现代生物技术讲义

现代生物技术讲义

一、现代生物技术 Biotechnology

什么是现代生物技术？

现代生物技术是以生命科学为基础，利用生物（或生物组织、细胞及其他组成部分）的特性和功能，设计、构建具有预期性能的新物质或新品系，以及与工程原理相结合，加工生产产品或提供服务的综合性技术。这门技术内涵十分丰富它涉及到：对生物的遗传基因进行改造或重组，并使重组基因在细胞内表达，产生人类需要的新物质的基因技术（如“克隆技术”）；从简单普通的原料出发，设计最佳路线，选择适当的酶，合成所需功能产品的生物分子工程技术：利用生物细胞大量加工、制造产品的生物生产技术（如发酵）；将生物分子与电子、光学或机械系统连接起来，并把生物分子捕获的信息放大、传递。转换成为光。电或机械信息的生物耦合技术；在纳米（即百万分之一毫米）尺度上研究生物大分子精细结构及其与功能的关系。并对其结构进行改造利用它们组装分子设备的纳米生物技术：模拟生物或生物系统。组织、器官功能结构的仿生技术等等。

现代生物技术以分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫学、遗传学、生理学等学科为支撑，结合了化学、化工、计算机、微电子等学科，从而形成了一门多学科互相渗透的综合性学科。就其应用领域，可分为农业生物技术、医学生物技术、植物生物技术、动物生物技术、食品生物技术、环境生物技术等。

现代生物技术（基因工程）的特点：

（１）能打破物种之间的界限。在传统遗传育种的概念中，亲缘关系远一点的物种，要想杂交成功几乎是不可能的，更不用说动物与植物之间、细菌与动物之间、细菌与植物之间的杂交了。但基因工程技术却可越过交配屏障，使这一切有了实现的可能。

（２）可以根据人们的意愿、目的，定向地改造生物遗传特性，甚至创造出地球上还不存在的新的生命物种。同时，这种技术对人类自身的进化过程也可能产生影响。

（３）由于这种技术是直接在遗传物质核酸上动手术，因而创造新的生物类型的速度可以大大加快。

（一）、基因工程genetic engineering—— 核心

基因工程也称为遗传工程，是生物技术的主体技术。基因工程是指按照人类的愿望，将不同生物的遗传物质在体外人工剪切并和载体重组后转入细胞内进行扩增，并表达产生所需蛋白质的技术。基因工程能够打破种属的界限，在基因水平上改变生物遗传性，并通过工程化为人类提供有用产品及服务。 1．基因工程的基本步骤

第一步：获得符合人类意愿的基因，即获得目的基因。目的基因是依据基因工程设计中所需要的某些DNA分子片段，含有所需要的完整的遗传信息。获得目的基因的方法很多，目前采用的分离、合成目的基因的方法主要有：

超速离心法：根据不同基因的组成不同，即其内的碱基对的比例不同，其浮力、密度等理化性质也不同的原理，应用密度梯度超速离心机，直接将特殊的目的基因分离出来。 分子杂交法：采用加碱或加热的方法使DNA变成单链，而后加入有放射性标记的RNA，让DNA在特定的条件下，结合成DNA和RNA的杂交分子，再用多聚酶制备出足够数量的双链DNA分子，进而获得DNA目的基因。

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反转录酶法：先分离出特定的mRNA，再用反转录酶做催化剂，以RNA为模板合成所需要的DNA目的基因。 合成法：如果已知目的基因的碱基排列顺序，可用酶法或化学法，直接合成目的基因。目前此法已很少采用。

第二步：把目的基因接到某种运载体上，常用的运载体有能够和细菌共生的质粒、温和噬菌体（病毒）等。

DNA重组技术：重组DNA就是让DNA片段和载体连接。外源DNA是很难直接透过细胞膜进入受体细胞的。即使进入受体细胞之中，也会受到细胞内限制性内切酶的作用而分解。目的基因结合到经过改造的细菌中的质粒（细菌细胞中的小环状DNA分子）或温和噬菌体（病毒）上后形成的组合体称为重组体DNA。在这一技术中，限制性内切酶是一种常用的工具酶，它能“切开”质粒的环形DNA，也能切取目的基因，然后把目的基因DNA片段与质粒DNA分子的两端，在连接酶的作用互补连接形成重组体DNA。

第三步：通过运载体把目的基因带入某生物体内，并使它得到表达。目的基因的表达是指目的基因进入受体细胞后能准确地转录和翻译。目的基因能否表达是基因工程是否成功的关键。

目前，人类已经利用外源基因，如人的生长激素基因、人胸腺激素基因、人干扰素基因、牛生长激素基因等，导入细菌中，生产出相应的产品，在临床上得到了广泛的应用，取得了可观的经济效益和社会效益。

（二）、细胞工程Cell engineering

细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合技术科学。

细胞工程主要包括体细胞融合，核移植，细胞器摄取和染色体片段的重组等。 固体细胞融合的技术，如今已在动物间实现了小鼠和田鼠，小鼠和小鸡，甚至小鼠和人等许多远缘

和超远缘的体细胞杂交。虽然目前动物的杂交细胞还只停留在分裂传代的水平，不能分化发育成完整的个体，但在理论研究和基因定位上都有重大意义。

细胞工程涉及的领域相当广泛，就其技术范围而言，大致有细胞融合技术、细胞拆合技术、染色体导入技术、基因转移技术、胚胎移植技术和细胞组织培养技术等。

1．细胞融合技术

细胞融合技术是指把两个细胞（可以是同种细胞，也可以是异种细胞）在融合剂的作用下，融合成一个细胞的技术。应用细胞融合技术进行细胞杂交，能够克服远缘杂交不育的缺陷，对培育新品种具有广阔的应用前景。 2．细胞拆合技术

细胞拆合技术也称为细胞核（包括细胞器）移植技术，是将细胞核和细胞质用某种方法拆开，然后再把分离的细胞核和胞质体重新组合成一个新细胞。把从

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细胞中分离出来的染色体或基因转入另一个细胞中，赋予重建的细胞以某种新的功能，这属于染色体导入或基因转移的技术范畴。 3．细胞培养技术

细胞培养技术是将生物体内的某一组织分散成单个细胞，接种在人工配制的适于细胞生长发育的培养基上，然后在适当的无菌的生长条件下(如一定的光照、温度或pH值等)进行培养，使细胞能够生长和不断增殖的技术。由于从组织中分离单细胞并分化成生物体的技术难度较大，目前多采用组织培养技术。如通过植物胚胎（成熟或未成熟胚）或器官（根尖、茎尖、叶原基、花药等）的离体培养，再生成新植株（试管苗）。这种方法能快速、大量繁殖一些有价值的苗林、花卉、药材和濒危植物等。

（三）、酶工程enzyme engineering

你用过加酶洗衣粉吗？同一般的洗衣粉相比，加酶洗衣粉中含有蛋白酶和脂肪酶等多种通过微生物生产出来的酶，因此，去除汗渍、奶渍和油污的能力比较强。

酶工程是指在一定的生物反应器中，利用酶的生物催化作用，生产出人类所需产品的一门科学技术。作为生物技术重要支柱之一的酶工程真可以说是造福人类，成果喜人。 蔗糖几乎全部是通过加工甘蔗或甜莱得到的。但是，甘蔗和甜菜的种植范围都比较有限，因此，蔗糖的产量也就受到了影响。能不能利用淀粉来生产类似蔗糖的物质呢？科学家通过 -淀粉酶、糖化酶和固定化葡萄糖异构化酶，将淀粉转化成和蔗糖具有同样甜度的甜味剂——高果糖浆。现在，一些发达国家高果糖浆的年产量已达到几百万吨，高果糖浆在许多饮料的制造中已经逐渐替代了蔗糖。

胰岛素是胰脏中胰岛细胞分泌的一种激素，是由两条肽链组成的一种蛋白质：一条由21个氨基酸组成，称为A链；另一条由30个氨基酸组成，称为B链。胰岛素是治疗糖尿病的一种常用药物。由于糖尿病患者很多，胰岛素的需要量很大，所以许多糖尿病患者使用的曾是猪的胰岛素。但是，猪胰岛素与人胰岛素在化学结构上有一处差别：猪胰岛素B链上最后一个氨基酸是丙氨酸，人胰岛素B链上最后一个氨基酸是苏氨酸。因此，用猪胰岛素治疗人的糖尿病，容易使一些患者产生免疫反应。近些年来，科学家们采用酶工程的方法，利用一种专一性极高的酶，切下并移去猪胰岛素B链上的那个丙氨酸，然后接上一个苏氨酸。这样猪的胰岛素就魔术般地变成人的胰岛素了。

我们知道，糖尿病患者需要经常用尿糖试纸化验自己尿糖的情况。那么，尿糖试纸是怎样制作出来的呢？科学家根据葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化作用下形成葡萄糖酸和过氧化氢，过氧化氢在过氧化氢酶的催化作用下形成水和原子氧，以及原子氧可以将某种无色的化合物氧化成有色的化合物的原理，将上述两种酶和无色的化合物固定在纸条上，制成测试尿糖含量的酶试纸。这种酶试纸与尿液相遇时，很快就会因尿液中葡萄糖含量的少或多而依次呈现出浅蓝、浅绿、棕或深棕色。

现在，科学家正在研究如何修饰酶的化学结构，以便改善酶的性能；用DNA重组技术大量地生产酶，甚至设计酶的基因，以便人工合成出自然界中没有的酶来。

（四）、发酵工程fermentation technology

发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物，主要是微生物的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些地生产过程的一种技术。人们熟知的利用酵菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精、利用乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶、利用真

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菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。随着科学技术的进步，发酵技术精了很大的朋，并且已经进入能以为控制和改造微生物，使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。现代发酵工程作为现代生物技术的一个重要组成部分，具有广阔的前景。例如，利用DNA重组技术有目的地改造原有的菌种并且提高其产量；利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、干扰素和生长激素等。

（五）、蛋白质工程

蛋白质工程是指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质的目的。蛋白质工程又称为第二代基因工程。蛋白质工程的基本途径是从预期功能出发，设计期望的结构，合成目的基因且有效地克隆表达或通过诱变、定向修饰和改造等一系列工序，合成新型优良蛋白质。

生物工程各分支领域之间的关系

在生物工程的研究、开发和产业化过程中，生物工程的各分支领域——基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程之间有着错综复杂的关联，通常是由彼此合作来实现的。人们按照自己的愿望改造物种，往往要采用基因工程或细胞工程的方法。基因工程能够从分子水平上改造物种，细胞工程则是以细胞这个生命活动的基本单位为基础的，但是归根结底也是实现了基因的改变。基因工程和细胞工程的研究成果，目前大多需要通过发酵工程和酶工程来实现产业化。因此，人们通常将基因工程和细胞工程看作生物工程的上游处理技术，将发酵工程和酶工程看作生物工程的下游处理技术。基因工程、细胞工程和发酵工程中所需要的酶，往往通过酶工程来获得；酶工程中酶的生产，一般要通过微生物发酵的方法来进行。由此可见，生物工程各分支领域之间存在着交叉渗透的现象。随着生物工程的迅猛发展，生物工程各分支领域的界限趋于模糊，相互交叉渗透、高度综合的趋势越来越明显。生物工程作为一门综合性的科学技术，研究成果层出不穷，已经形成了一个新兴的高技术产业。我们相信，随着知识经济时代的到来，生物工程将会对人类社会的可持续发展起到越来越重要的作用。

二、当今世界生物科技进展简介

本部分从以下几个方面阐述： 转基因食品安全 RNA研究 干细胞研究 生物芯片技术 生物能源

环保生物技术

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（一）、转基因食品安全

在农业生产领域, 利用基因工程技术改变基因组构成而形成的动植物、微生物及其产品被称之为农业转基因生物产品。由于基因工程技术在农业生产上的应用打破了物种间天然杂交的屏障, 不同物种间的遗传物质可以相互流动, 因此, 人们有理由怀疑这种技术及其应用可能会产生对人类、动植物、微生物及其生态环境构成危险或潜在风险, 即生物安全。从20 世纪70 年代开始, 生物技术的安全性问题越来越受到人们的关注, 并开展了深入的研究。广义的“生物安全”是指在一个特定的时空范围内, 由于自然或人类活动引起的新的物种迁入, 并由此对当地其他物种和生态系统造成危害和改变, 进而对生物的多样性产生不利影响和威胁, 形成对人类健康、生态环境和社会生活产生有害的影响。一般包括外来生物入侵、重大生物灾害、转基因生物和生物武器等。

近几年, 农业转基因生物的安全性问题已成为国际社会普遍关注的热点和焦点, 它是与生物技术紧密相连、相伴而生的, 并随着生物技术的发展而动态变化。

由于无法预测将基因转入一个新的遗传背景中会产生什么样的作用,转基因作物及其产品的安全性问题一直是广泛争论的焦点。早在联合国于1992年公布的《生物多样性公约》条款中，就已明确提出转基因作物的潜在生态风险，要求制定或采取办法酌情管制、管理或控制由生物技术改变的活生物（LMO或GMO）在使用和释放时可能产生的危险，既可能对环境产生不利影响，从而影响到生物多样性的保护和持续利用，也要考虑到对人类健康的危险。最近，发生在国内的亨氏米粉风波、转基因水稻是否能走上餐桌等问题，再次引发舆论对转基因食品新一轮热烈讨论。

1、转基因作物的现状

1983年，世界第一例转基因植物——转基因烟草诞生,此后转基因技术广泛应用于农业领域方面的研究。1996年，转基因作物开始实现商品化种植且发展迅猛，全世界每年的种植面积均以两位数的百分比增长，据2005年农业生物技术应用国际服务组织（ISAAA）发布的年度报告，全球生物技术作物种植面积从已从当初的6国170万公顷，增加到2005年的21国9000万公顷，其中美国、阿根廷、加拿大及巴西4国的转基因作物的种植面积占全球的90%以上。仅4种主要的转基因作物（转基因大豆、玉米、棉花和油菜）的总市值就已攀升至52.5亿美元，预计今年将突破55亿美元。

在我国批准商业化种植的转基因植物只有棉花、野天牛花、番茄、甜椒，其中棉花规模最大，占全国棉花种植面积的60％以上，而后两种已经没有推广价值且许可证已经失效。此外，我国进口的转基因作物主要有大豆、玉米和油菜籽，据统计，去年仅大豆就进口了1500万吨，与我国自产的非转基因大豆数量相当，主要用做加工原料，生产豆油、豆腐、豆奶等制品，其中，转基因大豆色拉油的比例可能高达80%以上。

转基因作物的生态安全性

转基因作物的生态安全性问题，涉及转基因作物释放到田间去，是否会将基因转移到野生植物中,是否会造成原有的生态平衡破坏,改变物种间的竞争关系和生物多样性等。转基因作物所引起的生态安全性问题，已有部分在实验室水平得以证实或发生了实例：

转基因作物本身可能演变为农田杂草

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