1212 生物技术——生物技术——现代生命科学的革现代生命科学的革

命命12.1 生物技术定义、主要内容和发展概况12.2 基因工程12.3 蛋白质工程、发酵工程和细胞工程简介12.4 分子诊断和基因治疗12.5 克隆羊技术12.6 生物芯片技术12.7 生物技术的安全性和社会伦理问题

生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点，主要由于两方面的原因：

（ 1 ）二十世纪后叶，分子生物学领域一系列突破性成就，使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的变化；（ 2 ）建立在实验室研究基础上的生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财富。

生物技术将是未来经济发展的新动力第一次技术革命 工业革命 解放人的双手第二次技术革命 信息技术 扩展人的大脑第三次技术革命 生物技术 改造生命本身

生物技术的显著特点高技术（精细和密集的复杂技术）高投入（尤其是前期科研投入高）高利润

1982 年，国际合作与发展组织的定义为：生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术。

美国政府技术顾问委员会 (OAT) 的定义是：应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术，其还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术。

该定义强调了生物技术的商品属性。克隆羊“多莉”

12.1 生物技术定义、主要内容和发展概况 生物技术的定义

基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质（酶）工程此外还有基因诊断与基因治疗技术、克隆动物技术、生物芯片技术、生物材料技术、生物能源技术、利用生物降解环境中有毒有害化合物的技术

直接相关联的学科：分子生物学、微生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、化学工程学、医药学等。

对人类和社会生活各方面影响最大的生物技术领域：农业生物技术、医药生物技术、环境生物技术、海洋生物技术

生物技术的主要内容

基因工程是指在微观领域（分子水平）中，根据分子生物学和遗传学原理，设计并实施一项把一个生物体中有用的目的 DNA( 遗传信息 )转入另一个生物体中，使后者获得新的需要的遗传性状或表达所需要的产物，最终实现该技术的商业价值。

12.2 基因工程

基因工程与建筑工程基因工程与建筑工程

稀少珍贵的蛋白质药物

1982 年，美国食品与药物管理局批准了首例基因工程产品—人胰岛素投放市场——它标志了基因工程产品正式进入到商业化阶段。

人生长激素、表皮生长因子、肿瘤坏死因子、a- 干扰素、纤维素酶、抗血友病因子、红细胞生成素、尿激酶原、白细胞介素 -2 、集落刺激因子、乙肝疫苗等等

畜牧业中的应用

动物疫苗、生长激素等

例：从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物 tPA

种植业中的应用 用携带外源基因的农杆菌 Ti质粒转化植物原生质

体，使外源 DNA 与植物染色体 DNA整合，通过原生质体的培养分化成愈伤组织，最后发育成具有新性状的完整植株—转基因植物

种植业中的应用抗化学除草剂基因

转基因西红柿

固氮酶基因

人类 DNA

……

环境保护等等

“ 后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究，包括研究蛋白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作用。

蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动力学等结构与功能认识的基础上，对蛋白质人工改造与合成，最终获得商业化的产品。

12.3 蛋白质工程、发酵工程和细胞工程简介 蛋 白 质 工程

蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：（ 1 ）从生物体中分离纯化目的蛋白；（ 2 ）测定其氨基酸序列；（ 3 ）借助核磁共振和 X 射线晶体衍射等手段，尽可能地了解

蛋白质的二维重组和三维晶体结构 ;

蛋 白 质 工程

（ 4 ）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；

（ 5 ）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；

（ 6 ）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。

现代发酵工程主要指利用微现代发酵工程主要指利用微生物、包括利用生物、包括利用 DNADNA 重组技重组技术改造的微生物在全自动发术改造的微生物在全自动发酵罐或生物反应器中生产某酵罐或生物反应器中生产某种商品的技术。种商品的技术。

现代发酵工程是生物代谢、现代发酵工程是生物代谢、微生物生长动力学、大型发微生物生长动力学、大型发酵罐或生物反应器研制、化酵罐或生物反应器研制、化工原理等密切结合和应用的工原理等密切结合和应用的结果。结果。

发 酵 工程

一般发酵工程包括以下基本步骤：一般发酵工程包括以下基本步骤：（ 1 ）菌种选育；（ 2 ）细胞大规模培养即发酵过程；（ 3 ）生产活性的诱导；（ 4 ）菌体及产物的收获

发 酵 工程

发酵工程的产品范围非常广泛。发酵工程的产品范围非常广泛。从食品、药品、精细化工产品到许多工业用原料等等生物可降解塑料 PHB等

细胞工程是指通过细胞水平上的筛选或改造，获得有商业价值的细胞株或细胞系，再通过规模培养，获得特殊商品的技术与过程。

细胞工程包括动物细胞工程和植物细胞工程，它们分别以动物细胞和植物细胞为主要生产对象，以细胞培养为主要过程和内容。

细 胞 工程

动物细胞培养动物细胞培养

细 胞 工程

单细胞藻类培养单细胞藻类培养

细 胞 工程

一些单细胞低等植物如单细胞藻类的大规模培养成为细胞工程的重要组成部分

获得蛋白质资源、营养食品、精细化工产品等等

高等植物细胞培养高等植物细胞培养

细 胞 工程

高等植物细胞具有全能性。从高等植物的幼胚、根、茎、叶、花和果实等不同器官的组织中分离的单个细胞，经过特殊培养形成愈伤组织，并可进一步诱导生成完整的植株。

细胞融合、细胞重组、杂交瘤技术细胞融合、细胞重组、杂交瘤技术

细 胞 工程

细胞融合是将不同种类的两种细胞经过特殊处理后放在一起，在某些促融因子作用下发生融合，形成杂种细胞。

细胞重组是把不同种类的细胞的部件重新组合装配，包括核的移植、叶绿体移植、核糖体重建及线粒体装配等。

杂交瘤技术是通过细胞融合产生特异杂交瘤细胞。

12.4 分子诊断和基因治疗 分 子 诊断利用 PCR技术或PCR与分子杂交标记相结合，可以快速准确地检测出病原性物质。

分 子 诊断遗传性疾病的诊断遗传性疾病的诊断

羊水和胎盘绒毛膜检测

分 子 诊断例：镰状红细胞贫血症的检测例：镰状红细胞贫血症的检测 一种常染色体退化遗传病引起原因：基因的点突变，丢失了可被MstII或 Cvnl 切开的一个限制性内切酶位点。

正常：三条带正常：三条带患病：一条带患病：一条带子女子女 11 ：正常：正常子女子女 22 ：患病：患病子女子女 33 ：携带：携带者者

例：特异性互补寡核苷酸法检测镰状红细胞贫血症例：特异性互补寡核苷酸法检测镰状红细胞贫血症

（ 1 ）提取DNA ，热处理成为单链DNA ；（ 2 ）以单链 DNA 为模板，仅对可能发生突变的核苷酸区域设

计引物进行 PCR扩增后转移到滤膜上，热变性成单链；（ 3 ）分别用两种特异性互补寡核苷酸分子探针（ ASO ）杂交。

基 因 治疗 基因治疗即利用基因工程技术治疗人类遗传性疾病。

正常的人类基因可以克隆并引入遗传病患者的体细胞，以替代、修复或纠正有缺陷的基因。

通常使用一种反转录病毒作为基因治疗的转移系统，重组载体可以感染人的组织和细胞，但不自我复制。

例：重症综合性免疫缺乏症（例：重症综合性免疫缺乏症（ SCIDSCID））

1990年，转基因 T淋巴细胞注射到人体骨髓组织中治疗 SCID

12.5 克隆羊技术 1997 年 2月 23日 苏格兰 Roslin研究所 Wilmut和 Campbell 《 Nature 》杂志：世界首例来源于哺乳动物体细胞的克隆羊“多莉”问世

核移植，就是利用一个动物的体细胞的细胞核（供体核）来取代受精或未受精卵中的细胞核，形成一个重建的“合子”。

克隆原意是无性繁殖系。克隆动物就是不经过生殖细胞的受精过程而直接由体细胞获得新的动物个体，这个新个体是原核供体动物的拷贝。

277 次乳腺细 胞核移植实验；

获得 29个发育为8 细 胞 的 “胚” ；

13头代孕母亲； 1996 年 7月 5日，

羊羔 6LL3 ，被命名为“多莉”。

（ 1 ）既然绵羊的体细胞可以被成功地克隆成一个新的个体，是否意味着人类也可以克隆自己呢？

（ 2 ）是否应该允许进行克隆人的实验？

12.6 生物芯片技术

生物芯片又称 DNA 芯片或基因芯片，它们是 DNA杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。该技术系指将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的 DNA样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。

1996 年底，美国 Affymetrix 结合照相平板印刷、计算机、半导体、寡核苷酸合成、荧光标记、核酸探针分子杂交和激光共聚扫描等高新技术，研制创造了世界第一块 DNA 芯片。

生物芯片技术的一般原理

A. 用于微阵列芯片制作的点样仪。； B. 封装在卡盒中的微阵列芯片 ; C. 用于微阵列芯片荧光标记检测的激光共聚焦扫描器； D. 微阵列芯片的局部放大； E. 微阵列芯片上固定 DNA探针的示意图。图中蓝色的 DNA链是预先固定在芯片表面的捕获探针，红色的 DNA链是与捕获探针互补的靶 DNA 分子。

DNA 芯片可用于大规模筛查基因突变所引起的疾病； 分析基因组及发现新基因等具有很大的优势；

DNA 芯片技术用于基因组分析时，具有样品用量小、信息量大、分析方法简易快速、自动化程度高等多项优点，特别适合于寻找新基因、基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面。

医学、化学、新药开发、司法鉴定、农业技术和食品技术领域也具有广泛的应用；

生物芯片技术的主要应用

1998 年底，美国科学促进会将基因芯片技术列为 1998 年度自然科学领域十大进展之一。一些科学家把基因芯片称为“可以随身携带的微型实验室”。

12.7 生物技术的安全性和社会伦理问题

基因一旦被改动，一方面可能引起生物体内一系列未知的结构与功能的变化；另一方面，转基因操作对生物体的影响会通过遗传传递。

转基因技术的安全性问题

外源基因引入后，是否会影响其他重要的调节基因，甚至会外源基因引入后，是否会影响其他重要的调节基因，甚至会激活原癌基因？激活原癌基因？

转基因技术的广泛应用是否会导致难以消灭的新病原物出现？转基因技术的广泛应用是否会导致难以消灭的新病原物出现？ 是否会造成生态学灾难？是否会造成生态学灾难？ 人类摄食大量转基因食品是否会影响人类及其后代的健康？人类摄食大量转基因食品是否会影响人类及其后代的健康？

克隆人的伦理问题 在克隆阶段，如果有关胚胎发育的基因重新编排或启动不完全，对新生儿可能产生什么严重后果呢？

兄弟、姐妹、父母、子女？ 器官克隆和干细胞培养和分化器官，用于医学和临床治疗？

个人基因信息的隐私权问题人类基因信息利用的伦理、法律和社会影响计划，称之为 ELSI项目：

（ 1 ）在应用和解释基因信息时的隐私权和公正性；（ 2 ）基因信息由实验室研究向实际医疗应用的转化；（ 3 ）人类基因组计划参与者相互协调和成果发布；（ 4 ）公众与专业教育

基因治疗的应用问题 一个人有权决定另一个人的基因结构或未来命运吗？

万一这种基因操作失败了或者造成了将来才能发现的不可挽回的缺陷和后果，谁承当责任呢？

是否可以通过基因治疗操作来增加运动员的身高或短跑速度， 这与运动员服用兴奋剂有什么本质区别？

生物技术引发的其它问题

生物技术费用高，在自身健康上的贫富差距？ 涉及人类自身发展的重要生物技术的垄断？ 生物武器？ ……

生物技术是“应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术，其还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术”，通常包括基因工程、细胞工程、 发酵工程和蛋白质（酶）工程 4个方面内容。高技术、高投入、高利润是生物技术的显著特点。 以重组 DNA操作为核心技术的过程被称为基因工程。基因工程的发展带动和促进了蛋白质工程、发酵工程和细胞工程的发展，它们相互补充和相互渗透，形成了生物技术的上游与下游的关系。 分子诊断是利用分子生物学的手段如PCR、限制性酶切、克隆、核酸杂交等对多种疾病、特别是对遗传性疾病作出早期诊断的技术。利用基因工程技术来治疗人类遗传性疾病称为基因治疗。 克隆动物是不经过生殖细胞的受精过程而直接由体细胞获得新的动物个体。生物芯片又称 DNA 芯片或基因芯片，它们是 DNA 杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。 转基因技术的安全性问题、克隆人的伦理问题、个人基因信息的隐私权问题、等等都是当今人类面临的由生物技术引发的新问题。

本章摘要本章摘要