分子生物学理论与方法在生产实践中的应用

分子生物学理论与方法在生产实践中的应用分子生物学理论与方法在生产实践中的应用分子生物学顾名思义即研究生物大分子之间相互关系和作用，从分子水平研究生命现象本质和发展的一门新兴生物学科。20世纪50年代以前的生物学研究虽然有些已进入了微观领域，但总的来说主要是研究生物个体组织、器官、细胞或是亚细胞这些东西之间的相互关系。1953年沃森和克里克关于DNA分子空间结构及其作为遗传信息载体的著作的发表标志着分子生物学的诞生。分子生物学的诞生是生物学的一个重要发展，标志着生物科学对许多重大问题已开始由现象描述转入到基本规律的阐明。生物学由此真正开始了其揭开分子水平生命秘密的研究历程。到20世纪70年代重组DNA技术的发展又给人们提供了研究DNA的强有力的手段，于是分子生物学就形成了。虽然分子生物学的兴起还不到60年，但是在分子生物学基础研究领域内取得的成果却很显著，如不同种类生物间的亲缘关系，过去主要根据不同种类生物在形态构造上的异同来确定。这对形态结构较为简单的生物如细菌就有困难。通过对不同种类生物的蛋白质或核酸分子的测定，就可以克服上述的困难，并且能更客观地反映生物间的亲缘关系。分子生物学与医学、农业、生物工程等的关系十分密切。分子生物学的研究成果使不同生物体之间的基因转移成为可能，在农业上开辟了育种的新途径，在医学上有可能治疗某些遗传性疾病，在工业上形成了以基因工程为基础的新兴工业，从而有可能生产许多用常规技术从天然来源无法得到或无法大量得到的生物制品。正如邹承鲁院士在“生物学走向21世纪”一文中所言，当前凡是研究生命现象的学科不可避免地要深入到分子水平去进行本质规律的探讨，这使分子生物学很快就渗入生物学的各个领域，改变了整个生物学的面貌；同时也对医学和农业科学及其应用产生了巨大的影响。从近年来的发展看，这还不过仅仅是一个开端，将来必然会有更为广阔的发展前景。以下仅就分子生物学在工、农、医等方面的应用做以简单介绍。分子生物学在工业上的应用，如今已经产生了一种新兴的工业，即以基因工程为基础的生产生物制品的工业。它的基础是从一种生物体分离编码某个蛋白质的基因，即DNA片断，把这个基因人工重组到可以用发酵法大量生产的如大肠杆菌或酵母的基因中去，使其在大肠杆菌或酵母的细胞中得到表达，并达到大量生产的目的。新近发展起来的蛋白工程则是分离出某个蛋白质的基因之后，再加以改造，根据三联密码，把这个DNA序列中编码某一个氨基酸的密码子，改变成为编码另一个氨基酸的密码子;或者用合成DNA的方法直接合成基因。从以上两种方法都可以得到在天然界原来并不存在的DNA，再用和上面所说的类似的方法，引人大肠杆菌或酵母的基因中进行表达，以达到大量生产的目的，得到具有新的特性的蛋白质。.分子生物学在医学上的应用，如组织血栓溶酶活化蛋白(TPA)，它是一种有助于溶化血栓的蛋白质，在生物体中含量甚微，但现在已经能用基因工程方法大量生产，并被用于中风的预防和治疗。仅以此一种产品计，年产值已经超过一亿美元。糖尿病是一种常见病，过去胰岛素的生产是从动物胰脏中提取，产量有限，经常供不应求。目前世界市场上销售的胰岛素，用基因工程方法生产的已经占总产量的一半。这就大大缓解了胰岛素供应的不足，为糖尿病患者带来了福音。现在世界上的生物工程公司，已经在几年前纷纷建立的基础上取得了很大的发展。相信在不久的将来，生物工程必然会成为在世界范围内年产值以百亿美元计的大工业。分子生物学用于农业，已经对农作物的品种改良起了以前不可能想象的重要影响。农作物以及家畜品种的改良，现在可以用定向引人有关基因的方法进行，这就从根本上改变了过去盲目大量诱变然后再从中进行筛选的传统作法。在农作物中，已经成功地对马铃薯进行了改造，不但使其获得了抗病毒基因，也得到了高蛋白质含量的马铃薯新品种。把一个蛋白水解酶抑制剂基因引人烟草之后，使得以烟叶为食的害虫不能消化其中的蛋白质，因而不能繁殖。这样，这一品种就获得了抗虫害的能力。对蕃茄的基因工程改造，得到了比较不易软化和擦伤的品种，可以在成熟后收获并且可以保存较长时间，这就避免了过去为了便于保存和运输在成熟前收获，因而口味不好的缺点。虽然植物基因工程的应用还不是很久，但为农作物的大量增产和品种改造，例如固氮基因的转移等，提供了无法估量的发展前景。分子生物学与我们自身也是息息相关，如癌症，作为危害人类最严重的疾病之一，深受我们广泛关注。分子生物学的进展为认识癌症发病原因，从而彻底征服癌症提供了新的可能性。现在已经发现了几十种癌基因，其中有十余种已被认为与癌症病源学有关。人类的遗传疾病也是由于基因缺陷而引起的。例如，镰刀性贫血症，是由于血红蛋白基因中一个核普酸的突变而造成蛋白中一个氨基酸的突变，从而引起脱氧血红蛋白溶解度下降，在细胞内成胶或聚合，使红细胞变形成为镰刀状，并且丧失结合氧分子能力的结果。另外一种比较常见的遗传疾病是由于编码苯丙氨酸经化酶的基因丢失，人体不能合成苯丙氨酸经化酶，造成苯丙氨酸在体内的积累而引起的痴呆症。此外，某些过去曾被认为是生活习惯的问题，现在也证实与遗传有关，并发现其分子水平上的原因。酗酒基因的发现及克隆就是近来一个引人注意的例子。用引人有关基因的方法，来治疗遗传疾病已经取得了很大的进展。看来，在不远的将来，许多遗传疾病可望得到治疗。另外，有些遗传疾病在发现原因后可以直接用所缺乏的蛋白质来进行治疗，例如一种严重的免疫缺陷症，是由于基因丢失造成腺嗓吟脱氨酶不能合成而引起的，用纯化并经一种多聚物保护使其稳定的腺嚷吟脱氨酶进行治疗，取得了很好的效果。分子生物学用于现代技术的发展，只要极微量的材料，如一滴血，一根头发，一块皮肤屑或极少量的精液，就可以进行亲子鉴定，甚至可以区别亲兄弟和堂兄弟。在案件的侦破中也能提供准确可靠的依据，所得结果发生错误的可能性仅为一亿分之一。分子生物学是一门正在迅速发展、面貌日新月异的学科。它不仅已经全面地改变了整个生物学的现状，并对工农业生产和人类的健康事业也起了巨大的作用。它和生物化学及生物物理学一起，吸引了大量的物理学家和化学家进人生物学领域工作，从而也影响了这两个学科的发展。它不仅现在是自然科学中发展最迅速的领域，也仍将毫无疑问地是自然科学领域中的带头学科。