现代生物技术以分子生物学.doc

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1、内蒙古科技大学现代生物技术导论结课论文 学院：经管学院 姓名：王帅 学号： 班级：金融13-1生物技术生物技术是人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础科学的科学原理，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。随着生物学和生物技术向纵深发展，不断有一些新的内容出现，特别是人类和生物的基因组学、蛋白质组学、生物芯片、生物信息学等重大技术的出现，已经大大扩展了生物技术的内涵。一、现代生物技术的诞生19世纪末20世纪初,发生了物理学革命,在整个自然科学领域引起了科学思想的深刻变革。物理学的新观念、新理论、新方法,被广泛地用于自然科学的各个部门。生物

2、学因此在已有的基础上取得了革命性的进展。特别是在20世纪50年代以来,生物学领域中取得了一个又一个的创新成果。1953年,沃森和克里克发现了遗传物质DNA的双螺旋结构,在分子水平上解释了遗传信息的传递机制,更加深入地揭示了生命的本质和规律性,奠定了分子生物学的基础。同年,英国生化学家桑格发现了51个氨基酸的牛胰岛素结构。1961年,雅各布、雷沃夫和莫诺提出“乳糖操纵子学说”,首次在基因水平上阐明了原核生物体生物化学反应过程中调控原理。1964年,64种遗传密码全部破译。随后,发现了遗传学中的“中心法则”。1965年,我国科技工作者在世界上首次人工合成结晶牛胰岛素。1970年,发现逆转录酶,对“

3、中心法则”作重大修正。同时发现而且分离到限制性核酸内切酶。 生物学领域的创新成果意味着人类在微观水平上改造生命体已经成为可能。1973年,美国科学家科恩等创建了体外重组DNA技术简称rDNA技术。他们将大肠杆菌体内的两个不同质粒(染色体以外的闭环DNA分子,能自我复制)切割开来,在体外连接为杂合质粒,再次引入至大肠杆菌体内,复制出的质粒表达了双亲质粒的遗传信息。这表明在分子水平上通过改变遗传信息从而影响生物体性状的设想已经变为现实。1975年,英国学者米尔斯坦等人发明了单克隆技术无性繁殖的意思,并产生了单克隆抗体。他们的做法是:把能产生抗体的B淋巴细胞和小白鼠能持续生长的癌细胞融合,得到的杂交

4、瘤细胞,具备两种细胞的功能,能够几乎无限制地分泌大量匀质的抗体。人们常把这两个科学事件作为现代生物技术诞生的标志。现代生物技术与以往技术的最大不同之处在于人类可以在分子或细胞水平上定向利用和操纵生命体。二、我国生物技术的现状 早在五十年代初期,我国就开始建立了比较庞大的抗生素产业。随后,氨基酸、酶制剂、柠檬酸、维生素、幽体激素、核酸药物、酒精、丙酮、丁醇、酵母等发酵产品相继投产,逐步形成了近代生物技术产业体系。当前,我国生物技术工业产值约为国民经济总产值的百分之一,生物技术产品已有100多种,其中抗生素有60一70种,产量超过9,000吨;氨基酸的产量超过60,000吨。在生物技术开发中占重要

5、地位的生物催化剂酶的生产在我国也取得了较大进展。七十年代以来相继建成酶制剂工厂40多家,生产酶制剂20多种,在纺织、制糖、洗涤剂、皮革和医药的生产中得到了广泛的应用、植物细胞和组织培养再生植株技术取得了显著进展。我国花药培养和单倍体育种技术在国际上处于领先地位。培养成功的花粉植物已达20多种,其中小麦、玉米、橡胶、杨树、柑桔等19种植物的花粉植株在我国首先培育成功,有些品种推广一面积已达250万亩以上,花培烟草单育1、2、3号新品种的种植面积达15万亩,“京花一号”花潜小麦1584年的播种面积超过100万亩,为农业生产带来了明显的经济效益。在现代生物技术的基础研究和应用研究方曲取得了一些新成绩

6、。此外,在微生物农药、生物能源、和用微生物处理废水方面也取得了一些重要的研究成果。总之,现代生物技术在我国已经起步,并取得了不同程度的进展,从而为我国生物技术的今后发展奠定了基础。三、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

7、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

8、，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。图4-25是不同构型的质粒。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

9、，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，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

10、。有了它，人们就可以随心所欲地进行DNA分子长链切割了。表4-3是一些限制性内切酶的识别位点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”。2、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

11、。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，重组形成了一个新的环状DNA分子。（3）DNA重组体的导入：把目的基因装在载

12、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。（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

13、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。四、现代生物技术的研究进展 生物技术的发展不仅在近期内能提供新的产业，而且在解决人类社会所面临的许多重大问题方面(如人口和食物、能源和资源等等)也发挥着重要作用。在我国，生物技术的研究始于20世纪70年代，到20世纪80年代国家把生物技术确定为科技和产业发展的重要领域之一。在基础理论、实验技术和实际应用等方面都有较为明显的进展，大大缩短了与世界发

14、达国家的差距，在发展中国家处于领先地位。从基因工程技术的发展方向来看，以下几个领域是未来我国研究和投资的主要方向： 1、开发针对神经系统、肿瘤、心血管系统、艾滋病及免疫缺陷等重大疾病的多肽、蛋白质和核酸等新生物技术产品。此方面开发重点将主要是干扰素、生长激素与等。 2、选择一批市场前景好的生物技术产品及疫苗、诊断用单克隆抗体。专家认为我国在这方面已有一定基础，开发重点是乙肝基因疫苗与单克隆抗体诊断试剂。 3、开发靶向药物主要是开发抗肿瘤药物。目前治疗肿瘤药物确实存在一个所谓“敌我不分”的问题。在杀死癌细胞的同时，也杀死正常细胞。导向治疗就是针对这个问题提出来。所谓导向治疗就是利用抗体寻找靶标，

15、如导弹的导航器，把药物准确引入病灶，而不伤及其他组织和细胞。 4、人源化的单克隆抗体的研究开发。抗体可以对抗各种病原体，亦可作为导向器，但目前的单克隆抗体，多为鼠源抗体，注入人体后会产生抗体（抗抗体）或激发免疫反应。目前国外已研究噬菌体抗体技术，嵌合抗体技术，基因工程抗体技术以解决人源化抗体问题。 5、血液替代品的研究与开发仍然占重要地位。血液制品是采用大批混合的人体血浆制成的，由于人血难免被各种病原体所污染，如爱滋病病毒及乙肝病毒等，通过输血而使患者感染爱滋病或乙型肝炎的案例时有发生，因此利用基因工程开发血液替代品引人注目。五、结论和展望现代生物技术的应用益深广，不但对医学、农业和环境造成影

16、响，而且对其他行业也产生了深远的影响。例如：现代生物技术给传统工业带来了全新的思路，生产环境不再需要高温、高压，替而代之的是模拟生命过程的生物反应器。另外利用生物技术可以改良传统工艺，把农副原料加工成发酵或酿造制品；还可以进行食品添加剂和酶制剂的研制与开发，丰富了人们的生活，提高了生活质量等等。纵观现代生物技术及其产业的发展，其前景是美好的，大力发展现代生物技术及其产业已成为世界各国经济发展的战略重点：一方面是由于现代生物技术发展迅速，用途广泛，渗透到人们生活的各行各业；另一方面是由于现代生物技术具有其他技术无法比拟的可持续发展性；再一方面是现代生物技术的原料具有再生I生，对环境的破坏性极小或几乎没有，甚至还可消除环境中的污染物。但是现代生物技术的各项研究尚处于科研阶段，产业化建设尚在初创阶段，还没有实现它最初预期值。专家预测：现代生物技术创新的高潮将伴随人类基因组计划的完成而到来，以基因组为基础的生物技术产业将成为21世纪的朝阳产业，它的巨大经济效益吸引着投资商和企业汇集于这一领域，现代生物技术将进入广泛的大规模产业化阶段，象当年工业革命一样，使人类的生活发生根本性的变化。