生物工程的最新进展和研究热点

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。基因工程基因工程(又称DNA重组技术、基因重组技术),是20世纪70年代初兴起的技术科学,是用人工的方法将目的基因与载体进行DNA重组,将DNA重组体送入受体细胞,使它在受体细胞内复制、转录、翻译,获得目的基因的表达产物。这种跨越天然物种屏障,把来自任何生物的基因置于毫无亲缘关系的新的寄主生物细胞之中的能力,是基因工程技术区别于其他技术的根本特征。基因工程技术是一项极为复杂的高新生物技术,它利用现代遗传学与分子生物学的理论和方法,按照人类所需,用DNA重组技术对生物基因组的结构和组成进行人为修饰或改造,从而改变生物的结构和功能,使之有效表达出人类所需要的蛋白质或人类有益的生物性状。基因工程从诞生至今,仅有30年的历史,然而,无论是在基础理论研究领域,还是在生产实际应用方面,都已取得了惊人的成绩。首先,基因工程给生命科学自身的研究带来了深刻的变化。目前科学家已完成了多种细胞器的基因组全序列测定工作。其次,基因工程具有广泛的应用价值,能为工农业生产、医药卫生、环境保护开辟新途径。基因组研究应该包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的结构基因组学和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学，又被称为后基因组研究，成为系统生物学的重要方法。我国在结构生物学研究方面具有较好的基础。60年代，我国科学家在世界上首次人工合成了胰岛素；70年代初又测定出1.8埃;分辨率的猪胰岛素三维结构，成为世界上为数不多的能够测定生物大分子三维结构的国家，这些研究工作处于当时的世界先进水平。基因克隆是70年代发展起来的一项具有革命性的研究技术，可概括为∶分、切、连、转、选。分是指分离制备合格的待操作的DNA，包括作为运载体的DNA和欲克隆的目的DNA；切是指用序列特异的限制性内切酶切开载体DNA，或者切出目的基因；连是指用DNA连接酶将目的DNA同载体DNA连接起来，形成重组的DNA分子；转是指通过特殊的方法将重组的DNA分子送入宿主细胞中进行复制和扩增；选则是从宿主群体中挑选出携带有重组DNA分子的个体。基因工程技术的两个最基本的特点是分子水平上的操作和细胞水平上的表达，而分子水平上的操作即是体外重组的过程，实际上是利用工具酶对DNA分子进行外科手术。DNA克隆涉及一系列的分子生物学技术，如目的DNA片段的获得、载体的选择、各种工具酶的选用、体外重组、导入宿主细胞技术和重组子筛选技术等等。从不同的重组DNA分子获得的转化子中鉴定出含有目的基因的转化子即阳性克隆的过程就是筛选。目前发展起来的成熟筛选方法如下：（一）插入失活法外源DNA片段插入到位于筛选标记基因（抗生素基因或β-半乳糖苷酶基因）的多克隆位点后，会造成标记基因失活，表现出转化子相应的抗生素抗性消失或转化子颜色改变，通过这些可以初步鉴定出转化子是重组子或非重组子。目前常用的是β-半乳糖苷酶显色法即蓝白筛选法。（二）PCR筛选和限制酶酶切法提取转化子中的重组DNA分子作模板，根据目的基因已知的两端序列设计特异引物，通过PCR技术筛选阳性克隆。PCR法筛选出的阳性克隆，用限制性内切酶酶切法进一步鉴定插入片段的大小。（三）核酸分子杂交法制备目的基因特异的核酸探针，通过核酸分子杂交法从众多的转化子中筛选目的克隆。目的基因特异的核酸探针可以是已获得的部分目的基因片段,或目的基因表达蛋白的部分序列反推得到一群寡聚核苷酸,或其它物种的同源基因。（四）免疫学筛选法获得目的基因表达的蛋白抗体，就可以采用免疫学筛选法获得目的基因克隆。这些抗体即可是从生物本身纯化出目的基因表达蛋白抗体，也可从目的基因部分ORF片段克隆在表达载体中获得表达蛋白的抗体。2014年4月2日，由多国农作物遗传学家参与的国际花生基因组计划（InternationalPeanutGenomeInitiative，IPGI）终获喜报。他们在历经数年研究后，成功完成世界上首个花生全基因组图谱的绘制工作。花生基因组测序的完成和序列的公布将为全球研究人员和植物育种专家培育出更高产、适应性更广的花生新品种提供了重要的支撑及宝贵的遗传资源。花生（Arachishypogaea)，也称作长生果，在经济价值和营养价值上，都被认为是一种重要的农作物。在全球，花生的种植面积达到2400万公顷/每年，年产值高达4000万公吨。由于花生中富含丰富的油和蛋白质，在发达国家被看作重要的经济作物，也是发展中国家重要的粮食作物。近日，《细胞》杂志网站报道，全球首对靶向基因编辑猴在中国出生，完成这一工作的科学家来自南京医科大学生殖医学国家重点实验室、云南省灵长类生物医药研究重点实验室和南京大学。猴子属灵长类动物，猴基因编辑的成功将有助于建立猴疾病模型，更好地模拟人类疾病，大大降低药物研究的风险。未来有望定向改造人类基因，治疗基因疾病。研究人员采用的是最新基因编辑技术Crispr，可以对目标DNA进行插入、删除或重写，类似计算机编辑文字一样对物种基因进行编辑，而且成功率较高。这次中国科学家的研究证明，不仅可以利用Crispr技术高效精确地编辑灵长类基因、，还能培育出个体。科学家首先给猴胚胎细胞注射定制的RNA，将“编辑工具”——DNA切割酶Cas9引导至期望的突变位点，引导修改3个基因：一个是调节代谢的基因Ppar-γ，一个是调节免疫功能的基因Rag1，第三个是调节干细胞和性别决定的基因。科学家们在180多个单细胞期猴胚胎中同时靶向编辑了这3个基因。在对15个胚胎的基因组DNA进行测序后，他们发现其中有8个胚胎显示出两个靶基因同时突变的迹象。随后将遗传修饰过的胚胎转移到代孕母猴体内，其中一个生出了一对孪生猴。检测这对孪生猴的基因组DNA，证实的确存在两个靶基因突变。信息技术生物信息学(Bioinformatics)是研究生物信息的采集，处理，存储，传播，分析和解释等各方面的一门学科，它通过综合利用生物学，计算机科学和信息技术而揭示大量而复杂的生物数据所赋有的生物学奥秘。生物信息学是在生命科学的研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。它是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一，同时也将是21世纪自然科学的核心领域之一。其研究重点主要体现在基因组学和蛋白质组学两方面，具体说就是从核酸和蛋白质序列出发，分析序列中表达的结构功能的生物信息。主要研究方向：1、序列比对2、蛋白质结构比对和预测3、基因识别非编码区分析研究4、分子进化和比较基因组学5、序列重叠群（Contigs）装配6、遗传密码的起源7、基于结构的药物设计8生物系统的建模和仿真9、生物信息学技术方法的研究10、生物图像11、其他，如基因表达谱分析，代谢网络分析基因芯片设计和蛋白质组学数据分析等。生物信息学并不是一个足以乐观的领域，究竟原因，是由于其是基于分子生物学与多种学科交叉而成的新学科，现有的形势仍表现为各种学科的简单堆砌，相互之间的联系并不是特别的紧密。在处理大规模数据方面，没有行之有效的一般性方法；而对于大规模数据内在的生成机制也没有完全明了，这使得生物信息学的研究短期内很难有突破性的结果。那么，要得到真正的解决，最终不能从计算机科学得到，真正地解决可能还是得从生物学自身，从数学上的新思路来获得本质性的动力。生物芯片技术生物芯片技术是通过缩微技术，根据分子间特异性地相互作用的原理，将生命科学领域中不连续的分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、基因及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。按照芯片上固化的生物材料的不同，可以将生物芯片划分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片。生物芯片技术通过微加工工艺在厘米见方的芯片上集成有成千上万个与生命相关的信息分子，它可以对生命科学与医学中的各种生物化学反应过程进行集成，从而实现对基因、配体、抗原等生物活性物质进行高效快捷的测试和分析。它的出现将给生命科学、医学、化学、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品与环境监督等众多领域带来巨大的革新甚至革命。基因芯片用途广泛，在生命科学研究及实践、医学科研及临床、药物设计、环境保护、农业、军事等各个领域有着广泛的用武之地。这些无疑将会产生巨大的社会和经济效益。有着广泛的经济、社会及科研前景。因此，国际上一些著名的政治家,投资者和科学家均看好这一技术前景。认为基因芯片以及相关产品产值有可能超过微电子芯片,成为下一世纪最大的高技术产业，具有巨大的商业潜力。一、社会前景基因芯片可为研究不同层次多基因协同作用提供手段。这将在研究人类重大疾病的相关基因及作用机理等方面发挥巨大的作用。人类许多常见病如肿瘤、心血管病、神经系统退化性疾病、自身免疫性疾病及代谢性疾病等均与基因有密切的关系。生物芯片能为现代医学发展提供强有力的手段，促进医学从“系统、血管、组织和细胞层次”（第二阶段医学）向“DNA、RNA、蛋白质及其相互作用层次”（第三阶段医学）过渡，使之尽快进入实际应用。DNA芯片技术可用于水稻抗病基因的分离与鉴定。水稻是我国的主要粮食作物，病害是提高水稻产量的主要限制因素。利用转基因技术进行品种改良,是目前最经济有效的防治措施。而应用这一技术的前提是必须首先获得优良基因克隆,但目前具有专一抗性的抗病基因数量有限，限制了这一技术的应用。而基因芯片用于水稻抗病相关基因的分离及分析，可方便的获取抗病基因，产生明显的社会效益。在医药设计、环境保护、农业等各个领域，基因芯片均有很多用武之地，成为人类造福自身的工具二、经济前景美国总统克林顿在1998年1月对全国的演讲中指出“未来十二年,基因芯片将为我们一生中的疾病预防指点迷津”。1998年6月27日华盛顿邮报在报道Motorola进入基因芯片领域时,认为这将造福于子孙后代。美国“Fortune”杂志在1997年3月重点介绍了基因芯片技术,论述了未来产业化的前景,该文预测“在2005年仅仅在美国用于基因组研究的芯片销售额将达约50亿美元,2010年有可能上升为400亿美元”。这还不包括用于疾病预防及诊治以及其它领域中的基因芯片，这部分预计比基因组研究用量还要大上百倍。由于生物芯片的重大意义和巨大的商业潜力,北美和欧洲许多国家的政府和公司投入大量人力物力来推动此项研究工作。如美国的国立卫生研究院、商业部高技术署、国防部、司法部和一些大公司以及风险投资者投入了数亿美元的巨资。基因芯片以及相关产品产业有可能成为下一世纪最大的高技术产业之一。三、社会前景1、高密度芯片的批量制备技术：利用平面微细加工技术，结合高产率原位DNA合成技术，制备高密度芯片是重要的发展趋势。2、高密度基因芯片的设计将会成为基因芯片发展的一个重要课题，它决定基因芯片的应用和功能。利用生物信息学方法，根据被检测基因序列的特征和检测要求，设计出可靠性高，容错性好，检测直观的高密度芯片是决定其应用的关键。3、生物功能物质微阵列芯片的研制：发展高集成度的生物功能单元的微阵列芯片，特别是发展蛋白质、多肽、细胞和细胞器、病毒等生物功能单元的高密度自组装技术，研制和开发有批量制备潜力的生物芯片制备技术。结语《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