浅谈基因工程技术的现状及其发展.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date浅谈基因工程技术的现状及其发展浅谈基因工程技术的现状及其发展浅谈基因工程技术的现状及其发展 摘 要：关于基因工程对人类的发展在当今社会中也有了广泛的应用，它主要表现在，医药方面，农业方面，环保方面，植物方面。展望现状很乐观，我自己认为对于我们现在的社会条件来看，基因工程的发展至关重要，我们是一个多人口的国家，对于粮食的需求面临着严重的缺乏。不管是什么事，没有粮食什么都不会做好，因此我们要应用好基因工程技术来增加我们的粮食产量，确保我们发展的前提条件。目前我们也有很多在基因工程方面有了很大的发展。但是我们也不要否认我们的不足，我们要更加的努力做得更好。那我就说一下它用于的几个方面和前景；现状；发展。从20世纪70年代初发展起来的基因工程技术，经过30多年来的进步与发展，已成为生物技术的核心内容。许多科学家预言，生物学将成为21世纪最重要的学科，基因工程及相关领域的产业将成为21世纪的主导产业之一。基因工程研究和应用范围涉及农业、工业、医药、能源、环保等许多领域关键词：基因工程技术；现状；发展前言 基因工程技术是一项极为复杂的高新生物技术,它利用现代遗传学与分子生物学的理论和方法,按照人类所需,用DNA重组技术对生物基因组的结构和组成进蛋白质或人类有益的生物性状。基因工程从诞生至今,仅有30年的历史,然而,无论是在基础理论研究领域,还是在生产实际应用方面,都已取得了惊人的成绩。首先,基因工程给生命科学自身的研究带来了深刻的变化。目前科学家已完成了多种细胞器的基因组全序列测定工作。其次,基因工程具有广泛的应用价值,能为工农业生产、医药卫生、环境保护开辟新途径。1基因工程技术在医药方面的应用1.1基因工程药物利用基因工程技术开发新型治疗药物是当前最活跃和发展最快的领域。自1982年世界第一个基因工程药物-重组胰岛素投放市场以来,基因工程药物就成为制药行业的一支奇兵,每年平均有3-4个新药或疫苗问世,开发成功的约50个药品,诸如人胰岛素、忍尿激酶、人生长激素、干扰素、激活剂、乙肝疫苗等广泛应用于治疗癌症、肝炎、发育不良、糖尿病和一些遗传病上,在很多领域特别是疑难病症上,起到了传统化学药物难以达到的作用。为治愈癌症正在研制的用单克隆抗体制成的“生物导弹”,就是按照人类的设计,把“生物导弹”发射出去,精确的命中癌细胞,并炸死癌细胞,而不伤害健康的细胞,比如专门用于肿瘤的“肿瘤基因导弹”等。可见,生物工程药物将成为21世纪药业的支柱。而脱氧核糖核酸或者基因疫苗的问世,变革了机体的免疫方式。如今,人们翘首关注困扰人类的艾滋病病毒疫苗的早日问世。尽管目前诱变育种技术仍是改良微生物工业生产菌种的主要手段,但是基因工程技术在改良工业生产菌种方面已有成功的报道。最常见的是将控制药物合成关键步骤的酶基因克隆,通过适当的载体转移到原生产菌中,以使控制限速步骤的酶水平,从而提高产量。Malmberg等构建了一种带有编码赖氨酸-氨基转移酶基因(lysine-aminotranster-ase,LAT)这种控制Streptomycesclavuligerus生物合成头霉素C的限速步骤的关键酶的基因(lat)的高拷贝质粒,并转入这种头霉素产生菌,使LAT提高活力提高了4倍,在2L发酵罐中产生头霉素的能力是原来的2倍,重组菌胞外LAT产物-氨基己二酸的积累量也比原受体菌高。伊维菌素(ivermectins)是一个市场很大的抗虫抗生素,其前体阿弗米丁(avermectins)的产生菌种的发酵液中有8个以上的组分,其中只有B1a组分才是制备伊维菌素的原料。Ikeda等经过近十年的努力,已将阿弗米丁的生物合成基因簇全部搞清,并经过诱变与DNA重组,获得了仅产阿弗米丁B2a单一组分和B1a、B2a组份的重组工程菌,这不仅大大提高了阿弗米丁有效组分的发酵效价,且给提取、精制、半合成等后处理工序带来了很大的便利。可以预见,随着对各种工业生产的微生物药物生物合成途径的深入了解以及基因重组技术的不断进展,应用基因工程方法定向构建高产菌株的成功实例将越来越多。在抗生素发酵过程中供氧往往是一个限制因素,充足的氧气供给是药物工业发酵稳定和提高产量,降低成本的关键。传统的解决方法如增加通气量等对设备要求高,能量消耗大。20世纪70年代末在专性好氧菌透明颤(Vitreoscilla)中发现了血红蛋白(VHb),它能促进氧气扩散到细胞末端氧化酶上。于是人们想到了将其基因Vgb克隆到其它微生物中,以促进微生物在低氧条件下生长。 1988年Khosla等从Vitreoscilla中分离出Vgb基因并将之转入大肠杆菌(E·coli),提高了大肠杆菌在溶氧量低于5%时对氧的利用率。目前已用克隆表达VHb的方法提高了放线紫红素、头孢霉素C、红霉素等产生菌及青霉素酰化酶基因工程菌的产量。血红蛋白基因工程的研究和应用,必将对抗生素工业和其它重组药物发酵工业的节能等带来美好的前景。作为半合成头孢菌素类抗生素重要原料的7-氨基头孢烷酸（7-ACA),目前国内外仍以化学裂解头孢菌素C的工艺路线为主。国内外已报道可用经由GL-7-ACA的二步法(化学/酶法或二步酶法)来生产7-ACA,与化学裂解法相比不仅收率提高,且能大大减少环境污染,简化生产工艺。但二步法中关键的GL-7-ACA酰化酶在假单胞菌中表达量低而且分离纯化困难,限制了这种方法的应用。通过将GL-7-ACA酰化酶基因转入大肠杆菌中表达恰好可以解决这一问题。最近又报道可将编码2个酶的基因直接转入头孢菌素C的生产菌种中,使其在发酵时直接产生7-ACA。调节基因在药物的生物合成中也起着重要作用,增加调节基因的基因量能够大幅提高药物产量。 Hopwood等将放线紫红素生物合成的一个调节基因act导入原产生菌,尽管基因的拷贝数仅增加了2倍,放线紫红素的产量却增加了30-40倍。某些抗生素生产菌的产量不高,是由于其自身对该抗生素的抗性不高。因此,利用高拷贝质粒的基因量效应,增加菌种对自身产生的抗生素的抗性,可能增加抗生素的产量。例如,将氨基糖苷-6-乙酰转移酶基因导入卡那霉素和新霉素产生菌,由于提高了对氨糖类抗生素的抗性,产量提高了2-6倍1.2基因治疗基因治疗是指由于某种基因缺陷引起的遗传病通过转基因技术而得到纠正。临床实践已经表明:基因治病已经变革了整个医学的预防和治疗领域。比如白痴病,用健康的基因更换或者矫正患者的有缺损的基因,就有可能根治这种疾病。现在已知的人类遗传病约有4000种,包括单基因缺陷和多基因的综合症。运用基因工程技术或基因打靶的手段,将病毒的基因杀灭,插入矫正基因,得以治疗、校正和预防遗传疾病的目的。目前,基因治疗已扩大到肿瘤、心血管系统疾病、神经系统疾病等的治疗。人类也已成功实现了肾、心、肝、胰、肺等器官的移植,也有双器官和多器官的联合移植。基因治疗有两种途径:一是体细胞的基因治疗,一是生殖细胞的基因治疗。由于生殖细胞的基因治疗操作技术异常复杂,又涉及伦理缓行之理充足,故尚无人涉足。基因工程是20世纪生命科学中最伟大的成绩,开辟了生命科学的新纪元。经过几十年的发展,基因工程技术已成为一个巨大的朝阳产业,它可以超越动物、植物、微生物之间的界限,创造出新的生物类型。基因工程不仅在医学上应用广泛,而且也广泛应用在工业、农业、冶金、环保、资源、能源、畜牧渔业等领域,为人类的丰衣足食和健康长寿提供了持续的实用价值很高的产品,发展前景极为广阔。目前，以基因工程药物为主导的基因工程应用产业已成为全球发展最快的产业之一，发展前景非常广阔。基因工程药物主要包括细胞因子、抗体、疫苗、激素和寡核甘酸药物等。它们对预防人类的肿瘤、心血管疾病、遗传病、糖尿病、包括艾滋病在内的各种传染病、类风湿疾病等有重要作用。在很多领域特别是疑难病症上，基因工程工程药物起到了传统化学药物难以达到的作用。我们最为熟悉的干扰素(IFN)就是一类利用基因工程技术研制成的多功能细胞因子，在临床上已用于治疗白血病、乙肝、丙肝、多发性硬化症和类风湿关节炎等多种疾病。目前，应用基因工程研制的艾滋病疫苗已完成中试，并进入临床验证阶段；专门用于治疗肿瘤的“肿瘤基因导弹”也将在不久完成研制，它可有目的地寻找并杀死肿瘤，将使癌症的治愈成为可能。由中国、美国、德国三国科学家及中外六家研究机构参与研制的专门用于治疗乙肝、慢迁肝、慢活肝、丙肝、肝硬化的体细胞基因生物注射剂，最终解决了从剪切、分离到吞食肝细胞内肝炎病毒，修复、促进肝细胞再生的全过程。经4年临床试验已在全国面向肝炎患者。此项基因学研究成果在国际治肝领域中，是继干扰素等药物之后的一项具有革命性转变的重大医学成果。2.基因工程技术在农业方面的应用2.1抗除草剂的植物基因工程资料表明,每年杂草造成的经济损失占农作物总产值的10%-20%左右尽管除草剂的使用,对大规模机械化耕作, 减少劳力开支和提高量有极为重要的作用,但一般除草剂的选择性较差, 即除了杀草以外,还会将作物杀死。现在利用生物技术,将能抵抗除草剂的基因转移到植物中,获得抗除草剂的植物,如美国的孟山都公司将除草剂草甘磷的靶酶(EPSPS)的cDNA克隆转入油菜,目前,已获得的抗除草剂作物有大豆、棉花、玉米、水稻和甜菜等20多种。2.2抗虫的植物基因工程生物防治害虫的工作已经开展多年, 主要是利用苏云金杆菌中的毒蛋白(结晶蛋白)对害虫有毒害作用,使用这些杆菌来控制害虫。现在,人们可以通过克隆这些毒蛋白的基因(Bt基因)并把这些基因转移到植物细胞中,从而获得能抗虫的转基因植物。目前,Bt基因已被转入烟草、番茄、马铃薯、水稻、玉米及棉花等多种植物中。1996年转Bt基因棉花在美国种植66万hm2经中国农科院棉花所引进在华北试种两年,在多点表现突出,在完全不喷杀虫剂的情况下,单产仍然高于喷撒2-3次杀虫剂的中国推广棉花,显示出了控制棉铃虫的极好前景。2.3动物转基因育种动物基因工程研究主要集中在改良家畜、家禽的经济性状和通过转基因动物进行药物或蛋白质的生产等方面,目前已取得了显著的成就,先后培育出转基因猪、羊、牛和鱼等,另一种转基因猪是带有人体基因的猪,这种转基因猪客望能解决人体移植动物器官的遗体排斥问题。随着动物基因工程技术的逐渐成熟和转人体血红蛋白的基因猪、转人体血清蛋白的基因山羊等的问世,不仅能生产出大量人类所需的血红蛋白、白蛋白等药物而且为动物育种开辟了一条全新的途径。3.基因工程技术在环保方面的应用工业发展以及其它人为因素造成的环境污染已远远超出了自然界微生物的净化能力，已成为人们十分关注的问题。基因工程技术可提高微生物净化环境的能力。美国利用DNA重组技术把降解芳烃、萜烃、多环芳烃、脂肪烃的4种菌体基因链接，转移到某一菌体中构建出可同时降解4种有机物的“超级细菌”，用之清除石油污染，在数小时内可将水上浮油中的2/3烃类降解完，而天然菌株需1年之久。也有人把Bt蛋白基因、球形芽孢杆菌、且表达成功。它能钉死蚊虫与害虫，而对人畜无害，不污染环境。现已开发出的基因工程菌有净化农药的DDT的细菌、降解水中的染料、环境中有机氯苯类和氯酚类、多氯联苯的工程菌、降解土壤中的TNT炸药的工程菌及用于吸附无机有毒化合物(铅、汞、镉等)的基因工程菌及植物等。90年代后期问世的DNA改组技术可以创新基因，并赋予表达产物以新的功能，创造出全新的微生物，如可将降解某一污染物的不同细菌的基因通过PCR技术全部克隆出来，再利用基因重组技术在体外加工重组，最后导入合适的载体，就有可能产生一种或几种具有非凡降解能力的超级菌株，从而大大地提高降解效率基因工程技术在植物方面的应用通过基因工程改良品种在未来的农业生产中日益显示出巨大潜力。尽管科学家们对转基因植物的争论仍在继续，但可以肯定的是，转基因植物作为一项新兴的生物技术的产物，在解决日益膨胀的地球人吃饭问题和在解决长期困惑人类发展的资源短缺、环境恶化、经济衰退三大难题中起着越来越重要的作用。农业领域是目前转基因技术应用最为广泛的领域之一。农作物生物技术的目的是提高作物产量，改善品质，增强作物抗逆性、抗病虫害的能力。基因工程在这些领域已取得了令人瞩目的成就。由于植物病毒分子生物学的发展，植物抗病基因工程也也已全面展开。自从发现烟草花叶病毒(TMV)的外壳蛋白基因导入烟草中，在转基因植株上明显延迟发病时间或减轻病害的症状，通过导入植物病毒外壳蛋白来提高植物抗病毒的能力，已用多种植物病毒进行了试验。在利用基因工程手段增强植物对细菌和真菌病的抗性方面，也已取得很大进展。植物对逆境的抗性一直是植物生物学家关心的问题。由于植物生理学家、遗传学家和分子生物学家协同作战，耐涝、耐盐碱、耐旱和耐冷的转基因作物新品种(系)也已获得成功。植物的抗寒性对其生长发育尤为重要。科学家发现极地的鱼体内有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增长，从而免受低温的冻害并正常地生活在寒冷的极地中。将这种抗冻蛋白基因从鱼基因组中分离出来，导入植物体可获得转基因植物，目前这种基因已被转入番茄和黄瓜中。随着生活水平的提高，人们越来越关注口味、口感、营养成分、欣赏价值等品质性状。实践证明，利用基因工程可以有效地改善植物的品质，而且越来越多的基因工程植物进入了商品化生产领域，近几年利用基因工程改良作物品质也取得了不少进展，如美国国际植物研究所的科学家们从大豆中获取蛋白质合成基因，成功地导入到马铃薯中，培育出高蛋白马铃薯品种，其蛋白质含量接近大豆，大大提高了营养价值，得到了农场主及消费者的普遍欢迎。在花色、花香、花姿等性状的改良上也作了大量的研究。4.基因工程技术的前景展望由于基因工程运用DNA分子重组技术，能够按照人们预先的设计创造出许多新的遗传结合体，具有新奇遗传性状的新型产物，增强了人们改造动植物的主观能动性、预见性。而且在人类疾病的诊断、治疗等方面具有革命性的推动作用，对人口素质、环境保护等作出具大贡献。所以，各国政府及一些大公司都十分重视基因工程技术的研究与开发应用，抢夺这一高科技制高点。其应用前景十分广阔。我国基因工程技术尚落后于发达国家，更应当加速发展，切不可坐失良机。但是，任何科学技术都是一把“双刃剑”，在给人类带来利益的同时，也会给人类带来一定的灾难。比如基因药物，它不仅能根治遗传性疾病、恶性肿瘤、心脑血管疾病等，甚至人的智力、体魄、性格、外表等亦可随意加以改造；还有，克隆技术如果不加限制，任其自由发展，最终有可能导致人类的毁灭。还有，尽管目前的转基因动植物还未发现对人类有什么危害，但不等于说转基因动植物就是十分安全的，毕竟这些东西还是新生事物，需要实践慢慢地检验。转基因生物和常规繁殖生长的品种一样，是在原有品种的基础上对其部分性状进行修饰或增加新性状，或消除原来的不利性状，但常规育种是通过自然选择，而且是近缘杂交，适者生存下来，不适者被淘汰掉。而转基因生物远远超出了近缘的范围，人们对可能出现的新组合、新性状会不会影响人类健康和环境，还缺乏知识和经验，按目前的科学水平还不能完全精确地预测。所以，我们要在抓住机遇，大力发展基因工程技术的同时，需要严格管理，充分重视转基因生物的安全性。 参考文献：1陈渝军,林晶.基因工程技术在医药卫生领域的应用及发展.药价,2005,2(2):144-145.2童克中.基因及其表达.北京:科学出版社,2001.3李尉民,乐宁,夏红民.转基因生物及其产品的风险与管理.生物技术报.2000(4)41-44.4朱宝泉.基因工程技术在医学工业中的应用及进展J.中国医药工业志.1997.28(2):56- 58.5方鹏.基因工程应用简述J.辽宁师专学报.2004.6(2):29-30.6周黎,柯传奎.基因工程药物研究现状与对策J.生命科学仪器2004.1:22.7Malmberg LH,Hu WS, Sherman DH·Journal of Bacteriology,1993,175(11):69166924·8Haruo Ikeda, SatoshiOmura·Journal ofAntibiotics, 1995, 48(7):549562·9Chaitan Khosla, JamesEB·Nature, 1988, 331: 633635·10郭宏秋,杨胜利·微生物学通报,1996,23(4):227230·11周煜,刘涤,胡之璧·药物生物技术,2000,7(4):251253·12路正兵, 夏颖.基因工程在疾病防治及药物研制上的应用J.安徽预防医学杂志.2000.6(5):398-400.13王俊杰21 世纪基因工程在肿瘤防治中的应用J2000.6(6):62- 67-