现代生物技术与人类社会

现代生物技术研究进展序言当今世界，我们所处的这个时代，是科学技术飞速发展、知识信息爆炸的知识经济时代，世界各国都在相互竞争，竞争的焦点集中在科学技术上，谁的科技发达，谁的综合国力就强大。现在世界七大高新技术分别是现代生物技术、航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术。其中生物技术列在首位，生物技术之所以令世界各国如此重视，是因为它是解决人类所面临的诸如食物短缺、人类健康、环境污染和资源匮乏等重大问题上有着不可比拟的优越性，还因为它与理、工、农、医等科技的发展、与伦理道德、法律等社会问题都有着密切的关系。高新技术的重要特征之一是学科横向渗透，纵向加深，综合交错，发展迅速。所以世界各国争相投巨资发展，确定生物技术为21世纪经济和科技发展的优先领域。在20世纪90年代初，“21世纪是生命科学的世纪”还是科学家的预言，仅仅十年的发展，在刚刚进入21世纪，这个预言正在变成现实。«圣经»载，上帝在创世纪中创造了果木、动物和人；21世纪人类将成为造物主，因为基因的发现使人类能够改变生命并创造生命，西游记中孙猴子拔几根猴毛吹出几个小猴子的神话正在变成现实。生物技术的发展可谓日新月异，如同20世纪五六十年代开始计算机改变从制造业、旅游业、到保险业的每一个行业一样，生物技术也将改变许多行业，影响我们的生活和社会。转基因食品-----转基因农作物，抗虫棉、------胰岛素、干扰素、疫苗------人类说明书------“未来”和“爱情”一样神秘莫测，奇幻非常，常常成为小说家笔下的主题，当我们的先辈顶着酷热的骄阳，用长满老茧的大手挥动着锄头耕耘农田时，不会想到21世纪基因创造的新世界的模样。专家预测，未来二十年，生化和医学的诺贝尔奖很可能会授予有关基因的成果，比尔盖茨预言：下一个首富可能是从事生物技术的投资者，------生物经济时代开始了序言现代生物技术概述现代生物技术研究热点与趋势生物技术与人类健康生物技术与农林业生物技术与食品化工生物技术与能源、材料与海洋生物技术与环保及军事生物安全生物技术的产业化1.现代生物技术概述1.1生物技术的基本概念生物技术（biotechnology)有时也称生物工程(bioengineering)，生物技术最初的含义是指利用生物将原材料转变为产品。生物技术包括传统生物技术和现代生物技术。传统生物技术是指旧有的制酱、醋、酒、奶酪、酸奶及有机酸的传统工艺。现代生物技术是指以现代生命科学为基础（分子生物学、细胞生物学），结合先进的工程技术手段利用生物体及其亚细胞结构和分子，研究、设计和制造新产品，或预期性地改变生物的特性乃至创造新的物种或品种，使人们得到所期望的品质的技术。1.2生物技术的基本内容（几大领域）：基因工程：用“剪刀+糨糊”创造新物种的工程。细胞工程：微观水平的嫁接技术酶工程：让工厂高效、安静、美丽如画的工程。发酵工程：把微生物或细胞造就成无数微型工厂，将神话变为现实的桥梁。蛋白质工程：巧夺天工的技术。1.2.1基因工程：基因工程是利用DNA重组技术在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞，进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生人类需要的基因产物，达到定向地改变生物遗传特性或创造新物种的目的。1.2.1.1基因工程的原理：理论上的三大发现技术上的三大发明理论上的三大发现：发现了生物的遗传物质是DNA发现了DNA分子的双螺旋结构和半保留复制机理发现了遗传信息的传递方式技术上的三大发明：限制性核酸内切酶和DNA连接酶基因工程的载体逆转录酶的发现1.2.1.2基因工程的过程；A.从生物有机体的基因组中，分离出带目的基因的DNA片段。B.将带目的基因的外源DNA片段，连接到能自我复制的载体分子上，形成重组DNA分子。C.将重组DNA分子转移到适当的受体细胞内。D.筛选获得了重组DNA的受体细胞，克隆。E.克隆基因的表达，产生出人类所需要的物质（见图）。1.2.1.3基因工程的应用：转基因工程药物和基因治疗转基因植物转基因动物1.2.2细胞工程：微观水平的嫁接技术指在细胞水平上改造遗传结构，从而培养出具有新性状的生物个体或细胞群体，主要包括细胞培养、细胞融合、细胞重组。1.2.2.1原理及操作：细胞是构成生命有机体的基本单位，包含有生命的全部遗传信息DNA。植物细胞具有全能性，经过培养能够发育成一个完整的植株。细胞工程的基本操作主要有以下三方面：无菌操作技术、细胞培养技术和细胞融合技术。1.2.2.2细胞（组织）培养：指将动物、植物或微生物的细胞或组织经无菌处理后置于人工培养几基上，使细胞增殖，进而按需要今年培养的技术。植物细胞培养动物细胞培养1.2.2.3细胞融合：指在一定的条件下2个或多个细胞融合为一个细胞的过程，又叫细胞杂交。常用的促融因子有聚乙二醇、灭活的仙台病毒等。植物细胞融合见图2-4，动物细胞融合图2-5。1.2.2.4细胞重组；指在体外条件下，运用一定的实验技术从活细胞中分离出各种细胞的结构或组成部件，再把它们在不同的细胞之间重新进行装配，成为具有生物活性的细胞，主要有核移植、叶绿体移植、核糖体重建和线粒体装配等技术。如多莉的产生既是核移植（见图）。1.2.2.5杂交瘤技术（单克隆抗体）：是指将抗体产生细胞与具有无限增殖能力骨髓细胞相融合，通过有限稀释法及克隆化，使杂交瘤细胞成为纯一的单克隆细胞系，由于这种抗体是针对一个抗原决定族的抗体，又是单一的淋巴细胞克隆产生的，故又称为单克隆抗体。见图2-5。1.2.3酶工程：酶工程是利用酶的催化作用进行物质转化的技术，是将酶学理论与化工技术结合而形成的新技术，也就是利用离体酶或直接利用微生物细胞、动植物细胞、细胞器的特定功能，借助工程学手段来为人们提供产品一门科学。1.2.3.1酶工程包括的内容：（1）各类酶的开发和生产（2）酶的分离、纯化、及鉴定技术（3）酶的固定化技术（4）多酶反应器的研制和应用（5）酶结构改造修饰1.2.3.2酶工程原理和基本过程菌种→扩大培养→发酵→发酵酶液→酶的提取→酶成品原料→前处理→杀菌→酶反应器←↓反应液→产品提取→产品酶制剂制备：细胞破碎→溶剂抽提→离心分离→浓缩和干燥酶的固定化：指酶经物理或化学方法处理，使酶变成不易随水流失即运动受到限制，而又能发挥催化作用的酶制剂。方法有：载体结合法、交联法、包埋法，见图酶反应器：以酶为催化剂进行反应所需要的设备称之为酶反应器固定化酶的性质：所以酶工厂是让工厂高效、安静、美丽如画的工程。1.2.4发酵工程：利用微生物的生长与代谢活动，通过现代化工程技术手段进行工业规模的生产各种有用物质的工程技术，由于它以培养微生物为主，所以又称微生物工程。现代发酵技术指在传统发酵的基础上，结合了现代DNA重组、细胞工程分子修饰和改造等新技术。（把微生物或细胞造就成无数微型工厂，将神话变为现实的桥梁。）1.2.4.1发酵工程的内容：（1）菌种的选育（2）发酵条件的优化与控制（3）反应器的设计（4）产物的分离、提取与精致1.2.4.2发酵类型：5种类型(1)微生物菌体发酵（2）微生物酶发酵（3）微生物代谢产物发酵（4）微生物的转化发酵（5）生物过程细胞的发酵1.2.4.3发酵的一般过程（见图）1.2.4.4发酵工程的应用1.3生物技术涉及的学科及应用学科众多，应用广泛（见图）。8.现代生物技术研究热点与趋势8.1现代生物技术发展趋势在经历了第一次生物技术浪潮后，迎来了第二次浪潮，重点发展以下领域：农业生物技术、环境生物技术、海洋生物技术、生物制造和生物处理工艺及能源研究。研究热点：基因组学技术，生物信息学，基因克隆、重组、表达技术，动物体细胞克隆技术、生物芯片技术。8.2基因组学技术是指对某个生物体的所有基因进行基因作图，包括遗传图、物理图、转录本图、核苷酸序列分析、基因定位和功能分析的一门学科。具体研究内容为结构基因组学、比较基因组学、功能基因组学（蛋白质组学）。8.2.1人类基因组计划（HumanGenomeProject,HGP)其全称是“人类基因组作图和测序计划”，此计划是以美国为主，通过国际合作，在15年（1990-2005）内有美国政府投资30亿美元，完成人基因组23对染色体上约10万个基因的作图，和DNA全长的测序，并进一步研究生物和医学上有重要意义的基因的结构和功能。8.2.2基因组学的应用基因诊断基因治疗新药开发农业育种8.3生物芯片技术定义：生物芯片的概念源于计算机芯片。是指包被在固相载体如硅片、玻璃、塑料和尼龙膜上的DNA微阵列、寡核苷酸微阵列和蛋白质微阵列。cDNAmicroarrayexpressionpatternsofsmall(S)andlarge(L)neurons8.4胚胎干细胞：胚胎干细胞是在人类胚胎发育早期形态囊胚（受精后约5－7天）中未分化的细胞。囊胚含有约140个细胞，外表是一层扁平细胞，称滋养层，可发育成胚胎的支持组织如胎盘等。中心的腔称囊胚腔，腔内一侧的细胞群，称内细胞群，这些未分化的细胞可进一步分裂、分化，发育成个体。内细胞群在形成内、中、外三个胚层时开始分化。每个胚层将分别分化形成人体的各种组织和器官。如外胚层将分化为皮肤、眼睛和神经系统等，中胚层将形成骨骼、血液和肌肉等，内胚层将分化为肝、肺和肠等。由于内细胞群可以发育成完整的个体，因而这些细胞被认为具有全能性。在培养皿中培养的内细胞群，我们称之为胚胎干细胞。干细胞的用途很广，涉及医学多个领域。干细胞及其相关生物技术的迅速发展得益于对干细胞上述功能的认识。目前科学家已能在体外鉴别、分离纯化、扩增和培养人体胚胎干细胞、原始胚胎干细胞以及多种组织干细胞，并以干细胞为种子培育成功一些组织器官。干细胞及其衍生组织器官的临床广泛应用必将导致一次医学革命，产生一种全新的治疗技术，即再造正常的甚至年轻的组织器官。这种再造组织器官的新医疗技术将使任何人能用上自己或他人的干细胞和干细胞衍生的新组织器官，来替代病变或衰老的组织器官。假如在年老时能使用上自己或他人婴幼儿或青年时期采集保存的干细胞及其衍生组织，那么人类长期追求的长生不老的幻想就有可能成为现实。9.生物技术的产业化9.1国外生物技术产业发展概况9.1.1基本特点：（1）现代生物技术产品销售额增长迅速（2）新医药是现代生物技术的主体产品（3）农业领域将掀起生物技术几2产业发展的第二个浪潮9.1.2发展模式9.2国内生物技术产业发展概况9.2.1现状9.2.2存在的问题9.2.3发展战略实施“立足创新、集成应用、需求导向、重点突破”的发展战略。2.生物技术与人类健康2.1人类基因组计划（HumanGenomeProject,HGP)其全称是“人类基因组作图和测序计划”，次计划是以美国为主，通过国际合作，在15年（1990-2005）内有美国政府投资30亿镁元，完成人基因组23对染色体上约10万个基因的作图，和DNA全长2的测序，并进一步研究生物和医学上有重要意义的基因的结构和功能。2.2.2HGP进展2.1.2我国参与的HGP计划2.1.3HGP对人类社会的影响2.1.4基因资源的保护2.2爱滋病及其防御（1）什么是爱滋病艾滋病的全称为获得性免疫缺陷综合症（AIDS），是一种由逆转录病毒引起的人体免疫防御系统方面的疫病。人体处于正常状态时，体内免疫系统对机体起着良好的“防御作用，抵抗各种病原体的袭击。一但受艾滋病病毒感染之后，人体的这种良好防御系统便会受到破坏，防御功能减退，因而这时病原体及微生物得以乘机经血行及破损伤口长驱直入。此外，身体中一些不正常的细胞，例如癌细胞，也同样乘机迅速生长、大量繁殖起来，发展成各类癌瘤。〔∪伤，机体抵抗力下降，以至诱发严重感染和一些少见的癌瘤。一旦艾滋病病毒侵害了人体，即造成Ｔ４淋巴细胞的破坏，使机体丧失了抵抗疾病的能力，病人容易患各种罕见的疾病。如：卡波氏肉瘤、卡氏肺囊虫肺炎等。（2）爱滋病的传播途径：艾滋病病毒主要存在于感染者的血