与其他生物之间的遗传信息进行重组和转移。人的基因可以转移到大肠杆菌中表达,细菌的基因可以转移到植物中表达。
支撑技术
核酸凝胶电泳技术
核酸分子杂交技术
细菌转化转染技术
DNA序列分析技术
寡核苷酸合成技术
基因定点突变技术
聚合酶链反应技术
学科起源
基因工程是在分子生物学和分子遗传学综合发展基础上于20世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术科学。这个定义表明,基因工程具有以下几个重要特征:首先,外源核酸分子在不同的寄主生物中进行繁殖,能够跨越天然物种屏障,把来自任何一种生物的基因放置到新的生物中,而这种生物可以与原来生物毫无亲缘关系,这种能力是基因工程的第一个重要特征。第二个特征是,一种确定的DNA小片段在新的寄主细胞中进行扩增,这样实现很少量DNA样品"拷贝"出大量的DNA,而且是大量没有污染任何其它DNA序列的、绝对纯净的DNA分子群体。科学家将改变人类生殖细胞DNA的技术称为“基因系治疗”(germlinetherapy),通常所说的“基因工程”则是针对改变动植物生殖细胞的。无论称谓如何,改变个体生殖细胞的DNA都将可能使其后代发生同样的改变。
细菌试验
20世纪初,基因工程还没有用于人体,但已在从细菌到家畜的几乎所有非人生命物体上做了实验,并取得了成功。事实上,所有用于治疗糖尿病的胰岛素都来自一种细菌,其DNA中被插入人类可产生胰岛素的基因,细菌便可自行复制胰岛素。基因工程技术使得许多植物具有了抗病虫害和抗除草剂的能力;在美国,大约有一半的大豆和四分之一的玉米都是转基因的。是否该在农业中采用转基因动植物已成为人们争论的焦点:支持者认为,转基因的农产品更容易生长,也含有更多的营养(甚至药物),有助于减缓世界范围内的饥荒和疾病;而反对者则认为,在农产品中引入新的基因会产生副作用,尤其是会破坏环境。
诚然,仍有许多基因的功能及其协同工作的方式不为人类所知,但想到利用基因工程可使番茄具有抗癌作用、使鲑鱼长得比自然界中的大几倍、使宠物不再会引起过敏,许多人便希望也可以对人类基因做类似的修改。毕竟,胚胎遗传病筛查、基因修复和基因工程等技术不仅可用于治疗疾病,也为改变诸如眼睛的颜色、智力等其他人类特性提供了可能。我们还远不能设计定做我们的后代,但已有借助胚胎遗传病筛查技术培育人们需求的身体特性的例子。比如,运用此技术,可使患儿的父母生一个和患儿骨髓匹配的孩子,然后再通过骨髓移植来治愈患儿。
随着DNA的内部结构和遗传机制的秘密一点一点呈现在人们眼前,特别是当人们了解到遗传密码是由 RNA转录表达的以后,生物学家不再仅仅满足于探索、提示生物遗传的秘密,而是开始跃跃欲试,设想在分子的水平上去干预生物的遗传特性。如果将一种生物的 DNA中的某个遗传密码片断连接到另外一种生物的DNA链上去,将DNA重新组织一下,就可以按照人类的愿望,设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型,这与过去培育生物繁殖后代的传统做法完全不同。这种做法就像技术科学的工程设计,按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物的那个“基因”重新“施工”,生物科学技术,就称为“基因工程”,或者说是“遗传工程”。基本操作步骤 这个过程即为体外重组DNA的过程。首先选择目的基因所适合的运载工具,如质粒、病毒等,然后用同一种限制酶分别切割运载体和目的基因,使其产生相同的黏性末端,再加入适量的DNA连接酶,在生物体外将目的基因的DNA与运载体的DNA结合起来,形成重组DNA(或重组质粒) 将重组的DNA杂合分子,借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径,转移到选定的生物体细胞中,使重组的DNA在受体细胞中复制、转录、翻译得以表达。把目的基因装在运载体上并通过运载体将目的基因运到受体细胞的这一过程,在一般情况下,转化成功率仅为百分之一。为此遗传工程师们创造了低温条件下用氯化钙处理受体细胞和增加重组DNA浓度的办法来提高转化率。采用氯化钙化处理后,能增大受体细胞的细胞壁透性,从而使杂种DNA分子更容易进入。另外也可用基因枪法、激光微束穿孔法、显微注射法等方法直接将目的基因转入受体细胞(如受精卵细胞)。
研究状况
英国:早在20世纪80年代中期,英国就有了第一家生物科技企业,是欧洲国家中发展最早的。如今它已拥有560家生物技术公司,欧洲70家上市的生物技术公司中,英国占了一半。
德国:德国政府认识到,生物科技将是保持德国未来经济竞争力的关键,于是在1993年通过立法,简化生物技术企业的审批手续,并且拨款1.5亿马克,成立了3个生物技术研究中心。此外,政府还计划在未来5年中斥资12亿马克,用于人类基因组计划的研究。1999年德国研究人员申请的生物技术专利已经占到了欧洲的14%。
法国:法国政府在过去10年中用于生物技术的资金已经增加了10倍,其中最典型的项目就是1998年在巴黎附近成立的号称“基因谷”的科技园区,这里聚集着法国最有潜力的新兴生物技术公司。另外20个法国城市也准备仿照“基因谷”建立自己的生物科技园区。
西班牙:马尔制药公司是该国生物科技企业的代表,该公司专门从海洋生物中寻找抗癌物质。其中最具开发价值的是ET-743,这是一种从加勒比海和地中海的海底喷出物中提取的红色抗癌药物。ET-743计划于2002年在欧洲注册生产,将用于治疗骨癌、皮肤癌、卵巢癌、乳腺癌等多种常见癌症。
印度:印度政府资助全国50多家研究中心来收集人类基因组数据。由于独特的“种姓制度”和一些偏僻部落的内部通婚习俗,印度人口的基因库是全世界保存得最完整的,这对于科学家寻找遗传疾病的病理和治疗方法来说是个非常宝贵的资料库。但印度的私营生物技术企业还处于起步阶段。
日本:日本政府已经计划将用于生物技术研究的经费增加23%。一家私营企业还成立了“龙基因中心”,它将是亚洲最大的基因组研究机构。
新加坡:新加坡宣布了一项耗资6000万美元的基因技术研究项目,研究疾病如何对亚洲人和白种人产生不同影响。该计划重点分析基因差异以及什么样的治疗方法对亚洲人管用,以最终获得用于确定和治疗疾病的新知识;并设立高技术公司来制造这一研究所衍生出的药物和医疗产品。
中国:参与了人类基因组计划,测定了1%的序列,这为21世纪的中国生物产业带来了光明。这“1%项目”使中国走进生物产业的国际先进行列,也使中国理所当然地分享人类基因组计划的全部成果、资源与技术。
操作步骤
工具
(1)酶:限制性核酸内切酶、DNA连接酶、
(2)载体:质粒载体、噬菌体载体、Ti质粒、人工染色体
1.提取目的基因
获取目的基因是实施基因工程的第一步。如植物的抗病(抗病毒 抗细菌)基因,种子的贮藏蛋白的基因,以及人的胰岛素基因干扰素基因等,都是目的基因。
要从浩瀚的“基因海洋”中获得特定的目的基因,是十分不易的。科学家们经过不懈地探索,想出了许多办法,其中主要有两条途径:一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因;另一条是人工合成基因。
直接分离基因最常用的方法是“鸟枪法”,又叫“散弹射击法”。鸟枪法的具体做法是: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,如使用PCR技术),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。如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。又由于真核细胞的基因含有不表达的DNA片段,一般使用人工合成的方法。
人工合成基因的方法主要有两条。一条途径是以目的基因转录成的信使RNA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。另一条途径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,推测出它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。如人的血红蛋白基因胰岛素基因等就可以通过人工合成基因的方法获得。
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)是实施基因工程的第二步,也是基因工程的核心。
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(部分限制性内切酶可切割出平末端,拥有相同效果)。将切下的目的基因的片段插入质粒的切口处,首先碱基互补配对结合,两个黏性末端吻合在一起,碱基之间形成氢键,再加入适量DNA连接酶,催化两条DNA链之间形成磷酸二酯键,从而将相邻的脱氧核糖核酸连接起来,形成一个重组DNA分子。如人的胰岛素基因就是通过这种方法与大肠杆菌中的质粒DNA分子结合,形成重组DNA分子(也叫重组质粒)的。
3.将目的基因导入受体细胞
将目的基因导入受体细胞是实施基因工程的第三步。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。
用人工方法使体外重组的DNA分子转移到受体细胞,主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。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,在全部的受体细胞中,真正能够摄入重组DNA分子的受体细胞是很少的。因此,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。检测的方法有很多种,例如,大肠杆菌的某种质粒具有青霉素抗性基因,当这种质粒与外源DNA组合在一起形成重组质粒,并被转入受体细胞后,就可以根据受体细胞是否具有青霉素抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因。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。
前景
科学界预言,21世纪是一个基因工程世纪。基因工程是在分子水平对生物遗传作人为干预,要认识它,我们先从生物工程谈起:生物工程又称生物技术,是一门应用现代生命科学原理和信息及化工等技术,利用活细胞或其产生的酶来对廉价原材料进行不同程度的加工,提供大量有用产品的综合性工程技术。
生物工程的基础是现代生命科学、技术科学和信息科学。生物工程的主要产品是为社会提供大量优质发酵产品,例如生化药物、化工原料、能源、生物防治剂以及食品和饮料,还可以为人类提供治理环境、提取金属、临床诊断、基因治疗和改良农作物品种等社会服务。
生物工程主要有基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程等5个部分。其中基因工程就是人们对生物基因进行改造,利用生物生产人们想要的特殊产品。
美国的吉尔伯特是碱基排列分析法的创始人,他率先支持人类基因组工程 如果将一种生物的DNA中的某个遗传密码片断连接到另外一种生物的DNA链上去,将DNA重新组织一下,不就可以按照人类的愿望,设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型吗?这与过去培育生物繁殖后代的传统做法完全不同,它很像技术科学的工程设计,即按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物的那个“基因”重新“施工”,“组装”成新的基因组合,创造出新的生物。这种完全按照人的意愿,由重新组装基因到新生物产生的生物科学技术,就被称为“基因工程”,或者称之为“遗传工程”。 人类基因组研究是一项生命科学的基础性研究。有科学家把基因组图谱看成是指路图,或化学中的元素周期表;也有科学家把基因组图谱比作字典,但不论是从哪个角度去阐释,破解人类自身基因密码,以促进人类健康、预防疾病、延长寿命,其应用前景都是极其美好的。人类10万个基因的信息以及相应的染色体位置被破译后,破译人类和动植物的基因密码,为攻克疾病和提高农作物产量开拓了广阔的前景。将成为医学和生物制药产业知识和技术创新的源泉。美国的贝克维兹正在观察器皿中的菌落,他曾对人类基因组工程提出警告。
科学研究证明,一些困扰人类健康的主要疾病,例如心脑血管疾病、糖尿病、肝病、癌症等都与基因有关。依据已经破译的基因序列和功能,找出这些基因并针对相应的病变区位进行药物筛选,甚至基于已有的基因知识来设计新药,就能“有的放矢”地修补或替换这些病变的基因,从而根治顽症。基因药物将成为21世纪医药中的耀眼明星。基因研究不仅能够为筛选和研制新药提供基础数据,也为利用基因进行检测、预防和治疗疾病提供了可能。比如,有同样生活习惯和生活环境的人,由于具有不同基因序列,对同一种病的易感性就大不一样。明显的例子有,同为吸烟人群,有人就易患肺癌,有人则不然。医生会根据各人不同的基因序列给予因人而异的指导,使其养成科学合理的生活习惯,最大可能地预防疾病。
人类计划
信息技术的发展改变了人类的生活方式,而基因工程的突破将帮助人类延年益寿。一些国家人口的平均寿命已突破80岁,中国也突破了70岁。有科学家预言,随着癌症、心脑血管疾病等顽症的有效攻克,在2020至2030年间,可能出现人口平均寿命突破100岁的国家。到2050年,人类的平均寿命将达到90至95岁。
人类将挑战生命科学的极限。1953年2月的一天,英国科学家弗朗西斯·克里克宣布:我们已经发现了生命的秘密。他发现DNA是一种存在于细胞核中的双螺旋分子,决定了生物的遗传。有趣的是,这位科学家是在剑桥的一家酒吧宣布了这一重大科学发现的。破译人类和动植物的基因密码,为攻克疾病和提高农作物产量开拓了广阔的前景。1987年,美国科学家提出了“人类基因组计划”,目标是确定人类的全部遗传信息,确定人的基因在23对染色体上的具体位置,查清每个基因核苷酸的顺序,建立人类基因库。1999年,人的第22对染色体的基因密码被破译,“人类基因组计划”迈出了成功的一步。可以预见,在今后的四分之一世纪里,科学家们就可能揭示人类大约5000种基因遗传病的致病基因,从而为癌症、糖尿病、心脏病、血友病等致命疾病找到基因疗法。
继2000年6月26日科学家公布人类基因组"工作框架图"之后,中、美、日、德、法、英等6国科学家和美国塞莱拉公司2001年2月12日联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。这次公布的人类基因组图谱是在原"工作框架图"的基础上,经过整理、分类和排列后得到的,它更加准确、清晰、完整。人类基因组蕴涵有人类生、老、病、死的绝大多数遗传信息,破译它将为疾病的诊断、新药物的研制和新疗法的探索带来一场革命。人类基因组图谱及初步分析结果的公布将对生命科学和生物技术的发展起到重要的推动作用。随着人类基因组研究工作的进一步深入,生命科学和生物技术将随着新的世纪进入新的纪元。
基因工程在20世纪取得了很大的进展,这至少有两个有力的证明。一是转基因动植物,一是克隆技术。转基因动植物由于植入了新的基因,使得动植物具有了原先没有的全新的性状,这引起了一场农业革命。如今,转基因技术已经开始广泛应用,如抗虫西红柿、生长迅速的鲫鱼等。1997年世界十大科技突破之首是克隆羊的诞生。这只叫“多利”母绵羊是第一只通过无性繁殖产生的哺乳动物,它完全秉承了给予它细胞核的那只母羊的遗传基因。“克隆”一时间成为人们注目的焦点。尽管有着伦理和社会方面的忧虑,但生物技术的巨大进步使人类对未来的想象有了更广阔的空间。
历史大事记
1866年,奥地利遗传学家孟德尔神父根据豌豆杂交实验发现生物的遗传基因规律,提出遗传因子概念,并总结出孟德尔遗传定律。
1868年,瑞士生物学家弗里德里希发现细胞核内存有酸性和蛋白质两个部分。酸性部分就是后来的所谓的DNA;
1882年,德国胚胎学家瓦尔特弗莱明在研究蝾螈细胞时发现细胞核内的包含有大量的分裂的线状物体,也就是后来的染色体;
1909年丹麦植物学家和遗传学家约翰逊首次提出“基因”这一名词,用以表达孟德尔的遗传因子概念。
1944年 3位美国科学家分离出细菌的DNA(脱氧核糖核酸),并发现DNA是携带生命遗传物质的分子。
1953年,美国生化学家沃森和英国物理学家克里克宣布他们发现了DNA的双螺旋结构,奠下了基因工程的基础;
1969年 科学家成功分离出第一个基因。
1980年 科学家首次培育出世界第一个转基因动物转基因小鼠。
1983年 科学家首次培育出世界第一个转基因植物转基因烟草。
1988年 K.Mullis发明了PCR技术。
1990年10月 被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划启动。
1994年中科院曾邦哲提出转基因禽类金蛋计划和“输卵管生物反应器(oviduct bioreactor)”以及“系统遗传学(system genetics)”等概念、原理、名词和方法等。
1996年,第一只克隆羊诞生;
1998年 一批科学家在美国罗克威尔组建塞莱拉遗传公司,与国际人类基因组计划展开竞争。
1998年12月 一种小线虫完整基因组序列的测定工作宣告完成,这是科学家第一次绘出多细胞动物的基因组图谱。
1999年9月 中国获准加入人类基因组计划,负责测定人类基因组全部序列的1%。中国是继美、英、日、德、法之后第6个国际人类基因组计划参与国,也是参与这一计划的惟一发展中国家。
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4月6日美国塞莱拉公司宣布破译出一名实验者的完整遗传密码,但遭到不少科学家的质疑。
2000年4月底 中国科学家按照国际人类基因组计划的部署,完成了1%人类基因组的工作框架图。
2000年5月8日 德、日等国科学家宣布,已基本完成了人体第21对染色体的测序工作。
2000年6月26日 科学家公布人类基因组工作草图,标志着人类在解读自身“生命之书”的路上迈出了重要一步。
2000年12月14日 美英等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱,这是人类首次全部破译出一种植物的基因序列。
2001年2月12日 中、美、日、德、法、英6国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。
科学家首次公布人类基因组草图“基因信息”。
应用
农牧业、食品工业
运用基因工程技术,不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种,还可以培养出具有特殊用途的动、植物。
1.转基因鱼
生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国)。
2.转基因牛
乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)。
3.转黄瓜抗青枯病基因的甜椒
4.转鱼抗寒基因的番茄
5.转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯
6.不会引起过敏的转基因大豆
7.超级动物
导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠
8.特殊动物
导入人基因具特殊用途的猪和小鼠
9.抗虫棉
苏云金芽胞杆菌可合成毒蛋白杀死棉铃虫,把这部分基因导入棉花的离体细胞中,再组织培养就可获得抗虫 棉。
环境保护
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。
利用基因工程培育的指示生物能十分灵敏地反映环境污染的情况,却不易因环境污染而大量死亡,甚至还可以吸收和转化污染物。
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(通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类,用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属,分解DDT等毒害物质。)
医学
基因作为机体内的遗传单位,不仅可以决定我们的相貌、高矮,而且它的异常会不可避免地导致各种疾病的出现。某些缺陷基因可能会遗传给后代,有些则不能。基因治疗的提出最初是针对单基因缺陷的遗传疾病,目的在于有一个正常的基因来代替缺陷基因或者来补救缺陷基因的致病因素。
用基因治病是把功能基因导入病人体内使之表达,并因表达产物——蛋白质发挥了功能使疾病得以治疗。基因治疗的结果就像给基因做了一次手术,治病治根,所以有人又把它形容为“分子外科”。
我们可以将基因治疗分为性细胞基因和体细胞基因治疗两种类型。性细胞基因治疗是在患者的性细胞中进行操作,使其后代从此再不会得这种遗传疾病。体细胞基因治疗是当前基因治疗研究的主流。但其不足之处也很明显,它并没前改变病人已有单个或多个基因缺陷的遗传背景,以致在其后代的子孙中必然还会有人要患这一疾病。
无论哪一种基因治疗,处于初期的临床试验阶段,均没有稳定的疗效和完全的安全性,这是当前基因治疗的研究现状。
可以说,在没有完全解释人类基因组的运转机制、充分了解基因调控机制和疾病的分子机理之前进行基因治疗是相当危险的。增强基因治疗的安全性,提高临床试验的严密性及合理性尤为重要。尽管基因治疗仍有许多障碍有待克服,但总的趋势是令人鼓舞的。据统计,截止1998年底,世界范围内已有373个临床法案被实施,累计3134人接受了基因转移试验,充分显示了其巨大的开发潜力及应用前景。正如基因治疗的奠基者们当初所预言的那样,基因治疗的出现将推动新世纪医学的革命性变化。
医药卫生
1.基因工程药品的生产:
许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限,其价格往往十分昂贵。
微生物生长迅速,容易控制,适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内,让它们产生相应的药物,不但能解决产量问题,还能大大降低生产成本。
⑴基因工程胰岛素
胰岛素是治疗糖尿病的特效药,长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取,100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素,其产量之低和价格之高可想而知。
将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌,每2000L培养液就能产生100g胰岛素!大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题,还使其价格降低了30%-50%!
⑵基因工程干扰素
干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”!过去从人血中提取,300L血才提取1mg!其“珍贵”程度自不用多说。
基因工程人干扰素α-2b(安达芬) 是中国第一个全国产化基因工程人干扰素α-2b,具有抗病毒,抑制肿瘤细胞增生,调节人体免疫功能的作用,广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗,是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。
⑶其它基因工程药物
人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产,均为解除人类的病苦,提高人类的健康水平发挥了重大的作用。
2.基因诊断与基因治疗:
基因治疗是把正常基因导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的,这是治疗遗传病的最有效的手段。基该方法是:基因置换、基因修复、基因增补和基因失活等。
运用基因工程设计制造的“DNA探针”检测肝炎病毒等病毒感染及遗传缺陷,不但准确而且迅速。通过基因工程给患有遗传病的人体内导入正常基因可“一次性”解除病人的疾苦。
但基因治疗技术尚未成熟,未成熟的关键问题在于:①如何选择有效的治疗基因;②如何构建安全载体,病毒载体效率较高,但却有潜在的危险性;③如何定向导入靶细胞,并获得高表达。
◆SCID的基因工程治疗
重症联合免疫缺陷(SCID)患者缺乏正常的人体免疫功能,只要稍被细菌或者病毒感染,就会发病死亡。这个病的机理是细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶(简称ADA)的基因(ada)发生了突变。可以通过基因工程的方法治疗。
发展
80年代中期以来,中国生物技术蓬勃发展、成绩喜人。由于国家高技术研究计划(即“八六三”计划)、攻关计划和国家自然科学基金会都将生物技术作为优先发展领域予以重点支持,中国生物技术整体研究水平迅速提高,取得了一批高水平的研究成果,为中国新兴生物技术产业的建立和发展提供了技术源泉。中国基因工程制药产业进入快速发展时期。
产业现状
1989年,中国批准了第一个在中国生产的基因工程药物——重组人干扰素αlb,标志着中国生产的基因工程药物实现了零的突破。重组人干扰素αlb是世界上第一个采用中国人基因克隆和表达的基因工程药物,也是到目前为止唯一的一个中国自主研制成功的拥有自主知识产权的基因工程一类新药。从此以后,中国基因工程制药产业从无到有,不断发展壮大。1998年,中国基因工程制药产业销售额已达到了7.2亿元人民币。截止1998年底,中国已批准上市的基因工程药物和疫苗产品共计15种。国内已有30余家生物制药企业取得了基因工程药物或疫苗试生产或正式生产批准文号。
根据1997年对全国452从个事生物技术研究、开发和生产的单位进行的通讯调查结果,截止1996年底,中国已有8种基因工程药物和疫苗商品化(包括试生产),1996年基因工程药物和疫苗销售额约为2.2亿元人民币,仅占同期全国医药生物技术产品年销售额21.16亿元人民的10.4%。然而可喜的是,中国基因工程制药产业发展迅猛,年销售额已从1996年的2.2亿元人民币增长到1998年的7.2亿元人民币,年均增长率高达80%。预计2000年中国基因工程药物销售额将达到22.8亿元人民币。
基因工程在制药业中具有广阔的发展前景,中国的基因制药行业已经初具规模,但与世界发达国家存在差距,主要表现在具有自主知识产权的产品较少,产业规模小、经济效益低。基因制药产业面临着历史性的机遇,主要表现在政府支持、资源丰富、基因信息公开、国际交流增加等方面。提高自主开发能力、保护基因资源是当前亟待解决的问题,同时,应加强对基因制药领域技术壁垒的研究与准备。
国内外对比
中国生物技术产业,特别是生物制药产业规模与美国相比差距很大。1996年,中国生物技术销售额为114亿元人民币,美国为100亿美元,相差7倍。1996年,中国基因工程和疫苗销售额为2.3亿元人民币,同期美国75亿美元。1998年,中国基因工程药物和疫苗销售额为7.2亿元人民币,还不到1亿美元,而1996年美国Amgen公司的两个主要产品Neupgen(G-CSF)和Epogen(红细胞生成素)销售额均达到10亿美元。
从上市品种看,1998年,中国有15种基因工程药物和疫苗获准上市,美国上市的生物药物(主要是基因工程药物)共53种。中国基国工程药物市时间较美国同品种上市时间晚5年-10年。
存在的主要问题
1、同种产品生产厂家过多,造成市场恶性竞争,严重影响产业的健康发展:
中国已批准上市的基因工程药物和疫苗绝大多数是多家生产。例如:干扰素α2a生产厂家有5家,干扰素α2b有5家,白细胞介素-2有10家,G-CSF有7家,GM-CSF有6家。基因工程药物临床应用剂量一般都很小(微克级),通常2-3个厂家满负荷生产就能满足全国市场需要。因此,过多厂家生产同一种基因工程药物势必造成市场过度竞争,使各生产企业的利润下降,同时还导致现有生产能力开工不足,成本增加,使企业不能获得合理利润,无法步入良性发展的轨道,甚至迫使有些企业严重亏损和破产。
这种重复生产的现象与中国新药研究开发的指导思想不无关系。以往中国新药的研究开发是以引进开发为主,中国研制上市的和在研的新药绝大部分是仿制国外的,创新药物很少。已批准的15种基因工程药物和疫苗中,只有干扰素αlb拥有我自主知识产权。在研究的生物新药中,绝大多数是国外进入二、三期临床后中国开始跟踪研制的。由此不难看出,中国新药研究开发缺乏创新和低水平重复是导致医药产业重复生产的源头。大力加强创新药物的研究是从源头解决基因工程药物重复生产问题的根本出路。同时,中国还必须进一步完善新药审批制度和专利制度,从制度上鼓励创新,切实保护创新者的知识产权,避免重复生产。
2、融资渠道单一、产业发展资金不足:
基因工程制药产业是典型的技术产业,具有高投入、高风险、高收益的特点。中国基因工程制药企业投资大多在2000万元-1亿元人民币。资金来源除股东投入的股本金外,主要是靠银行贷款,融资渠道狭窄。由于银行十分注意资金的的安全性和流动性,高技术投资的风险使银行对之贷款慎之又慎。同时,中国基因工程制药使得这些企业融资能力明显不足,很难从一般融资渠道获得企业发展所需的资金。发展资金严重不足已成为基因工程制药产业发展的巨大障碍因素。因此,中国应借鉴国外利用风险投资发展高技术产业的成功经验,制定有关法规政策,积极稳妥地启动风险投资。
3、医药市场竞争无序,行业不正之风盛行:
随着中国从计划经济向市场经济转轨,医药市场出现了新的变化,药品购销各个环节利润分配极不合理。按国家现行价格规定,药品批发价是出厂价的115%,零售价为批发价的120%。但是,基因工程药物实际营销中,医院一般以国家批发价的70%-85%进药,从而获得零售价的30%-50%的利润,而生产企业的利润只有5%-15%。这种利润不合理分配导致众多制药企业亏损。更加上同种基因工程药品由多家生产,迫使生产企业纷纷采取高定价、高让利的促销手段,使药品市场竞争进一步恶化。企业迫于市场压力,主要精力都用在市场竞争上,无力顾及技术创新。过多的市场投入和让利,使正常生产经营都十分困难,更谈不上如何发展了。医药市场恶性竞争非但未能使消费者受益,却使得国家、制药企业和广大消费者的利益受到极大的损害。
另据调查,绝大多数进口基因工程药品的销售价格都大大高于同种国产药品销售价格,而且更为不合理的是,一半以上的进口基因工程药品在中国的售价高于原产国售价。
4、企业管理相对滞后,技术兼经营型人才匮乏:
中国基因工程制药产业起步较晚,但是起点相对较高。许多企业的关键性生产设备都是从国外进口。然而,在经营管理上与国外相比还有很大的差距。现代企业制度的特点之一是所有权与经营权分离,企业的所有者对经营者进行监督,经营者通过自主经营使企业的资产保值增值。中国大多数基因工程制药企业,虽然在形式上是有限责任公司或股份有限,但是企业的所有经营者一般由企业出任或委派。企业这种所有权与经营以不分的状况,既不利于企业长远发展,也不利于企业经营阶层即企业家阶层的形成。
基因工程制药企业是典型的技术密集型高技术企业,企业要在激烈的竞争中求得生存和发展就必须拥有一批高素质的复合型人才。如何培养和造就一批这种复合型人才已成为中国生物制药闰为亟持解决的问题。
对策及政策建议
根据国家内外工程制药产业现状及发展趋势,为促进中国基因工程制药产业的快速健康发展,我们提出以下建议:
1、制定产业发展战略规划,强化财政税收优惠政策
中国基因工程制药产业存在的盲目性和严重的重复现象与缺乏明确的产业发展战略和规划不无关系。因此,中国应该尽早制定出台生物技术产业发展战略和指导性发展规划,在引进、消化、吸收、创新及对传统产业的改造方面,集中有限财力、物力,重点支持一批具自主知识产权和国际竞争优势,对国民经济发展和人民生活具有重大影响的关键性基因工程产业化项目。只有这样,中国基本工程制药产业才能避免盲目性和无政府状态,从而走上良性发展的道路。
基因工程制药业与其它高技术产业一样,具有高投入、高风险和高产出等特点,起步阶段必须依靠国家优惠政策扶持才能不断发展壮大。中国各级政府为支持高科技产为发展虽制定了许多优惠政策,但优惠的力度不够,而且在具体实施过程中因涉及部门较多,落无实处的情况时有发生。因此,建议国家进一步强化并规范对基因工程制药产业的财政、税收优惠政策。
2、大力加强基因工程创新药物的研制和生产
由于中国上市销售和在研的基因工程药物绝大多数是仿制国外的,这使得中国基因工程药物很难讲入国际市场。特别是中国加入WTO后,一些基因工程制药企业将处于十分被动的境地,有可能会面临专利纠纷。为了从根本上改变中国基因工程制药业重复生产和缺乏国际竞争力的局面,中国的新药研制开发思想必须做战略调整,从以仿制为主向创新与仿制相结合转变。为此,中国必须大力加强创新药物研究,进一步完善知识产权保护制度和新药审批制度,特别是要加大对侵犯知识产权的打击力度,切实保护创新者权益。同时,新药研制单位和个人应该注意学会用专利保护自己的利益。国外一些公司采取的“专利加发表”的策略具有一定的启发性。为了使自己的技术专利化,并防止别人申请同样的专利,美国公司在申请专利后便迅速将专利内容公开发表。这种做法既确立了自己的领先地位,又有效一阻止了他人申请相同的专利。
在加强创新药物研究的同时,可以有选择地合法仿制一些专利即将过期、疗效明确、应用前景广阔基因工程药物。对仿制药物有关的专利要进行认真的研究,采取有效的专利回避策略,避免简单的、盲目的仿制。要在仿制的基础上创新。创造出专利方法不同的生产工艺和方法,避免引起专利纠纷。
3、积极引导培育风险投资市场
融资困难、资金不足已严重制约了中国基因工程制药产业的迅速发展。欧美发达国家的成功经验表明,风险投资是解决高技术商品化、产业化过程中资金困难的有效途径。因此,中国政府应积极稳妥地引导和培育风险投资,尽制定风险投资运行的法规和政策,为风险投资创造宽松的环境和条件,适时允许投资银行、信托投资公司、保险公司等机构发起设立风险投资基金。积极吸引国外风险投资历基金流入。同时,还应该放宽高技术企业股票发行条件,为高技术企业股票上市提供更多机会。积极准备开辟高技术企业股票市场即第二股票市场,为风险投资进入和退了资本市场创造条件。
危害
关于转基因生物的安全性,没有科学性共识。尽管如此,基因工程农作物已被大规模投放,生物医学应用也日益增加。转基因生物还被投入工业使用和环境恢复,而公众对此却知之甚少。最近几年,越来越多的证据证明存在生态、健康危害和风险,对农民也有不利影响。
基因工程细菌影响土壤生物,导致植物死亡。
1999出版的研究资料例举了基因工程微生物释放到环境中将如何导致广泛的生态破环。
当把克氏杆菌的基因工程菌株与砂土和小麦作物加入微观体中时,喂食线虫类生物的细菌和真菌数量明显增加,导致植物死亡。而加入亲本非基因工程菌株时,仅有喂食线虫类生物的细菌数量增加,而植物不会死亡。没有植物而将任何一种菌株引入土壤都不会改变线虫类群落。
克氏杆菌是一种能使乳糖发酵的常见土壤细菌。基因工程细菌被制造用来在发酵桶中产生使农业废物转换为乙醇的增强乙醇浓缩物。发酵残留物,包括基因工程细菌亦可于土壤改良。
研究证明,一些土壤生态系统中的基因工程细菌在某些条件下可长期存活,时间之长足以刺激土壤生物产生变化,影响植物生长和营养循环进程。虽然仍不清楚此类就地观测的程度,但是基因工程细菌引起植物死亡的发现也说明如果使用此种土壤改良有杀伤农作物的可能。
致命基因工程鼠痘病毒偶然产生
澳大利亚研究员在研发对相对无害的鼠痘病毒基因工程时竟意外制创造出可彻底消灭老鼠的杀手病毒。
研究员们将白细胞间介素4的基因(在身体中自然产生)插入到一种鼠痘病毒中以促进抗体的产生,并创造出用于控制鼠害的鼠类避妊疫苗。非常意外的是,插入的基因完全抑制了老鼠的免疫系统。鼠痘病毒通常仅导致轻微的症状,但加入IL-4基因后,该病毒9天内使所有动物致死。更糟的是,此种基因工程病毒对接种疫苗有着异乎寻常的抵抗力。
经改良的鼠痘病毒虽然对人类无影响,但却与天花关系十分密切,让人担心基因工程将会被用于生物战。一名研究员在谈及他们决定出版研究成果的原因时曾说:" 我们想警告普通民众,现在有了这种有潜在危险的技术","我们还想让科学界明白,必须小心行事,制造高危致命生物并不是太困难。"
杀虫剂使用的增加大部分是由于HT作物,尤其是HT大豆使用的杀虫剂增加,这一点可追溯到对HT作物的严重依赖性以及杂草管理的单一除草剂(草甘磷)使用。这已导致转移到更加难以控制的杂草,而某些杂草中还出现了遗传抗性,迫使许多农民在基因工程作物上喷洒更多的除草剂以对杂草适当进行控制。HT大豆中的抗草甘膦杉叶藻(marestail)于2000年在美国首次出现,在HT棉花中也已鉴别出此种物质[27]。
其它研究显示,基因工程农作物本身也会对其使用的除草剂产生抗性,引发严重的自身自长作物问题(同一块地里早先种植的作物种子发芽的植物后来变成杂草)并迫使进一步使用除草剂。加拿大科学家证实了抗多种除草剂之基因工程油菜的迅速演化,此种作物因花粉长距离传播而融合了不同公司研制的单价抗除草剂特性。
此外,科学家还在2002年确认了转基因可从Bt向日葵移动到附近的野生向日葵,使杂化物更强、对化学药品更具抗性,因为较之无基因控制的情况,杂化物多了50%的种子,且种子健康,甚至在干旱条件下也如此。
北卡罗莱那州大学的研究显示,Bt油菜与相关杂草、鸟食草之间的交叉物可产生抗虫性杂合物,使杂草控制更困难。
所有这些事件使预防方法和严格的生物安全管理变得突出。预防原则在《卡塔赫纳生物安全协议》这一主要管理转基因微生物的国际法律中已得到重申。尤其是第 10(6)条声称,如果缺乏科学定论,缔约方可限制或禁止转基因生物的进口,以避免或使生物多样性及人类健康的不利影响降到最低。
2、发酵工程是指采用现代工程技术手段,利用微生物的某些特定功能,为人类生产有用的产品,或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。例如酒、醋、酱油、臭豆腐、纳豆、泡菜、酸奶等,均是通过发酵得到微生物代谢的副产品,为人类所用的技术。
“发酵工程”是个新词,但用发酵方法来酿酒、制酱、做醋、做奶酪,却是几千年前人类就掌握了的生物技术。直到今天人们还在继续做这些事。但传统方法的发酵过程非常繁琐,费时费力。比如用小麦、大豆等原料做酱油需要半年到一年的时间,而且还要准备好大大小小、许许多多的容器。现代“发酵工程”的做法可就大不一样了。以日本的一家制酱油的公司为例,他们的做法是,将一种耐乳酸细菌和一种酵母菌一起固定在海藻酸钙凝胶上,再装入制造酱油的发酵罐。将各种营养物和水从罐顶慢慢地注入,产品酱油就不停地从罐底流出来,形成一个连续生产的过程。从原料到成品的周期不到3天。这里提到的发酵罐是现代发酵工程的重要标志。目前世界上最大的发酵罐高度超过100米,容量可达4000立方米。
发酵工程的主角是微生物。微生物是一种通称,它包括了所有形状微小、结构简单的低等生物。一提到微生物,有些人就会皱起眉头,感到憎恶。因为他们想到的是微生物带来了人类的疾病,带来了植物的病害和食物的变质。其实,这种感觉是不太公正的。对人类而言,大多数微生物有益无害的,会造成损害的微生物只是少数。就总体来说,微生物是功大于过的,而且是功远远大于过。近年来迅速崛起的发酵工程,正是这些微生物在忙忙碌碌,工作不息,甚至不惜粉身碎骨,才使得五光十色的产品能一一面世。从酸奶到乳酸菌饮料,再到比黄金还贵的干扰毒等药品,都是微生物对人类的无私奉献。
微生物在发酵过程里充当着生产者的角色,这与它的特性是分不开的。它们具有孙悟空式的生存本领、猪八戒式的好胃口,还组成了天下第一的“超生游击队”。孙悟空是怎么折腾也不会死的英雄。微生物的生存本领也好生了得。它们对周围环境的温度、压强、酸碱度、干湿条件都有极强的适应力,在10千米深的海底,人会被压成一张纸,而有些细菌仍逍遥自在地生活。在零下250度的超低温下,有些微生物仍不死去,只是处于“冬眠”状态而已。如果条件适宜,微生物会不断繁衍生长,从没有见过它们自行死亡。而这帮不死的小家伙还极为贪吃,甚至饥不择食。好吃的食品自不必说,连石油、塑料、金属氧化物、工业垃圾和DDT、砒霜等毒药,都会成为某些微生物竞相吞吃的美味。吃得多,长得快,繁殖速度自然十分惊人。如果一个大肠杆菌能顺利无阻地繁殖,两天后其重量等于地球重量的4倍!正是微生物的这些特点使它们成为发酵工程中的主将和功臣。发酵罐是微生物在发酵过程中生长、繁殖和形成产品的外部环境装置。它取代了传统的发酵容器—形形色色的培养瓶、酱生物发酵黄豆粉缸和酒窖。与传统的容器相比,发酵罐最明显的优势在于:它能进行严格的灭菌,能使空气按需要流通,从而提供良好的发酵环境;它能实施搅拌、震荡以促进微生物生长;它能对温度、压力、空气流量实行自动控制;它能通过各种生物传感器测定发酵罐内菌体浓度、营养成分、产品浓度等,并用电脑随时调节发酵进程。所以,发酵罐能实现大规模连续生产,最大限度地利用原料和设备,获得高产量和高效率。这样,人们就可以充分利用发酵方法来生产所需的食品或其他产品。可以简单地说,发酵工程就是通过研究改造发酵作用的菌种,并应用现代技术手段控制发酵过程来大规模工业化地生产发酵产品。
蛋白质是构成人体组织的主要材料,而又是地球上十分缺乏的食品。用发酵工程来大量快速地生产单细胞蛋白,就补充了自然产品的不足。因为在发酵罐内,每一个微生物就是一座蛋白质合成工厂。每一个微生物体重的50%~70%都是蛋白质。这样人们就可以利用许多“废料”,来生产高质量的食品。所以,生产单细胞蛋白是发酵工程对人类的杰出贡献之一。
此外,发酵工程还可以制造人体不可缺少的赖氨酸以及许多种医药产品。我们常用的抗菌素几乎都是发酵工程的产品。
发酵工程不仅生产食品和药品,还是解决能源危机的有力武器。石油、煤、天然气这些传统能源终将消耗殆尽,人类怎样才能继续生活下去,科学家们为此耗尽心血。20世纪80年代,人们终于看到了希望:一方面是核能、风能、太阳能利用取得巨大进展;另一方面,发酵工程的出现,可使地球上每年生产的大量纤维物质——稻草麦秆、玉米秸秆、灌木、干草、树叶等等,经“发酵工程”转化,成为人类新能源。
在开发生物新能源的同时,发酵工程还可以完成另一个重要使命,即处理废物,净化环境,减少以至基本消除环境污染。
总之,现代发酵工程能够帮助人们制造食品,制造药品,开发能源,净化环境。古老的生物发酵法,一旦用现代高科技方法加以改进,就千百倍地提高了生产效率,使老技术焕发了青春,为人类做出了巨大贡献。
3、细胞工程是生物工程的一个重要方面。总的来说,它是应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法,按照人们的设计蓝图,进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养。当前细胞工程所涉及的主要技术领域有细胞培养、细胞融合、细胞拆合、染色体操作及基因转移等方面。通过细胞工程可以生产有用的生物产品或培养有价值的植株,并可以产生新的物种或品系。
概念
细胞工程(Cell engineering):
是指应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法,按照人们的需要和设计,在细胞水平上的遗传操作,重组细胞结构和内含物,以改变生物的结构和功能,即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法,快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的生物工程技术。
细胞工程与基因工程一起代表着生物技术最新的发展前沿,伴随着试管植物、试管动物、转基因生物反应器等相继问世,细胞工程在生命科学、农业、医药、食品、环境保护等领域发挥着越来越重要的作用。
21世纪合成生物学的发展,采用计算机辅助设计、DNA或基因合成技术,人工设计细胞的信号传导与基因表达调控网络,乃至整个基因组与细胞的人工设计与合成,从而刷新了基因工程与细胞工程技术,并将带来生物计算机、细胞制药厂、生物炼制石油等技术与产业革命。
特点
1.前沿性:现代生物技术的热点
2.争议性:新技术给伦理道德带来的冲击
3.综合性:多学科交叉
4.应用性:工程类课程,重在产品与技术
研究内容
动植物细胞与组织培养
细胞融合(新的物种或品系、单克隆抗体)
细胞核移植(无性繁殖、克隆动物)
染色体工程(多倍体育种,例:八倍体小黑麦)
胚胎工程(优良品种、试管婴儿)
干细胞与组织工程(胚胎干细胞、组织干细胞)
转基因生物与生物反应器(转基因动物、转基因植物)
核心技术
核心技术:细胞培养与繁殖
目的:获得新性状、新个体、新物质或产品
发展简史
细胞的发现
1665年,英国人胡克(Hooke)利用自己设计的显微镜第一次观察到了细胞。
细胞理论的提出
1838年,施莱登(Schleiden)发表“植物发生论”,认为无论怎样复杂的植物都由细胞构成。
1839年,施旺(Schwann)发表 “关于动植物结构和生长一致性的显微研究”。提出“细胞学说”(Cell Theory) 。之后,德国科学家魏尔肖(Virchow)补充了细胞学说,认为所有的细胞都来自于已有的细胞分裂。细胞学说的建立揭示了生物界的统一性和生命的共同起源,是19世纪自然科学的三大发现之一。
细胞与组织培养
1902, Haberlandt,植物细胞全能学说。
1907, Harrison, 蛙胚神经细胞突起,无菌操作技术。
1912, Carrel,鸡胚心肌组织块长期传代培养。
1940, Earle, 首创单个细胞克隆培养,建立小鼠结缔组织
L细胞系,并在1951年开发了人工培养液。
细胞融合
1975,Cesar Milstein与Geoger Kohler合作,羊红细胞免疫过的小鼠脾细胞与小鼠骨髓瘤细胞融合,得到既能体外无限繁殖又能产生特异性抗体的杂交瘤细胞。
胚胎工程
1978年,英国剑桥大学生理学家罗伯特·爱德华采用胚胎工程技术成功培育出世界首例试管婴儿-路易丝-布朗。
转基因生物
1983年Palmiter和Brins ter将大鼠生长激素基因转入小鼠,生产出生长速度极快的硕鼠。
1987年Gordon获得分泌组织纤溶酶原激活因子tPA的转基因小鼠。
细胞核移植
1938年, 德国胚胎学家Spemann提出胚胎细胞核移植到去核卵母细胞中可发育为新胚胎。
1997年, “多莉”羊的诞生标志着哺乳动物的体细胞核克隆时代到来。
种类
动物细胞的染色体工程
又称为染色体转导,或染色体介导的基因的转移。染色体转导术,目前有两类,其一,称为微细胞转移术。应用低浓度秋水仙素长时间处理可使细胞微核化,经去核处理后,可得到只含相当于几个乃至一个染色体的微细胞。微细胞被导入完整细胞以后仍显示RNA合成,因而微核编码的基因信息可望在微细胞异核体内表达出来。如小鼠的微细胞可被导入至另一品系的小鼠或仓鼠乃至人的HeLa细胞内。电泳检测显示存在着小鼠基因型的大分子物质,如脂酶D、嘌呤核苷磷酸化酶和肽酶B。已知前两种酶的结构基因定位于小鼠的第14号染色体上。提示小鼠的该号染色体已进入宿主细胞内并行使其功能。
另一种方法是先诱发细胞同步分裂,继用秋水仙素阻抑细胞分裂于中期,再破碎细胞,通过离心收集大量的中期染色体。有人把此法得到的人或仓鼠的中期染色体转移到小鼠细胞内,并探查到有特异的供体基因的功能产物, 动物的染色体工程与育种
如胸苷激酶(TK)与次黄嘌呤磷酸核糖基转移酶(HPRT)。并推测整合到宿主小鼠内携带TK基因的染色体片段约大于 17000个碱基。有人证明通过染色体介导的基因转移,不仅在宿主细胞的分裂过程中能稳定地传给子代,而且还能进行连续转移,如人染色体基因可以转移到小鼠细胞内,然后再使用同样的技术从小鼠细胞转移到中国仓鼠细胞内。这些实验是在染色体水平上进行基因转移的良好开端。
植物细胞的染色体工程
在高等植物方面的染色体工程,目前还仅在六倍体普通小麦与其他种、属之间做过。六倍体普通小麦的染色体组型是由野生一粒小麦AA、小斯卑特山羊草BB和汇山羊草DD三种类型的染色体组融合而成,是一种能正常繁殖的种间杂种(AABBDD),因此,很容易容纳其他种、属染色体添加或替代。这个领域的研究目的在于改良作物品种和探究物种起源。
1.染色体的消除①单体植物,起初是利用自然发生的单倍体普通小麦制作。现在则用人工诱导花粉或未受精的子房产生的单倍体植株为材料进行。这是因为普通小麦的单倍体植株只有21条染色体,都不是成对的,因此在成熟分裂(见减数分裂)时没有联会的对象,故仍为单价染色体。这21个单价染色体能排列在赤道板上纵裂为二,在后期Ⅰ被平均分配到细胞的两极。但在第二次分裂时,这21个染色体不再纵裂,随机分开,结果产生了染色体数从0~21个的 21种类型的配子。这些配子只有具19条或20条染色体的有受精能力。因此,如果用正常植株的花 植物的染色体工程与育种
粉(n=21)给单倍体植株授粉,n=20的卵细胞以一定的比例受精,结果得到2n=41的植株。其染色体组型中有20条染色体因有同源(对应)染色体故可以配对形成二价染色体。而只有一条染色体没有配对,成为单价染色体,因此称这种类型的植物叫单体植物。例如,美国米苏里大学的E.R.西尔斯于1937~1954年共用了十七年的时间,用中国春小麦中发现的两个单倍体植物与正常花粉授粉,得到的后代中找到了 5种单体植物。其后用同样方法制作一套21种单体植物。除普通小麦外,烟草和硬粒小麦也制成了一套单体植物。②缺对植物,单体植物的体细胞染色体数为2n=41。在成熟分裂后,将形成两种配子,即n=21,n=20,这两种雌雄配子都有受精能力,而且自花授粉后也容易结实。不过两者受精率的高低有差别。因此,受精时,两种配子按一定比例进行结合。结果见表1。如果缺失型的花粉与缺失型的卵细胞结合为受精卵,由此发育成的植物,将比通常的普通小麦少一对染色体,所以叫缺对植物。E.R.西尔斯用此方法也培育出了一套普通小麦缺对植物。
2.染色体的添加①同种染色体的添加,所添加的染色体来自同种个体,添加一个的叫三体植物(2n+1);添加一对的叫四体植物(2n+2)。三体植物和单体植物一样,可得自单倍体三倍体或缺体。它的来源很多。如普通小麦单体植物在成熟分裂时,有时会出现不分离现象(即单价染色体的二个姊妹染色单体在后期Ⅰ被同时拉到同一极,而不是各自分配到两极)。结果所形成的四分孢子,其中三个的染色体数是n=20,一个是n=22。如果多一个染色体的配子与正常花粉或卵细胞 (n=21)受精后,就成为三体植物(2n=43),比原来正常普通小麦多了一个染色体。三体植物自花授粉的后代中就有四体植物出现。因为三体植物在成熟分裂时形成两种配子(n=21,n=22)。如果让三体植物自花授粉,就会出现三种类型的子代,如表2所示。其中就有新型的四体植物,比正常植物多两条染色体。②异种染色体的添加,所添加的染色体来自别种植物。以普通小麦(W)和黑麦(R)2n=14杂交为例(图1)。由于黑麦染色体不能和普通小麦配对,在成熟分裂染色体重组时,黑麦基因不能直接转移到小麦染色体上,而只能将黑麦整个染色体组加到小麦的染色体组中,所得子一代杂种为多倍单倍体(21′W7′R),仅28个染色体。经过秋水仙素处理加倍后,成为小黑麦八倍体(21″W7″R)共有56个染色体,再与小麦回交得到七倍体(21″W7′R),共49个染色体。然后与小麦再回交一次,就可得到外加的单体植物。单体植物自交后得二体植物(44个染色体21″W1″R)。另外,还有一个外加系是加入了黑麦第Ⅱ对染色体,成为44个染色体的二体植物。这种外加系能使小麦抗锈(见染色体倍性)。
3.染色体的替代用同种或异种染色体来替代某特定染色体的技术。其目的是要把已知道的具有抗病或其他有利特性的某一染色体来替代另一个具有其他性状的染色体,以改良作物品种。染色体替代有三种方法:①用普通小麦自身的染色体来替代。例如,普通小麦的一对1A染色体被一对1B染色体替代后,就能育成缺对1A、四体 1B植物,即缺对-四体植物。这种类型的植物是由缺对1A与四体1B杂交后所得子一代再自花授粉后选育而成。②普通小麦的一个品种的染色体用别的品种的染色体来替代,叫做同种染色体替代。如果用正常普通小麦B品种的花粉,与缺对的A品种杂交,所得子一代自花授粉,则在子二代就能选育出A品种的缺对的二条染色体被B品种染色体替代的植物。③用异种植物的染色体来替代,叫异种染色体替代。例如,普通小麦的2A染色体可用黑麦的2R染色体替代。为了达到这个目的,首先要育成基本材料缺对植物(2n=42-2A)和异种染色体外加系(2n=42+2R)。这样就可把普通小麦缺对2A与小麦2R染色体外加系(具有21对小麦染色体加上一对黑麦2R染色体)杂交,子一代杂种染色体2n=42,其中20对染色体是除2A外的全部普通小麦染色体,其余二个一价染色体是2A和2R,成熟分裂时可产生四种类型配子,即:n=20+2A+2R,n=20+0,n=20+2A=21,n=20+2R=21。这最后一种是具有除2A以外的20个普通小麦染色体一个黑麦的2R染色体。因此,子一代杂种自花授粉的后代中,就能得到所期望的异种染色体替代植物。即一对黑麦的2R替代了一对小麦的2A(20″W2″R)。
现在,应用染色体工程的方法,在许多添加和替代染色体工作中,已经获得了不少有遗传学和育种学价值的品系。例如,获得了添加单个冰草染色体的小麦品系中间,有的能抗粉露菌病、秆锈和叶锈。这种抗性均呈现显性单因子遗传。将黑麦第Ⅲ对染色体加到软粒小麦对粉露菌病有抗性。用冰草的一个染色体替代软粒小麦染色体3D,使软粒小麦对秆锈有抗性。这些在生产实践上都有实用价值。
染色体组工程
诱导增加或减少一个生物体内整套染色体组数的技术。增加同种染色体组数的叫同源多倍体;增加异种染色体组数的叫异源多倍体,异源多倍体必须经过杂交才能得到(图2)(见染色体倍性)。
染色体组工程的方法:多倍体的诱发 自1937年发现了用秋水仙素诱发多倍体的方法以来,一般常用药剂(秋水仙素、富民隆等),也可用高温处理来诱发多倍体。其法是把植物的种子或幼芽浸在 0.05~0.2%的秋水仙素水溶液中,处理24~96小时即可得到很好的效果。例如四倍体西瓜、甜菜、玉米和百合等都是用此法获得的(图2)。
现在,由于原生质体分离技术的发展,也可从原生质体的融合得到多倍体。例如用聚乙二醇作诱导融合剂处理胡萝卜原生质体后,得到了频率相当高的四倍体和六倍体植株。这是来源于二个或三个原生质体融合的结果。
单倍体的诱发 60年代以来,子房、花药或花粉离体培养成功,很易从大孢子、卵细胞或小孢子等得到单倍体植株。其法是将一定时期的花药或子房移植到特定的培养基上培养。待生长愈伤组织或胚状体后,再移到分化培养基上,分化出苗和根,长成完整的小植株即可移到盛有土壤的盆中继续栽培到开花。单倍体植物一般不能结实或仅结少量种子。
此外,还可用远缘杂交,X射线或紫外线照射,化学药品如马来酰肼、甲苯胺蓝、氯霉素等以及异源胞质等方法都能诱导单倍体产生。1970年有人又用大麦与球茎大麦杂交后染色体消除的方法,产生高频率的单倍体,有的可高达68.5%。在杂交后,球茎大麦的7个染色体就消除在胚中,留下的是大麦的7个染色体,成为单倍体的胚及小植株。经秋水仙素处理后,染色体加倍形成纯合二倍体。
染色体组工程的应用诱导多倍体在植物育种上的应用是有限度的。由于作物类型不同,对多倍性诱变反应也不同。原来的倍性水平、染色体组的结构、繁殖方式、多年生性、植株实用部位,所有这些都关系到育种的成败。最适宜用染色体加倍方法改良的作物应该具有:①染色体数目较少,②以收获营养体为主,③异花授粉,④多年生和营养繁殖的习性等条件。这些都是多倍体育种获得成功的先决条件。
细胞质工程
研究真核细胞的核、质相互关系以及细胞器,胞质基因的转移等细胞拆合的技术,所以又叫细胞拆合工程。主要研究内容是细胞质的置换。过去在植物上置换的方法是进行连续回交。例如,为了研究柳叶菜属的细胞质遗传,曾连续回交了二十五代,结果还不能把全部母核替代出来。现在由于核移植和原生质体的分离方法的改进,推进了这项工程的进展。
细胞质工程的方法去核和核移植 动物细胞核的移植一般都用显微操作器进行。50年代初期,美国生物学家R.布里格斯和T.金首先成功地把豹蛙囊胚期细胞的细胞核移植到去核的蛙卵,并能正常发育。后来,英国J.B.格登把爪蟾蝌蚪肠上皮细胞核移植到去核卵内,能发育到有生殖能力的成体。中国童第周等还成功地进行金鱼类异种、异属之间的核移植实验(见细胞分化)。70年代以来,体外培养的动物细胞的去核,是先用细胞松弛素B处理细胞,再高速离心使细胞核与细胞质分开。分离出来的核,带有少量胞质并围有质膜,称为“核体”或“小型细胞”。核体能重新再生其胞质部分,继续生长、分裂。去核后的胞质部分,仍由膜所包围,即为“胞质体”或“去核细胞”(图3)。秋水仙素及其衍生物和长春新碱等也能诱发某些哺乳类细胞排核。目前制备胞质体和核体的方法目臻完善,纯度可达99%左右。胞质体约可存活18~36小时。
植物细胞核的移植,在低等植物如单细胞伞藻,可把新鲜材料的假根切下,放在玻片上用玻棒挤压,使细胞的内含物压出在一滴适合的培养液中,反复冲洗几次,然后在显微镜下观察,一直到核周围无细胞质为止。离心分离后待用。高等植物如矮牵牛、天仙子、烟草、番茄等原生质体核的分离,可先在悬浮的原生质体中用蒸馏水将悬液冲淡一半,约30分钟后,原生质体破裂,放出细胞核与叶绿体,就可在0.6M蔗糖液中离心和收集核,然后存放在一定的培养液中待用。1978年以来又借用动物细胞去核的药剂细胞松弛素B来处理原生质体,加上高速离心,使原生质体分离成二部分,即:无核原生质体和小原生质体。开辟了去植物细胞核甚至去部分染色体的新途径。
细胞重组已经分离的核体(小细胞)与胞质体在融合因子的介导下重新融合,构成“重组细胞”,这一技术即称为细胞重组,胞质体与另一完整细胞融合,即产生“胞质杂种”细胞。这两种细胞产生的效果是不同的,现在有方法把它们鉴别开。以大鼠二种成肌细胞为材料,一种是正常的具有次黄嘌呤-鸟嘌呤-磷酸核糖基转移酶(HGPRT+)基因, 另一种是突变体缺少这种基因(HGPRT-),因此,前者细胞中有转移酶能被氚-次黄嘌呤标记,而后者没有这种酶,便不能标记。在两者的细胞质中让HGPRT+摄取小乳胶颗粒,让HGPRT-摄取大乳胶颗粒,以颗粒的大小来作标记。当核体(小型细胞)与胞质体融合后,在重组细胞中可看到核被氚-次黄嘌呤所标记,在细胞质中有大量大乳胶颗粒和极少数小乳胶颗粒。当胞质体与另一个HGPRT+完整细胞融合后的胞质杂种细胞的细胞质中,则同时出现有大量的大、小乳胶颗粒。如图4所示。应用这种方法很容易把两类细胞鉴别出来。
在植物中,原生质体与核的融合以烟草、矮牵牛的核移植为例,其步骤是:①先使矮牵牛游离核与烟草原生质体各自悬浮并沉淀在0.25M硝酸钙溶液中,pH6;②去掉上清液,再把它们悬浮起来,以适当比例使核与原生质体在试管中混合、离心,随后加入45%聚乙二醇溶液1毫升使之聚合:③30分钟后,徐徐加入4毫升0.2M硝酸钙(被pH9的甘氨酸氢氧化钠所缓冲)以诱导融合摄取核;④15分钟后加0.2M硝酸钙(pH6);⑤再过20分钟,原生质体用培养液冲洗;⑥镜检后,将具有双核的(其中一个是矮牵牛的核)烟草原生质体进行培养。
细胞质工程的应用动物方面1974年有人用两种小鼠成纤维细胞,其一用L细胞的完整细胞,它的核内具有对5-溴脱氧尿苷抗性的核基因BUd(RR),但细胞质内没有抗氯霉素的胞质基因,用的另一个细胞的线粒体上带有抗氯霉素的胞质基因CA(PR),而细胞核内带有硫代鸟嘌呤敏感核基因(TGS),把后者去核细胞与前者融合(图5),则融合后的胞质杂种细胞既能抗5-溴脱氧尿苷(BUdR),又能抗氯霉素(CAP)。但如果把亲体细胞 (BUdRR和TGS)同时培养在含有这两种药物的培养基上,则都将死去。因为这两种细胞一个对CAP敏感,另一个不抗BUdR,而胞质杂种细胞则两者都能抗,不但能存活而且还能增殖。
植物方面用等渗密度梯度高速离心后,也可得到两种亚原生质体,①在低密度范围内可得到胞质体(去核原生质体);②在高密度中,可得到小原生质体(核质体)。现在已能自玉米、烟草和胡萝卜细胞得到这两种亚原生质体。生化实验证明:去核原生质体代谢作用很低,而小原生质体由于减少了表面积和体积(仅及原生质体的10~15%),因此,摄取物质快,合成蛋白质也快,培养时发育迅速,是一种研究核质关系的好材料。由于这项工作才开始,迄今尚无明显结果。
细胞融合工程
细胞融合是指用自然或人工的方法,使两个或几个不同的细胞融合成一个细胞的过程。细胞融合的结果,一个细胞中含有两个不同的细胞核,则称为异核体;随后的有丝分裂中,来自不同细胞核的染色体可能合并到一个结合核内。因此,又称为体细胞杂交。细胞融合的范围很广,从种内、种间、属间、科间一直到动、植物两界之间都进行了尝试。在植物方面,由于各类细胞具有全能性,在烟草、矮牵牛、胡萝卜等种间杂种,马铃薯和番茄、曼陀罗和颠茄、烟草和矮牵牛等属间杂种都已获得了再生植株。在动物方面人和鼠体细胞杂交,虽然不能长成一个新个体,但能作基因定位的材料。因此,这项新技术,在理论研究和工、农、医方面的应用,均有广阔的前景。细胞融合技术的发展,历史很短。自1960年在体外培养中发现杂种细胞以来,仅20多年。1965年冈田善雄等和H.哈里斯等各自用灭活的仙台病毒诱导产生了第一个种间异核体。1970年已应用人与鼠的细胞杂交系统地进行了人类染色体基因的定位工作。在植物方面,1960年E.C.科金首先使用纤维素酶分离番茄幼根的原生质体获得成功。1970年他们又成功地使种间原生质体融合在一起。1972年P.S.卡尔森等又从融合的原生质体获得了第一株种间细胞杂种。到1980年为止,种间融合的再生植株已有16种之多。
细胞融合的方法动物细胞杂交或细胞融合 将两个不同种的亲本细胞A和B,以灭活的仙台病毒或聚乙二醇(PEG)为融合诱导剂,使A和B两细胞融合成为一个具两个遗传性不同核的异核体(如遗传性相同的核融合在一起叫同核体)。随后异核体经有丝分裂成为两个具有A和B两亲本的杂种融合核。AB杂种经多次分裂,B亲本的染色体会逐渐减少到一个或完全消失(图6)。
植物体细胞杂交①原生质体的分离。植物细胞之间有果胶质粘连,每个细胞之外还有一层纤维素组成的壁,因此,在分离原生质体时,首先要在一定浓度的酶液(果胶酶与纤维素酶)中保温,消去果胶质与纤维素后才能使原生质体分离出来。②原生质体的融合。不同种之间原生质体的融合,须选用一种融合诱导剂(聚乙二醇,或高钙CaCl2.2啹O,0.05M溶于甘露醇 0.4M和pH10.5)诱导融合。它们的诱导率可达20~50%。③杂种细胞的选择与培养。细胞融合后要把杂种细胞选择出来。一般都利用各种生化指标和遗传标记来选择和鉴定。例如,使用天然的或人工诱变的突变体,如白化苗、营养缺陷型、抗药性突变体等,或根据不同材料对激素敏感性不同,生长差异等,来设计适合的选择系统。如果融合的原生质体一个是白化,另一个具叶绿体,就可用机械的方法,把融合的细胞在倒置显微镜下把它们挑选出来进行培养。这些细胞培养到各个发育阶段,如愈伤组织、分化苗和根,都需要更换培养基,才能使它们顺利地再生成植株。
细胞工程的基本操作
细胞工程的基本操作有细胞培养技术、细胞融合技术、细胞拆合技术、染色体及染色体工程技术、体外受精和胚胎移植技术等,在食品工业中应用较广泛的细胞工程技术为细胞培养技术、细胞融合技术以及细胞拆合技术。
应用
细胞工程作为科学研究的一种手段,已经渗入到生物工程的各个方面,成为必不可少的配套技术。在农林、园艺和医学等领域中,细胞工程正在为人类做出巨大的贡献。
粮食与蔬菜生产
利用细胞工程技术进行作物育种,是迄今人类受益最多的一个方面。中国在这一领域已达到世界先进水平,以花药单倍体育种途径,培育出的水稻品种或品系有近百个,小麦有30个左右。其中河南省农科院培育的小麦新品种,具有抗倒伏、抗锈病、抗白粉病等优良性状。
在常规的杂交育种中,育成一个新品种一般需要8~10年,而用细胞工程技术对杂种的花药进行离体培养,可大大缩短育种周期,一般提前2~3年,而且有利优良性状的筛选。前面已介绍过的微繁殖技术,在农业生产上也有广泛的用途,其技术比较成熟,并已取得较大的经济效益。例如,中国已解决了马铃薯的退化问题,日本麒麟公司已能在1000升容器中大量培养无病毒微型马铃薯块茎作为种薯,实现种薯生产的自动化。通过植物体细胞的遗传变异,筛选各种有经济意义的突变体,为创造种质资源和新品种的选育发挥了作用。现已选育出优质的番茄、抗寒的亚麻、以及水稻、小麦、玉米等新品系。有希望通过这一技术改良作物的品质,使它更适合人类的营养需求。
蔬菜是人类膳食中不可缺少的成分,它为人体提供必需的维生素、矿物质等。蔬菜通常以种子、块根、块茎、插扦或分根等传统方式进行繁殖,化费成本低。但是,在引种与繁育、品种的种性提纯与复壮、育种过程的某些中间环节,植物细胞工程技术仍大有作为。例如,从国外引进蔬菜新品种,最初往往只有几粒种子或很少量的块根、块茎等。要进行大规模的种植,必须先大量增殖,这就可应用微繁殖技术,在较短时间内迅速扩大群体。在常规育种过程中,也可应用原生质体或单倍体培养技术,快速繁殖后代,简化制种程序。另外,还可结合植物基因工程技术,改良蔬菜品种。
园林花卉
在果树、林木生产实践中应用细胞工程技术主要是微繁殖和去病毒技术。几乎所有的果树都患有病毒病,而且多是通过营养体繁殖代代相传的。用去病毒试管苗技术,可以有效地防止病毒病的侵害,恢复种性并加速繁殖速度。目前,香蕉、柑橘、山楂、葡萄、桃、梨、荔枝、龙眼、核桃等十余种果树的试管苗去病毒技术,已基本成熟。香蕉去病毒试管苗的微繁殖技术已成为产业化商品化的先例之一。因为香蕉是三倍体植物,必须通过无性繁殖延续后代,传统方法一般采用芽繁殖,感病严重,繁殖率低;而采用去病毒的微繁殖技术不仅改进了品质,亩产量约提高30%~50%,很容易被蕉农接受。
近年来,对经济林木组织培养技术的研究也受到很大的重视。采用这一技术可比常规方法提前数年进行大面积种植。特别是有些林木的种子休眠期很长,常规育种十分费时。据不完全统计,现已研究成功的林木植物试管苗已达百余种,如松属、桉树属、杨属中的许多种,还有泡桐、槐树、银杏、茶、棕榈、咖啡、椰子树等。其中桉树、杨树和花旗松等大面积应用于生产,澳大利亚已实现桉树试管苗造林,用幼芽培养每年可繁殖40万株。
植物细胞工程技术使现代花卉生产发生了革命性的变化。1960年,科学家首次利用微繁殖技术将兰花的愈伤组织培养成植株后,很快形成了以组织培养技术为基础的工业化生产体系——兰花工业。现在,世界兰花市场上有150多种产品,其中大部分都是用快速微繁殖技术得到的试管苗。从此,市场供应摆脱了气候、地理和自然灾害等因素的限制。至今,已报道的花卉试管苗有360余种。已投入商业化生产的有几十种。中国对康乃馨、月季、唐昌蒲、菊花、非洲紫罗兰等品种的研究较为成熟,有的也已商品化,并有大量产品销往港澳及东南亚地区。
临床医学与药物
自1975年英国剑桥大学的科学家利用动物细胞融合技术首次获得单克隆抗体以来,许多人类无能为力的病毒性疾病遇到了克星。用单克隆抗体可以检测出多种病毒中非常细微的株间差异,鉴定细菌的种型和亚种。这些都是传统血清法或动物免疫法所做不到的,而且诊断异常准确,误诊率大大降低。例如,抗乙型肝炎病毒表面抗原(HBsAg)的单克隆抗体,其灵敏度比当前最佳的抗血清还要高100倍,能检测出抗血清的60%的假阴性。
近年来,应用单克隆抗体可以检查出某些还尚无临床表现的极小肿瘤病灶,检测心肌梗死的部位和面积,这为有效的治疗提供方便。单克隆抗体并已成功地应用于临床治疗,主要是针对一些还没有特效药的病毒性疾病,尤其适用于抵抗力差的儿童。人们正在研究“生物导弹”——单克隆抗体作载体携带药物,使药物准确地到达癌细胞,以避免化疗或放射疗法把正常细胞与癌细胞一同杀死的副作用。
单克隆抗体可以精确地检测排卵期。新一代免疫避孕药也在研制之中,其基本原理是用精子,卵透明带或早期胚胎来制备单克隆抗体,将它们注入妇女体内,人体就会产生对精子的免疫反应,从而起到避孕作用。人类体外受精技术的日趋成熟,使人类对生育活动有了较大的选择余地,促进优生优育,提高人口素质,也为不孕症患者或不宜生育的人带来福音。
生物药品主要有各种疫苗、菌苗、抗生素、生物活性物质,抗体等,是生物体内代谢的中间产物或分泌物。过去制备疫苗是从动物组织中提取,得到的产量低而且很费时。现在,通过培养、诱变等细胞工程或细胞融合途径,不仅大大提高了效率,还能制备出多价菌苗,可以同时抵御两种以上的病原菌的侵害。用同样的手段,也可培养出能在培养条件下长期生长、分裂并能分泌某种激素的细胞系。1982年美国科学家用诱变和细胞杂交手段,获得了可以持续分泌干扰素的体外培养细胞系,现已走向应用。
繁育优良品种
目前,人工受精、胚胎移植等技术已广泛应用于畜牧业生产。精液和胚胎的液氮超低温(-196摄氏度)保存技术的综合使用,使优良公畜、禽的交配数与交配范围大为扩展,并且突破了动物交配的季节限制。另外,可以从优良母畜或公畜中分离出卵细胞与精子,在体外受精,然后再将人工控制的新型受精卵种植到种质较差的母畜子宫内,繁殖优良新个体。综合利用各项技术,如胚胎分割技术、核移植细胞融合技术、显微操作技术等,在细胞水平改造卵细胞,有可能创造出高产奶牛、瘦肉型猪等新品种。特别是干细胞的建立,更展现了美好的前景。
4、酶工程(英语:Enzyme engineering)又称蛋白质工程学,是指工业上有目的的设置一定的反应器和反应条件,利用酶的催化功能,在一定条件下催化化学反应,生产人类需要的产品或服务于其它目的的一门应用技术。例如加酶洗衣粉,里面的酶可以催化油脂、蛋白质分解,使得洗衣服更加容易、干净。
1、原理
酶工程就是将酶或者微生物细胞,动植物细胞,细胞器等在一定的生物反应装置中,利用酶所具有的生物催化功能,借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备,酶的固定化,酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶工程的应用,主要集中于食品工业,轻工业以及医药工业中。
催化特性
高效率 :比非催化高108-1020倍;比非酶催化高107-1013倍
高度专一性
反应条件温和
酶催化是可调控的
化学本质
Enzyme Proteins
Ribozyme RNAs
2、发展历史
在七十年代以后,伴随着第二代酶——固定化酶及其相关技术的产生,酶工程才算真正登上了历史舞台。固定化酶正日益成为工业生产的主力军,在化工医药、轻工食品、环境保护等领域发挥着巨大的作用。不仅如此,还产生了威力更大的第三代酶,它是包括辅助因子再生系统在内的固定化多酶系统,它正在成为酶工程应用的主角。
我们知道,酶在生物体内的含量是有限的,不管是哪种酶,在细胞中的浓度都不会是很高的,这也是出于生物机体生命活动平衡调节的需要。可是这样一来,就限制了直接利用天然酶更有效地解决很多化学反应的可能性。
利用基因工程的方法可以解决这一难题。
3、主要用途
酶作为一种生物催化剂,已广泛地应用于轻工业的各个生产领域。近几十年来,随着酶工程不断的技术性突破,在工业、农业、医药卫生、能源开发及环境工程等方面的应用越来越广泛。
催化剂活性 蛋白质 化学反应 反应器 酶学 氧化还原酶类 转移酶类 水解酶 连接酶 异构酶
酶工程的应用主要集中于食品业、轻工业以及医药工业中,我们日常生活中常见的加酶洗衣粉、嫩肉粉,都是酶工程最直接的体现。
食品加工中的应用
酶在食品工业中最大的用途是淀粉加工,其次是乳品加工、果汁加工、烘烤食品及啤酒发酵。与之有关的各种酶如淀粉酶、葡萄糖异构酶、乳糖酶、凝乳酶、蛋白酶等占酶制剂市场的一半以上。
发展的主要方向,包括促进蛋白质消化的酶(菠萝蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等),促进纤维素消化的酶(纤维素酶、聚糖酶等),促进乳糖消化的酶(乳糖酶)和促进脂肪消化的酶(脂肪酶、酯酶)等。
轻化工业中的应用
酶工程在轻化工业中的用途主要包括:洗涤剂制造(增强去垢能力)、毛皮工业、明胶制造、胶原纤维制造(粘接剂)牙膏和化妆品的生产、造纸、感光材料生产、废水废物处理和饲料加工等。
医药上的应用
重组DNA技术促进了各种有医疗价值的酶的大规模生产。用于临床的各类酶品种逐渐增加。酶除了用作常规治疗外,还可作为医学工程的某些组成部分而发挥医疗作用。如在体外循环装置中,利用酶清除血液废物,防止血栓形成和体内酶控药物释放系统等。另外,酶作为临床体外检测试剂,可以快速、灵敏、准确地测定体内某些代谢产物,也将是酶在医疗上一个重要的应用。
能源开发
在全世界开发新型能源的大趋势下,利用微生物或酶工程技术从生物体中生产燃料也是人们正在探寻的一条新路。例如,利用植物、农作物、林业产物废物中的纤维素、半纤维素、木质素、淀粉等原料,制造氢、甲烷等气体燃料以及乙醇和甲醇等液体燃料。另外,在石油资源的开发中,课题。
环境工程
在科学技术高度发展的同时,环境净化尤其是工业废水和生活污水的净化,作为保护自然的一项措施,具有十分重要的意义。
在现有的废水净化方法中,生物净化常常是成本最低而最可行的。微生物的新陈代谢过程,可以利用废水中的某些有机物质作为所需的营养来源。因此利用微生物体中酶的作用,可以将废水中的有机物质转变成可利用的小分子物质,同时达到净化废水的目的。人们利用基因工程技术创造高效菌种,并利用固定化活微生物细胞等方法,在废水处理及环境保护工作中取得了显著的成效。
另外,生物传感器的出现为环境监测的连续化和自动化提供了可能,降低了环境监测的成本,加强了环境监督的力度。
4、制备方法
基因制取
在生物体内找到了某种有用的酶,即使含量再低,应用基因重组技术,通过基因扩增与增强表达,就可能建立高效表达特定酶制剂的基因工程菌或基因工程细胞了。把基因工程菌或基因工程细胞固定起来,就可构建成新一代的生物催化剂——固定化工程菌或固定化工程细胞了。人们也把这种新型的生物催化剂称为基因工程酶制剂。
新一代基因工程酶制剂的开发研制,无疑是使酶工程如虎添翼。固定化基因工程菌、基因工程细胞技术将使酶的威力发挥得更出色,科学家们预言,如果把相关的技术与连续生物反应器巧妙结合起来,将导致整个发酵工业和化学合成工业的根本性变革。
对酶进行改造和修饰也是酶工程的一项重要内容。
酶的作用力虽然很强,尤其是被固定起来之后,力量就更大了,但并不是所有的酶制剂都适合固定化的,即使是用于固定化的天然酶,其活性也往往不能满足人们的要求,需要改变其某些性质、提高其活性,以便更好地发挥其催化功能。
于是,酶分子修饰和改造的任务就被提出来了。
一般来说,科学家们是通过对酶蛋白分子的主链进行“切割”、“剪切”以及在侧链上进行化学修饰来达到改造酶分子的目的的。被修饰、改造的酶分子,无论是物化性质,还是生物活性都得到了改善,甚至被赋予了新的功能。