现代生物工程应用 in《自然科学基础》中

2023-08-11 理论教育版权反馈

【摘要】：生物工程已经广泛地应用于工业、农牧业、医药等行业，并已经取得了明显的经济效益和社会效益。因此，生物塑料的研制是塑料工业发展的新方向。（二）生物工程在农牧业方面的应用生物技术能提高作物产量，加快畜禽繁殖速度。垂体分泌的生长激素过少，就会患上侏儒症，发育不良，形体矮小。用类似于生产人生长激素的方法，还可以生产许多珍贵药物，而大肠杆菌在这些项目中都令人信服地完成了工程菌的任务。

生物工程已经广泛地应用于工业、农牧业、医药等行业，并已经取得了明显的经济效益和社会效益。

（一）生物工程在工业方面的应用

生物工程在工业领域的应用非常广泛。材料是一个社会经济建设的重要支柱之一。通过生物技术构建新型生物材料，是现代新材料发展的重要途径之一。例如，化工塑料废弃后很难降解，从而造成环境污染，有“白色污染”之称。一些微生物却能生产出可降解塑料，这些生物塑料不仅安全无毒害，而且在土壤中降解后还能为作物提供营养。因此，生物塑料的研制是塑料工业发展的新方向。

能源是人类生存的物质基础之一，是社会经济发展的原动力。传统能源造成的环境污染，以及越来越严重的能源危机，迫使人们努力寻求新能源。地球上每年生产出的纤维物质，例如，稻草、麦秆、玉米秸、灌木、干草、树叶等等，只要拿出5%左右，加以合理的利用，就足够满足全球对能源的需求量，这就是生物质能的利用。科学家还可以利用生物技术，将纤维素通过一系列反应转化为酒精。如果在汽油中掺入10%的酒精，可在略加改装的汽车上使用。另外，直接以酒精为燃料的发动机也已经诞生。目前，在经济发达的国家，酒精代替汽油做燃料的比例已达到5%～10%。

（二）生物工程在农牧业方面的应用

生物技术能提高作物产量，加快畜禽繁殖速度。例如，由我国科学家袁隆平成功培育的杂交水稻使水稻的产量有了大幅度提高，为解决我国和世界的粮食问题做出了巨大的贡献。另外，我国杂交水稻工程技术研究中心在野生水稻中发现了两种有增产潜力的基因，分别位于1号染色体和2号染色体上，如果将此基因转到杂交水稻中，则杂交水稻的产量有可能在原有的基础上再提高20%左右。又如，胚胎分割和移植技术为大量繁殖优良牲畜品种提供了有力的技术手段。母牛一般一胎只能产一头小牛，一头良种母牛一生约能繁殖10头牛犊，如果将良种牛的早期胚胎切割成数块，再分别移植入数头普通母牛子宫内培养，就可同时获得数头良种牛犊，由于这一技术的应用，使本来一生只能生下10头后代的优良母牛变得可以每年产50头以上的小牛。目前，牛胚胎移植技术已进入商品化阶段，加上胚胎冷冻技术不仅解决了胚胎移植中母畜性周期的时间限制，同时也解决了远距离的运输问题，如今1000只牛胚胎连同冷冻容器总质量不超过50 kg，在飞机上只要相当于一个座位的地方就能够容纳，从而使世界范围内的母牛良种推广大大简化。

生物技术还能培育优良品种的作物和畜禽。例如，植物收获后往往在转运和贮藏过程中造成损失，过软的水果和蔬菜容易破损腐烂，并且过熟后失去原味。利用生物技术延缓植物的成熟，就可以克服这些问题。华中农业大学专家将一种能减少乙烯合成的基因转入番茄，培育出耐储藏、产量高、品质优良的转基因番茄。据估计，转基因番茄每年可挽回因番茄腐烂造成的4000多万元损失。应用转基因技术培育的耐储藏保鲜番茄，在国内外都率先获准进行商品化生产。又如，利用转基因技术，还可以培育出耐受不良环境的农作物、抗病农作物和抗病畜禽。此外，生物技术还使农业超越了传统农业领域。科学家已经培育出多种转基因动物，它们的乳腺能特异性地表达外源目的基因，因此，从它们产的奶中就可获得所需的蛋白质药物。由于转基因牛或羊吃的是草，挤出的奶中含有珍贵的药用蛋白，因此，可以获得巨大的经济效益。

（三）生物工程在医药方面的应用

目前，医药卫生领域是现代生物技术应用得最广泛、成绩最显著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域，生物技术贯穿了疾病预防、诊断和治疗的整个过程。

20世纪70年代以后，由于基因工程的发展，人们开始利用基因工程技术来生产疫苗。基因工程疫苗是将病原体的某种蛋白基因重组到细菌或真核细胞内，利用细菌或真核细胞来大量生产病原体的蛋白，把这种蛋白作为疫苗。由于这种疫苗只是病原体的某种蛋白质而不是完整的病原体，不具有传染性，因而绝不可能发生生产或使用中的感染事件，是绝对安全的。同时，病原体的蛋白质同样可以使免疫系统产生相应的抗体，起到预防传染病的效果。

乙型肝炎是世界上广为流传的传染病之一，全世界乙型肝炎病毒携带者估计多达2亿人，乙肝病毒携带者有可能转变成慢性肝炎患者，发生肝癌的比例比一般人高50倍以上。1982年，乙肝疫苗首次出现在美国，但当时生产的乙肝疫苗是从携带者的血液中制得的，数量少、价格昂贵，并且，由于这种疫苗是血液制品，安全上没有保证，为避免传染艾滋病，有些国家已禁止使用血源性乙肝疫苗。现在，世界各国使用的是基因工程乙肝疫苗，价格低，安全性好，因而得到推广。中国是世界上乙肝患者最多的国家，乙肝疫苗接种预防已被列入新生儿计划免疫项目，我们的下一代将不再受乙肝的困扰。

1978年，卡恩（Kan）和多奇（Dozy）首先应用羊水细胞DNA限制性片段做镰刀型细胞贫血症的产前诊断，从而开创了DNA诊断的新技术。DNA诊断技术是利用重组DNA技术，直接从DNA水平做出人类遗传性疾病、肿瘤、传染性疾病等多种疾病的诊断。DNA诊断技术具有专一性强、灵敏度高、操作简便等优点。

利用基因工程还能大量生产一些来源稀少的药物，降低药物成本，减轻患者的负担。例如，侏儒症患者的病因是生长发育时期体内缺少一种生长激素。这是脑部的垂体所分泌的一种激素。垂体分泌的生长激素过少，就会患上侏儒症，发育不良，形体矮小。治疗侏儒症的特效药是人的生长激素，如果发现某人在生长发育时期患了侏儒症，只要给他注射一段时间人生长激素，病人会赶上正常人的发育速度，长得和常人一个模样。然而，人生长激素价格太高，它是从尸体的垂体中提取出来的，而垂体只有豌豆那么大。50具尸体的垂体提取的人生长激素，只够治疗一个侏儒症患者。即使全世界的尸体统统解剖开取出垂体，也只能治疗侏儒症患者的15%。进入20世纪80年代，科学家利用DNA重组技术，把人生长激素基因导入大肠杆菌，通过大量培养这种“工程菌”，可以获得人生长激素。一个大肠杆菌能够产生20万个人生长激素分子，每升发酵液可提取人生长激素2 mg以上，相当于一个垂体的含量。用类似于生产人生长激素的方法，还可以生产许多珍贵药物，而大肠杆菌在这些项目中都令人信服地完成了工程菌的任务。这些珍贵药物包括胰岛素、干扰素等等。

基因治疗是一种应用基因工程技术和分子遗传学原理对人类疾病进行治疗的新疗法。世界上第一例成功的基因治疗是对一位4岁的美国女孩进行的，她由于体内缺乏腺苷脱氨酶而完全丧失免疫功能，治疗前只能在无菌室生活，否则会因为感染而死亡。1990年9月，这个女孩接受了她自身的但带有矫正基因的T淋巴细胞的回输，病情大为好转，进入了普通小学上学。人类基因组计划的完成，将有助于人类认识许多遗传疾病以及癌症的致病机理，为基因治疗提供更多的理论依据。

（四）生物工程在环境保护方面的应用

环境生物技术是生物技术应用于环境污染防治的一门新兴边缘学科，它诞生于20世纪80年代末期的欧美经济发达的国家和地区，以现代生物技术为主体，并包括对传统生物技术的强化和创新。

1.污染监测

传统的环境监测和评价技术侧重于理化分析和对试验动物的观察，现代生物技术建立了一类新的快速、准确地监测与评价环境的有效方法，主要包括利用新的指示生物、利用核酸探针和利用生物传感器。

传统的试验动物存在周期长、费用高、结果有偶然性等缺点，为了获得准确有效的数据，人们建立了各种短期生物试验法，分别用细菌、原生动物、藻类、高等植物和鱼类等作为指示生物。例如，发光细菌的发光现象与其生存的环境有直接联系，当发光细菌的生存环境受到侵害时，其将迅速丧失能量，失去发光能力。通过监测发光细菌的发光强度，便能对环境质量做出评价。

核酸探针技术的出现也为环境监测和评价提供了一条有效途径。如果对一段特异性的DNA片段进行标记，即做成探针，就可以监测外界环境中有无与之互补的DNA片段存在。例如，想要监测水环境中的大肠杆菌，可以根据大肠杆菌的一段特异性DNA合成与之互补的片段，这就是大肠杆菌的核酸探针，假如水样中存在与探针互补的DNA，就说明水样中存在大肠杆菌。

近年来，生物传感器在环境监测中的应用发展很快。生物传感器是以微生物、细胞、酶、抗体等具有生物活性的物质作为污染物的识别元件，具有成本低、易制作、使用方便、测定快速等优点。例如，对环境中致癌与致突变物检测，通过检测固定有不同菌株的电极上的电流变化来判定是否存在致癌与致突变物。目前用于环境监测的传感器包括用于生物需氧量监测的生物传感器，测定有机磷农药和测定环境中除草剂、亚硫根离子、微生物等的生物传感器。

2.污染治理

传统的生物治理方法是利用微生物的分解作用，将自然生长的微生物群体加以驯化、繁殖后来降解污染物，但处理过程比较缓慢，现代生物治理多采用纯培养的微生物菌株，因此，选取高效的菌株非常重要。

自然环境中分离得到的菌株，其降解污染物的酶活性往往有限，采用基因工程技术，对这些菌株进行改造，可以提高微生物酶的降解活性，成为治理污染的超级“工程菌”。从20世纪80年代以来，已开发出的基因工程菌有净化农药DDT的细菌、降解水中染料的工程菌、降解土壤中TNT炸药的工程菌及用于吸附无机有毒单质及化合物（铅、汞、镉等）的基因工程菌等。例如，DDT是一种高效杀虫农药，从20世纪20年代起流行于全世界，但20世纪60年代后被禁用。原因是它在使用后不会自行分解，而是积聚在土壤中。土壤中的DDT会通过农作物的根系进入农作物，然后又会进入人体，并积聚于人的肝脏，损害人体健康。即使在DDT被禁用以后，这个问题仍未解决。因为经过数十年的使用，DDT在土壤中的浓度已经很高了，而且自然界的净化能力对它毫无办法。这些DDT仍在不断地侵蚀人们的肝脏，医生们认为这是各类肝病，包括肝癌，发病率持续上升的原因之一。到20世纪80年代后期，人们终于找到了从全球的土壤中清除DDT的根本办法。科学家利用基因工程技术，将一种昆虫的耐DDT基因转移到细菌体内，培育一种专门取食DDT的细菌，再大量培养，制成药液。这种药液喷洒到土壤上，数天内，土壤中的DDT就会被取食得一干二净。又如，科学家利用DNA重组技术把降解芳烃、萜烃、多环芳烃、脂肪烃的4种菌体基因连接，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烃类降解完全，而天然菌株需要1年之久。

现代生物工程应用 in《自然科学基础》中

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