现代生命科学与人类的未来

现代生物技术与人类的生活

（田长恩、周玉萍拟订） （田长恩、周玉萍拟订）

提要

1现代生物技术革命

传统生物技术，现代生物技术的产生，现代生物技术与人类的生活

2现代生物技术的主要内容

基因工程，细胞工程，发酵工程，蛋白质和酶工程。

3生物技术新领域和新进展

生物技术新产品，国家鼓励的生物技术领域，生物技术新产品，国家鼓励的生物技术领域，基因组计划，国家鼓励的生物技术领域，基因组计划，疾病的分子诊断基因组计划，疾病的分子诊断技术和基因治疗技术，生物技术的安全性。 技术和基因治疗技术，生物技术的安全性。

1 

1现代生物技术革命 1.1概述 生物技术（Biotechnology)可上溯到古代的酿酒技术，与人类文明史一样源远流长。到20世纪70年代，随着DNA重组等分子技术的出现和发展，传统的生物技术发生了革命性的变化，并迅速进入了现代生物技术时代。生物技术发生了革命性的变化，并迅速进入了现代生物技术时代。生物技术与人并迅速进入了现代生物技术时代。生物技术与人类的生活、生存息息相关，发展生物技术的目的是让人类生活得更健康、更长寿。 1.1.1生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点• 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，成为领先学科。中的地位发生了革命性的变化，成为领先学科。建立在实验室研究基础上的，成为领先学科。建立在实验室研究基础上的，现建立在实验室研究基础上的，现代生物技术的发展，为人类带来了巨大的利益和财富。 1）生物技术将是未来经济发展的新动力第一次技术革命 第一次技术革命 工业革命 工业革命 解放人的双手 解放人的双手 第二次技术革命 第二次技术革命 信息技术 信息技术 第三次技术革命 第三次技术革命 生物技术 生物技术 扩展人的大脑 扩展人的大脑 改造生命本身 改造生命本身 2）生物技术将有利于人类与自然的和谐统一了解生物技术、发展生物技术、利用生物技术 1.1.2生物技术产业的特点 高技术、高投入、高利润、高风险 高技术、高投入、高利润、高风险 1.1.3生物技术可促进人类社会面临的重大挑战和问题的解决粮食短缺、人口膨胀、环境污染与生态平衡破坏、疾病危害 1.2现代生物技术的产生 1.2.1什么是生物技术? 1.2.1.1传统生物技术 传统生物技术主要是通过微生物的初级发酵来生产商品，包括传统生物技术主要是通过微生物的初级发酵来生产商品，包括3个步骤：上游处理、发酵和转化、下游处理。 游处理、发酵和转化、下游处理。 1.2.1.2现代生物技术 现代生物技术是以生命科学为基础，应用自然科学与工程学原理构建具有特定生物学性状的新品系或物种，并利用这些遗传改良的微生物、定生物学性状的新品系或物种，并利用这些遗传改良的微生物、动物、并利用这些遗传改良的微生物、动物、植物体作动物、植物体作 2 为反应器，将物料进行加工，提供诸如粮食、医药、化工原料、能源等产品，达到预防、诊断、治疗疾病和监测和治理环境的目的而服务社会的技术。 现代生物技术已逐步成为与分子生物学、微生物学、现代生物技术已逐步成为与分子生物学、微生物学、免疫学、微生物学、免疫学、生物化学、免疫学、生物化学、生生物化学、生物物理学、细胞生物学、医学、药学、农学、化学工程学、数学、计算机科学、微电子学等密切相关的综合性边缘学科。 微电子学等密切相关的综合性边缘学科。 现代生物技术的依据和出发点是生物有机体本身的各种机能，是各类生物在生长、发育与繁殖过程中进行物质合成、降解和转化的能力。 许多国家都将生物技术确定为增强国力和促进经济发展的关键技术之一。生物技术产业将是21世纪的支柱产业，生物技术是高新技术革命的核心内容，广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工食品、化工、能源、环境保护等领域，将促进传统产业的技术改造和新兴产业的形成，在解决人口、进传统产业的技术改造和新兴产业的形成，在解决人口、资源、在解决人口、资源、能源、资源、能源、食物和环能源、食物和环境等问题中将大显身手。 境等问题中将大显身手。 1.2.1.3传统生物技术与现代生物技术的区别现代生物技术是在基因水平上进行操作，改变已有的基因，现代生物技术是在基因水平上进行操作，改变已有的基因，改良甚至创造出新的物种，并利用它们生产所需要产品新的物种，并利用它们生产所需要产品, 即按照人们的意愿和需要创造全新的生物类型和生物机能为人类服务；传统生物技术只是利用自然界已有的生物或生物机能为人类服务。 机能为人类服务。 1.2.2现代生物技术的产生 1.2.2.1生物技术概念的提出 1917年，匈牙利工程师Karl ErekvKarl Erekv提出生物技术的名词，指用甜菜作为饲料进行大规模养猪，即利用生物将原材料转变为产品。 1.2.2.2传统生物技术的追溯 1.2.2.3初期出现的生物技术产品 1.2.2.4近代生物技术产品 1.2.2.5现代生物技术产品 1.2.2.6现代生物技术大事记 1.3现代生物技术与人类的生活 1.3.1现代生物技术对社会经济与技术发展的影响1.3.1.1现代生物技术与医药 1.3.1.2农业生物技术 3 1.3.1.3工业生物技术 1.3.1.4环保生物技术 1.3.1.5能源 1.3.1.6生物材料 生物技术与人类的生活和生存息息相关 1）改善农业生产，解决粮食短缺 ）改善农业生产，解决粮食短缺 2）保护身体健康，延长人类寿命 ）保护身体健康，延长人类寿命 3）解决能源危机，治理环境污染 ）解决能源危机，治理环境污染 4）制造工业原料，生产贵重产品 ）制造工业原料，生产贵重产品 4 2现代生物技术的主要内容 2.1基因工程 2.1.1概念 基因工程就是按照预先设计的生物改造蓝图，在分子水平上对基因进行“切割”和“粘接”，人为的用一种生物组织中的基因替换另一种生物组织中的基因，实现基因定向转移和重新组合，以达到定向改变生物遗传性状的目的。 2.1.2 在生物技术中的地位 基因工程在生物技术中站住龙头地位，是其他生物技术进步的源泉。基因工程在生物技术中站住龙头地位，是其他生物技术进步的源泉。转基因是其他生物技术进步的源泉。转基因生物有着广泛的应用：药物、农作物、动物、观赏动植物、微生物、基因治疗、环保、能源等等。 环保、能源等等。 2.1.3基本原理 绝大部分生物的遗传物质是DNA，或遗传时需要经过DNA；生命的语言：遗传密码的通用性；生命的基础物质——蛋白合成机制的相似性。 2.1.4基本技术 基因工程——在生物体上“施工”；基因工程是创造新生物，并给新生物特殊基因工程是创造新生物，并给新生物特殊功能的过程。 功能的过程。 基因工程（重组DNA操作通常）的步骤： 操作通常）的步骤： 第一步：获得的目的基因 第一步：获得的目的基因 第二步：在限制性内切酶和连接酶作用下与克隆载体相连接，形成新的重组在限制性内切酶和连接酶作用下与克隆载体相连接，形成新的重组DNA分子。 分子。 第三步：用重组DNA分子转化受体细胞，使之进入受体细胞并能够在受体细胞中复制和遗传。 细胞中复制和遗传。 第四步：对转化子（获得外源基因的受体细胞）进行筛选和鉴定。 第五步：对获得到的转基因细胞或生物体通过发酵、第五步：对获得到的转基因细胞或生物体通过发酵、细胞培养、对获得到的转基因细胞或生物体通过发酵、细胞培养、养殖或栽培细胞培养、养殖或栽培等，最终获得所需要的遗传性状或产物。 等，最终获得所需要的遗传性状或产物。 2.1.5需要的材料 目的基因、载体、宿主、剪切与连接工具、转基因的设备等。 2.1.6应用 制造稀少珍贵的蛋白质药物、转基因农作物、转基因动物、转基因微生物等。 5  细胞工程 2.2 细胞工程就是在细胞水平上利用生物、改良生物和创造新生物的技术。 根据细胞的类型，细胞工程又分为植物细胞工程和动物细胞工程两大类 。根据 。根据 操作内容可分为动植物细胞和组织培养、细胞核移植、操作内容可分为动植物细胞和组织培养、细胞核移植、动物胚胎分割、细胞核移植、动物胚胎分割、细胞动物胚胎分割、细胞融合等 融合等 。 2.2.1动物细胞培养 技术流程： 技术流程： 应用：利用动物细胞工程生产一些药品，如红细胞生成素、抗血友病因子、组织纤溶酶原激活物（tPA）等等 ）等等 2.2.2单细胞藻类培养 2.2.3细胞融合、细胞重组、杂交瘤技术2.2.4动物克隆技术 核移植，就是利用一个动物的体细胞的细胞核核移植，就是利用一个动物的体细胞的细胞核（供体核）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（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。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。 多利的诞生：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”。多利的诞生显示了用生物技术复制与母体完全一样的个体的可能性。 克隆羊的意义—— 克隆羊的意义—— 理论意义：证明已分化的高等动物的体细胞仍然具有潜在的遗传表达全能性，也证明了用现代生物技术复制或克隆高等动物甚至人类的可能性。 实践意义： 实践意义： 克隆人的技术路线 克隆人的技术路线 2.1.5高等植物细胞工程 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，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。 生成完整的植株。 6 2.3发酵工程 发酵工程指利用微生物大规模生产商业产品。现代发酵工程的主体即为利用微生物，特别是用经DNA重组技术改造过的微生物来大规模生产商业产品。 发酵工程是目前生物技术在工业生产中应用最广的。 大规模发酵与产物纯化是一个连续的过程。具体步骤：大规模发酵与产物纯化是一个连续的过程。具体步骤：配培养基、具体步骤：配培养基、灭菌、配培养基、灭菌、一灭菌、一级种子培养、二级种子培养、上大罐培养、产物分离与纯化。 发酵工程的应用：食品、药品、精细化工产品、工业用原料、生物降解塑料 2.4蛋白质工程 蛋白质工程是指在通过研究获取关于蛋白质物理、化学等各方面的信息的基础上，对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造，并通过基因工程等手段将其对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造，并通过基因工程等手段将其进行表达、分离纯化和实际应用。进行表达、分离纯化和实际应用。包括克隆蛋白质和工程改造蛋白质。分离纯化和实际应用。包括克隆蛋白质和工程改造蛋白质。其根本内包括克隆蛋白质和工程改造蛋白质。其根本内涵是基因工程。 涵是基因工程。 2.5酶工程 酶工程是指从应用的目的出发研究酶，在一定生物反应装置中利用酶的催化性质，将相应原料转化成有用物质的技术。主要指自然酶制剂在工业上的大规模将相应原料转化成有用物质的技术。主要指自然酶制剂在工业上的大规模应用，包括：酶的生产、分离纯化、固定化和生物反应器。限制酶应用的瓶颈：稳定性、分离纯化工艺复杂、成本较高。酶工程分为： ①化学酶工程指自然酶、化学修饰酶、固定化酶及化学人工酶的研究和应用； ②生物酶工程：克隆酶、②生物酶工程：克隆酶、突变酶、克隆酶、突变酶、自然界没有的新酶。突变酶、自然界没有的新酶。其根本内涵是基因工自然界没有的新酶。其根本内涵是基因工程。 程。 酶制剂产业状况 酶制剂的产品结构 酶制剂的应用 7 3生物技术新领域和新进展 3.1生物技术新产品目录 生物技术药品、食品生物技术及产品、新能源与高效节能、优良动植物新品种、家畜良种胚胎生物工程产品、品种、家畜良种胚胎生物工程产品、生物农药及生物防治产品、家畜良种胚胎生物工程产品、生物农药及生物防治产品、新型诊断试剂与生物农药及生物防治产品、新型诊断试剂与生物疫苗、新型肥料、新型高效饲料及添加剂。 3.2国家鼓励研发的生物技术领域 农林牧渔、医药卫生、轻工、其它。 农林牧渔、医药卫生、轻工、其它。 3.3基因组计划 就是对一个生物的全部遗传物质的组成进行序列测定。 3.4分子诊断技术和基因治疗 分子诊断、基因治疗、DNA亲子鉴定、基因身份证等。 3.5现代生物技术的安全性 任何事物都是一把“双刃剑”,都有正、负两个方面，生物技术就像原子能一样。在看到生物技术美好未来的同时，也要清醒地认识到其可能对人类造成的在看到生物技术美好未来的同时，也要清醒地认识到其可能对人类造成的潜在威胁。生物技术能制造出种类繁多的生物武器、生化武器、基因武器。 3.5.1 生物武器 生物武器的种类细菌: 炭疽, 鼠疫菌, 霍乱, 伤寒病毒: 天花病毒, 动物痘病毒基因重组技术制造全新的致病菌:重组蜡状鼠痘病毒杆菌, 重组流感病毒, 新型神经毒剂: 如肉毒杆菌毒素 8 生物武器的防御手段：

防毒面具、净化剂、疫苗、抗生素、侦察手段等 防毒面具、净化剂、疫苗、抗生素、侦察手段等 3.5.2生物安全的内容

基因工程引发的争论

Pusztai事件、StarLink玉米事件、帝王蝶事件、生态灾难、转基因生物回归大自然的风险、对人类的危害等 大自然的风险、对人类的危害等

关于生物安全性的一些共识

1）转基因作物具有显著的经济效益，但存在潜在的生态风险。

2）转基因食品的安全性不比固有的传统食品的安全性低，迄今未见转基因食品危害人类健康的实质性报道。 食品危害人类健康的实质性报道。

3）转基因微生物生产的重组药物上市以来，同样没有造成健康和环境危害的报道；研究者也未发现释放到环境中的充足微生物造成了不良影响。 3.5.3现代生物技术对社会伦理道德的影响

伦理问题 伦理问题 1）克隆人问题 ）克隆人问题 2）基因治疗问题 ）基因治疗问题 3）器官移植问题 ）器官移植问题 3.6生命科学的未解之谜

9