《動物細(xì)胞工程》素材

《動物細(xì)胞工程》素材細(xì)胞工程是生物工程的一個重要方面?？偟膩碚f，它是應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)和分子生物學(xué)的理論和方法，按照人們的設(shè)計藍(lán)圖，進行在細(xì)胞水平上的遺傳操作及進行大規(guī)模的細(xì)胞和組織培養(yǎng)。當(dāng)前細(xì)胞工程所涉及的主要技術(shù)領(lǐng)域有細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞融合、細(xì)胞拆合、染色體操作及基因轉(zhuǎn)移等方面。通過細(xì)胞工程可以生產(chǎn)有用的生物產(chǎn)品或培養(yǎng)有價值的植株，并可以產(chǎn)生新的物種或品系。根據(jù)設(shè)計要求，按照需要改造的遺傳物質(zhì)的不同操作層次，可細(xì)胞工程學(xué)分為染色體工程、染色體組工程、細(xì)胞質(zhì)工程和細(xì)胞融合工程等幾個方面。(1)染色體工程染色體工程是按人們需要來添加或削減一種生物的染色體，或用別的生物的染色體來替換?？煞譃閯游锶旧w工程和植物染色體工程兩種。動物染色體工程主要采用對細(xì)胞進行微操作的方法(如微細(xì)胞轉(zhuǎn)移方法等)來達(dá)到轉(zhuǎn)移基因的目的。植物細(xì)胞工程目前主要是利用傳統(tǒng)的雜交回交等方法來達(dá)到添加、消除或置換染色體的目的。(2)染色體組工程梁色體組工程是整個改變?nèi)旧w組數(shù)的技術(shù)。自從1937年秋水仙素用于生物學(xué)后，多倍體的工作得到了迅速發(fā)展，例如得到四倍體小麥，八倍體小黑麥等。(3)細(xì)胞質(zhì)工程又稱細(xì)胞拆合工程，是通過物理或化學(xué)方法將細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核分開，再進行不同細(xì)胞間核質(zhì)的重新組合，重建成新細(xì)胞?？捎糜谘芯考?xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)的關(guān)系的基礎(chǔ)研究和育種工作。(4)細(xì)胞融合工程是用自然或人工的方法使兩個或幾個不同細(xì)胞融合為一個細(xì)胞的過程?？捎糜诋a(chǎn)生新的物種或品系(植物上用得多，動物上用得少)及產(chǎn)生單克隆抗體等。其中單克隆抗體技術(shù)利用克隆化的雜交瘤細(xì)胞分泌高度純一的單克隆抗體，具有很高的實用價值，在診斷和治療病癥方面有著廣泛的應(yīng)用前途。大規(guī)模的細(xì)胞培養(yǎng)可分為三個層次：單個細(xì)胞培養(yǎng)、組織培養(yǎng)和器官培養(yǎng)。植物細(xì)胞和原生質(zhì)體培養(yǎng)技術(shù)可以用于育種，也可用于各類植物的快速繁殖，在培養(yǎng)無毒苗、長期貯存種子和生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物等方面發(fā)揮作用。動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)可用于制取許多有應(yīng)用價值的細(xì)胞產(chǎn)品，如疫苗和生長因子等。利用細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)可進行毒品和藥物檢測；一些培養(yǎng)細(xì)胞可用于治療。細(xì)胞工程已經(jīng)滲透到人類生活的許多領(lǐng)域，取得了許多具有開發(fā)性的研究成果，有的在生產(chǎn)中推廣，收到了明顯的經(jīng)濟和社會效益。隨細(xì)胞工程技術(shù)研究的不斷深入，它的前景和產(chǎn)生的影響將會日益地顯示出來。細(xì)胞工程是指應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的原理和方法，通過某種工程學(xué)手段，在細(xì)胞整體水平或細(xì)胞器水平上，按照人們的意愿來改變細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)或獲得細(xì)胞產(chǎn)品的一門綜合科學(xué)技術(shù)。根據(jù)細(xì)胞類型的不同，可以把細(xì)胞工程分為植物細(xì)胞工程和動物細(xì)胞工程兩大類。植物細(xì)胞工程常用技術(shù)手段：植物組織培養(yǎng)，植物體細(xì)胞雜交。理論基礎(chǔ)：植物細(xì)胞的全能性。植物組織培養(yǎng)植物組織培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)用范圍：快速繁殖、培育無病毒植物，通過大規(guī)模的植物細(xì)胞培養(yǎng)來生產(chǎn)藥物、食品添加劑、香料、色素和殺蟲劑等。植物體細(xì)胞雜交植物體細(xì)胞雜交是用兩個來自于不同植物的體細(xì)胞融合成一個雜種細(xì)胞，并且把雜種細(xì)胞培育成新的植物體的方法。動物細(xì)胞工程常用的技術(shù)手段：動物細(xì)胞培養(yǎng)、動物細(xì)胞融合、單克隆抗體、胚胎移植、核移植等（動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是其他動物細(xì)胞工程技術(shù)的基礎(chǔ)）動物細(xì)胞培養(yǎng)動物細(xì)胞能夠分泌蛋白質(zhì)，如抗體等。但是單個細(xì)胞分泌的蛋白質(zhì)的量是很少的，要借助于大規(guī)模的動物細(xì)胞培養(yǎng)獲得大量的分泌蛋白。動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)用生產(chǎn)許多有重要價值的蛋白質(zhì)生物制品，如病毒疫苗、干擾素、單克隆抗體等。動物細(xì)胞融合動物細(xì)胞融合技術(shù)最重要的用途，是制備單克隆抗體。單克隆抗體要想獲得大量的單一抗體，必須用單個B淋巴細(xì)胞進行無性繁殖，也就是通過克隆，形成細(xì)胞群，這樣的細(xì)胞群就有可能產(chǎn)生出化學(xué)性質(zhì)單一、特異性強的抗體——單克隆抗體。單克隆抗體的應(yīng)用“生物導(dǎo)彈”，將藥物定向帶到癌細(xì)胞所在部位，消滅了癌細(xì)胞不傷害健康細(xì)胞。生物技術(shù)發(fā)展到今天，細(xì)胞則成了科學(xué)家們隨意發(fā)揮想象力的樂園，他們甚至可以把生命像積木那樣組裝起來，進行細(xì)胞水平上的生命組合游戲。生命組合的一個最具代表性的游戲是美國耶魯大學(xué)教授克萊白特·L·馬格特和羅伯特·M·彼德斯的杰作。他們在黑毛鼠、白毛鼠、黃毛鼠的受精卵分裂成8個細(xì)胞時用特制的吸管把8細(xì)胞胚吸出輸卵管，然后用一種酶將包裹在各個胚胎上的粘液溶解，再把這三種鼠的8細(xì)胞胚放在同一溶液中使之組裝成一個具有24個細(xì)胞的“組裝胚”。馬格特和彼德斯把“組裝胚”移植到一只老鼠的子宮內(nèi)，不久，一只奇怪的組裝鼠問世了，這只組裝鼠全身披著黃、白、黑三種不同顏色的皮毛。迄今為止，除組裝鼠外，英國和美國還組裝成功了綿羊和山羊的嵌合體——綿山羊。據(jù)說，世界各國科研人員熱情高漲，正在組裝“五位一體”。“六位一體”的生物，實在想象不出那樣的生物會是什么樣子。細(xì)胞工程的應(yīng)用細(xì)胞工程作為科學(xué)研究的一種手段，已經(jīng)滲入到生物工程的各個方面，成為必不可少的配套技術(shù)。在農(nóng)林、園藝和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中，細(xì)胞工程正在為人類做出巨大的貢獻。1.糧食與蔬菜生產(chǎn)利用細(xì)胞工程技術(shù)進行作物育種，是迄今人類受益最多的一個方面。我國在這一領(lǐng)域已達(dá)到世界先進水平，以花藥單倍體育種途徑，培育出的水稻品種或品系有近百個，小麥有30個左右。其中河南省農(nóng)科院培育的小麥新品種，具有抗倒伏、抗銹病、抗白粉病等優(yōu)良性狀。在常規(guī)的雜交育種中，育成一個新品種一般需要8～10年，而用細(xì)胞工程技術(shù)對雜種的花藥進行離體培養(yǎng)，可大大縮短育種周期，一般提前2～3年，而且有利優(yōu)良性狀的篩選。前面已介紹過的微繁殖技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上也有廣泛的用途，其技術(shù)比較成熟，并已取得較大的經(jīng)濟效益。例如，我國已解決了馬鈴薯的退化問題，日本麒麟公司已能在1000升容器中大量培養(yǎng)無病毒微型馬鈴薯塊莖作為種薯，實現(xiàn)種薯生產(chǎn)的自動化。通過植物體細(xì)胞的遺傳變異，篩選各種有經(jīng)濟意義的突變體，為創(chuàng)造種質(zhì)資源和新品種的選育發(fā)揮了作用。現(xiàn)已選育出優(yōu)質(zhì)的番茄、抗寒的亞麻、以及水稻、小麥、玉米等新品系。有希望通過這一技術(shù)改良作物的品質(zhì)，使它更適合人類的營養(yǎng)需求。蔬菜是人類膳食中不可缺少的成分，它為人體提供必需的維生素、礦物質(zhì)等。蔬菜通常以種子、塊根、塊莖、插扦或分根等傳統(tǒng)方式進行繁殖，化費成本低。但是，在引種與繁育、品種的種性提純與復(fù)壯、育種過程的某些中間環(huán)節(jié)，植物細(xì)胞工程技術(shù)仍大有作為。例如，從國外引進蔬菜新品種，最初往往只有幾粒種子或很少量的塊根、塊莖等。要進行大規(guī)模的種植，必須先大量增殖，這就可應(yīng)用微繁殖技術(shù)，在較短時間內(nèi)迅速擴大群體。在常規(guī)育種過程中，也可應(yīng)用原生質(zhì)體或單倍體培養(yǎng)技術(shù)，快速繁殖后代，簡化制種程序。另外，還可結(jié)合植物基因工程技術(shù)，改良蔬菜品種。2.園林花卉在果樹、林木生產(chǎn)實踐中應(yīng)用細(xì)胞工程技術(shù)主要是微繁殖和去病毒技術(shù)。幾乎所有的果樹都患有病毒病，而且多是通過營養(yǎng)體繁殖代代相傳的。用去病毒試管苗技術(shù)，可以有效地防止病毒病的侵害，恢復(fù)種性并加速繁殖速度。目前，香蕉、柑橘、山楂、葡萄、桃、梨、荔枝、龍眼、核桃等十余種果樹的試管苗去病毒技術(shù)，已基本成熟。香蕉去病毒試管苗的微繁殖技術(shù)已成為產(chǎn)業(yè)化商品化的先例之一。因為香蕉是三倍體植物，必須通過無性繁殖延續(xù)后代，傳統(tǒng)方法一般采用芽繁殖，感病嚴(yán)重，繁殖率低；而采用去病毒的微繁殖技術(shù)不僅改進了品質(zhì)，畝產(chǎn)量約提高30％～50％，很容易被蕉農(nóng)接受。近年來，對經(jīng)濟林木組織培養(yǎng)技術(shù)的研究也受到很大的重視。采用這一技術(shù)可比常規(guī)方法提前數(shù)年進行大面積種植。特別是有些林木的種子休眠期很長，常規(guī)育種十分費時。據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)已研究成功的林木植物試管苗已達(dá)百余種，如松屬、桉樹屬、楊屬中的許多種，還有泡桐、槐樹、銀杏、茶、棕櫚、咖啡、椰子樹等。其中桉樹、楊樹和花旗松等大面積應(yīng)用于生產(chǎn)，澳大利亞已實現(xiàn)桉樹試管苗造林，用幼芽培養(yǎng)每年可繁殖40萬株。植物細(xì)胞工程技術(shù)使現(xiàn)代花卉生產(chǎn)發(fā)生了革命性的變化。1960年，科學(xué)家首次利用微繁殖技術(shù)將蘭花的愈傷組織培養(yǎng)成植株后，很快形成了以組織培養(yǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)化生產(chǎn)體系——蘭花工業(yè)。現(xiàn)在，世界蘭花市場上有150多種產(chǎn)品，其中大部分都是用快速微繁殖技術(shù)得到的試管苗。從此，市場供應(yīng)擺脫了氣候、地理和自然災(zāi)害等因素的限制。至今，已報道的花卉試管苗有360余種。已投入商業(yè)化生產(chǎn)的有幾十種。我國對康乃馨、月季、唐昌蒲、菊花、非洲紫羅蘭等品種的研究較為成熟，有的也已商品化，并有大量產(chǎn)品銷往港澳及東南亞地區(qū)。3.臨床醫(yī)學(xué)與藥物自1975年英國劍橋大學(xué)的科學(xué)家利用動物細(xì)胞融合技術(shù)首次獲得單克隆抗體以來，許多人類無能為力的病毒性疾病遇到了克星。用單克隆抗體可以檢測出多種病毒中非常細(xì)微的株間差異，鑒定細(xì)菌的種型和亞種。這些都是傳統(tǒng)血清法或動物免疫法所做不到的，而且診斷異常準(zhǔn)確，誤診率大大降低。例如，抗乙型肝炎病毒表面抗原（HBsAg）的單克隆抗體，其靈敏度比當(dāng)前最佳的抗血清還要高100倍，能檢測出抗血清的60％的假陰性。近年來，應(yīng)用單克隆抗體可以檢查出某些還尚無臨床表現(xiàn)的極小腫瘤病灶，檢測心肌梗死的部位和面積，這為有效的治療提供方便。單克隆抗體并已成功地應(yīng)用于臨床治療，主要是針對一些還沒有特效藥的病毒性疾病，尤其適用于抵抗力差的兒童。人們正在研究“生物導(dǎo)彈”——單克隆抗體作載體攜帶藥物，使藥物準(zhǔn)確地到達(dá)癌細(xì)胞，以避免化療或放射療法把正常細(xì)胞與癌細(xì)胞一同殺死的副作用。單克隆抗體可以精確地檢測排卵期。新一代免疫避孕藥也在研制之中，其基本原理是用精子，卵透明帶或早期胚胎來制備單克隆抗體，將它們注入婦女體內(nèi)，人體就會產(chǎn)生對精子的免疫反應(yīng)，從而起到避孕作用。人類體外受精技術(shù)的日趨成熟，使人類對生育活動有了較大的選擇余地，促進優(yōu)生優(yōu)育，提高人口素質(zhì)，也為不孕癥患者或不宜生育的人帶來福音。生物藥品主要有各種疫苗、菌苗、抗生素、生物活性物質(zhì)，抗體等，是生物體內(nèi)代謝的中間產(chǎn)物或分泌物。過去制備疫苗是從動物組織中提取，得到的產(chǎn)量低而且很費時?，F(xiàn)在，通過培養(yǎng)、誘變等細(xì)胞工程或細(xì)胞融合途徑，不僅大大提高了效率，還能制備出多價菌苗，可以同時抵御兩種以上的病原菌的侵害。用同樣的手段，也可培養(yǎng)出能在培養(yǎng)條件下長期生長、分裂并能分泌某種激素的細(xì)胞系。1982年美國科學(xué)家用誘變和細(xì)胞雜交手段，獲得了可以持續(xù)分泌干擾素的體外培養(yǎng)細(xì)胞系，現(xiàn)已走向應(yīng)用。4.繁育優(yōu)良品種目前，人工受精、胚胎移植等技術(shù)已廣泛應(yīng)用于畜牧業(yè)生產(chǎn)。精液和胚胎的液氮超低溫（-196攝氏度）保存技術(shù)的綜合使用，使優(yōu)良公畜、禽的交配數(shù)與交配范圍大為擴展，并且突破了動物交配的季節(jié)限制。另外，可以從優(yōu)良母畜或公畜中分離出卵細(xì)胞與精子，在體外受精，然后再將人工控制的新型受精卵種植到種質(zhì)較差的母畜子宮內(nèi)，繁殖優(yōu)良新個體。綜合利用各項技術(shù)，如胚胎分