生物工程的应用前景与展望样本

生物工程的应用前景与展望

当今,新的科学革命浪潮中引人注目的遗传工程(即生物工程)给许多领域带来飞跃发

展。例如癌症、高血压、遗传性疾病、老化等机理的阐明,胰岛素、生长激素、干扰素、酶

等徽生物工业产品产率的提高,赋予农作物以耐寒、高产等优良特性的育种等等,世界各国都予以重视,正积极研究开发。由于生物工程技术的迅速发展,迫使我们不得不对生物工程

的概念和应用发展有所认识和了解。本文对此试作详细讨论。伴随着生命科学的新突破, 现代生物技术已经广泛地应用于工业、农牧业、医药、环保等众多领域, 产生了巨大的经济和社会效益。食品方面

首先, 生物技术被用来提高生产效率, 从而提高食品产量。其次, 生物技术能够提高食品质量。例如, 以淀粉为原料采用固定化酶( 或含酶菌体) 生产高果糖浆来代替蔗糖, 这是食糖工业的一场革命。第三, 生物技术还用于开拓食品种类。利用生物技术生产单细胞蛋白为解决蛋白质缺乏问题提供了一条可行之路。当前, 全世界单细胞蛋白的产量已经超过3000万吨, 质量也有了重大突破, 从主要用作饲料发展到走上人们的餐桌。材料方面经过生物技术构建新型生物材料, 是现代新材料发展的重要途径之一。

首先, 生物技术使一些废弃的生物材料变废为宝。例如, 利用生物技术能够从虾、蟹等甲壳类动物的甲壳中获取甲壳素。甲壳

素是制造手术缝合线的极好材料, 它柔软, 可加速伤口愈合, 还可被人体吸收而免于拆线。

其次, 生物技术为大规模生产一些稀缺生物材料提供了可能。例如, 蜘蛛丝是一种特殊的蛋白质, 其强度大, 可塑性高, 可用于生产防弹背心、降落伞等用品。利用生物技术能够生产蛛丝蛋白, 得到与蜘蛛丝媲美的纤维。

第三, 利用生物技术可开发出新的材料类型。例如, 一些微生物能产出可降解的生物塑料, 避免了”白色污染”。

能源方面

生物技术一方面能提高不可再生能源的开采率, 另一方面能开发更多可再生能源。

首先, 生物技术提高了石油开采的效率。其次, 生物技术为新能源的利用开辟了道路。现代生物技术越来越多地运用于农业中, 使农业经济达到高产、高质、高效的目的。

农作物和花卉生产

生物技术应用于农作物和花卉生产的目标, 主要是提高产量、改良品质和获得抗逆植物。

首先, 生物技术既能提高作物产量, 还能快速繁殖。其次, 生物技术既能改良作物品质, 还能延缓植物的成熟, 从而延长了植物食品的保藏期。第三, 生物技术在培育抗逆作物中发挥了重要作用。例如, 用基因工程方法培育出的抗虫害作物, 不需施用农药, 既提高了种植的经济效益, 又保护了我们的环境。中国的转基因抗虫

棉品种, 1999年已经推广200多万亩, 创造了巨大的经济效益。畜禽生产利用生物技术以获得高产优质的畜禽产品和提高畜禽的抗病能力。首先, 生物技术不但能加快畜禽的繁殖和生长速度, 而且能改良畜禽的品质, 提供优质的肉、奶、蛋产品。其次, 生物技术能够培育抗病的畜禽品种, 减少饲养业的风险。如利用转基因的方法, 培育抗病动物, 能够大大减少牲畜瘟疫的发生, 保证牲畜健康, 也保证人类健康。农业新领域基因工程不但提高了农牧产品的产量和质量。

利用转基因植物生产疫苗是当前的一个研究热点。科研人员希望能用食用植物表示疫苗, 人们经过食用这些转基因植物就能达到接种疫苗的目的。当前已经在转基因烟草中表示出了乙型肝炎疫苗。利用转基因动物生产药用蛋白同样是当前的研究热点。科学家已经培育出多种转基因动物, 它们的乳腺能特异性地表示外源目的基因, 因此从它们产的奶中能获得所需的蛋白质药物, 由于这种转基因牛或羊吃的是草, 挤出的奶中含有珍贵的药用蛋白, 生产成本低, 能够获得巨额的经济效益。医药卫生领域是现代生物技术应用得最广泛、成绩最显著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域。疾病预防利用疫苗对人体进行主动免疫是预防传染性疾病的最有效手段之一。注射或口服疫苗能够激活体内的免疫系统, 产生专门针对病原体的特异性抗体。

20世纪70年代以后, 人们开始利用基因工程技术来生产疫苗。基因工程疫苗是将病原体的某种蛋白基因重组到细菌或真核细胞

内, 利用细菌或真核细胞来大量生产病原体的蛋白, 把这种蛋白作为疫苗。例如用基因工程制造乙肝疫苗用于乙型肝炎的预防。中国生产的基因工程乙肝疫苗, 主要采用酵母表示系统产生疫苗。疾病诊断生物技术的开发应用, 提供了新的诊断技术, 特别是单克隆抗体诊断试剂和DNA诊断技术的应用, 使许多疾病特别是肿瘤、传染病在早期就能得到准确诊断。图4-40是单克隆抗体的制备。单克隆抗体以它明显的优越性得到迅速的发展, 全世界研制成功的单克隆抗体有上万种, 主要用于临床诊断、治疗试剂、特异性杀伤肿瘤细胞等。有的单克隆抗体能与放射性同位素、毒素和化学药品联结在一起, 用于癌症治疗, 它准确地找到癌变部位, 杀死癌细胞, 有”生物导弹”、”肿瘤克星”之称。

DNA诊断技术是利用重组DNA技术, 直接从DNA水平作出人类遗传性疾病、肿瘤、传染性疾病等多种疾病的诊断。它具有专一性强、灵敏度高、操作简便等优点。

疾病治疗生物技术在疾病治疗方面主要包括提供药物、基因治疗和器官移植等方面。

利用基因工程能大量生产一些来源稀少价格昂贵的药物, 减轻患者的负担。这些珍贵药物包括生长抑素、胰岛素、干扰素等等。基因治疗是一种应用基因工程技术和分子遗传学原理对人类疾病进行治疗的新疗法。世界上第一例成功的基因治疗是对一位4岁的美国女孩进行的, 她由于体内缺乏腺苷脱氨酶而完全丧失免疫功能, 治疗前只能在无菌室生活, 否则会由于感染而死亡。经治疗,

这个女孩可进入普通小学上学。截至1997年6月, 全世界已批准的临床基因治疗方案有218项, 接受基因治疗和基因转移的患者总数已有2557名患者。

在 6月3日的"Cell"期刊上发表的罗伯特·温伯格等研究人员在乳腺癌侵袭性的研究取得了新成果:基因决定乳腺癌细胞命运。

1990年, 人类基因组计划在美国正式启动, 4月14日, 中美英日法德六国科学家宣布: 人类基因组序列图绘制成功。人类基因组计划的完成, 有助于人类认识许多遗传疾病以及癌症的致病机理, 将为基因治疗提供更多的理论依据。器官移植技术向异种移植方向发展, 即利用现代生物技术, 将人的基因转移到另一个物种上, 再将此物种的器官取出来置入人体, 代替人的生病的”零件”。另外, 还能够利用克隆技术, 制造出完全适合于人体的器官, 来替代人体”病危”的器官。污染监测现代生物技术建立了一类新的快速准确监测与评价环境的有效方法, 主要包括利用新的指示生物、利用核酸探针和利用生物传感器。

人们分别用细菌、原生动物、藻类、高等植物和鱼类等作为指示生物, 监测它们对环境的反应, 便能对环境质量作出评价。核酸探针技术的出现也为环境监测和评价提供了一条有效途径。例如, 用杆菌的核酸探针监测水环境中的大肠杆菌。

近年来, 生物传感器在环境监测中的应用发展很快。生物传感器是以微生物、细胞、酶、抗体等具有生物活性的物质作为污染物的识别元件, 具有成本低、易制作、使用方便、测定快速

等优点。

污染治理现代生物治理采用纯培养的微生物菌株来降解污染物。例如科学家利用基因工程技术, 将一种昆虫的耐DDT基因转移到细菌体内, 培育一种专门”吃”DDT的细菌, 大量培养, 放到土壤中, 土壤中的DDT就会被”吃”得一干二净。再例如科学家研制出一种耐污力强的生物菌种RhP, 放到污染的水中, 可在不消耗水体氧气的情况下, 迅速吸收消耗水体中的氮、磷、硫、碳等污染元素, 减少水体的富营养成份, 切断蓝藻生长的营养来源, 达到治理蓝藻的目的。

一、生物工程的甚本概念

广义上说,生物工程是应用生命现象为人类造福的科学技术,概括地说,是利用DNA重组技术,有目的、有计划、有定向地创造新的生物品种和类型。也有人称它为显微工程。生物工程是70年代初期才发展起来的一门新学科。主要是在分子生物学、分子遗传学和徽生物学基础理论研究基础上发展起来的。当今的生物工程己进入了新的综合性科学术技阶段。

二、生物工程的发展史

生物工程的发展并不是偶然的,而是整个遗传科学不断发展的合乎逻辑的必然结果。1953年watson和Criek经过x射线衍射法提出了DNA分子双螺旋空间结构的新看法,建文了”遗传密码”和”模板学说”,从而揭示了分子遗传学的序幕,使遗传学跃进到分子水平。随后,在人工分离基因、人工合成基因以及基因重组和表示分别取

得成功,又导致了现代遗传学中一个新的分子的出现,即遗传工程(或生物工程)。遗传学从整体水平到细胞水平,进而跃到分子水平,仅仅经厉了八十多年的时间,其进展速度是十分惊人的。70年代后期,中国很快地开始跟踪国际生物技术的发展,并开辟了有关的研究和开发工作。经过十几年的努力,中国的生物技术己有了一定的基础和相当的规模,并取得一定的成绩和成果,对社会和生产起了一定的影响。如,乙型肝炎病毒表面抗原基因工程疫苗、胰岛素、日一干扰素、人生长激素等基因工程研究己获得阶段成果。当前已有几种单克隆诊断试剂投入市场。

三、生物工程的其体技术及其相互关系生物工程的具体技术及其相互关系或基因操作(图见封四),一般是将某种生物细胞(供体细胞)的某个或某几个基因的DNA分子提取出来或人工合成,在体外借助于酶的作用,人工合成一个大分子的”嵌合体”,再经过质粒(质粒是一种存在于细菌中,如大肠杆菌中小而完整的DNA环),即运载体,将其携带到宿主细胞(受体细胞)中去,使转移的基因或外源DNA分子在宿主细胞中繁殖和遗传,以改变后者的遗传特性。因此这种生物工程实质上是分子水平的杂交。从图可见,生物工程的应用领域丰富多采;其中微生物起着巨大的作用。另外,动植物细胞本身的改造和利用也有发展前景。如何将生物工程应用于医疗卫生和医药工业是当前面临重要的研究课题,也是今后的发展方向。

四、基因组技术的研究

重组体DNA技术的发展,也就是基因”工程,,技术的发展,因此本