生物技术

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生物技术(biotechnology),有时也称生物工程,是指人们以现代生命科学为基础,结合其他基础科学的科学原理,采用先进的科学技术手段,按照预先的设计改造生物体或加工生物原料,为人类生产出所需产品或达到某种目的。

因此,生物技术是一门新兴的,综合性的学科。  

目录

业务培养要求

本专业学生主要学习生物技术方面的基本理论、基本知识,受到应用基础研究和技术开发方面的科学思维和科学实验训练,具有较好的科学素养及初步的教学、研究、开发与管理的基本能力。

生物技术是现代生物学发展及其与相关学科交差融和的产物,其核心是以DNA重组技术为中心的基因工程,还包括微生物工程、生化工程、细胞工程及生物制品等领域。培养掌握现代生物学和生物技术的基本理论、基本知识和基本技能,获得应用基础研究和科技开发研究的初步训练,具有良好的科学素质、较强的创新意识和实践能力的生物技术高级专门人才。

生物技术专业培养具有生态学知识,能在科研机构、高等学校、企事业单位及行政管理部门从事生态环境保护与管理等工作的高级专门人才。

生物技术毕业生应获得以下几方面的知识和能力:

1.掌握数学、物理化学等方面的基本理论和基本知识;

2.掌握基础生物学、生物化学、分子生物学、微生物学、基因工程、发酵工程及细胞工程等方面的基本理论、基本知识和基本实验技能,以及生物技术及其产品开发的基本原理和基本方法;

3.了解相近专业的一般原理和知识;

4.熟悉国家生物技术产业政策、知识产权及生物工程安全条例等有关政策和法规;

5.了解生物技术的理论前沿、应用前景和最新发展动态,以及生物技术产业发展状况;

6.掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法;具有一定的实验设计,创造实验条件,归纳、整理、分析实验结果,撰写论文,参与学术交流的能力。  

主干学科

生物学,化学  

主要课程

微生物学、细胞生物学、遗传学、动物学、植物学、生态学、行为学、植物生理学、动物生理学、生物进化、生物化学、分子生物学、基因工程、细胞工程、微生物工程、生化工程、生物工程下游技术、发酵工程设备等。

主要实践性教学环节:包括教学实习、生产实习和毕业论文(设计等,一般安排10-20周。  

修业年限

四年

医学生物技术:五年  

授予学位

理学学士

近些年来,以基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程为代表的现代生物技术发展迅猛,并日益影响和改变着人们的生产和生活方式。所谓生物技术(Biotechnology)是指“用活的生物体(或生物体的物质)来改进产品、改良植物和动物,或为特殊用途而培养微生物的技术”。生物工程则是生物技术的统称,是指运用生物化学、分子生物学、微生物学、遗传学等原理与生化工程相结合,来改造或重新创造设计细胞的遗传物质、培育出新品种,以工业规模利用现有生物体系,以生物化学过程来制造工业产品。简言之,就是将活的生物体、生命体系或生命过程产业化的过程。生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、生物电子工程、生物反应器灭菌技术以及新兴的蛋白质工程等,其中,基因工程是现代生物工程的核心。基因工程(或称遗传工程基因重组技术)就是将不同生物的基因在体外剪切组合,并和载体(质粒噬菌体病毒)的DNA连接,然后转入微生物或细胞内,进行克隆,并使转入的基因在细胞或微生物内表达,产生所需要的蛋白质。

目前,有60%以上的生物技术成果集中应用于医药产业,用以开发特色新药或对传统医药进行改良,由此引起了医药产业的重大变革,生物制药也得以迅速发展。生物制药就是把生物工程技术应用到药物制造领域的过程,其中最为主要的是基因工程方法。即利用克隆技术和组织培养技术,对DNA进行切割、插入、连接和重组,从而获得生物医药制品。生物药品是以微生物、寄生虫动物毒素、生物组织为起始材料,采用生物学工艺或分离纯化技术制备,并以生物学技术和分析技术控制中间产物和成品质量而制成的生物活化制剂,包括菌苗疫苗毒素类毒素血清血液制品免疫制剂、细胞因子抗原单克隆抗体及基因工程产品(DNA重组产品、体外诊断试剂)等。目前,人类已研制开发并进入临床应用阶段的生物药品,根据其用途不同可分为三大类:基因工程药物、生物疫苗和生物诊断试剂。这些产品在诊断、预防、控制乃至消灭传染病,保护人类健康中,发挥着越来越重要的作用。  

生物技术与信息技术的关系

生物技术与信息技术的关系

生物技术(Biotechnology)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。信息技术(information science)是研究信息的获取、传输和处理的技术,由计算机技术、通信技术、微电子技术结合而成,即是利用计算机进行信息处理,利用现代电子通信技术从事信息采集、存储、加工、利用以及相关产品制造、技术开发、信息服务的新学科。信息技术和生物技术都是高新技术,二者在新经济中并非此消彼长的关系,而是相辅相成,共同推进21世纪经济的快速发展。

1.生物技术的发展需要信息技术支撑

(1)信息技术为生物技术的发展提供强有力的计算工具。在现代生物技术发展过程中,计算机与高性能的计算技术发挥了巨大的推动作用。在赛莱拉基因研究公司、英国Sanger

中心、美国怀特海德研究院、美国国家卫生研究院和中国科学院遗传所人类基因组中心联合绘制的人类基因组草图的发布中,美国多家研究机构特别强调正是信息技术厂商提供的高性能计算技术使这一切成为可能。同样,在被称为“生命科学阿波罗登月计划”的人类基因草图的诞生过程中,康柏公司的Alpha服务器也为研究人员提供了出色的计算动力。业界分析人士称,在这场激烈的基因解码竞赛背后隐含的是一场超级计算能力的竞赛,同时,这次竞赛有助于大众对超级计算机的超强能力形成普遍认知。在此之前,这些造价至少在数百万美元以上可以超高速运转的机器一直默默无闻,他们被用于控制核反应堆、预报天气或是与世界级国际象棋大师同台对弈。如今,人们越来越清醒地认识到,超级计算机在创造新品种的药物、治愈疾病以及最终使我们能够修复人类基因缺陷等方面是至关重要的,高性能计算可以为人类作出更大的贡献。

赛莱拉公司执行总裁在接受《今日美国》的采访时说:“将人类基因密码以线型方式组合起来,这还是人类有史以来的第一次。”赛莱拉公司要将32亿个碱基对按照正确顺序加以排列,在曾经尝试过的大规模计算中,这次挑战是最为严峻的一次。为了完成这次历史性课题所需的数量极为庞大的数据处理工作,赛莱拉公司动用了700台互联的Alpha64位处理器,运算能力达到每秒1.3万亿次浮点运算。同时,赛莱拉公司还采用了康柏的Storage Works系统,用以完成对一个空间为50TB且以每年IOTB速度增长的数据库管理工作.康柏电脑公司董事会主席曾在一次演讲上说道:“如今,我们很难将生物技术的进步与高性能计算领域的发展割裂开来。实际上,许多一流的科学家都相信,高性能计算是生物和医药的未来。今后,越来越多的具有强大功能的计算机和软件将会被用来搜集、存储、分析、模拟和发布信息。

信息技术还有助于加强生物技术领域的各种数据库管理、信息传递、检索和资源共享等。另一个仅次于基因排序器、在生物技术领域引起关注的硬件是基因芯片,它的研制也非常依赖于信息技术。在显微镜载片或硅片等基片上把基因片段排列、固定,这就是基因芯片。把这个芯片上的基因片段和检体的基因片段放到基因芯片读出器(也是一种破译装置)上,就能迅速比较和破译检体信息。 基因排序器是从零入手破译检体的遗传信息的装置,而基因芯片和其读出器则是与已经有的遗传信息相对照破译信息的装置。 在这个领域,美国的企业比较有名,但日本企业也在同美国企业合作的同时,积极参与这个领域的开发。

(2)生物技术发展需要特定软件技术的支持。生物技术及其产业的发展对于生物技术类软件的需求将进一步增加,软件技术将成为支撑生物技术及其产业发展的关键力量之一。在生物技术各领域中均需要相应的专业软件来支撑:1) 各类生物技术数据库的构建需要性能优良、更新换代迅速的软件技术;2) 核酸低级结构分析、引物设计、质粒绘图、序列分析、蛋白质低级结构分析、生化反应模拟等等也需要相应的软件及其技术支撑;3) 加强生物安全管理与生物信息安全管理也离不开软件及其技术发展的支持。

2.生物技术为信息技术发展开辟了新的道路

(1)生物技术推动超级计算机产业的发展。随着人类基因组计划各项任务的完成,有关核酸、蛋白质的序列和结构数据呈指数增长。面对如此巨大而复杂的数据,只有运用计算机进行数据管理、控制误差、加速分析过程,使得人类最终能够从中受益。然而要完成这些过程,并非一般的计算机力所能及,而需要具有超级计算能力的计算机。因此,生物技术的发展将对信息技术提出更高的需求,从而推动信息产业的发展。比较有说服力的例子是,2002年11月22日出版的《自然》杂志上,以色列科学家宣布研制出一种由dna分子和酶分子构成的微型“生物计算机”,一万亿个这样的计算机仅一滴水那样大,运算速度达到每秒10亿次,准确率为99.8%。当然像所有的新技术一样,有的科学家表示怀疑。他们认为,这种试管里的计算机存在致命的缺陷,因为生化反应本身存在一定的随机性,这种运算的结果可能不完全精确;而且,参与运算的dna分子之间的不能像传统计算机一样通信,只能“各自为战”,不足以处理一些大型计算。

欧美各国及日本相继成立了生物信息数据中心,美国有国家生物技术信息中心(ncbi)、英国有欧洲生物信息研究所(ebi)、日本有70余家制药、生物及高技术公司组成的“生物产业信息化共同体”等。而戈德曼-萨克斯财团2001年的一份报告显示,美国国际商用机器公司(ibm)、sun、康伯和摩托罗拉等公司每家已至少与生物技术公司和调研公司达成12项合作意向,共有140多项合作协议,合作内容涉及到各种技术领域,包括基因芯片,用计算机模拟药效等。

(2)生物技术将从根本上突破计算机的物理极限。目前使用的计算机是以硅芯片为基础,由于受到物理空间的限制、面临耗能和散热等问题,将不可避免地遭遇发展极限,要取得大的突破,需要依赖于新材料的革新。2000年国加利福尼亚大学洛杉矶分校的科学家根据生物大分子在不同状态下可产生有和无信息的特性,研制出分子开关(molecular switches)。2001年世界首台可自动运行的DNA计算机问世,并被评为当年世界十大科技进展。2002年,DNA计算机研究领域的先驱阿德勒曼教授利用简单的DNA计算机,在实验中为一个有24个变量、100万种可能结果的数学难题找到了答案,DNA计算机的研制迈出了重要一步。

信息产业和生物产业无疑都是高科技的产物,在生命科学的研究中,始终不能缺少计算机的工作,如果到基因组测序的研究所去看一看,大量的以超级计算机为基础的测序仪,会使你误以为到了一家信息技术公司。生物产业因计算机的加盟而提速,信息技术产业也因生命科学的需要而得以发展、获利。运用数学、计算机科学和生物学的各种工具,来阐明和理解大量基因组研究获得数据中所包含的生物学意义,生物学和信息学交叉、结合,从而形成了一个的学科。生物信息学或信息生物学,它的进步所带来的效益是不可估量的。美国已经出现了大批基于生物信息学的公司,希冀在基因工程药物、生物芯片、代谢工程等领域掘出财富,生物信息学工业潜力巨大。可以说,生物科技(生物技术)与信息科技(信息技术)的融合,才是世界经济市场的未来。在深圳举行的第三届中国国际高新技术成果交易会高新技术论坛上,中国工程院副院长侯云德院士指出,应该把生物技术产业定位为仅次于信息产业的重点产业。他说,信息和生物技术是关系到我国新世纪经济发展和国家命运的关键技术,并将成为我国创新产业的经济增长点。  

生物技术及应用专业

很多人认为,2000年是生物技术产业投资年。人类基因测序的完成和公布,是科学史上的又一个里程碑,它令很多投盗者为之神魂颠倒。2000年国的生物技术产业股票市场新增300亿美元,这一数值大大超过前5年该产业股市投资的总和,生物技术的股票与其它科技行业股票异常高涨。很多迹象表明,生物技术产业虽然历史不到30年,但正步入成熟期

美国经济处于衰退中的2001年,生物技术产业仍吸收了150亿美元的投资,这是该产业历史上第二大的投资年。投资者认为,生物技术公司,特别是那些专攻新药的生物技术公司和其合作的制药公司,在未来的5年中,将推出数百种一类新药。生物技术在基因科学、蛋白质学、生物信息学、计算机辅助药物设计、DNA生物芯片和药物基因学等领域中的突破,使对疾病的攻克进入分子水平。很多投资者认为,用生物技术方法开发新药将得到回报。

根据美国生物技术产业组织(BIO)的统计,1982—2000年间,大约有120个生物药进入市场;2001年有300个药正在进行最后阶段的临床试验。根据过去的经验,到2007年,美国食品与药物管理局(FDA)大约要批准其中的240个药进入市场,从而使市场上的生物技术药翻2倍。大多数生物技术新药是用于治疗心脏病癌症糖尿病和传染病的一类新药。

生物技术的显著应用不仅在健康行业,生物技术在其它产业中的研发投入也十分突出。依靠生物技术,农业上用更少的土地生产更多的健康食品;制造业可以减少环境污染、节省能耗;工业可以利用再生资源生产原料,以保护环境。

生物技术产业的成熟除了体现在产品开发方面外,另一个主要标志是行业的现金储量。2000年由于生物技术产业在社会上筹集了大量资本,大多数生物技术企业在2001年的资金情况很好。根据Ernst & Young’s 2001年生物技术报告,美国上市的340家生物技术公司中,超过半数的公司现金储量可维持三年以上的运行,这为该行业今后的快速发展奠定了良好基础。

生物技术产业成熟的另一个标志是合并化。资金雄厚的生物技术企业,如基因公司,正在兼并其它辅助性技术公司,从而形成综合性的生物制药公司,能够开发、生产和销售自己的产品。这种兼并活动,不仅增加企业的产品种类和收入,同时也有助于提高整个行业的竞争力。

生物技术产业是新经济的主要推动力。尽管最近生物技术产业的股值也缩水很大,但其过去所得多于现在所失。在过去的一年中,纳斯达克生物技术指数下降了20%,但与前三年相比,该指数的增长仍接近100%。在目前的熊市状态下,该指数的表现优于纳斯达克综合指数和道琼工业指数。很多分析家认为,2002年生物和医药股将表现平平但健康发展,在今后的12至24个月中,生物股将再次起飞,新的生物技术产品将开始进入市场。

美国很多州政府支持生物技术产业的发展,陆续推出了不少经济发展计划以吸引生物技术企业。例如,密西根州是美国十大生物技术州之一,州政府承诺要在生物技术产业领域进入全美前5名,拟投入10亿美元,建成密西根生命科学走廊。目前该走廊已有300多家生物公司。

从基因到药

在21世纪的第一年,科学家们完成了人类基因的测序。这一成就对生物技术产业发展影响将是难以估量的。在探索人类基因的奥秘过程,发现一些新的药物,成为生物技术关注的热点。

2001年5月,FDA批准诺华公司开发的Gleevec上市,这是一种治疗慢性白血病的良药。这是依据癌细胞活动机理而设计开发的第一种抗癌新药。传统抗癌药在治疗过程中,同时会影响到正常细胞,对病人产生很大的副作用,而Gleevec仅杀灭基因变异的癌细胞。最新研究表明,Gleevec对血液癌症和肿瘤都有效,它可能成为一种广谱的抗癌新药。

治疗癌症的另外一类生物技术药是单克隆抗体。这类抗体的目标是与癌细胞有关一些特定分子。自1980年以来,单克隆抗体魔术般的效果引起众多医药公司的关注。经过十多年的研究,单克隆抗体作为抗癌新药初步得以实现。目前,很多药厂正在开发单克隆抗体,其应用从抗癌扩展到其它疾病治疗方面,到2000年,FDA批准了9个单克隆抗体,另外60多个产品正在进行临床试验。

在抗癌方面,单克隆抗体的作用如同人体自身免疫系统,但大多数情况下,人体自身免疫系统不会将癌细胞作为有害细胞而进行阻止,使癌细胞在体内繁殖,危害人体生命。

单克隆抗体的作用是瞄准癌细胞,将癌细胞消灭或启动体内免疫系统对癌细胞进行攻击。单克隆抗体也可成为一种“聪明炸弹”,携带放射性或化学介质,选择癌细胞进行攻击。

1997年FDA批准第一个单克隆抗体Rituxin,用于治疗非何杰金氏淋巴,1998年另一种单克隆抗体Herceptin上市,用于治疗乳腺癌

Herceptin由美国基因技术公司研制,该公司成立于1976年,是最早成立的生物制药公司。美国基因技术公司是全球十大生物技术公司之一,有十个基于蛋白质的生物医药产品上市,正在开发的产品有20多个,主要是癌症、心血管免疫系统疾病的治疗药。该公司有从业人员5000多人。人类基因公司成立于1992年,是生物技术产业领域首家开发人类基因的公司。该公司首先研究探索人类基因与疾病的关系,目标是发现与疾病有关的基因,开发相关的治疗药物。该公司现有8个产品正在进行临床试验。

其它的生物医药产品有基因治疗法、干细胞和疫苗等。随着人们对人体生物学认识的进一步深入,药物发现变得更加复杂。生物技术和制药业不得不依靠更先进、复杂的工具来开发新药。历史上,Agilent一直是医药测试设备的主要生产厂,该公司与世界十大制药公司有着十分密切的商业往来。今天,Agilent也能提供新的科学仪器,用于疾病诊断和新药研究。

农业生物技术

生物技术在农业中的应用是基于对植物、动物基因学和蛋白质学的认识。很多专家认为只有依靠生物技术,发展中国家才能战胜饥饿,全球因人口增长而产生的食品短缺才有望得以缓解。

通过利用动植物中的特定基因,可以实现用更少的土地种植更多的作物,同时减少农药的使用。利用生物技术,可以在恶劣的气候环境下生产作物。利用生物技术,还可以改善食品的营养和口感等。

美国的St. Louis是全球农业生物技术发展最快的地区。该地区被认为是生物产业带,著名的农业生物技术公司孟山都即在该地区。

生物技术用于育种是一种快捷、有效的育种方法。通过引入特定的基因,以改变动植物的品质。例如,科学家在西红柿中植入抗成熟的基因,可以延长西红柿的货架期。在植物中引入对人体无害的抗虫基因,可以防止病虫害,减少农药的使用,在水稻中介入产生维生素A的基因,可以提高稻米的营养价值

生物技术在农业中的另一个可能的应用是生产食用疫苗,利用水果、蔬菜生产抗肝炎霍乱等传染病的疫苗。克隆技术用于动物,可以保留高品质动物的高产性能。

市场上的农业生物技术产品主要是转基因的大豆、玉米、油菜、棉花等。转基因植物以其优异的品质很快被农户接受。2001年,世界上转基因植物的种植面积达5300万公顷,比2000年增加 19%。

工业与环境生物技术

生物技术应用于工业制造和环境管理,是为了推动工业的可持续发展,1998年,经济合作与发展组织认为生物技术将对工业的持续发展起着十分关键的作用,鼓励其成员国支持工业和环境生物技术的研究。

微生物被认为是天然的化学工厂。它们正取代工业催化剂而用于化学品的制造。例如,酶制剂能取代洗涤剂中的磷和皮革鞣制过程中的硫化物。在造纸过程中,酶制剂可以减少氯化物在纸浆漂白过程中的用量。微生物在工业生产过程中的应用,使工业生产变得清洁、高效,具有可持续性。

酶也可以作为生物催化剂将生物质转化为能源、乙醇等。更诱人的是,通过生物酶,玉米秸秆可以转化为可降解的塑料,用于食品包装等。

基因学和蛋白质学在工业生物技术中的应用,不仅仅在于发现微生物酶的特性,而且可以通过目标的变异,使微生物产生各种用途的新型酶制剂。

科学家预测10至20年后,生物技术在工业中的应用将与其在人类健康中的应用变得同等重要。

生物技术的其它应用

目前生物技术除主要在人类健康、农业、工业与环境中应用外,在其它领域也有一些应用。

现在开发畜牧医用产品的生物公司越来越多,美国每年用于动物健康的产品市场约40亿美元,美国农业部批准的动物用生物制品约100种,主要是防止动物传染病和常见病的疫苗和治疗药。

生物技术也应用于珍稀野生动物的保护,通过DNA识别来鉴别动物的种类,跟踪其活动地域等。

海洋生物技术的应用使受过度捕捞而濒临灭绝的海洋生物的生存得到发展。同时又给人类从丰富的海洋生物资源汇总发现新药提供了途径。例如海螺中的一种毒素是有效的止痛药,海绵可以用作抗感染等。

生物技术应用于太空发展,可以为宇航员构建长期太空探险所需的生命支持环境。另外,生物技术也用于人类考古和犯罪调查,通过DNA分析可以研究人类种群的进化史。DNA技术应用于犯罪案件调查可以帮助执法人员确认罪犯。

生物反恐

美国9•11恐怖事件和随后的炭疽菌案件,使大部分美国人感到,今后的生物恐怖事件可能发生,对生物恐怖事件的防卫必须予以重视。

过去,几家美国生物技术公司曾与官方合作,提出生物武器的防卫战略,但大多数试验仅是模拟。在9•11事件以前,美国卫生部用于生物防恐的研究经费为5000万美元。但9•11事件以后,该预算大大增加。今年6月通过的一项生物反恐法案,拨款45亿美元用于美国本土安全部的生物反恐。专家们预测,生物反恐将成为国防的新领域,美国将利用生物技术防卫各种可能的生物恐怖袭击。生物反恐将与公共健康系统、传统国防工业、生物技术和制药业紧密关联。9•11事件后,美国迅速开发了针对炭疽和天花的疫苗。大约有24家国生物技术公司正参与其它疫苗和药品研究与开发,美国政府拟支付6.4亿美元用于存积有关的疾病疫苗,以防止各种可能的生物恐怖事件。例如,新型抗菌素和抗病毒处理剂正在研制,以用于对付已是抗病性的病原体。一家司正在研究利用单克隆抗体清除血液中的毒素。其它研制中的产品包括专用酶制剂,用于修复被有意污染的环境、快速大气监测仪、传染物诊断试剂、新的药物运送系统等。

生物技术应用

传统生物技术的应用

现代生物技术的应用

传统生物技术的应用

包括:

显微镜技术 玻片标本制作与染色技术 同位素标记示踪技术 无土栽培技术 作物育种技术 显微镜技术 光电显微镜技术 电子显微镜技术

应用:细胞(显微水平、亚显微水平) 玻片标本制作与染色技术

应用:用于细胞结构与功能研究 同位素标记示踪技术*

应用:研究细胞内或生物体内化学物质的有关问题,如某物质存在部位、移动途径、物质掺如情况等。

实例:有丝分裂过程中的DNA复制 光合作用中的物质变化 动植物细胞中的物质运输 激素在生物体内分布与运输 动物胚胎层发育分化 遗传物质发现的研究 无土栽培技术

利用溶液培养法的原理,把植物体生长发育过程中所需要的各种矿质元素,按照一定的比例配制成营养液,并利用这种营养液来栽培植物的技术。  

报考“生物技术”专业

生物技术是一个新兴专业,目前生物技术产业在中国还属于起步阶段,虽然目前国内冒出许多生物技术公司,但是大部分具有规模小,技术含量低的特点,甚至部分只是挂名生物技术而已。因为生物技术具有前期投入大,风险大的特点,按照中国国情,短时间内,中国无法形成大规模的生物产业集团,就生物技术专业而言,该专业未来前景不错,基于这一原因,目前国内各大高校纷纷开设生物技术专业,但是他们并没有考虑目前的实际情况。生物技术作为一门高新技术学科,必须经过长期培养才能在实际应用中显示出一定的效果,因此除非一开始你就打算投身于这一行业并一直读硕读博,你才会有很大的发展空间。同时因为生物技术投入过大,国家经费有限,国家重点发展某几个院校,因此国内各高校水平差距极大,要谨慎选择。  

生物技术的现代技术

现代生物技术一般包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程。20世纪未,随着计算生物学、化学生物学与合成生物学的兴起,发展了系统生物学的生物技术 - 即系统生物技术(systems biotechnology),包括生物信息技术、纳米生物技术与合成生物技术等。

基因工程

基因工程是指在基因水平上,按照人类的需要进行设计,然后按设计方案创建出具有某种新的性状的生物新品系,并能使之稳定地遗传给后代。基因工程采用与工程设计十分类似的方法,明显地既具有理学的特点,同时也具有工程学的特点。

生物学家在了解遗传密码是RNA转录表达以后,还想从分子的水平去干预生物的遗传。1973年,美国斯坦福大学的科恩教授,把两种质粒上不同的抗药基因"裁剪"下来,"拼接"在同一个质粒中。当这种杂合质粒进入大肠杆菌后,这种大肠杆菌就能抵抗两种药物,且其后代都具有双重抗菌性,科恩的重组实验拉开了基因工程的大幕。

DNA重组技术是基因工程的核心技术。重组,顾名思义,就是重新组合,即利用供体生物的遗传物质,或人工合成的基因,经过体外切割后与适当的载体连接起来,形成重组DNA分子,然后将重组DNA分子导入到受体细胞或受体生物构建转基因生物,该种生物就可以按人类事先设计好的蓝图表现出另外一种生物的某种性状。

1、DNA重组技术的物质基础

(1)目的基因

基因工程是一种有预期目的的创造性工作,它的原料就是目的基因。所谓目的基因,是指通过人工方法获得的符合设计者要求的DNA片段,在适当条件下,目的基因将会以蛋白质的形式表达,从而实现设计者改造生物性状的目标。

(2)载体

目的基因一般都不能直接进入另一种生物细胞,它需要与特定的载体结合,才能安全地进入到受体细胞中。目前常用的载体有质粒、噬菌体和病毒。

质粒是在大多数细菌和某些真核生物的细胞中发现的一种环状DNA分子,它位于细胞质中。许多质粒含有在某种环境下可能是必不可少的基因。

噬菌体是专门感染细菌的一类病毒,由蛋白质外壳和中心的核酸组成。在感染细菌时,噬菌体把DNA注入到细菌里,以此DNA为模板,复制DNA分子,并合成蛋白质,最后组装成新的噬菌体。当细菌死亡破裂后,大量的噬菌体被释放出来,去感染下一个目标。。

质粒、噬菌体和病毒的相似之处在于,它们都能把自己的DNA分子注入到宿主细胞中并保持DNA分子的完整,因而,它们成为运载目的基因的合适载体。因此,基因工程中的载体实质上是一些特殊的DNA分子。

(3)工具酶

基因工程需要有一套工具,以便从生物体中分离目的基因,然后选择适合的载体,将目的基因与载体连接起来。DNA分子很小,其直径只有20埃(10-10米),基因工程实际上是一种“超级显微工程”,对DNA的切割、缝合与转运,必须有特殊的工具。

1968年,科学家第一次从大肠杆菌中提取出了限制性内切酶。限制性内切酶最大的特点是专一性强,能够在DNA上识别特定的核苷酸序列,并在特定切点上切割DNA分子。70年代以来,人们已经分离提取了400多种限制性内切酶。有了它,人们就可以随心所欲地进行DNA分子长链切割了。1976年,5个实验室的科学家几乎同时发现并提取出一种酶,作DNA连接酶。从此,DNA连接酶就成了 “粘合”基因的“分子粘合剂”。

1、 DNA重组技术的一般操作步骤

一个典型的DNA重组包括五个步骤:

(1)目的基因的获取

目前,获取目的基因的方法主要有三种:反向转录法、从细胞基因组直接分离法和人工合成法。

反向转录法是利用mRNA反转录获得目的基因的方法。现在用这种方法人们已先后合成了家兔、鸭和人的珠蛋白基因、羽毛角蛋白基因等。

从细胞基因组中直接分离目的基因常用"鸟枪法",因为这种方法犹如用散弹打鸟,所以又称"散弹枪法"。用"鸟枪法"分离目的基因,具有简单、方便和经济等优点。许多病毒和原核生物、一些真核生物的基因,都用这种方法获得了成功的分离。

化学合成目的基因是20世纪70年代以来发展起来的一项新技术。应用化学合成法,可在短时间内合成目的基因。科学家们已相继合成了人的生长激素释放抑制素、胰岛素干扰素等蛋白质的编码基因。

(2)DNA分子的体外重组

体外重组是把载体与目的基因进行连接。例如,以质粒作为载体时,首先要选择出合适的限制性内切酶,对目的基因和载体进行切割,再以DNA连接酶使切口两端的脱氧核苷酸连接,于是目的基因被镶嵌进质粒DNA,重组形成了一个的环状DNA分子(杂种DNA分子)。

(3)DNA重组体的导入

把目的基因装在载体上后,就需要把它引入到受体细胞中。导入的方式有多种,主要包括转化、转导显微注射、微粒轰击和电击穿孔等方式。转化和转导主要适用于细菌一类的原核生物细胞和酵母这样的低等真核生物细胞,其他方式主要应用于高等动植物的细胞。

(4)受体细胞的筛选

由于DNA重组体的转化成功率不是太高,因而,需要在众多的细胞中把成功转入DNA重组体的细胞挑选出来。应事先找到特定的标志,证明导入是否成功。

例如,我们常用抗生素来证明证明导入的成功。

(5)基因表达

目的基因在成功导入受体细胞后,它所携带的遗传信息必须要通过合成新的蛋白质才能表现出来,从而改变受体细胞的遗传性状。目的基因在受体细胞中要表达,需要满足一些条件。例如,目的基因是利用受体细胞的核糖体来合成蛋白质,因此目的基因上必须含有能启动受体细胞核糖体工作的功能片段。

这五个步骤代表了基因工程的一般操作流程。

人们掌握基因工程技术的时间并不长,但已经获得了许多具有实际应用价值的成果,基因工程作为现代生物技术的核心,将在社会生产和实践中发挥越来越重要的作用。

(三)细胞工程

关于细胞工程的定义和范围还没有一个统一的说法,一般认为,细胞工程是根据细胞生物学和分子生物学原理,采用细胞培养技术,在细胞水平进行的遗传操作。细胞工程大体可分染色体工程、细胞质工程和细胞融合工程。

1、细胞培养技术

细胞培养技术是细胞工程的基础技术。所谓细胞培养,就是将生物有机体的某一部分组织取出一小块,进行培养,使之生长、分裂的技术。细胞培养又叫组织培养。近二十年来细胞生物学的一些重要理论研究的进展,例如细胞全能性的揭示,细胞周期及其调控,癌变机理与细胞衰老的研究,基因表达与调控等,都是与细胞培养技术分不开的。

体外细胞培养中,供给离开整体的动植物细胞所需营养的是培养基,培养基中除了含有丰富的营养物质外,一般还含有刺激细胞生长和发育的一些微量物质。培养基一般有固态和液态两种,它必须经灭菌处理后才可使用。此外,温度、光照、振荡频率等也都是影响培养的重要条件。

植物细胞与组织培养的基本过程包括如下几个步骤:

第一步,从健康植株的特定部位或组织,如根、茎、叶、花、果实、花粉等,选择用于培养的起始材料(外植体)。

第二步,用一定的化学药剂(最常用的有次氯酸钠升汞酒精等)对外植体表面消毒,建立无菌培养体系。

第三步,形成愈伤组织和器官,由愈伤组织再分化出芽并可进一步诱导形成小植株。

动物细胞培养有两种方式。一种叫非贴壁培养:也就是细胞在培养过程中不贴壁, 条件较为复杂, 难度也大一些,但是容易同时获得大量的培养细胞。这种方法一般用于淋巴细胞肿瘤细胞和一些转化细胞的培养。另一种培养方式是贴壁培养:也称为细胞贴壁,贴壁后的细胞呈单层生长,所以此法又叫单层细胞培养。大多数哺乳动物细胞的培养必须采用这种方法。

动物细胞不能采用离体培养,以人的皮肤细胞培养为例,动物细胞培养的主要步骤如下:

第一步,在无菌条件下,从健康动物体内取出适量组织,剪切成小薄片。

第二步,加入适宜浓度的酶与辅助物质进行消化作用使细胞分散。

第三步,将分散的细胞进行洗涤并纯化后,以适宜的浓度加在培养基中,37℃下培养,并适时进行传代

在细胞培养中,我们经常使用一个词——克隆。克隆一词是由英文clone音译而来,指无性繁殖以及由无性繁殖而得到的细胞群体或生物群体。细胞克隆是指细胞的一个无性繁殖系。自然界早已存在天然的克隆,例如,同卵双胞胎实际上就是一种克隆。

基因工程中,还有称为分子克隆(molecular cloning)的,是科恩等在 1973年提出的。分子克隆发生在DNA分子水平上,是指从一种细胞中把某种基因提取出来作为外源基因,在体外与载体连接,再将其引入另一受体细胞自主复制而得到的DNA分子无性系。

2、细胞核移植技术

由于克隆是无性繁殖,所以同一克隆内所有成员的遗传构成是完全相同的,这样有利于忠实地保持原有品种的优良特性。人们开始探索用人工的方法来进行高等动物克隆。哺乳动物克隆的方法主要有胚胎分割和细胞核移植两种。其中,细胞核移植是发展较晚但富有潜力的一门新技术。

细胞核移植技术属于细胞质工程。所谓细胞核移植技术,是指用机械的办法把一个被称为“供体细胞”的细胞核(含遗传物质)移入另一个除去了细胞核被称为“受体”的细胞中,然后这一重组细胞进一步发育、分化。核移植的原理是基于动物细胞的细胞核的全能性。

采用细胞核移植技术克隆动物的设想,最初由一位德国胚胎学家在1938年提出。从1952年起,科学家们首先采用两栖类动物开展细胞核移植克隆实验,先后获得了蝌蚪和成体蛙。1963年,我国童第周教授领导的科研组,以金鱼等为材料,研究了鱼类胚胎细胞核移植技术,获得成功。到1995年为止,在主要的哺乳动物中,胚胎细胞核移植都获得成功,但成体动物已分化细胞的核移植一直未能取得成功。

1996年,英国爱丁堡罗斯林研究所,伊恩•维尔穆特研究小组成功地利用细胞核移植的方法培养出一只克隆羊——多利,这是世界上首次利用成年哺乳动物的体细胞进行细胞核移植而培养出的克隆动物。。

在核移植中,并不是所有的细胞都可以作为核供体。作为供体的细胞有两种:一种是胚胎细胞,一种是某些体细胞。

研究表明,卵细胞卵母细胞受精卵细胞都是合适的受体细胞。

2000年6月,我国西北农林科技大学利用成年山羊体细胞克隆出两只“克隆羊”,这表明我国科学家也掌握了哺乳动物体细胞核移植的尖端技术。

核移植的研究,不仅在探明动物细胞核的全能性、细胞核与细胞质关系等重要理论问题方面具有重要的科学价值,而且在畜牧业生产中有着非常重要的经济价值和应用前景。

3、细胞融合技术

细胞融合技术属于细胞融合工程。细胞融合技术是一种新的获得杂交细胞以改变细胞性能的技术,它是指在离体条件下,利用融合诱导剂,把同种或不同物种的体细胞人为地融合,形成杂合细胞的过程。细胞融合术是细胞遗传学细胞免疫学病毒学、肿瘤学等研究的一种重要手段

动物细胞融合的主要步骤是:

第一步,获取亲本细胞。将取样的组织用胰蛋白酶或机械方法分离细胞,分别进行贴壁培养或悬浮培养

第二步,诱导融合。把两种亲本细胞置于同一培养液中,进行细胞融合。动物细胞的融合过程一般是:两个细胞紧密接触→细胞膜合并→细胞间出现通道或细胞桥→细胞桥数增加扩大通道面积→两细胞融合为一体。

植物细胞融合的主要步骤是:

第一步,制备亲本原生质体

第二步,诱导融合。

微生物细胞的融合步骤与植物细胞融合基本相同。

从20世纪70年代开始,已经有许多种细胞融合成功,有植物间、动物间、动植物间甚至人体细胞与动植物间的成功融合的新的杂交植物,如 “西红柿马铃薯”、“拟南芥油菜”和“蘑菇白菜”等。(图4-36是利用细胞融合培育杂交植物)从目前的技术水平来看,人们还不能把许多远缘的细胞融合后培养成杂种个体,尤其是动物细胞难度更大。

(四)酶工程、发酵工程与蛋白质工程

1、酶工程

酶工程是指利用酶、细胞或细胞器等具有的特异催化功能,借助生物反应装置和通过一定的工艺手段生产出人类所需要的产品。它是酶学理论与化工技术相结合而形成的一种新技术。

酶工程,可以分为两部分。一部分是如何生产酶,一部分是如何应用酶。

酶的生产大致经历了四个发展阶段。最初从动物内脏中提取酶,随着酶工程的进展,人们利用大量培养微生物来获取酶,基因基因工程诞生后,通过基因重组来改造产酶的微生物,近些年来,酶工程又出现了一个的热门课题,那就是人工合成新酶,也就是人工酶。

酶在使用中也存在着一些缺点。如遇到高温、强酸、强碱时就会失去活性,成本高,价钱贵。实际应用中酶只能使用一次等。利用酶的固定化可以解决这些问题,它被称为是酶工程的中心。

60年代初,科学家发现,许多酶经过固定化以后,活性丝毫未减,稳定性反而有了提高。这一发现是酶的推广应用的转折点,也是酶工程发展的转折点。如今,酶的固定化技术日新月异。它表现在两方面:

一是固定的方法。目前固定的方法有四大类:吸附法共价键合法、交联法和包埋法。

二是被固定下来的酶,具有多种酶,能催化一系列的反应。

与自然酶相比,固定化酶和固定化细胞具有明显的优点:

1.可以做成各种形状,如颗粒状、管状、膜状,装在反应槽中,便于取出,便于连续、反复使用。

2.稳定性提高,不易失去活性,使用寿命延长。

3.便于自动化操作,实现用电脑控制的连续生产。

如今已有数十个国家采用固定化酶和固定化细胞进行工业生产,产品包括酒精、啤酒、各种氨基酸、各种有机酸以及药品等等。

2、发酵工程

现代的发酵工程。又叫微生物工程,指采用现代生物工程技术手段,利用微生物的某些特定的功能,为人类生产有用的产品,或直接把微生物应用于工业生产过程。

发酵是微生物特有的作用,几千年前就已被人类认识并且用来制造酒、面包等食品。20世纪20年代主要是以酒精发酵、甘油发酵和丙醇发酵等为主。20世纪40年代中期美国抗菌素工业兴起,大规模生产青霉素以及日本谷氨酸盐(味精)发酵成功,大大推动了发酵工业的发展。

20世纪70年代,基因重组技术、细胞融合等生物工程技术的飞速发展,发酵工业进入现代发酵工程的阶段。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、维生素单细胞蛋白等。

从广义上讲,发酵工程由三部分组成:上游工程,发酵工程和下游工程。其中上游工程包括优良种株的选育,最适发酵条件(pH、温度、溶解氧和营养组成)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。下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术。

发酵工程的步骤一般包括:

第一步,菌种的选育。

第二步,培养基的制备和灭菌

第三步,扩大培养和接种

第四步,发酵过程。

第五步,分离提纯。

发酵工程在医药工业、食品工业、农业、冶金工业、环境保护等许多领域得到广泛应用。

3、蛋白质工程

在现代生物技术中,蛋白质工程是在20世纪80年代初期出现的。蛋白质工程是指在深入了解蛋白质空间结构以及结构与功能的关系,并在掌握基因操作技术的基础上,用人工合成生产自然界原来没有的、具有新的结构与功能的、对人类生活有用的蛋白质分子。

蛋白质工程的类型主要有两种:

一是从头设计,即完全按照人的意志设计合成蛋白质。从头设计是蛋白质工程中最有意义也是最困难的操作类型,目前技术尚不成熟,已经合成的蛋白质只是一些很小的短

二是定位突变与局部修饰,即在已有的蛋白质基础上,只进行局部的修饰。这种通过造成一个或几个碱基定位突变,以达到修饰蛋白质分子结构目的的技术,称为基因定位突变技术。

蛋白质工程的基本程序是:首先要测定蛋白质中氨基酸的顺序,测定和预测蛋白质的空间结构,建立蛋白质的空间结构模型,然后提出对蛋白质的加工和改造的设想,通过基因定位突变和其它方法获得需要的新蛋白质的基因,进而进行蛋白质合成。(图4-37)

由于蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的,在技术方面有很多同基因工程技术相似的地方,因此蛋白质工程也被称为第二代基因工程。

蛋白质工程为改造蛋白质的结构和功能找到了新途径,而且还预示人类能设计和创造自然界不存在的优良蛋白质的可能性,从而具有潜在的巨大社会效益和经济效益。

四、 生物技术的应用和前景

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。

(一)生物技术的应用

1、生物技术在工业方面的应用

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,生物技术可以提高食品质量。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。目前,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

通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,利用生物技术可以从虾、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。利用生物技术可以生产蛛丝蛋白,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。

1、 生物技术在农业方面的应用

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。我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,生物技术不仅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,生物技术可以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,可以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

基因工程不仅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目前的一个研究热点。科研人员希望能用食用植物表达疫苗,人们通过食用这些转基因植物就能达到接种疫苗的目的。目前已经在转基因烟草中表达出了乙型肝炎疫苗

利用转基因动物生产药用蛋白同样是目前的研究热点。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达外源目的基因,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,可以获得巨额的经济效益。

2、 生物技术在医药方面的应用

目前,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。注射或口服疫苗可以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。我国目前生产的基因工程乙肝疫苗,主要采用酵母表达系统产生疫苗。

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。

1990年,人类基因组计划在美国正式启动,2003年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,还可以利用克隆技术,制造出完全适合于人体的器官,来替代人体“病危”的器官。

3、 生物技术在环保方面的应用

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。

开设院校:江苏科技大学

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