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  • 生物技术及其应用前景
  • 作者: 来源: 时间:2009-5-19 9:25:15 阅读次 【
  • 一、酶工程与发酵工程

    二、基因工程

    三、生物技术在农业方面的应用

    四、生物技术在医药方面的应用

    五、转基因动物及克隆动物

    六、能源与环保

    七、克隆人的伦理道德问题

     

     

    一、酶工程与发酵工程

    酶工程与发酵工程是生物技术中有着悠久历史的两门技术。近20年来,随着与生物技术相关的诸多基础理论和技术以及实验手段的发展,这两门传统的生物技术逐步走出被动、低效的状态,而发展成为主动、高效的当代生物技术,被列入到高技术领域。

    (一)酶工程

    酶工程就是利用酶的催化作用进行物质转化,生产人们所需产品的技术。

    催化剂即指能化学变化加速而翻身不变的物质。酶是一类具有特殊催化反应能力的蛋白质,它由生物体的活细胞产生。在生物体内进行的各种化学反应,几乎都需要在酶的催化下才能顺利地完成。我们每天吃的米饭、鸡蛋、肉类等的食物都必须在胃分泌的胃蛋白酶和胰脏分泌的淀粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶等的作用下,分解成葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和甘油等小分子,才能透过小肠壁,被组织吸收和利用;人体生长的时候,体内又会进行各种蛋白质、脂肪等的合成反应,这些合成反应也需要在酶的催化下完成。一旦酶的正常催化作用遭到干扰破坏,轻则会使生物体表现出某些症状,重则将危及生命。比如,在人体内有一种内酪氨酸酶,当它不能行使正常作用时,人就会得白化病。在人类中有一种半乳糖血症的遗传病,发病的原因是由于患者体内缺乏将半乳糖转化为葡萄糖的酶,造成患者血液中半乳糖含量急剧升高往往在婴儿期就死亡。

    酶工作技术的应用范围大致有:(1)对生物宝库中存在天然酶的开发和生产;(2)自然酶的分离纯化及鉴定技术;(3)酶的固定化技术(固定化酶和固定化细胞技术);(4)酶反应器的研制和应用;(5)与其它生物技术领域的交叉和渗透。其中固定化酶技术是酶工程的核心。

    在洗衣粉中加入一些酶可大大加强其去污能力,这是把酶催化剂作为一种添加剂加入到产品中去,促进了产品与作用对象的化学反应。但是对于像用葡萄糖生产果糖行业来说,需要用酶,而酶又不能留在产品中,否则会影响产品纯度。再说,成批的反应物中,加入的酶在反应结束后,没有被消耗掉,但却失去了再被利用的机会,这显然是一种浪费。若能够将酶固定起来,不仅能使其在常温、常压下行使专一的催化功能,而且由于酶密度提高,使催化效率更高、反应更易控制。固定着的酶不会跑到溶液里,与产物混合,这样酶便可反复使用,从而使产品成本降低。因此,固定化酶技术十分重要。酶的固定方法主要有:通过非特异性物理吸附法或生物物质的特异吸附作用将酶固定到载体表面,叫作吸附法;利用化学方法将载体活化,再与酶分子上的某些基因反应,形成共价的化学键,从而使酶分子结合到载体上,这种方法叫共价键合法,是广泛采用的制备固定化酶的方法。

    与固定化酶技术相配套的是酶生物反应器。一个安装有固定化酶材料的容器就是酶生物反应器,它是把反应物质变成产品的重要生产车间,葡萄糖溶液缓缓流进装有葡萄糖异构酶的生物反应器,出来的就是比原来溶液甜的多的新液体。

    酶工程对医药、医疗方面贡献巨大。现在,菠萝蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶、胃蛋白酶等十几种可以进行食物转化的酶都已进入食品和药物中,以解除许多有胃分泌功能障碍患者的痛苦,此外还有抗肿瘤的L-天冬酰胺酶、白喉毒素,用于治疗炎症的胰凝乳蛋白酶,降血压的激肽释放酶,溶解血凝块的尿激酶等。另外,新型青霉素产品及青霉素酶抑制剂等也都是酶工程在医药医疗领域的成功应用实例。

    (二)发酵工程

    现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包,而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物,生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料,在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。从广义上讲,发酵工程由三部分组成:是上游工程,发酵工程和下游工程。

    上游工程包括优良种株的选育,最适发酵条件(pH、温度、溶氧和营养组成)的确定,营养物的准备等。

    发酵工程主要指在最适发酵条件下,发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。这里要有严格的无菌生长环境,包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术;在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术;在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术;还有种子培养和生产培养的不同的工艺技术。此外,根据不同的需要,发酵工艺上还分类批量发酵:即一次投料发酵;流加批量发酵:即在一次投料发酵的基础上,流加一定量的营养,使细胞进一步的生长,或得到更多的代谢产物;连续发酵:不断地流加营养,并不断地取出发酵液。

    下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术:包括固液分离技术(离心分离,过滤分离,沉淀分离等工艺),细胞破壁技术(超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等),蛋白质纯化技术(沉淀法、色谱分离法和超滤法等),最后还有产品的包装处理技术(真空干燥和冰冻干事燥等)。

     

    二、基因工程

    基因工程是利用DNA重组技术进行生产或改造生物产品的技术。是将外源的或是人工合成的基因即DNA片段(目的基因)与适宜的载体DNA重组,然后将重组DNA转入宿主细胞或生物体内,以使其高效表达。

    1968年,沃纳钒⒍┦俊⒌つ岫内森斯博士和汉密尔肥访芩共┦康谝淮未哟蟪Ω司刑崛〕隽讼拗菩阅谇忻改芄辉贒NA上寻找特定的“切点”,认准后将DNA分子的双链交错地切断。他们于1978年获诺贝尔生理和医学奖。目前被发现的限制性内切酶已有500种以上。当一种限制性内切酶在一个特异性的碱基序列处切断DNA时,就可在切口处留下几个未配对的核苷酸,叫做粘性末端,另外一个用同种限制性内切酶切断的DNA片段也有粘性末端,这两个互补的粘性末端彼此结合就形成了生个重组DNA分子。

    现在科学家们已经利用限制性内切酶将胰岛素基因从人类细胞的染色体中切出,并将其插入到细菌的质粒DNA中,这样就在细菌自身的遗传物质中掺入了一个外源基因。随着细菌代谢活动的进行,胰岛素就会与细菌自身的蛋白质一起被合成,并贮存在菌体内。当这种带有胰岛素基因的细菌被大量培养时,人类胰岛素也可以不断地从这样的细菌中提取出来。现在,科学家们还利用重组脱氧核糖核酸DNA技术将一些有益的基因连接到细菌的质粒脱氧核糖核酸DNA上,再将这样的重组质粒导入到植物或动物体内,以期望培养出优良的动植物新品种。

    1、目的基因的获得

    目的基因——即人们所要获得某种蛋白质的基因。获得目的基因的方法有:

    ①从生物基因组中分离。一种办法是用“分子剪刀”剪切供体DNA分子,把它切成一些比基因略长的片段,然后再从中找出包含所需目的基因的DNA片段。到目前为止,人们用这种方法已分离出40种大肠杆菌蛋白质的基因和鸡的组蛋白基因等。

    ②逆转录合成。通常以RNA为模板,在逆转酶下合成DNA,称其为cDNA。③人工合成。如果某种蛋白质的基因是已知的。可以通过化学方法合成。

    2、目的基因的导入

    有了目的基因,还不能直接把目的基因送进受体细胞,因为目前存在于地球上的生物,无论是复杂的还是简单的,都是长期历史进化的产物,都是有保卫自身不受异种生物侵害和稳定地延续自己种族的本领。如果外来的DNA“单枪匹马”硬冯进受体细胞,受体细胞就会把它“消灭”。当外来的DNA这种不速之客进入大肠杆菌体内时,大肠杆菌内部的内切酶就毫不留情地使其“粉身碎骨”或“体无完肤”。在这种情况下,生物工程们就只好采用DNA重组技术。
    理想的基因运载工具是病毒、噬菌体和质粒。质粒能自由进出细菌细胞,当用“分子剪刀”把它切开,再给它安装上一段外来的DNA片段后,它依然如故地能自我复制。首先将目的基因与质粒经过内切酶进行“裁剪”,然后靠“连接酶”的作用,将目的基因和质粒(或病毒DNA)重新组合起来形成重组DNA。重组DNA就是在质粒(或病毒DNA)的“带领”下进入受体的过程叫“转化”,得到重组DNA的细胞叫“转化细胞”。

    ①直接导入法有电击、显微注射、直接吸收、基因枪等方法。

    (1)电击法:借助电击仪高压脉冲把目的基因打入宿主细胞。

    (2)显微注射法:利用微量注射器在显微镜下直接把目的基因注入宿主细胞。

    (3)直接吸收法:把目的基因和宿主细胞混在一起,让其吸收。

    (4)基因枪法:在金属微粒上涂一层目的基因,然后发射到宿主细胞中。

    ②间接导入法常用的载体是质粒、λ噬菌体、科斯质粒。

    (1)质粒是细菌染色体DNA以外的环状双链DNA分子,它能自我复制,也可整合到细胞染色体DNA中与其一起表达。质粒通常还含有标记基因,这可以从细胞的表型特征来识别。

    (2)λ噬菌体是一种细菌病毒,其环状双链DNA可以作为目的基因的载体。

    (3)科斯质粒是一种杂种质粒,含有质粒和λ噬菌体的部分顺序,很适合用作真核生物基因的载体。

    3、目的基因表达及表达产物分离

    目的基因进入宿主细胞后,可以与宿主细胞DNA整合在一起,并一起表达。表达后所产生的蛋白质可以用一般分离蛋白质的方法分离和纯化。

    把目的基因装在运载体上后,就看运载体能否将目的基因运到受体细胞了。这是基因工程的最后一步。一般情况下,转化成功率为百分之一。这样低的转化率实在难以满足遗传工程师们的要求。为此,遗传工程师们创造了在低温条件下用氯化钙处理受体细胞和增加重组DNA浓度的办法来提高转化率。采用氯化钙处理事,能增大受体细胞的细胞壁透性,从而使杂种DNA分子更容易进入。目的基因的导入过程是我们肉眼看不到的。因此,要知道导入是否成功,事先应找到特定的标志。例如我们用一种经过改造的抗四环素质粒PSC100作载体,将一种基因移入自身无抗性的大肠杆菌时,如果基因移入后,大肠杆菌不能被四环素杀死,说明导入成功了

     

    三、生物技术在农业方面的应用

    植物基因工程是指植物学领域的基因工程,其研究对象是植物。利用植物基因工程技术,改良作物蛋白质成分,提高作物中必需的氨基酸含量,培育抗病毒、抗虫害、抗除草剂的工程植株以及抗盐、抗旱等逆境植株,在当前农业生产中已显示出巨大的经济效益,并展示了植物基因工程在未来农业生产中的广阔前景。

    (一)品质育种

    高产作物:最早运用基因克隆技术的基因是植物种子、块茎等贮藏器官中的贮藏蛋白基因。菲律宾马尼拉的国际水稻研究所已经培育出超级水稻,1.5万斤/公倾。非洲培育出超级木薯增产10倍。我国袁隆平被誉为“杂交水稻之父”现在培育出的高光效水稻2.25万公斤/公倾。高光效玉米6万公斤/公倾。

    促进健康的食品:杜邦和孟山都公司即将推出多种可榨取有益心脏的食用油的大豆。两大公司还将联手推出味道更鲜美且更容易消化的强化大豆新品种。一般情况下,玉米、小麦、水稻等谷类蛋白中缺乏赖氨酸。现在已培育出高赖氨酸的玉米、小麦和水稻。

    生物改良新饲料:不久人们可以给家禽和奶牛喂食生物改良饲料,以便为人类提供更优良的蛋白质并帮助动物吸收磷。生物改良饲料可以产生两项效益,即既能降低饲料成本,又能减少动物粪便中磷含量,因而有益于保护生态环境。

    含抗疾病物质农作物:艾尔姆公司与其它公司合作,正在研究高含量抗癌物质的西红柿,以及可用于生产血红蛋白的玉米和大豆。杜邦公司正在研究如何使大豆含有异黄酮成分,人们食用这种大豆就可以防止心脏病发作。此外,内含疫苗的香蕉和马铃薯也正在加紧研究中。

    特种转基因棉花和玉米:孟山都公司正在采用生物工程技术改良棉花,以使其出产天然蓝色和黄褐色纤维用于纺织布料。杜邦公司开发的一种微生物,有助于在棉花中产生超高弹性聚酯纤维,而卡吉尔和道化学公司则计划从玉米中提取塑料。

    (二)抗性育种

    抗虫植物 从名为苏云金杆菌的细菌中提出引起鳞翅目昆虫神经中毒而死亡的σ内毒素基因,转入烟草、番茄和马玲薯中,这些转基因的植物杀虫效果良好。毒素基因还能稳定遗传,而毒素对人畜无害。

    抗病毒植物 日本人从苍蝇体内分离到一种抗菌性很强的蛋白质基因,并将这种基因转移到作物细胞中培养出抗病的烟草、白菜。番茄是世界性水果和蔬菜,全球产量巨大,但最大缺陷是不耐贮运,易腐烂。现已培育出耐贮运的转基因番茄。

    抗除草剂植物 方法一是将有除草作用的酶或蛋白质的基因转入植物,使其拷贝数增加,从而转基因植物中这种酶或蛋白质的量大大增加。如除草剂浓度不足以全部破坏植物体内的这种酶或蛋白,就不能杀死植物,而杂草则因为酶和蛋白被除草剂破坏而被杀死。方法二是转移一种酶的基因到植物中,草甘磷是一种光谱除草剂,人们在一种细菌突变中发现了抗草甘磷的基因。转基因植物能不被杀死。方法三是针对除草剂能识别酶上面的位点这一特点,用基因突变的方法使该位点上的相应氨基酸发生突变,但这种基因突变不损坏该酶的二级结构和酶保证功能,使除草剂不能识别这个位点。自1996年以来美国研究人员一直种植一种转基因改良棉花,这种棉花中含有一种从细菌中提取对棉铃虫和苞芽虫有致命危害的基因。

    抗盐碱作物 一种酵母中发现了一种抗盐碱基因。现在人们已经培育出抗盐碱的大麦、番茄和某些瓜类。

    抗旱作物 人们发现玉米中4种抗旱基因。可望通过基因工程培育出抗旱作物。美国人声称能把仙人掌的基因转入小麦玉米大豆中。

    抗寒作物 我国科学家发现生活在寒温带的“美洲拟鲽”的冷水鱼能抗冻蛋白。把这种基因注入番茄的花粉管,得到转基因抗寒番茄。实验表明,这种番茄幼苗比对照品种致死温度下降2℃,所需积温减少125℃。并表现出很强的抗晚霜能力。

    (三)固氮育种

    有些细菌具有固定游离氮的能力,特别是生长在豆科植物根部的根瘤菌能有效地将游离氮转变可被作物直接吸收利用的氮。20世纪50年代又发现了近百种固氮微生物,有蓝藻、绿藻、细菌和真菌。这些固氮生物是通过固氮酶完成的。人们正致力于把其基因转移到其它作物上去。并分离出一些有利于硝盐吸收和利用的基因,这将大大提高肥料的吸收和利用。

     

    四、生物技术在医药方面的应用

    1、生物工程药物

    生物工程药物就是利用生物工程技术制造的药物,是生物工程服务于社会的一类新产品。它和传统的化学药物以及从动、植物中提取药物的最大区别在于生产过程。通过基因工程或细胞工程培养出高产菌种或动、植物细胞株,称为“工程菌”或“工程细胞株”,再利用现代发酵技术大规模培养,从中提取出所需药物。

    人们利用基因工程可以生产天然稀有的医用活性多肽或蛋白质。例如,用于抗病毒、抗肿瘤的药物干扰素和白细胞介素等;用于治疗心血管系统疾病的药物有尿激酶原及组织型溶纤蛋白酶原激活因子等;用于防治传染病的有各种疫苗,如乙型肝炎疫苗、腹泻苗等;用于体内起调节作用的激素有胰岛素和其它生长激素等。自从1982年美国首次批准基因工程胰岛素上市以来,各国已有十多种基因工程医药产品先后获准上市,有更多的基因工程产品正在进行不同阶段的临床试验。基因工程制药产业已经初步形成。

    人们通过细胞工程可以生产医药用的单克隆抗体。利用淋巴细胞杂交瘤株,通过大量细胞培养,可制备出高度专一和生物学结构单一的单克隆抗体。它在生物和医学的基础研究、疾病的诊断、预防和治疗中成为有力工具。

    40年代初,青霉素的大规模液体深层发酵开创了现代发酵工程之先河。50年代,发酵产品种类迅速扩大。随着生物化学、基因工程和酶工程的发展,抗生素及其它微生物代谢药物的生产进入一个新阶段。利用微生物转化反应可以对化学方法难以合成的中间体进行合成,结合化学方法研制新的合成路线,从而生产活力更强的衍生物,例如更高效的抗肿瘤药物羟基喜树碱和前列腺素;通过基因诱变,使微生物产生新的合成途径,从而获得新的代谢产物,例如去甲基四环素等;利用微生物产生的酶,对药物进行化学修饰,例如多种半合成青霉素的生产。

    1977年美国加洲大学和国立医学中心将生长激素释放抑制因子基因与大肠杆菌pBB322质粒DNA实现了体外重组,并从10升这样大肠杆菌发酵液中提取到5mg这种激素。按常规需要50万只羊的脑才能提取。这是首次得到的基因工程药物。人们利用基因工程可以生产天然稀有的医用活性多肽或蛋白质。例如,用于抗病毒、抗肿瘤的药物干扰素和白细胞介素等;用于治疗心血管系统疾病的药物有尿激酶原及组织型溶纤蛋白酶原激活因子等;用于防治传染病的有各种疫苗,如乙型肝炎疫苗、腹泻苗等;用于体内起调节作用的激素有胰岛素和其它生长激素等。自从1982年美国首次批准基因工程胰岛素上市以来,各国已有十多种基因工程医药产品先后获准上市,如人生长激素、α-干扰素、人绒毛膜生长激素、促红细胞生成素、白细胞介素-2、凝血因子VII、抗胰蛋白酶、尿激酶等。有更多的基因工程产品正在进行不同阶段的临床试验。

    40年代初,青霉素的大规模液体深层发酵开创了现代发酵工程之先河。50年代,发酵产品种类迅速扩大。随着生物化学、基因工程和酶工程的发展,抗生素及其它微生物代谢药物的生产进入一个新阶段。利用微生物转化反应可以对化学方法难以合成的中间体进行合成,结合化学方法研制新的合成路线,从而生产活力更强的衍生物,例如更高效的抗肿瘤药物羟基喜树碱和前列腺素;通过基因诱变,使微生物产生新的合成途径,从而获得新的代谢产物,例如去甲基四环素等;利用微生物产生的酶,对药物进行化学修饰,例如多种半合成青霉素的生产。

    “生物导弹”是免疫导向药物的形象称呼,它由单克隆抗体与药物、酶或放射性同位素配合而成,因带有单克隆抗体而能自动导向,在生物体内与特定目标细胞或组织结合,并由其携带的药物产生治疗作用。生物导弹在核医学上,特别在人体扫描图技术和肿瘤定位方面已获得很大进展。例如,向病人血液中注射用示踪量放射性物质标记的单克隆抗体,抗体将携带放射活性物质通过全身血液渗透到所有组织。由于肿瘤细胞表面有特异性抗原可与单克隆抗体结合,因而这种抗体一放射性同位素结合物就不断积累在肿瘤上。应用常规核医学显示微仪器扫描病人身体,就可以在摄影底片上得到放射活性图像,放射活性密集的区域即肿瘤所在部位

    2、基因诊断和治疗

    基因治疗有体细胞基因治疗和生殖细胞基因治疗。虽然,体细胞基因治疗有基因补偿和反义技术等方法,但生殖细胞的基因治疗由于治疗难度大,涉及伦理问题,故还是一个禁区,尙无人涉足。

    体细胞基因治疗的基因补偿技术是用正常基因代替或修正缺陷基因。该技术用于单基因病的治疗往往很有效,而多基因疾病和获得性基因病由于本身发病机制复杂,难以调控,加上基因补偿技术的不完善,因此,该技术用于这两种基因病的治疗疗效甚微。

    体细胞基因治疗的反义技术包括反义寡核苷酸技术、反义RNA技术和核酶技术。前两者称为反义封闭。反义技术是通过对RNA剪接进行干预来实现修复RNA突变或纠正RNA剪接错误,使突变基因的正常功能得以部分恢复[2]。反义技术只修复基因的转录产物mRNA,不修复基因本身。它虽比较安全但不彻底。基因的功能在一定程度上得以矫正,但并未从根本上解决问题。病根未除,子代仍需反复治疗。在反义封闭的情况下,连RNA的突变也未修复,不仅子代,患者自己在反义药物消耗完后也需及时补充,需要反复治疗。

    人类的遗传病有2000种左右,染色体数目异常、染色体畸变、基因结构改变都可导致先天性遗传疾病。如镰刀型红细胞贫血症就是由于血红蛋白β-亚基第6位氨基酸密码突变引起的,苯丙酮酸尿症则是由于苯丙氨酸羟化酶基因缺失引起。遗传病很难治,如果在胚胎发育早期就诊断出,则可以采用人工流产的方法预防出生,或在出生后早期治疗。一般,基因突变会导致其限制性内切酶识别位点的丢失或新生。一种称为“限制酶酶解片段长度多态性分析”方法可以检测出突变的基因。对于那些基因顺序明确,致病基因突变点已知的遗传病,可采用一种“等位特异性寡核苷酸探针检测法”进行诊断。近年来发展的“聚合酶链反应”技术,也被用于诊断。基因治疗是目前医学上最热门的研究课题,1990年美国成功地为一位患重症联合免疫缺陷(腺苷脱氨酶缺陷)综合征的小女孩实施基因治疗,原来只能终生在无菌隔离条件下生存,现在回到了自然生活。近10年来,世界上已有近400基因治疗方案开始应用于临床,其中美国占了一半。由于起步时间短,基因治疗尚处于基础研究和临床试验阶段,为此,不少美国科学家对基因治疗看法是“需要回到实验室”。我国转基因治疗计划已列入高科“863”计划已取得成果。复旦大学在血友病基因治疗方面取得进展。

    肿瘤的基因治疗就是应用基因工程技术直接纠正肿瘤细胞基因的结构及功能缺陷以及直接杀伤或间接通过增强宿主对肿瘤的杀伤和防御能力来治疗肿瘤。肿瘤的基因治疗有众多的优点,它可以直接修正肿瘤细胞的突变基因结构,使治疗更有针对性,更少地影响正常脏器的功能,从而解决了传统治疗的不彻底、毒副作用大的缺点,同时,还能防止肿瘤的转移、复发,甚至可通过基因改造,完全杜绝肿瘤的发生,彻底克服癌症。

    2003年3月《新科学家》杂志报道,美国加州大学的研究小组成功地利用“涂”有PEG(聚乙烯乙二醇)高分子层的脂质体,将治疗基因递送到人体大脑。这是一项重大的突破和成就,因为过去的研究表明,病毒传递媒介“个头”太大,无法跨越“血-脑屏障”。这项新的研究成果将有望治疗帕金森氏病。2001年Collateral Therapeutics, Inc.在《Molecular Therapy》杂志上宣布其体内和体外临床前检验结果显示:以冠状动脉给药方式注入Collateral的腺病毒载体(Ad5型腺病毒)对雄性生殖细胞没有影响。这些发现进一步证实有关腺病毒载体引入体内后意外转移进入生殖细胞的潜在危险是不太可能的结论,即在很大程度上肯定了用腺病毒作基因治疗载体的安全性。

    目前基因治疗中使用较普遍的载体为病毒载体,包括逆转录病毒载体、单纯疱疹病毒载体、腺病毒载体等。携带目的基因的逆转录病毒载体进入靶细胞后在基因组的插入位置是随机的,由此可能带来不良后果,例如可能引起宿主细胞基因组插入突变、破坏细胞生长必需基因或抑癌基因、外源基因的整合造成宿主细胞染色体的重排、激活原癌基因等。逆转录病毒也可能引起特异的恶变性,如MOMLV与T淋巴细胞瘤有关,Friend小鼠白血病引起红白血病。此外,重组病毒颗粒可能偶然包装了包装细胞中的mRNA,如果它进入靶细胞并有效地逆转录并整合入靶细胞基因组,表达有害产物,将对靶细胞造成危害[4]。由于逆转录病毒载体存在上述一些弊端,因此最近有些学者提出用不同的非病毒性系统作基因转移载体之用,包括脂质体、DNA蛋白结合体、DNA蛋白质与缺陷病毒的结合体]。但是在所有上述技术中,有效的把基因导入细胞仍是主要难题。基因治疗载体安全性和有效性仍需进一步深入研究。

    作为“分子外科”的基因治疗毕竟目前仍处于发展阶段,其中还存在许多有待解决的问题,如:导入的靶向性、基因的稳定高效表达、导入基因的安全性、寻找合适的及安全的载体、基因治疗与社会伦理道德问题等等,都是当前基因治疗实践中所遇到的重大困难,还需要科研工作者们继续不懈地探索。事实上,这些难点都是目前肿瘤基因治疗研究的热点,并在不断出现新的进展。

    3、基因保键

    美国密歇根大学牙科学院研究员卢瑟福德及其同事将一片牙龈组织放在实验室中,让其生长出更多的细胞。然后将重组病毒刺入牙龈细胞,这种病毒携带有负责合成骨骼生长因子的基因。研究人员随后在手术用凝胶上播撒被处理过的牙龈细胞,并将其固定成适合于骨骼植部位的形状,然后将之移植。结果,细胞开始产生生长因子,这促使周围的骨头生长,甚至长出新的骨头。他们将白鼠的头盖骨去除了一大块,但白鼠在接受基因疗法后,一个月内头盖骨重新长好了。

     

    五、转基因动物及克隆动物

    1983年,美国首先进行转基因动物实验,把含有生长素基因是重组DNA转移到小鼠的受精卵中,结果培养出巨鼠。美国培养出生长快20%的转基因鲤鱼,澳大利亚培养出增产5%羊毛的转基因羊。早期的转基因药物是通过大肠杆菌生产的,分离纯化十分困难,所以极其昂贵。现在则希望从转基因动物的血液或奶中得到。1998年初,上海医学遗传研究所传出了震惊世界的消息:中国科学家已经获得5只转基因山羊。其中一只奶山羊的乳汁中,含有堪称血友病人救星的药物蛋白——有活性的人凝血因子。这是由中国工程院院士曾溢涛教授为首的科学家们经过艰辛探索获得的重大成果。同样令人振奋的是,由黄淑帏教授首创的转基因羊研制新路线,使人类用高新技术建造“动物药厂”的梦想出现了曙光。转基因羊的出世,在世界上引起的轰动,不下于克隆羊多利的出生。

    转基因动物就像一座天然原料加工厂,可以源源不断地提供人类所需要的宝贵产品。经动物体内自然加工的产品,可直接分泌到乳汁中,便于收集而不必像“杀鸡取卵”一样伤害动物本身,也不需要制造基因药物花费昂贵的投资的特殊设备。用转基因家畜生产1克药物蛋白质,所需成仅0.2-0.5美元。同800-5000美元相比,相差竟有千倍万倍之大。而且,它的产量之高,也出乎意料,科学家们测算,一只转基因羊提供的活性蛋白,相当于上海全年献血总量所含同蛋白质的总和。

    目前,世界上已有数十家转基因动物公司,重点研究通过动物乳汁生产贵重的药用蛋白质和营养药物,一些走在前面的公司已获得巨大的经济效益。荷兰一家公司用转基因牛生产乳铁蛋白,每年销售额达数亿美元;英国罗斯林研究所(即第一个研究出克降羊)用转基因羊生产可治疗肺肿的一种蛋白酶,每升羊奶可售6000美元。年销售额可望达到250亿美元。那时,因为饲养转基因动物,畜牧业的面貌将大变,成为具有高额利润的新型高科技产业。到21世纪,世界将遍布“动物药厂”。

    不过,这毕竟是10年、20年也可能是更长时间以后的事。因为,到目前为止,转基因动物的数量还是极为有限。自1982年第一只转基因动物(小老鼠)降世以来的十几年间,转基因动物的批量繁殖仍未实现。1989年至1996年间,用“显微注射受精卵移植胚胎的受孕率都很低,英国罗斯林研究所从2877只羊中才获得56只转基因羊;上海医学遗传研究所从119只羊获得5只。虽然成功率比罗斯林研究所提高不少,但仍处于实验阶段。

    不久前,美国俄勒冈地区灵长类动物园研究中心科学家宣布,已克隆出了第一只非人类的灵长类动物——猴子(名叫“泰特拉”的短尾猴)。

     

    六、能源与环保

    选育可大量生产能源化学物质的工程菌,开发生物来源的石油替代产品;选育可降解工业和生活废弃物的工程菌,用以处理垃圾,变废为宝;处理工业“三废”,石油泄漏等,解决环境污染问题。

    生物学家们正尝试运用生物技术开发出能够将植物中的纤维素降解进而转化为可以燃烧的酒精等新能源。自然界有取之不尽的植物纤维素资源,这项技术的突破有可能成为能源技术的新方向。

    美国科学家已用基因工程培育出了一种能同时降解四种烃类的“超级工程菌”。原先自然菌要用一年才能消化掉的海上浮油,这种细菌几个小时就能吃光,所以可以利用它来迅速消除因油轮失事造成的海洋各种污染。

    七、克隆人的伦理道德问题

    1. 特别关注:克隆研究能走多远?

    1997年2月,英国科学家宣布克隆羊多利在1996年7月诞生,这使得“克隆”这一专业名词几乎在一夜之间为大多数公众耳熟能详。而当它再与“人”字组合起来形成“克隆人”这一名词时,有的人开始兴奋,有的人则开始恐惧。

    被过度渲染的美好前景,被夸张描绘的恐怖情状,与科学、伦理、宗教、法律和社会等方面众说纷纭的观点纠缠在一起,使得更多的人对克隆技术的发展感到迷惑与茫然。克隆技术研究究竟能走多远?克隆技术在动物身上的研究和应用并没有太多的禁区,很多国家都在加快研究,以利用克隆技术培养家畜新品种、拯救濒危动物以及生产药物原料等。不过,当克隆技术涉及人类自身时,争论就大了很多。

    在16日于德国柏林闭幕的以“生物医学研究和生殖中的克隆技术”为题的研讨会上,多名各个领域内的克隆问题研究专家基本达成共识,将生殖性克隆人列入克隆技术发展的禁区,但对于医疗性克隆的研究,却依然争论不休。

    多利羊诞生至今已将近7年,羊、牛、猪、鼠、兔、猫乃至猴这种与人类特征最为相近的灵长类动物都陆续拥有了各自的克隆版本。但毫无疑问,克隆技术依然处于“萌芽状态”,人类要达到完全熟练掌握并安全利用克隆技术的目标,道路长远且曲折。

    培育出多利的英国苏格兰罗斯林研究所所长格里芬指出,迄今所有的动物克隆试验中,平均只有1%-2%的克隆胚胎可以成活。尽管随着技术的发展这一比例有望得到不断提高,但“鉴于物种的多样性,将非人类生物进行的克隆技术研究的成果应用到人类自身时,并不能确保安全”。

    虽然如此,但仅仅从技术上来说,不断积累的科研进步总有逼近克隆人成功的一天。人们对克隆人或许有一天降临人世而感到惴惴不安。确切地说,这是对滥用克隆技术可能给人类自身带来危害的恐惧。会议上,专家们围绕在克隆研究方面划分禁区的问题争论不休,其核心或许不是在克隆技术研究的过程中,做到哪一步就必须停止不前,而是在应用现在与今后的各种克隆技术研究成果时,哪里应该明确地标上“雷区”的牌子。

    正如德国教育和科研部部长布尔曼女士在会议开幕式上致辞所说,“目前对克隆技术不同的科研方法和目标的定义还不是很明确”,生殖性克隆研究与医疗性克隆研究之间的暧昧关系难以界定,恐怕才是专家们最为头疼的问题。以医治疾患为目的而对人类胚胎进行克隆,和以生殖为目的而使克隆胚胎最终成为一个降临人世的生命,两者之间隔着的不过是一张薄薄的纸而已。

    克隆人带来的诸如导致物种灭绝,历史人物复生等种种缘于无知的恐慌逐渐消退,至今悬而未决的伦理与道德等方面的冲击也难以构筑起阻止克隆人问世的路障。在这样的背景下,政治家们急切地盼望通过立法规范克隆技术的研究和发展。但即便是全球立法禁止克隆人研究,也难保没有偏执的“科学疯子”继续尝试。

    克隆技术不是第一项也不会是最后一项使人类陷入窘境的技术。人类进行的科学技术研究,归根结底是为了造福于人类。在科技发展的过程中,人类需要时刻修正科技发展的方向,修正科技成果应用的范围,使科技发展不偏离造福人类的初衷。

    2. 克隆人面临的尴尬

    科技发明,无论是一小步,还是一大步,都是改变人类的脚步。

    科技是人类智慧的凝结。火箭、人造卫星、原子弹、航天飞机、计算机、互联网……这些惊天动地的发明推动着人类文明的前进。当我们站在公元2003年的历史坐标上,面对着克隆人、人造子宫、芯片植入等生物医学技术成果的冲击,人类的社会伦理、道德、法律却遭遇着前所未有的尴尬与困惑。

    克隆人:我到底是谁? 1997年2月22日世界上第一头用体细胞克隆的绵羊“多利”在英国诞生。这一事件令全世界瞩目。此后,科学家们又先后克隆出牛、老鼠、山羊、猪、兔子和猫等6种动物。2002年12月27日,邪教组织雷尔教派成员、法国女科学家布瓦瑟利耶在美国佛罗里达州宣布世界首个克隆婴儿——名叫“夏娃”的克隆女婴已经于26日降临人世。这一惊人消息传出后,国际科学界、宗教界和各国政要、舆论纷纷表示质疑、强烈指责和忧虑。

    目前克隆女婴的真实性尚无有关的科学证据,但克隆人俨然已经来到的现实,让各国政府无法忽视采取应对措施的紧迫性。最近将克隆话题评为2002年最重要100条科技新闻榜首的美国著名科普杂志《发现》估计,目前全球可能有数十个实验室拥有克隆人的知识、设备和技能,虽然世界不想要克隆人,但名利的驱使将使更多的克隆人陆续出现。

    事实上,从克隆技术问世之日起,克隆人就一直是人们争论激烈的话题。克隆技术固然可以在抢救濒危珍稀物种、利用相同基因背景的动物进行医学研究等方面发挥重要作用,但克隆人对社会伦理道德的冲击,克隆技术本身的安全性,以及克隆人的生理与心理健康问题,都是人类以前从未面对的生物技术挑战。克隆技术一旦被滥用所导致的生态混乱,更是让人不寒而栗。

    从技术安全角度看,目前的克隆技术还存在许多缺陷,成功率很低,被克隆的后代常常出现死亡或畸形、癌症、早衰等多种身体异常状况。近年来,科学家们已经通过克隆鼠和其它动物证明,克隆动物存在着大量异常现象,如肥胖、肺炎、肝脏衰弱和夭折等。此外,由于与体细胞提供者的遗传基因完全相同,克隆人必然会继承前者的遗传病史。

    从伦理道德角度看,克隆人将对现有的家庭、婚姻、情感等社会基本准则带来根本性的冲击。即便克隆人发育正常,他(她)们与被复制者能否算是父母与子女的关系?还是拥有相同的身份定位,分享生活、荣誉、财产或共同承担犯罪过错?克隆人在现实生活中是否会被看作异类而遭受歧视?由于克隆导致人的非唯一性,生命的神圣感是否会消失?人类的伦理是否回陷入“感情的黑洞”?假如有一天,不等我们想清楚如此多的问题,克隆人已经涌入街头的人流,不知不觉地生活在你我身边,不知道我们的生活将会怎样……

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