细胞工程

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细胞工程(Cell engineering)是指应用细胞生物学分子生物学的方法,通过某种工程学手段,在细胞水平或细胞器水平上,按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质,从而获得新型生物或特种细胞产品、或产物的一门综合性科学技术。

细胞工程与基因工程一起代表着生物技术最新的发展前沿,伴随着试管植物、试管动物、转基因生物反应器等相继问世,细胞工程在生命科学、农业、医药、食品、环境保护等领域发挥着越来越重要的作用。

21世纪合成生物学的发展,采用计算机辅助设计、DNA或基因合成技术,人工设计细胞的信号传导基因表达调控网络,乃至整个基因组与细胞的人工设计与合成,从而刷新了基因工程与细胞工程技术,并将带来生物计算机、细胞制药厂、生物炼制石油等技术与产业革命。  

特点

1、前沿性:现代生物技术的热点

2、争议性:新技术给伦理道德带来的冲击

3、综合性:多学科交叉

4、应用性:工程类课程,重在产品与技术  

种类

根据细胞类型的不同,可以把细胞工程分为植物细胞工程和动物细胞工程两大类。

植物细胞工程

常用技术手段:植物组织培养植物体细胞杂交

理论基础:植物细胞的全能性

植物组织培养

植物组织培养技术的应用范围:快速繁殖、培育无病毒植物,通过大规模的植物细胞培养来生产药物、食品添加剂、香料、色素和杀虫剂等。

植物体细胞杂交

植物体细胞杂交是用两个来自于不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞,并且把杂种细胞培育成新的植物体的方法。

动物细胞工程

常用的技术手段:动物细胞培养、动物细胞融合、单克隆抗体胚胎移植核移植等(动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础)

动物细胞培养

动物细胞能够分泌蛋白质,如抗体等。但是单个细胞分泌蛋白质的量是很少的,要借助于大规模的动物细胞培养获得大量的分泌蛋白。

动物细胞培养技术的应用

生产许多有重要价值的蛋白质生物制品,如病毒疫苗干扰素、单克隆抗体等。

动物细胞融合

动物细胞融合技术最重要的用途,是制备单克隆抗体。

单克隆抗体

要想获得大量的单一抗体,必须用单个B淋巴细胞进行无性繁殖,也就是通过克隆,形成细胞群,这样的细胞群就有可能产生出化学性质单一、特异性强的抗体——单克隆抗体。

单克隆抗体的应用

“生物导弹”,将药物定向带到癌细胞所在部位,消灭了癌细胞不伤害健康细胞。

生物技术发展到今天,细胞则成了科学家们随意发挥想象力的乐园,他们甚至可以把生命像积木那样组装起来,进行细胞水平上的生命组合游戏。生命组合的一个最具代表性的游戏是美国耶鲁大学教授克莱白特.L.马格特和罗伯特.M.彼德斯的杰作。他们在黑毛鼠、白毛鼠、黄毛鼠受精卵分裂成8个细胞时用特制的吸管把8细胞胚吸出输卵管,然后用一种酶将包裹在各个胚胎上的粘液溶解,再把这三种鼠的8细胞胚放在同一溶液中使之组装成一个具有24个细胞的“组装胚”。马格特和彼德斯把“组装胚”移植到一只老鼠的子宫内,不久,一只奇怪的组装鼠问世了,这只组装鼠全身披着黄、白、黑三种不同颜色的皮毛。迄今为止,除组装鼠外,英国和美国还组装成功了绵羊和山羊的嵌合体——绵山羊。据说,世界各国科研人员热情高涨,正在组装“五位一体”。“六位一体”的生物,实在想象不出那样的生物会是什么样子。  

细胞工程的应用

细胞工程作为科学研究的一种手段,已经渗入到生物工程的各个方面,成为必不可少的配套技术。在农林、园艺和医学等领域中,细胞工程正在为人类做出巨大的贡献。

1.粮食与蔬菜生产

利用细胞工程技术进行作物育种,是迄今人类受益最多的一个方面。我国在这一领域已达到世界先进水平,以花药单倍体育种途径,培育出的水稻品种或品系有近百个,小麦有30个左右。其中河南省农科院培育的小麦新品种,具有抗倒伏、抗锈病、抗白粉病等优良性状。

在常规的杂交育种中,育成一个品种一般需要8~10年,而用细胞工程技术对杂种的花药进行离体培养,可大大缩短育种周期,一般提前2~3年,而且有利优良性状的筛选。前面已介绍过的微繁殖技术,在农业生产上也有广泛的用途,其技术比较成熟,并已取得较大的经济效益。例如,我国已解决了马铃薯退化问题,日本麒麟公司已能在1000升容器中大量培养无病毒微型马铃薯块茎作为种薯,实现种薯生产的自动化。通过植物体细胞的遗传变异,筛选各种有经济意义的突变体,为创造种质资源和新品种的选育发挥了作用。现已选育出优质的番茄、抗寒的亚麻、以及水稻、小麦、玉米等新品系。有希望通过这一技术改良作物的品质,使它更适合人类的营养需求。

蔬菜是人类膳食中不可缺少的成分,它为人体提供必需的维生素、矿物质等。蔬菜通常以种子、块根、块茎、插扦或分根等传统方式进行繁殖,化费成本低。但是,在引种与繁育、品种的种性提纯与复壮、育种过程的某些中间环节,植物细胞工程技术仍大有作为。例如,从国外引进蔬菜新品种,最初往往只有几粒种子或很少量的块根、块茎等。要进行大规模的种植,必须先大量增殖,这就可应用微繁殖技术,在较短时间内迅速扩大群体。在常规育种过程中,也可应用原生质体或单倍体培养技术,快速繁殖后代,简化制种程序。另外,还可结合植物基因工程技术,改良蔬菜品种。

2.园林花卉

在果树、林木生产实践中应用细胞工程技术主要是微繁殖和去病毒技术。几乎所有的果树都患有病毒病,而且多是通过营养体繁殖代代相传的。用去病毒试管苗技术,可以有效地防止病毒病的侵害,恢复种性并加速繁殖速度。目前,香蕉、柑橘、山楂葡萄、桃、梨、荔枝龙眼核桃等十余种果树的试管苗去病毒技术,已基本成熟。香蕉去病毒试管苗的微繁殖技术已成为产业化商品化的先例之一。因为香蕉是三倍体植物,必须通过无性繁殖延续后代,传统方法一般采用芽繁殖,感病严重,繁殖率低;而采用去病毒的微繁殖技术不仅改进了品质,亩产量约提高30%~50%,很容易被蕉农接受。

近年来,对经济林木组织培养技术的研究也受到很大的重视。采用这一技术可比常规方法提前数年进行大面积种植。特别是有些林木的种子休眠期很长,常规育种十分费时。据不完全统计,现已研究成功的林木植物试管苗已达百余种,如松属、桉树属、杨属中的许多种,还有泡桐、槐树、银杏、茶、棕榈咖啡椰子树等。其中桉树、杨树和花旗松等大面积应用于生产,澳大利亚已实现桉树试管苗造林,用幼芽培养每年可繁殖40万株。

植物细胞工程技术使现代花卉生产发生了革命性的变化。1960年,科学家首次利用微繁殖技术将兰花愈伤组织培养成植株后,很快形成了以组织培养技术为基础的工业化生产体系——兰花工业。现在,世界兰花市场上有150多种产品,其中大部分都是用快速微繁殖技术得到的试管苗。从此,市场供应摆脱了气候、地理和自然灾害等因素的限制。至今,已报道的花卉试管苗有360余种。已投入商业化生产的有几十种。我国对康乃馨、月季、唐昌蒲、菊花、非洲紫罗兰等品种的研究较为成熟,有的也已商品化,并有大量产品销往港澳及东南亚地区。

3.临床医学与药物

自1975年国剑桥大学的科学家利用动物细胞融合技术首次获得单克隆抗体以来,许多人类无能为力的病毒性疾病遇到了克星。用单克隆抗体可以检测出多种病毒中非常细微的株间差异,鉴定细菌的种型和亚种。这些都是传统血清法或动物免疫法所做不到的,而且诊断异常准确,误诊率大大降低。例如,抗乙型肝炎病毒表面抗原(HBsAg)的单克隆抗体,其灵敏度比当前最佳的抗血清还要高100倍,能检测出抗血清的60%的假阴性

近年来,应用单克隆抗体可以检查出某些还尚无临床表现的极小肿瘤病灶,检测心肌梗死的部位和面积,这为有效的治疗提供方便。单克隆抗体并已成功地应用于临床治疗,主要是针对一些还没有特效药的病毒性疾病,尤其适用于抵抗力差的儿童。人们正在研究“生物导弹”——单克隆抗体作载体携带药物,使药物准确地到达癌细胞,以避免化疗放射疗法把正常细胞与癌细胞一同杀死的副作用

单克隆抗体可以精确地检测排卵期。新一代免疫避孕药也在研制之中,其基本原理是用精子,卵透明带或早期胚胎来制备单克隆抗体,将它们注入妇女体内,人体就会产生对精子的免疫反应,从而起到避孕作用。人类体外受精技术的日趋成熟,使人类对生育活动有了较大的选择余地,促进优生优育,提高人口素质,也为不孕症患者或不宜生育的人带来福音。

生物药品主要有各种疫苗、菌苗抗生素、生物活性物质,抗体等,是生物体内代谢的中间产物或分泌物。过去制备疫苗是从动物组织中提取,得到的产量低而且很费时。现在,通过培养、诱变等细胞工程或细胞融合途径,不仅大大提高了效率,还能制备出多价菌苗,可以同时抵御两种以上的病原菌的侵害。用同样的手段,也可培养出能在培养条件下长期生长、分裂并能分泌某种激素细胞系。1982年国科学家用诱变和细胞杂交手段,获得了可以持续分泌干扰素的体外培养细胞系,现已走向应用。

4.繁育优良品种

目前,人工受精、胚胎移植等技术已广泛应用于畜牧业生产。精液和胚胎的液氮超低温(-196摄氏度)保存技术的综合使用,使优良公畜、禽的交配数与交配范围大为扩展,并且突破了动物交配的季节限制。另外,可以从优良母畜或公畜中分离出卵细胞与精子,在体外受精,然后再将人工控制的新型受精卵种植到种质较差的母畜子宫内,繁殖优良新个体。综合利用各项技术,如胚胎分割技术、核移植细胞融合技术、显微操作技术等,在细胞水平改造卵细胞,有可能创造出高产奶牛、瘦肉型猪等新品种。特别是干细胞的建立,更展现了美好的前景。

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