現(xiàn)代生物技術(shù)

（feiyun39@126.com)向上帝挑戰(zhàn)----淺談現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)一、生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史二、現(xiàn)代生物技術(shù)三、基因工程四、21世紀(jì)生命科學(xué)中的十大難題

報(bào)告內(nèi)容（1）描述生物學(xué)階段（19世紀(jì)中葉以前）

主要從外部形態(tài)特征觀察、描述、記載各種類型生物，尋找他們之間的異同和進(jìn)化脈絡(luò)達(dá)爾文《物種起源》（1859）寒武紀(jì)生命大爆發(fā)云南澄江動(dòng)物群

（2）實(shí)驗(yàn)生物學(xué)階段（19世紀(jì)中到20世紀(jì)中）利用各種儀器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程探索生命活動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律。MendelPasteurFleming（青霉素)DNA是遺傳物質(zhì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了分子生物的新紀(jì)元（3）創(chuàng)造生物學(xué)階段（20世紀(jì)中葉以后）

分子生物學(xué)和基因工程的發(fā)展使人們有可能“創(chuàng)造”新的物種?，F(xiàn)代生物技術(shù)的特點(diǎn)（3）高投入和高利潤(rùn)：借助于實(shí)驗(yàn)室大量復(fù)雜的基礎(chǔ)研究工作，前期科研投入往往非常高，而其成果的收益也非常大。建立在實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ)上的生物技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)為人類帶來(lái)了巨大的利益和財(cái)富。（4）高挑戰(zhàn)性：人為地制造自然界前所未有的生物產(chǎn)品或生物物種，這些產(chǎn)品的安全性對(duì)現(xiàn)代技術(shù)是一種挑戰(zhàn)，對(duì)人類的倫理、人性的尊嚴(yán)也都是一種挑戰(zhàn)（1）高技術(shù)：精細(xì)和密集的復(fù)雜技術(shù)（2）高效能：突破自然的生殖隔離，可按人類的需要設(shè)計(jì)和改造生物的結(jié)構(gòu)和功能，定向地組建具有特定性狀的新物種和新品系。能制造生產(chǎn)能力強(qiáng)大和滿足特殊需要的優(yōu)良的動(dòng)物、植物和微生物品種，生物物種也有可能量身訂做。其效能是傳統(tǒng)技術(shù)難以相比的。

人口問(wèn)題卻又是人類社會(huì)面臨的極大挑戰(zhàn)。

新生命的誕生使人們歡欣鼓舞人之初：被精子包圍的卵子人口70億13億多

研究人員培育的“超級(jí)水稻”在產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量?jī)煞矫婢鶅?yōu)于尋常品種

糧食

袁隆平指導(dǎo)栽培“超級(jí)稻”畝產(chǎn)926公斤創(chuàng)紀(jì)錄

健康

80年代，在美國(guó)發(fā)現(xiàn)第一例艾滋病，至今美國(guó)已有>106感染者。

E.Johnson是洛杉磯湖人隊(duì)球星，1991年被檢查出為HIV病毒陽(yáng)性。兩個(gè)月時(shí)，因輸血染上艾滋病的男孩。

資源礦物能源（石油煤）必將枯竭，生物能源已在開(kāi)發(fā)之中。很多不起眼的生物，很可能就是藥物、材料等的寶貴資源。墨西哥荒原中的仙人掌類植物一個(gè)20米直徑的水池年產(chǎn)4噸藻類，加工后可得相當(dāng)于3000升柴油的燃料。

一英畝三角大戟可生產(chǎn)相當(dāng)于50噸石油的燃料。生長(zhǎng)在淡水和海水中的一種硅藻三角大戟

環(huán)境這是最早一份關(guān)于環(huán)境對(duì)生物種群影響的研究報(bào)告工業(yè)化前英國(guó)鄉(xiāng)村有很多白色蛾子停在布滿淡色苔蘚的樹(shù)皮上，不易被鳥(niǎo)發(fā)現(xiàn)；工業(yè)化后，黑色蛾子逐漸取而代之，因?yàn)楹跓熚廴玖谁h(huán)境，黑色蛾子更易藏身。在體外對(duì)不同生物的遺傳物質(zhì)（基因）進(jìn)行剪切、重組、連接，然后插入到載體分子中（細(xì)菌質(zhì)粒、病毒或噬菌體DNA)，轉(zhuǎn)入微生物、植物或動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行無(wú)性繁殖，并表達(dá)出基因產(chǎn)物。（一）基因工程的定義1997年多利羊誕生使體細(xì)胞克隆哺乳動(dòng)物成為可能沃爾小組成功克隆兩只恒河猴

吳明杰小組：5只克隆豬蟲(chóng)中之王---真正的大蟲(chóng)新人類伙伴狗與鳥(niǎo)兼得？都不得！別惹我！現(xiàn)在可不比以前！你吃它還是它吃你？！鼠形獼猴桃人參果也會(huì)有吧？蛙狀蘿卜外源DNA在寄主細(xì)胞內(nèi)可大量擴(kuò)增，和高水平表達(dá)。1.跨物種性2.無(wú)性擴(kuò)增外源基因到另一種不同的生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行繁殖。（二）基因工程的特征制造帶有抗生素抗性基因或有產(chǎn)生病毒能力的基因的新型微生物有可能在人類或其它生物體內(nèi)傳播。1.對(duì)環(huán)境的影響2.新型病毒的出現(xiàn)重新組合一種在自然界尚未發(fā)現(xiàn)的的生物性狀有可能給現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)不良影響。（三）基因工程的安全隱患將腫瘤病毒或其它動(dòng)物病毒的DNA引入細(xì)菌有可能擴(kuò)大癌癥的發(fā)生范圍。4.人造生物擴(kuò)散新組成的重組DNA生物體的意外擴(kuò)散可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的潛在危險(xiǎn)。3.癌癥擴(kuò)散是將克隆到的特殊基因?qū)胧荏w植物，使之增加一些優(yōu)質(zhì)性狀（高產(chǎn)、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、抗蟲(chóng)、抗病等）。（1）轉(zhuǎn)基因植物1.基因工程在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用（四）基因工程的應(yīng)用無(wú)冰晶細(xì)菌幫助草莓抗霜凍中國(guó)已經(jīng)批準(zhǔn)進(jìn)入大田的轉(zhuǎn)基因植物馬鈴薯：抗病毒、抗逆、高營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)水稻：抗病毒、抗蟲(chóng)、抗除草劑棉花：抗蟲(chóng)玉米：抗蟲(chóng)大豆：抗除草劑小麥：抗除草劑、高營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)番茄：抗病、耐儲(chǔ)存甜椒：抗病辣椒：抗病毒煙草：抗病毒、抗蟲(chóng)番木瓜：抗病毒矮牽牛：改變花色楊樹(shù)：抗蟲(chóng)微生物：提高固氮效率將外源基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞，并在基因組內(nèi)穩(wěn)定整合，遺傳給后代。使動(dòng)物成為生物反應(yīng)器生產(chǎn)有用的活性蛋白等。（2）

轉(zhuǎn)基因動(dòng)物在乳汁中分泌人組織纖溶酶源激活物和尿激酶的轉(zhuǎn)基因小鼠；分泌a1抗胰蛋白酶的轉(zhuǎn)基因山羊等。把大鼠生長(zhǎng)因子轉(zhuǎn)入小鼠得到巨大型的轉(zhuǎn)基因小鼠。基因工程不是發(fā)現(xiàn)，而是創(chuàng)造。

基工的魅力只有想不到的沒(méi)有辦不到的四、21世紀(jì)生命科學(xué)中的十大難題Greatquestionsoftenmakegoodscience.Oneofthemostcreativequalitiesaresearchscientistcanhaveistheabilitytoasktherightquestions-NobelphysicslaureateDavidGross(2004).研究主要在模式動(dòng)物中開(kāi)展（線蟲(chóng)、果蠅、非洲爪蟾、小鼠等），其中部分領(lǐng)域的研究已取得重要進(jìn)展。利用模式動(dòng)物進(jìn)一步闡明神經(jīng)發(fā)育生物學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題、研究人類重要疾病的發(fā)病機(jī)制，是現(xiàn)代生命科學(xué)研究的重要趨勢(shì)。指導(dǎo)預(yù)防和治療重大神經(jīng)發(fā)育缺陷性疾病。1.神經(jīng)發(fā)育：一個(gè)復(fù)雜而又遠(yuǎn)未解決的難題2.生物學(xué)難題：生命是怎樣開(kāi)始的?地球上一切生命最古老的共同祖先，即第一個(gè)能夠復(fù)制自身的原始細(xì)胞，是由構(gòu)成宇宙間98％物質(zhì)的六大元素組成的，它們是氫、氦、碳、氮、氧、氖。然而，這些無(wú)機(jī)元素是怎樣形成具有生命的原始細(xì)胞的?至今仍是一個(gè)謎。

3.醫(yī)學(xué)困境：人類可以徹底消滅疾病嗎?19世紀(jì)初期，醫(yī)生仍用放血等原始方法為病人治病，他們對(duì)麻醉劑、消毒、細(xì)菌等還一無(wú)所知。目前，人類對(duì)付疾病的能力，幾乎是毋庸置疑的，不少科學(xué)家相信在20年內(nèi)，癌癥、艾滋病、瘧疾、精神錯(cuò)亂等將被人類陸續(xù)征服。禽流感非典甲流NDM-1超級(jí)細(xì)菌4.腦科學(xué)難題：智能從何而來(lái)?

根據(jù)骨骼化石、原始的石器工具、原始人類的遺址，科學(xué)家提出了許多人類智能起源的解釋，但這些解釋都帶有很大的猜測(cè)成分。關(guān)于智能的起源目前仍然是個(gè)難解的謎，然而科學(xué)家相信：21世紀(jì)，人類將進(jìn)入偉大的大腦時(shí)代。知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái)，正需要一個(gè)“偉大的大腦時(shí)代”相適應(yīng)。

大腦左半球的神經(jīng)纖維組成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)獼猴大腦的擴(kuò)散光譜核磁共振：神經(jīng)纖維直角交叉的三維結(jié)構(gòu)5.威脅人類健康的十大醫(yī)學(xué)難題

1、十心臟器質(zhì)性病變

2、癌癥

3、腦血管?。òǜ哐獕阂幌盗邪Y狀）

4、肺結(jié)核

5、糖尿病系列病癥

6、免疫缺陷病

7、血液病

8、慢性腎衰

9、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病

10、艾滋病

西方醫(yī)學(xué)界在本世紀(jì)初提出了威脅人類健康的十大醫(yī)學(xué)難題，他們經(jīng)過(guò)了100年的嘗試，沒(méi)有成功，基本失敗了。

6.作為生命基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)能確定嗎?目前我們不能根據(jù)純粹的理論基礎(chǔ)來(lái)闡明蛋白質(zhì)的形狀，用實(shí)驗(yàn)方法確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是十分繁瑣的事情。隨著已解出的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的增多以及科學(xué)家開(kāi)發(fā)出蛋白質(zhì)基本結(jié)構(gòu)分類的更加精細(xì)的方法，生物化學(xué)家將能不斷地利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬新發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

7.能合成人工生命形式嗎?美國(guó)克萊格.文特爾研究所宣布，在實(shí)驗(yàn)中制造出世界首個(gè)完全由人造基因指令控制的人造生命，使人類的能力拓展到可以操縱自然世界，將來(lái)可制造有特殊功能的生物，在生產(chǎn)疫苗及潔凈能源等領(lǐng)域大派用場(chǎng)。

絲狀支原體絲狀亞種：植入的DNA片段包含約850個(gè)基因，而人類DNA圖譜上共有約2萬(wàn)個(gè)基因。

耗時(shí)15年花費(fèi)3.1億

哈佛實(shí)踐倫理學(xué)教授列庫(kù)斯說(shuō)：“文特爾打開(kāi)了人類歷史的大門(mén)，窺探它的未來(lái)。他向上帝的角色邁進(jìn)：創(chuàng)造自然界中從沒(méi)存在過(guò)的生命。這種可能雖然遠(yuǎn)在未來(lái)，卻是真實(shí)和意義重大。但是，所要面對(duì)的風(fēng)險(xiǎn)也是前所未有的?！?/p>

8.能否準(zhǔn)確地再建人類種群史?隨著DNA序列數(shù)據(jù)日益容易積累，人類種群之間的關(guān)系將越來(lái)越清楚，從而揭示相互融合的歷史以及隔離和遷徙的時(shí)期。種族和人種表現(xiàn)出主要是社會(huì)和文化思想上的差異，從科學(xué)上講，將發(fā)現(xiàn)類型間不存在明顯的根本界限。雖然我們知道人類似乎具有顯著的多樣性，但過(guò)去10年的研究表明，我們?nèi)祟惙N群比眾多其他種群更單一。遺傳數(shù)據(jù)證明觀點(diǎn)：現(xiàn)代人類相對(duì)較近地(也許在10到20萬(wàn)年前)起源于非洲，然后逐漸擴(kuò)散到世界其余地區(qū)。9.社會(huì)將對(duì)遺傳知識(shí)爆炸式增長(zhǎng)作何反應(yīng)?科學(xué)進(jìn)步和向往簡(jiǎn)樸、更自然的生活方式將產(chǎn)生矛盾，它們之間的緊張狀態(tài)，可能將隨著基因組學(xué)越來(lái)越多地滲入我們的日常生活而加劇。倡導(dǎo)回歸自然的反技術(shù)運(yùn)動(dòng)可能會(huì)因遺傳科學(xué)的全部新發(fā)現(xiàn)而熄滅嗎?遺傳信息和技術(shù)將為改良衛(wèi)生和減輕痛苦提供巨大的機(jī)會(huì)。但任何技術(shù)都伴隨著風(fēng)險(xiǎn)，并且技術(shù)的作用越大，風(fēng)險(xiǎn)也越大。如何評(píng)價(jià)遺傳信息的爆炸式增長(zhǎng)?。人類胚胎，在母體自從由單一細(xì)胞開(kāi)始，直到33天大。其四肢末端的形狀像魚(yú)鰭。人類胚胎而54天大時(shí)，足中出現(xiàn)了跟骨和距骨，其形態(tài)與兩億六千萬(wàn)年前一種有某些哺乳動(dòng)物特征的爬行動(dòng)物相似。人類胚胎而68天大時(shí)，這兩個(gè)足骨的形態(tài)介于爬行類和哺乳類之間。人類胚胎而72天大時(shí)，兩個(gè)足骨的形態(tài)與出現(xiàn)于8000萬(wàn)年前的有胎盤(pán)哺乳動(dòng)物相似。10.能弄清基因如何決定哺乳動(dòng)物發(fā)育的細(xì)節(jié)嗎?科學(xué)家已證實(shí)了幾條基本規(guī)律:1.一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以通過(guò)一系列比較簡(jiǎn)單的中間階段來(lái)完成演化