基因工程发展现状及进展概况

基因工程发展现状及进展概况第1页共6页基因工程发展现状及进展概况【摘要】：如果说过去20年是信息时代的话,那么21世纪将成为生物技术时代。现代生物技术包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程与蛋白质工程等新技术,其中以基因工程为核心的现代生物技术是12世纪初期全球发展最快的高新技术产业之一。基因工程,又称转基因工程或重组DNA技术,就是人类按照自身的需要和旨意,用类似工程设计的方式,人为地、有目的地、有计划地通过基因克隆、转移及表达等方式形成人们所需要的新生物种或类型，由于基因工程打破了不同物种之间的界限,定向地创造出生物新品种或新物种,因此近年来基因工程正以空前的速度发展和膨胀,显著地推动农业、工业、医药与能源等方面向更加高效和环保的方向发展。【关键词】：基因工程、发展、成果、前景【正文】：一、发展历程回顾：由于分子生物学和分子遗传学发展的影响，基因分子生物学的研究也取得了前所未有的进步。为基因工程的诞生奠定了坚实的理论基础，这些成就主要包括了3个方面：第一，在40年代确定了遗传信息的携带者，即基因的分子载体是DNA而不是蛋白质，从而明确了遗传的物质基础问题；第二，是在50年代揭示了DNA分子的双螺旋结构模型和半保留复制机制，解决了基因的自我复制和传递的问题；第三，是在50年代末期和60年初，相继提出了中心法则和操纵子学说，并成功的破译了遗传密码，从而阐明了遗传信息的流向和表达问题。使人们期待已久的，应用类似于工程技术的程序，主动的改造生物的遗传特性，创造具有优良性状的生物新类型的美好愿望，从理论上讲已有可能变为现实。但在60年代的科学技术发展水平下，真正实施基因工程，还有一些问题：要详细了解DNA编码蛋白质的情况，以及DNA与基因的关系等，就必须首先弄清DNA核苷酸序列基因工程发展现状及进展概况第2页共6页的整体结构，怎样才能分离出单基因，以便能够在体外对它的结构与功能等一系列的有关问题作深入的研究，对于基因操作来说是十分重要的环节。在70年代两项关键技术：DNA分子的切割与连接技术，DNA的核苷酸序列分析技术从根本上解决了DNA的结构分析问题。应用核酸内切酶和DNA连接酶对DNA分子进行体外的切割与连接，是60年代末和70年代初发展起来的一项重要的基因操作技术。有人甚至说它是重组DNA的核心技术。1972年在旧金山H.W.Boyer实验室首先发现的EcoRI核酸内切限制酶具有特别重要的意义。1967年在世界上有5个实验室几乎同时发现了DNA连接酶。1970年当时在Wisconsin大学的H.G.Khorana实验室的一个小组，发现T4DNA连接酶具有更高的连接活性，有时甚至能催化完全分离的两段DNA分子进行末端的连接。到了1972年底，人们已经掌握了好几种连接双链DNA分子的方法。在70年代，将外源DNA分子导入大肠杆菌的转化现象获得成功，1972年斯坦福大学的S.Cohen等人报道，劲氯化钙处理的大肠杆菌细胞同样也能够摄取质粒的DNA,从此，大肠杆菌便成了分子克隆的良好的转化受体。不到四年，世界上第一家基因工程公司“Genetech”注册登记，意味着基因工程的实际应用已跨入商业运作的门槛。70年代初期，开展DNA重组工作，无论在理论上还是技术上都已经具备了条件。1972年，斯坦福大学的P.Berg博士领导的研究小组，率先完成了世界上第一次成功的DNA体外重组实验，并因此与W.Gilbert,F.Sanger分享了1980年度的诺贝尔化学奖。二、基因工程的成果与发展前景：基因工程自20世纪70年代兴起之后，经过20多年的发展历程，取得了惊人的成绩，特别是近十年来，基因工程的发展更是突飞猛进。基因转移、基因扩增等技术的应用不仅使生命科学的研究发生了前所未有的变化，而且在实际应用领域──医药卫生、农牧业、食品工业、环境保护等方面也展示出美好的应用前景。1.基因工程与医药卫生基因工程发展现状及进展概况第3页共6页目前，基因工程在医药卫生领域的应用非常广泛，主要包括以下两个方面：（1）生产基因工程药品。在药品生产中，有些药品是直接从生物体的组织、细胞或血液中提取的。由于受原料来源的限制，价格十分昂贵。用基因工程方法制造的“工程菌①”，可以高效率地生产出各种高质量、低成本的药品。如胰岛素、干扰素和乙肝疫苗等。基因工程药品是制药工业上的重大突破。胰岛素是治疗糖尿病的特效药。一般临床上给病人注射用的胰岛素主要从猪、牛等家畜的胰腺中提取，每100kg胰腺只能提取4～5g胰岛素。用这种方法生产的胰岛素产量低，价格昂贵，远远不能满足社会的需要。1979年，科学家将动物体内能够产生胰岛素的基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并且在大肠杆菌内表达获得成功。这样，用2000L大肠杆菌培养液就可以提取100g胰岛素，相当于从2t猪胰腺中提取的量。1982年，美国一家基因公司用基因工程方法生产的胰岛素开始投入市场，其售价比用传统方法生产的胰岛素的售价降低了30%～50%。干扰素是病毒侵入细胞后产生的一种糖蛋白。由于干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染，如水痘、肝炎、狂犬病等病毒引起的感染，因此，它是一种抗病毒的特效药。此外，干扰素对治疗乳腺癌、骨髓癌、淋巴癌等癌症和某些白血病也有一定疗效。传统的干扰素生产方法是从人血液中的白细胞内提取的，每300L血液只能提取出1mg干扰素。1980～1982年，科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从每1kg细菌培养物中可以得到20～40mg干扰素。从1987年开始，用基因工程方法生产的干扰素进入了工业化生产，并且大量投放市场。目前，用基因工程方法生产的药物已经有六十余种，除胰岛素、干扰素外，还有白细胞介素、溶血栓剂、凝血因子、人造血液代用品，以及预防乙肝、狂犬病、百日咳、霍乱、伤寒、虐疾等疾病的各类疫苗。其中一部分药品已经商品化，还有一部分处于临床试验阶段。我国的第一个生物工业园区──上海生物技术工业园区已经正式兴建。1997年，我国自己生产的白细胞介素-2、干扰素、乙肝疫苗、人生长激素等几种基因工程药物也已经投产。（2）用于基因诊断与基因治疗。基因工程技术还可以直接用于基因的诊断和治疗。基因诊断是用放射性同位素（如32P）、荧光分子等标记的DNA分子做基因工程发展现状及进展概况第4页共6页探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。例如，肝炎病毒引起的传染病易于传播，给诊断和治疗都带来了很多困难，利用DNA探针可以迅速地检出肝炎患者的病毒，为肝炎的诊断提供了一种快速简便的方法。目前用基因诊断方法已经能够检测出肠道病毒、单纯疱疹病毒等许多种病毒。基因诊断技术在诊断遗传性疾病方面发展得尤为迅速。目前人们已经可以对几十种遗传病进行产前诊断。例如，用β－珠蛋白的DNA探针可以检测出镰刀状细胞贫血症，用苯丙氨酸羟化酶基因探针可以检测出苯丙酮尿症。此外，基因诊断技术在肿瘤诊断中的应用也取得了重要成果，例如，用白血病患者细胞中分离出的癌基因制备的DNA探针，可以用来检测白血病。基因治疗是把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。例如，有一种人类遗传病叫做半乳糖血症，患这种病的人，由于细胞内半乳糖苷转移酶基因缺陷而缺少半乳糖苷转移酶，因此当乳糖分解成半乳糖后，不能继续转化为葡萄糖，过多的半乳糖在体内积聚，会引起肝、脑等功能受损。1971年，美国的一位科学家在体外做了这样一个试验，他用带有半乳糖苷转移酶基因的噬菌体侵染患者的离体组织细胞，结果发现这些组织细胞能够利用半乳糖了。这表明，用基因替换的方法治疗这种遗传病是可能的。当然，这仅仅是在人体外完成基因的表达，而要将基因转移到人体内的细胞，还有许多技术上的难题需要解决。但是我们相信，不久的将来，人类一定能够用基因工程的方法治疗白化病、苯丙酮尿症等许多遗传病。随着基因工程的不断发展，许多疑难病症，如恶性肿瘤、艾滋病、心血管疾病，以及糖尿病等，也都可以被人类征服。2.基因工程与农牧业、食品工业基因工程在农牧业生产上的应用主要是培育高产、优质或具有特殊用途的动植物新品种。近几年来，利用基因工程方法培养的转基因动植物在农业和畜牧业生产上取得了一系列的突破，尤其是在农业生产上推出了一批创新品种，显示出了巨大的发展潜力。基因工程在农业方面的应用主要表现在两个方面。首先，是通过基因工程技术获得高产、稳产和具有优良品质的农作物。例如，用基因工程的方法可以改善粮食作物的蛋白质含量。基因工程发展现状及进展概况第5页共6页1981年，科学家将菜豆储存蛋白的基因转移到向日葵中，培育出了“向日葵豆”植株。如果以此作为技术基础，把大豆蛋白的基因转移到水稻、小麦等粮食作物中，就可以提高这些作物的蛋白质含量，改善它们的品质。其次，是用基因工程的方法培育出具有各种抗逆性的作物新品种。自然界中细菌的种类是非常多的，在细菌身上几乎可以找到植物所需要的各种抗性，如抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等。如果将这些抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。1982年科学家把细菌中的抗卡那霉素基因转移到烟草、向日葵和胡萝卜等作物中，一举获得成功。此后短短的几年中，科学家又培育出了数十种具有抗病毒、抗虫、抗除草剂的作物新品种。如抗虫的烟草、番茄、马铃薯、玉米、大豆、油菜、棉等作物，抗黄瓜花叶病毒、苜蓿花叶病毒的作物，以及抗除草剂的植物等。1993年，中国农业科学院的科学家成功地将苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因转入棉植株，培育成了抗棉铃虫的转基因抗虫棉。基因工程在畜牧养殖业上的应用也具有广阔的前景，科学家将某些特定基因与病毒DNA构成重组DNA，然后通过感染或显微注射技术将重组DNA转移到动物受精卵中。由这种受精卵发育成的动物可以获得人们所需要的各种优良品质，如具有抗病能力、高产仔率、高产奶率和高质量的皮毛等。1982年，美国科学家将人的生长素基因和牛的生长素基因分别注射到小白鼠的受精卵中，得到了体型巨大的“超级小鼠”。人们还用同样的方法，陆续获得自然界中从来就不曾有过的“超级绵羊”和“超级鱼”等动物。科学家进行上述试验的目的，不仅在于培育出体型巨大品质优良的动物，更重要的是利用某些特定的外源基因在哺乳动物体内的表达，从这些动物的乳腺细胞中获得人类所需要的各类物质，如激素、抗体及酶类等。基因工程还可以为人类开辟新的食物来源。据报道，科学家用鸡蛋白基因在大肠杆菌和酵母菌中表达获得成功。这表明，有朝一日，人们将能够用发酵罐培养的大肠杆菌或酵母菌来生产人类所需要的卵清蛋白。不久的将来，人们还可以用基因工程的方法从微生物中获得人们所需要的糖类、脂肪和维生素等产品。3.基因工程与环境保护(1)基因工程的方法可以用于环境监测。据报道，用DNA探针可以检测饮用基因工程发展现状及进展概况第6页共6页水中病毒的含量。具体的方法是使用一个特定的DNA片段制成探针，与被检测的病毒DNA杂交，从而把病毒检测出来。此方法的特点是快速、灵敏。用传统方法进行检测，一次需要耗费几天或几个星期的时间，精确度也不高。用DNA探针只需要花费一天的时间，并且能够大幅度地提高检测精度，据报道，1t水中有10个病毒也能检测出来。(2)基因工程还可以用于被污染环境的净化。随着石油工业的迅速发展，石油这种含有多种烃类的物质不断地对陆地、海洋造成污染。自然环境中有一类叫做假单孢杆菌的细菌能够分解石油，但是，每一种假单孢杆菌只能分解石油中的某一种成分。1975年，科学家用基因工程的方法，把能分解三种烃类的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的“超级细菌”。用超级细菌分解石油，可以大大提高细菌分解石油的效率。目前，科学家已经用基因工程方法培养出了“吞噬”汞和降解土壤中DDT的细菌，以及能够净化镉污染的植物。还有一些科学家正努力通过基因重组构建新的杀虫剂，以取代生产过程中耗能多，又易造成环境污染的农药，并试图通过基因工程的方法回收和利用工业废物。凡此种种，都是一些可望取得成功和发展前景十分光明的研究课题。【总结】：展望21世纪，将是基因工程迅速发展和日