基础生命科学 生物技术与人类未来综述

生物技术与人类未来

一、前言

近年来，随着科学和技术的迅猛发展，人们越来越多地采用多学科的方法，来解决社会上的各种问题。这导致了综合性学科的出现，并最终形成了具有独特概念和独特方法的新领域。生物技术就是在这种背景下产生的一门综合性的新兴学科，这门学科将会为人类的未来作出巨大的贡献。根据生物技术操作的对象及操作技术的不同，生物技术主要包括以下五项。

他们是：基因工程，细胞工程，酶工程，发酵工程和蛋白质工程。上述五项技术并不是各自独立的，它们彼此之间互相联系、互相渗透。

基因工程技术是核心技术，它能带动其他技术的发展。通过基因工程对细菌改造后获得的“工程菌”，必须分别通过发酵工程来生产有用的物质；通过基因工程对细胞改造后获得的“工程细胞”，必须分别通过细胞工程来生产有用的物质；通过基因工程技术对酶进行改造以增加酶的产量、酶的稳定性以及提高酶的催化效率等。 二、生物技术 （一）基因工程

1、基因工程简介

基因工程又称基因拼接技术和DNA重组技术，是生物工程的一个重要分支。基因工程是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，在分子水平上对基因进行操作的复杂技术。将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。

基因工程具有以下几个重要特征：1、外源核酸分子在不同的寄主生物中进行繁殖；2、DNA小片段在新的寄主细胞中进行扩增。科学家将改变人类生殖细胞ＤＮＡ的技术称为“基因系治疗”，通常所说的“基因工程”则是针对改变动植物生殖细胞的。

2、基因工程基本操作步骤

第一步，获取目的基因。要获得特定的目的基因，主要有两条途径：一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因；另一条是人工合成基因。

1

第二步，基因表达载体的构建（即目的基因与运载体结合）。目的基因与运载体结合是实施基因工程的第二步，也是基因工程的核心，实际上是不同来源的DNA重新组合的过程。

第三步，将目的基因导入受体细胞。目的基因的片段与运载体在生物体外连接形成重组DNA分子后，下一步是将重组DNA分子引入受体细胞中进行扩增。

第四步，检测与鉴定。目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过检测与鉴定才能知道。 3、基因工程大事记

1980年 科学家首次培育出世界第一个转基因动物转基因小鼠。 1983年 科学家首次培育出世界第一个转基因植物转基因烟草。 1999年9月 中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的1%。中国是继美、英、日、德、法之后第6个国际人类基因组计划参与国，也是参与这一计划的惟一发展中国家。

2001年2月12日 中、美、日、德、法、英6国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。科学家首次公布人类基因组草图“基因信息”。 （二）细胞工程

1、细胞工程简介

细胞工程是指应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法，按照人们的需要和设计，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞的结构和内含物，以改变生物的结构和功能，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的生物工程技术。

2、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。

植物细胞工程的理论基础：植物细胞的全能性。常用技术手段是植物组织培养，植物体细胞杂交。

植物组织培养技术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。

动物细胞培养常用的技术手段有：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。动物细胞能够分泌蛋白质，如抗体等。但是单个细胞分泌的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。

2

应用动物细胞培养技术，可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。动物细胞融合技术最重要的用途，是制备单克隆抗体。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。 （三）酶工程

1、酶工程简介

酶工程就是将酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能,借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备,酶的固定化,酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。

2、应用范围

酶工程的应用，主要集中于食品工业，轻工业以及医药工业中。开始的时候，人们直接从动植物或微生物体内提取酶做成酶制剂，用于产品生产。

在七十年代以后，伴随着第二代酶——固定化酶及其相关技术的产生，酶工程才真正登上了历史舞台。固定化酶正日益成为工业生产的主力军，在化工医药、轻工食品、环境保护等领域发挥着巨大的作用。

不仅如此，还产生了威力更大的第三代酶，它是包括辅助因子再生系统在内的固定化多酶系统，它正在成为酶工程应用的主角。

新一代基因工程酶制剂的开发研制，无疑是使酶工程如虎添翼。固定化基因工程菌、基因工程细胞技术将使酶的威力发挥得更出色。 （四）发酵工程

1、发酵工程简介

发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，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的一种新技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。

2、组成部分

发酵工程由三部分组成：是上游工程，中游工程和下游工程。其中上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。中游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：包括固液分离技术，细胞破壁技术，蛋白质纯化技术，最后还有产品的包装处理技术。 （五）蛋白质工程

1、蛋白质工程简介

3

所谓蛋白质工程，就是利用基因工程手段，包括基因的定点突变和基因表达对蛋白质进行改造，以期获得性质和功能更加完善的蛋白质分子。

蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基础

之上，融合了蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域。

2、主要内容

根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系。

在此基础之上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能，设计合成具有特定生物功能的全新的蛋白质，这也是蛋白质工程最根本的目标之一。

3、基本途径

从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的核糖核苷酸序列（RNA）→找到相对应的脱氧核糖核苷酸序列（DNA）。 三、生物技术与人类未来 （一）基因工程与人类未来

运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。如：转基因鱼，生长快、耐不良环境、肉质好；转基因牛，乳汁中含有人生长激素；转黄瓜抗青枯病基因的甜椒；转鱼抗寒基因的番茄等。

基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。

用基因治病是把功能基因导入病人体内使之表达，并因表达产物——蛋白质发挥了功能使疾病得以治疗。基因治疗的结果就像给基因做了一次手术，治病治根，所以有人又把它形容为“分子外科”。 （二）细胞工程与人类未来

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。

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。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。

4

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。人工受精、胚胎移植等技术已广泛应用于畜牧业生产。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。

（三）酶工程与人类未来

现在使用的洗涤剂，大部分是加酶的，其去污力大大加强了。此外，在制造奶酪、水解淀粉、酿造啤酒及砚烤制中，酶制剂都可以得到直接的应用。新一代基因工程酶制剂的开发研制，无疑是使酶工程如虎添翼。

人工设计和合成具有生物活性的非天然大分子物质，是科学家们共同努力的目标。

（四）发酵工程与人类未来

随着科学技术的进步，发酵技术也有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物，使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。如，用基因工程的方法有目的地改造原有的菌种并且提高其产量；利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、干扰素和生长激素等。 （五）蛋白质工程与人类未来

蛋白质工程取得的进展向人们展示出诱人的前景。例如，科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。如今，生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点，因此有极为广阔的发展前景。 四、总结

随着们越来越多地探索与使用生物技术，人类的未来生活会发生巨大的变化。生物技术可以给人们在农业，畜牧业，医学等各个方面带来便利。 五、参考文献

部分资料参考网络课堂。

5