浅论基因工程.doc

浅论基因工程技术的现状和前景发展
【摘要】
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。基因工程前景广阔，各国科学家都在加紧研究.我们国家的基因工程研究，与国外相比,虽起步较晚，但也获得了较大的发展,取得了一定的科研成果。例如，已经研制成功和正在研制的基因工程产品就有几十种，有些已经投产并开始使用，如基因工程α—干扰素，基因工程乙型肝炎疫苗等等。总之，基因工程及应用给传统生物技术带来了彻底的革新，而且其应用范围仍然在不断加深、扩大，前景是十分诱人的.它等待着我们这一代青少年，去探索，去实践,从而取得更大的成功。
【关键词】基因工程技术;前景；现状
目录
一、学科概况
二、学科起源
三、基因工程大事记
四、基因工程的应用现状及前景分析
1. 基因工程在农业中的应用现状及发展前景
2. 基因工程在医药领域的应用现状及发展前景
3. 基因技术应用于环境方面的现状及前景
4. 基因工程的负面影响
五、我国基因工程存在的主要问题
六、我国基因技术前景发展
· 参考文献
一 、 学科概况
基因工程

大脑彩虹图
基因工程是生物工程的一个重要分支,它和细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程共同组成了生物工程。 所谓基因工程（genetic engineering）是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术。是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、翻译表达的操作.它是用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质—-DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来,然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新技术.它克服了远缘杂交的不亲和障碍。
二、学科起源

《基因样本》
基因工程是在分子生物学和分子遗传学综合发展基础上于本世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术科学。一般来说，基因工程是指在基因水平上的遗传工程，它是用人为方法将所需要的某一供体生物的遗传物质—-DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中,以让外源遗传物质在其中”安家落户”,进行正常复制和表达,从而获得新物种的一种崭新的育种技术。 这个定义表明，基因工程具有以下几个重要特征：首先，外源核酸分子在不同的寄主生物中进行繁殖，能够跨越天然物种屏障，把来自任何一种生物的基因放置到新的生物中，而这种生物可以与原来生物毫无亲缘关系，这种能力是基因工程的第一个重要特征。第二个特征是，一种确定的DNA小片段在新的寄主细胞中进行扩增，这样实现很少量DNA样品”拷贝"出大量的DNA，而且是大量没有污染任何其它DNA序列的、绝对纯净的DNA分子群体。科学家将改变人类生殖细胞ＤＮＡ的技术称为“基因系治疗”(germlinetherapy），通常所说的“基因工程”则是针对改变动植物生殖细胞的。无论称谓如何，改变个体生殖细胞的ＤＮＡ都将可能使其后代发生同样的改变.
随着DNA的内部结构和遗传机制的秘密一点一点呈现在人们眼前，特别是当人们了解到遗传密码是由 RNA转录表达的以后，生物学家不再仅仅满足于探索、提示生物遗传的秘密，而是开始跃跃欲试，设想在分子的水平上去干预生物的遗传特性. 如果将一种生物的 DNA中的某个遗传密码片断连接到另外一种生物的DNA链上去，将DNA重新组织一下,就可以按照人类的愿望,设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型，这与过去培育生物繁殖后代的传统做法完全不同。 这种做法就像技术科学的工程设计,按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物的那个“基因”重新“施工”,“组装"成新的基因组合，创造出新的生物。这种完全按照人的意愿，由重新组装基因到新生物产生的生物科学技术,就称为“基因工程”,或者说是“遗传工程".基本操作步骤　这个过程即为体外重组DNA的过程。首先选择目的基因所适合的运载工具,如质粒、病毒等，然后用同一种限制酶分别切割运载体和目的基因,使其产生相同的黏性末端,再加入适量的DNA连接酶，在生物体外将目的基因的DNA与运载体的DNA结合起来,形成重组DNA（或重组质粒）　将重组的DNA杂合分子，借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径，转移到选定的生物体细胞中,使重组的DNA在受体细胞中复制、转录、翻译得以表达。把目的基因装在运载体上并通过运载体将目的基因运到受体细胞的这一过程，在一般情况下,转化成功率仅为百分之一。为此遗传工程师们创造了低温条件下用氯化钙处理受体细胞和增加重组DNA浓度的办法来提高转化率。采用氯化钙化处理后，能增大受体细胞的细胞壁透性，从而使杂种DNA分子更容易进入。另外也可用基因枪法、激光微束穿孔法、显微注射法等方法直接将目的基因转入受体细胞(如受精卵细胞）.
三、基因工程大事记
1860至1870年 奥地利学者孟德尔根据豌豆杂交实验提出遗传因子概念,并总结出孟德尔遗传定律。
1909年 丹麦植物学家和遗传学家约翰逊首次提出“基因”这一名词，用以表达孟德尔的遗传因子概念。
1944年 3位美国科学家分离出细菌的DNA(脱氧核糖核酸），并发现DNA是携带生命遗传物质的分子.
1953年 美国人沃森和英国人克里克通过实验提出了DNA分子的双螺旋模型。
1969年 科学家成功分离出第一个基因。

转基因链
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。
1988年 K。Mullis发明了PCR技术.
1990年10月 被誉为生命科学“阿波罗登月计划"的国际人类基因组计划启动。
1994年中科院曾邦哲提出转基因禽类金蛋计划和“输卵管生物反应器(oviduct bioreactor）”以及“系统遗传学（system genetics)”等概念、原理、名词和方法等。
1998年 一批科学家在美国罗克威尔组建塞莱拉遗传公司，与国际人类基因组计划展开竞争。
1998年12月 一种小线虫完整基因组序列的测定工作宣告完成,这是科学家第一次绘出多细胞动物的基因组图谱。
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。
1999年12月1日 国际人类基因组计划联合研究小组宣布，完整破译出人体第22对染色体的遗传密码,这是人类首次成功地完成人体染色体完整基因序列的测定。
2000年4月6日 美国塞莱拉公司宣布破译出一名实验者的完整遗传密码，但遭到不少科学家的质疑。
2000年4月底 中国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了1%人类基因组的工作框架图。
2000年5月8日 德、日等国科学家宣布，已基本完成了人体第21对染色体的测序工作.
2000年6月26日 科学家公布人类基因组工作草图，标志着人类在解读自身“生命之书"的路上迈出了重要一步。
2000年12月14日 美英等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱，这是人类首次全部破译出一种植物的基因序列.
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”。
四、、基因工程的应用现状及前景分析
（一)基因工程在农业中的应用现状及前景分析
1、基因工程在国外农业中的应用概况
从20世纪80年代每个科学家获得第一株转基因植物到现在的十几年时间内，农业生物技术的发展日新月异，大量的转基因植物进入了大田试验，有不少转基因作物被批准进入商品化生产.农业生物技术的研究主要集中在美国、加拿大和欧洲的一些发达国家以及南美和亚洲的一些国家。从1987年到1999年1月，美国共批准4779项基因工程作物进入大田试验。从基因工程作物大田试验的种类来看，试验次数最多的是抗除草剂的基因作物，其次是抗病虫害的农作物；从作物品种来看，已经进入大规模测试的农作物有玉米、土豆、番茄、大豆、棉花、瓜类，水稻、小麦等已进入中型规模的大田试验。至1999年，转基因玉米、番茄、土豆、棉花、大豆等均已批准进入市场。据统计，全球消费的农产品中，大豆的60%、棉花的40％、玉米的30%都是经过基因工程改造过.
　　目前，在国外推动基因工程在农业中应用的主导力量并不是政府，而是公司。由于基因技术的巨大潜力和诱人的盈利前景，使一些有远见的大公司纷纷投入巨资从事这一领域的研究与开发，并在一定程度上形成了由少数大公司对这一领域的技术成果垄断的局面.著名的大公司有:美国的孟山都、制药业巨头诺华公司和英国与瑞典合资的阿斯特拉-捷利康公司.
2、基因工程在我国农业中的应用现状
我国的“六五"、“七五”、“八五”攻关项目和国家科委863计划都将基因工程在农业中的应用作为重点支持项目，我国有100多个实验室在从事这项研究工作。其中最有影响的是“北京大学蛋白质工程及植物基因工程国家重点实验室"和“中国农业科学院生物技术中心”
　　总体来说，我国农业基因工程研究的进展是非常迅速的,1997年共有55项转基因申请，经批准环境释放31项，中间试验10项，商品化生产4项；1998年，申请数达到68项,批准环境释放10项，中间试验39项，商品化生产2项。但基因工程在我国农业中的应用还局限在经济作物，如番茄、烟草等方面,大田作物只有水稻和棉花取得了突破，其中抗虫棉花已经进入商品化生产。1999年种植面积达到100万亩左右.
从商业价值来看，最有前景的是大田作物的转基因技术，特别是水稻、小麦等粮食作物的转基因技术。因为吃饭问题始终是人类必须面临的问题，我们必须增加粮食作物的单位面积产量，才能在地球有限的耕地上生产出更多的粮食，以便满足人口的不断增长的需要。根据世界粮农组织统计，1998年世界粮食的总产量为19.62亿吨，比1985年有较大幅度的增长，但人均粮食占有量却从1985年的415公斤降到360公斤。世界粮食库存量同消费量的比例降到14％，已低于世界粮农组织确定的保证世界粮食安全最低水平的17％—18％.对于我国这样一个人多地少的国家来说,粮食安全更加重要。全世界每年粮食贸易总量只有2亿吨左右，假如我国粮食欠收1/3左右话，我们必须全部买下这些粮食。这将是多么恐惧的事情!因此，我国政府历来十分重视粮食生产。在所有的粮食作物中,水稻的产量占40％左右，是最重要的粮食品种。
(二）、基因工程技术在医药领域的应用现状及前景分析
1、基因技术对医药领域的贡献
基因工程技术对医药卫生领域的贡献主要有三个方面：一是解决了过去用常规方法不能生产或者生产成本特别昂贵的药品的生产技术问题,开发出了一大批新的特效药物，如胰岛素、干扰素（IFN）、白细胞介素—2(IL—2）等等，这些药品可以分别用以防治诸如肿瘤、心脑肺血管、遗传性、免疫性、内分泌等严重威胁人类健康的疑难病症，而且在避免毒副作用方面明显优于传统药品;二是研制出了一些灵敏度高、性能专一、实用性强的临床诊断新设备，如体外诊断试剂、免疫诊断试剂盒等，并找到了某些疑难病症的发病原理和医治的崭新方法；三是基因工程疫苗、菌苗的研制成功直至大规模生产为人类抵制传染病的侵袭，确保整个群体的优生优育展示了美好的前景。
2、基因工程制药业在国外的发展概况
由于生物技术在解决人类面临的疑难疾病、寻找新的药物途径等方面具有独特的作用，因而各国都十分重视生物技术的研究开发，在生物技术的产业化方面更是不遗余力,政府提供了诸多的优惠政策，产业界则纷纷投入巨资.目前仅仅在美国从事生物技术开发研究的公司就有1140多家，西欧共有800多家，日本也有800多家。生物技术药品的市场也在迅速发展。据专家预测，2000年药品市场上将有100种生物技术药品,总销售额将超过200亿美元.生物制药产业发展较为迅猛的国家以发达国家为主。美国目前拥有1300家公司从事生物制药，其中20％的公司已上市，其研究开发应用面广、基础厚、水平领先；西欧具有在基础投资和人才技术方面联合的优势，水平仅次于美国；日本采用的是急起直追战略,水平居美国、西欧之后，但已确定了到2000年，日本生物技术居世界前列的目标；发展中国家普遍起步较晚，以跟踪仿制为主。
3、国内基因工程制药的概况：刚刚起步，任重道远
我国在基因工程技术医药产品的研究开发方面虽然起步较晚,基础较差，但一开始就受到了党和政府的高度重视。1993年6月,中国生物工程学会在京正式成立。最近国家医药管理局又制定了生物技术“九五”及2010年科技发展规划。由于国家的重点扶持，科技人员的刻苦攻关，经过十几年的努力，我国生物技术已取得一大批具有国际先进水平的成果，。到1997年底，我国已能生产包括基因工程乙肝疫苗、干扰素、白细胞介素-2等在内的,基因工程疫苗或药物15种，生物药品的产值近30亿元。然而，我们也应该正视与先进国家的差距，特别是在生物技术药品的产业化方面。1996年中国医药工业总产值1200亿元，其中生物药品产值34亿元，占比2。9%，而同一时期美、日等国的这一比例达到8%。目前国内耗用的生物药物有将近一半依赖进口.
（三）、基因工程应用于环保方面的现状及前景
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。
（四)、基因工程负面影响
关于转基因生物的安全性，目前仍没有科学性共识.尽管如此,基因工程农作物已被大规模投放，生物医学应用也日益增加。转基因生物还被投入工业使用和环境恢复,而公众对此却知之甚少。最近几年，越来越多的证据证明存在生态、健康危害和风险,对农民也有不利影响。
1、基因工程细菌影响土壤生物，导致植物死亡
1999出版的研究资料例举了基因工程微生物释放到环境中将如何导致广泛的生态破环。 当把克氏杆菌的基因工程菌株与砂土和小麦作物加入微观体中时,喂食线虫类生物的细菌和真菌数量明显增加，导致植物死亡。而加入亲本非基因工程菌株时，仅有喂食线虫类生物的细菌数量增加，而植物不会死亡。没有植物而将任何一种菌株引入土壤都不会改变线虫类群落。 克氏杆菌是一种能使乳糖发酵的常见土壤细菌。基因工程细菌被制造用来在发酵桶中产生使农业废物转换为乙醇的增强乙醇浓缩物.发酵残留物,包括基因工程细菌亦可于土壤改良。
　　研究证明，一些土壤生态系统中的基因工程细菌在某些条件下可长期存活,时间之长足以刺激土壤生物产生变化，影响植物生长和营养循环进程。虽然目前仍不清楚此类就地观测的程度,但是基因工程细菌引起植物死亡的发现也说明如果使用此种土壤改良有杀伤农作物的可能。
2、致命基因工程鼠痘病毒偶然产生
澳大利亚研究员在研发对相对无害的鼠痘病毒基因工程时竟意外制创造出可彻底消灭老鼠的杀手病毒。研究员们将白细胞间介素4的基因（在身体中自然产生)插入到一种鼠痘病毒中以促进抗体的产生,并创造出用于控制鼠害的鼠类避妊疫苗。非常意外的是，插入的基因完全抑制了老鼠的免疫系统.鼠痘病毒通常仅导致轻微的症状,但加入IL-4基因后,该病毒9天内使所有动物致死。更糟的是，此种基因工程病毒对接种疫苗有着异乎寻常的抵抗力.
经改良的鼠痘病毒虽然对人类无影响，但却与天花关系十分密切，让人担心基因工程将会被用于生物战。一名研究员在谈及他们决定出版研究成果的原因时曾说:" 我们想警告普通民众,现在有了这种有潜在危险的技术”，"我们还想让科学界明白，必须小心行事，制造高危致命生物并不是太困难。”
杀虫剂使用的增加大部分是由于HT作物，尤其是HT大豆使用的杀虫剂增加,这一点可追溯到对HT作物的严重依赖性以及杂草管理的单一除草剂（草甘磷)使用。这已导致转移到更加难以控制的杂草，而某些杂草中还出现了遗传抗性，迫使许多农民在基因工程作物上喷洒更多的除草剂以对杂草适当进行控制。HT大豆中的抗草甘膦杉叶藻(marestail）于2000年在美国首次出现,在HT棉花中也已鉴别出此种物质. 其它研究显示,基因工程农作物本身也会对其使用的除草剂产生抗性，引发严重的自身自长作物问题（同一块地里早先种植的作物种子发芽的植物后来变成杂草）并迫使进一步使用除草剂。加拿大科学家证实了抗多种除草剂之基因工程油菜的迅速演化，此种作物因花粉长距离传播而融合了不同公司研制的单价抗除草剂特性 。
此外，科学家还在2002年确认了转基因可从Bt向日葵移动到附近的野生向日葵,使杂化物更强、对化学药品更具抗性,因为较之无基因控制的情况，杂化物多了50%的种子,且种子健康，甚至在干旱条件下也如此。
北卡罗莱那州大学的研究显示，Bt油菜与相关杂草、鸟食草之间的交叉物可产生抗虫性杂合物，使杂草控制更困难.
所有这些事件使预防方法和严格的生物安全管理变得突出.预防原则在《卡塔赫纳生物安全协议》这一主要管理转基因微生物的国际法律中已得到重申.尤其是第 10(6)条声称，如果缺乏科学定论，缔约方可限制或禁止转基因生物的进口，以避免或使生物多样性及人类健康的不利影响降到最低。
五、我国基因技术发展中存在的问题
1、研究开发的产品跟踪和模仿国外的多,自己创新的少。我国的生物技术主要是跟踪国外而发展起来的，基本上是国外研究开发什么,我们也研究开发什么，因此很少有创新产品.这种状况在新药研制中尤为突出。
2、尚未形成社会化发展格局。在讨论生物技术产业发展时，很多人已注意到了所面临的国际化问题，但却很少注意社会化问题。由于缺乏社会化的意识和氛围，以及其他各种各样的原因，我国新兴的一些生物技术企业，不少是从研究开发到生产销售一条道走到底，做得非常辛苦。事实上，由研究到产品销售，这中间有许多环节都是可以社会化的。
3、一哄而起、重复研究、重复建设的现象大量存在，导致研究力量十分分散。现在国内搞农业生物技术研究的单位很多，有农业科学院系统、中科院系统、高校系统，还地方单位等，但大多数是低水平重复。
4、是缺乏产业化的接轨机制。国外的经验表明，高新技术只有通过资本市场的商业运作才能加速它的产业化进程。而国内很少有公司参与基因技术的研究与成果转化,使基因成果的研究与开发受到很大影响.
5、软件建设与硬件不配套，导致资源的效益得不到充分的发挥。企业的软件主要有两个方面，一是各种管理规范，二是人员的素质，二者缺一不可。生物制药作为高技术产业，不仅对硬件设备的要求高，对软件的要求更高.我国目前的现状是先进的仪器设备大多从国外进口，而人员及由人员制订的规章制度却是土生土长的,二者不配套的直接后果就是产品质量稳定性差,硬件资源浪费严重.
六、我国基因技术发展前景
1、选择部分重点产品,目标定位国际市场.在某些我国有较好基础、接近或达到国际先进水平、或是我国有资源优势的技术领域,例如转基因动物反应器、转基因植物、功能基因组、生物芯片、组织工程、中药等领域选择部分重大项目，通过优势集成、整体设计、实施的方式，尽快将一批拥有自主知识产权的生物技术产品推向国际市场。
2、充分利用我国资本市场，可以以概念上市的方式解决那些具有自主知识产权、独特性的重大技术项目的融资问题，加速生物技术的商品化、产业化进程。力争在5－10年内开发出一批具有自主知识产权和国际竞争力的重大生物技术产品，同时走出一条生物技术成果转化的成功之路。证券公司在这方面大有可为，可以利用自己的研究人员追踪重点的科研项目，适时为它们走向资本市场提供全面服务.
3、大力发展生物技术中介组织。中介组织是创新体系的重要组成部分.我国应大力发展从事生物技术信息咨询、技术评估（包括生物安全性评估）、专利（特别是国外专利）代理、投融资等方面的中介机构。证券公司在这方面大有可为，可以利用自己的研究人员追踪重点的科研项目,适时为它们走向资本市场提供全面服务。
4、充分利用和合理保护我国丰富的生物资源.我国生物资源丰富，是生物技术研究开发和产业发展的优势条件.但从目前情况看,我国大量的生物资源没有得到有效的保护和利用，甚至一些重要的资源流失严重.因此建议国务院有关部门高度重视生物资源的保护和利用。我国应尽快制定、完善和颁布有关各类生物资源管理的法规和规章制度，并尽快着手建立健全国家生物资源的保藏及服务体系，其中包括细胞库、菌种库、毒种库、种质库、信息库等。
5、加强国际合作，建立战略联盟.我国在发展生物技术及产业的过程中,必须加强与国外政府间和民间的合作与交流。同时，应积极与国外跨国公司合作。利用国内巨大市场的吸引力,积极与某些大型跨国公司建立战略伙伴关系，在国内合作建立合资企业、合作开发新产品、合作开拓国际市场。应鼓励和支持研究机构特别是企业在国外建立联合工作站.863计划生物领域在“八五"、“九五"期间已试行，效果良好。实践表明这是实现技术跨越的有效途径。
 【参考文献】
[1]楼士林,杨盛昌，龙敏南，等.基因工程［M］。北京：科学出版社，2002。
[2]李庆军，董艳桐，施冰.植物抗虫基因的研究进展[J］.林业科技，2002，27（2)：22 26。
【3】舒惠国 基因工程概论 出版社：中国人事出版社 出版日期:2007/2/1
【4】吴建平 简明基因工程与应用 出版社：科学出版社 出版日期:2005/9/1