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现代生物技术的含义

时间:2021-02-10 百科知识 版权反馈
【摘要】:第一节 现代生物技术的含义一、现代生物技术的定义历经36亿年的进化、演变,当今地球上活跃着约200万种生命,生命随时随地都在成长、发展。随着一个个生命奥秘被揭开,尤其人类基因测序的完成和公布,令很多生物技术从业人员为之欢欣鼓舞。当前所称的生物技术基本上都是指现代生物技术。发酵工程是生物技术的重要组成部分,也是生物技术产业化的重要环节。
现代生物技术的含义_现代生物学导论

第一节 现代生物技术的含义

一、现代生物技术的定义

历经36亿年的进化、演变,当今地球上活跃着约200万种生命,生命随时随地都在成长、发展。但是,生命的本质是什么?生命的起源又是怎样的?这对于人们来说仍然是个谜。究竟用什么手段才能掀开罩在“生命”头上这层神秘的面纱,最终揭示生命的奥秘呢?人们寄望于生物技术。随着一个个生命奥秘被揭开,尤其人类基因测序的完成和公布,令很多生物技术从业人员为之欢欣鼓舞。很多迹象表明,生物技术产业虽然历史才不到50年,但正步入成熟期。若干年后,当人们回首生物进化的长河时,会惊奇地发现人类导演的精彩的进化剧目随处可见,生物世界丰富多彩,生物技术产品比比皆是。

在远古时代生物工程就已经出现——酒的发酵技术可以说是生物工程的发源。在上个世纪,更是有许多与人类生活息息相关的生物技术出现。1929年,青霉素被发现及随后的大规模生产,使发酵技术达到了登峰造极的程度,这一古老的技术奇迹般地挽救了成千上万人的生命。20世纪70年代,基因工程细胞工程应运而生,基因重组技术的突破,给传统生物学工业带来了全新观点,揭开了现代生物技术的序幕,标志着人类已经从认识、利用生物的时代,跨进了改造和创造生物的新时代。

生物技术(biotechnology),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。生物技术是在分子生物学细胞生物学的理论基础上,综合采用了基因重组、杂交瘤、固定化酶和动植物细胞大规模培养等现代方法和手段建立起来的一个现代技术体系,它是直接或间接利用生物体的机能生产物质的技术,是以基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程为主体的生物高技术,是现代高科技领域中改造生命和创造新生命的科学。它的发展将逐步解决粮食紧缺、能源匮乏、疾病肆虐、环境污染等世界四大难题,极大程度地改变世界,造福人类。

生物技术包括传统生物技术和现代生物技术。传统生物技术主要是指通过微生物的初级发酵来生产酱、酒、面包奶酪酸奶及其他食品的传统制造工艺;而现代生物技术是指20世纪70年代末80年代初发展起来,以现代生物学研究成果为基础,以基因工程为核心的新兴学科。当前所称的生物技术基本上都是指现代生物技术。无论是公元前的原始酿造技术还是20世纪中期的抗生素大规模工业化生产,都无不表明生物技术与人类生活息息相关。

二、生物技术的种类及其相互关系

近几十年来科技发展的一个显著特点是越来越多地采用多学科的方法和技术来解决各种问题,继而导致了许多综合性学科的出现。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。根据操作的对象及操作技术的不同,生物技术主要包括以下5项技术(工程)。

1.基因工程

基因工程(geneengineering)又称基因拼接技术或DNA重组技术,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,将不同来源的基因按预先设计的蓝图,在体外构建杂种DNA分子,然后导入活细胞进行表达,以改变生物原有的遗传特性并获得新物种。主要原理是在体外将来自于某一物种的遗传物质进行切割、拼接和重组,之后将重组了的遗传物质导入宿主细胞或个体,从而改变它们的遗传特性;有时还使新的遗传信息(基因)在新的宿主细胞或个体中大量表达,以获得基因产物(多肽或蛋白质)。

2.细胞工程

细胞工程(cellengineering)是指在细胞水平研究开发、利用各类细胞的工程,采用细胞生物学和分子生物学的理论和方法,按照人们的设计蓝图,进行细胞水平上的遗传操作并进行大规模的细胞和组织培养,以获得特定的细胞、组织产品或新型物种的一门综合性科学技术。当前细胞工程主要技术包括细胞培养、细胞融合、细胞拆合、染色体操作及转基因等方面。通过细胞工程可以生产有用的生物产品并产生新的物种或品系。

3.酶工程

酶工程(enzymeengineering)是研究酶的生产和应用的一门技术性学科,是在一定的生物反应装置中,利用酶、细胞或是细胞器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。酶工程包括酶制剂的制备、酶的固定化、酶的修饰与改造及酶反应器等方面的内容。目前,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。

4.发酵工程

发酵工程(fermentationengineering),也称微生物工程,是利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点,在合适的条件下,通过现代化工程技术手段,利用微生物的某种特定功能生产出人类所需要产品的一门工程技术。从广义上讲,发酵工程由三部分组成:即上游工程、中游工程和下游工程。其中上游工程包括优良种株(菌株)的选育和复壮,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和细胞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。发酵工程是生物技术的重要组成部分,也是生物技术产业化的重要环节。

5.蛋白质工程

随着DNA重组技术的逐渐成熟,人们有可能对遗传物质的表达产物蛋白质结构进行一定改造,这就出现了一项新的技术——蛋白质工程。蛋白质工程(proteinengineering)是指在基因工程的基础上,结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识,通过对基因的人工定向改造等手段,对蛋白质进行修饰、改造和拼接,以生产出能满足人类需要的新型蛋白质的技术。其研究内容主要有两个:其一是根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质;其二是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,最终实现设计合成具有特定生物功能的全新的蛋白质。

上述5项技术并不是各自独立的,它们彼此之间是相互联系、相互渗透的。其中基因工程技术是核心技术,它能带动其他技术的发展。例如通过基因工程对细菌或细胞改造后获得的“工程菌”或“工程细胞”,都必须分别通过发酵工程或细胞工程来生产有用的物质。又如,通过基因工程手段对某些已知蛋白质进行修饰改造,生产出符合要求的新型蛋白质。

三、现代生物技术的特点

在所有自然科学领域中,现代生物技术是涵盖范围最广的学科之一。现代生物技术以包括分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫生物学、人体生理学动物生理学、植物生理学、微生物生理学、生物化学、生物物理学、遗传学等几乎所有生物科学的次级学科为支撑,又结合了诸如化学、化学工程学数学微电子技术、计算机科学、信息学等生物学领域之外的尖端基础学科,从而形成一门多学科互相渗透的综合性学科。其中生命科学领域的重大理论和技术的突破是现代生物技术发展的基础,但其他学科在现代生物技术的发展过程中的辅助作用也是不可忽视的。

近20年来,现代生物技术的发展日益呈现出两个显著的特点:其一,现代生物技术可以突破物种界限,有效地改造生物体的遗传本质并产生新的物种;其二,现代生物技术带来的经济效益和社会效益日益显著,同时对社会伦理产生了巨大的冲击。目前,大量与人类健康密切相关的基因都已得到克隆和表达,胰岛素生长激素、细胞因子及多种单克隆抗体等基因工程药物已正式生产上市。仅美国至1997年7月止就已批准了39种基因工程药物、疫苗和注射用单克隆抗体。生物技术研究的最终目标是生产商业产品,因此,与很多科学研究不同,现代生物技术在某种程度上是由经济的发展所推动的,商业投资不仅在支撑着现代生物技术的研究,而且对于商业回报的预期也使人们在现代生物技术发展的早期阶段积极地对它进行投资。据世界市场信息报道,2000年世界生物技术产业的市场容量增长到2000亿美元左右,其主要产品为医药产品、农产品和食品等。据统计,1997年底全世界总共有生物技术公司3000余家,其中美国有1300余家,上市公司为300家。现代生物技术在我国同样带来巨大的经济效益。截止2000年,中国生物技术产业产值已经达到200多亿元,北京、上海、广州、深圳等地已建立了20多个生物技术园区。截止2006年,中国现代生物技术产业的年产值达到600亿元,传统生物技术产业的年产值达到3000多亿元。全国涉及现代生物技术的企业约500家,从业人员超过5万人,其中涉及医药生物技术的企业300多家,涉及农业生物技术的企业200多家。

四、生物技术发展简史

1.传统生物技术

最早的生物技术,主要集中于生产食品,如面包、啤酒、酱油以及发酵的奶制品。1683年荷兰人列文虎克发明了显微镜,观察到了微生物和细胞的存在。19世纪后期,法国微生物学家巴斯德证实发酵是微生物活动的结果,并创立了微生物的纯培养技术。巴斯德对发酵现象的阐明奠定了发酵工业微生物学的基础。20世纪初,发酵法用于多种有机溶剂的大量生产,如酒精、丙酮和甘油等。1929年,青霉素被发现及随后的大规模生产,使发酵行业得到飞速发展。随后发酵技术和酶技术被广泛应用于医药、食品、化工、制革和农产品加工等部门。

20世纪初,遗传学的建立及其应用,产生了遗传育种学,并于60年代取得了辉煌的成就,被誉为“第一次绿色革命”。1957年,日本科学家冈田善雄利用仙台病毒完成细胞融合;1965年美国借用病毒使人体与老鼠细胞融合。随后,细胞学的理论被应用于生产而产生了细胞工程。这一阶段的生物技术,由于没有高新技术的参与,仍然被看作是传统生物技术。

2.现代生物技术

现代生物技术时期是以分子生物学的理论为先导,以20世纪70年代DNA重组技术的建立为标志的。表10-1列举了部分对生物技术的发展具有里程碑意义的大事件,从这些大事件中,可以追溯现代生物技术在20世纪兴起的脉络。1944年美国微生物学家Avery等用烟草花叶病毒实验证明了DNA是遗传信息的携带者。1953年美国学者Watson和Crick发现了DNA的双螺旋结构,随后1958年Crick又阐明了DNA的半保留复制模式,从而奠定了现代分子生物学的基础。1961年,美国国家卫生院(NIH)的Matthaei与Nirenberg破解了密码子,从而揭开了DNA编码的遗传信息是如何传递给蛋白质这一秘密。

表10-1 生物技术发展历史大事件

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基于上述基础理论的发展,1973年,美国斯坦福大学的Cohn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,这一基因重组实验标志着生物技术的核心技术——基因工程技术的开始。该技术向人们提供了一种全新的技术手段,使人们可以按照意愿在试管内切割DNA、分离基因并经重组后导入其他生物或细胞,藉以改造农作物或畜牧品种;也可以导入细菌这种简单的生物体,由细菌作为生物反应器生产大量有用的蛋白质;甚至可以直接导入人体进行基因治疗。总而言之,现代生物技术的发展日益影响和改变着人们的生产和生活方式,同时现代生物技术的出现也标志着人类已经从认识、利用生物的时代,跨进了改造和创造生物的新时代。

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