科学技术史-6.5生物技术的诞生与迅猛发展(图文教程)

第五节 生物技术的诞生与迅猛发展

生物技术是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体、模拟生物及其功能，或加工生物原料，用来发展商业性加工、产品生产和社会服务的新兴技术领域。生物工程有着悠久的历史，例如传统的酿造技术就有着数千年的历史。自20世纪70年代以来应用分子生物学基础理论，人们在生物工程研究上取得了激动人心的进步，基因工程和细胞工程成为生物工程的最前沿，并且深刻地改变着我们这个世界的面貌。

5.1基因工程的诞生

基因工程的基本原理是应用人工方法把生物的遗传物质(主要是DNA)分离出来，在体外进行切割、拼接和重组，然后将重组了的DNA导入某种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品性；有时还使新的遗传信息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)。但是，绝大多数生物有机体的DNA含量十分庞大，比如，一个哺乳动物的基因组，大约是由5万到10万个基因组成，要把基因的核苷酸一个一个地拆解开，从而将单个基因分离出来，其工作量几乎是不可能想像的。所以，基因工程的诞生需要相关关键技术条件的成熟：DNA分子的体外切割与连接技术，以及DNA分子的核苷酸序列分析技术。这两项技术在20世纪60年代末70年代初取得突破。

1972年，美国斯坦福大学的伯格(P．Berg，1926一)领导的研究小组率先完成了世界上首次的DNA体外重组。伯格等人使用核酸限制性内切酶EcoRI(这种酶能够将特定的DNA片段解链断开，并保持其“黏粘性末端”)，在体外对猿猴病毒SV40的DNA和入噬菌体的DNA分别进行酶切消化，然后再用T4DNA连接酶(这种酶能够将不同的DNA片段连接起来，并且保持生物活性)将两种消化片段连接起来，结果获得了包括SV40和入DNA的重组的杂种DNA分子。1973年，斯坦福大学的科恩(S．Cohen)等人也成功地进行了另一个体外DNA重组实验。他们将编码有卡那霉素抗性基因的大肠杆菌R6—5质粒DNA和编码有四环素抗性基因的另一种大肠杆菌质粒pSCl01DNA混合后，加入核酸限制性内切酶EcoRI，对DNA进行切割，而后再用T4DNA连接酶将它们连接成重组的DNA分子。用这种连接后的DNA混合物转化大肠杆菌，结果发现，某些转化子菌落的确表现出了既抗卡那霉素又抗四环素的双重抗性特征。从这个双抗性大肠杆菌转化子细胞中分离出来的重组质粒DNA，带有完整的pSCl01分子和一个来自R6—5质粒编码卡那霉素抗性基因的DNA片段。

在这个实验中，重组DNA的两种基因物质都来源于大肠杆菌，但是，不同物币中的外源DNA能否实现基因重组呢?为了回答这个问题，科恩与波耶(H.Boyef)合作，成功地将非洲爪蟾编码核糖体的基因片段同大肠杆菌的pSCl01质粒重组，并成功地导人大肠杆菌细胞。分析结果表明，动物酌基因的确成功地进入到大肠杆菌细胞，并转录出相应的mRNA。科恩等的工作具有里程碑的意义，其意义是深远的。人类自古以来就有杂交育种酌经验，但是，科恩等的工作表明，人类有能力将世界上几乎任何不同物种的基因片段进行截取和重组，从而几乎可以造出各种各样酌新物种。美人鱼的传说似乎可以变成现实，狮身人面也并非不可能，万厅有这些既是那么激动人心，又是那么令全人类不安。

5.2基因工程的应用

通过基因工程获得的动植物统称转基因动物或者植物。近20年来，基因工程领域所涉及的许多重大技术问题基本上都得到了解决，成绩斐然，很多种类的转基因生物和生物制品已经较为广泛地为人们所接受，并且在产业化上取得了长足的进展。

植物基因工程 植物基因工程的特点是相对比较容易获得认可，因而转基因植物纷纷问世。植物病虫害一直是农业生产的最主要病害之一。人们利用基因转移技术，将编码植物病毒的外壳蛋白基因导人植物细胞中，获得转基因植株。这些新的植株由于叶片细胞中有病毒外壳蛋白的积累，就能够抑制侵染病毒的复制，从而较为有效地保护植物。用这种技术预防烟草花叶病毒与苜蓿花叶病毒较为成功。同样，可以导入某些基因，使得植株产生只对特定昆虫有毒性的毒蛋白，提高植株的抗虫害能力。与此相似，可改造出抗除草剂的农作物。人们还可以运用基因重组的办法，改造植物的品种，使这些作物能够在以前不能适应的环境(比如盐碱地、沙漠)中生存、繁衍，或是产出符合人们特定要求的农产品(比如使之富含蛋白质、能够较为长久保鲜等等)。

动物基因工程 1982年，帕尔蒂曼(RichardPahimer)和布林斯坦(RalphBrinster)构建了大鼠金属硫蛋白和人生长激素融合基因，生产出生长速度比正常小白鼠快一倍的超级小白鼠，引起世界轰动。后来，科学家用基因转移技术生产出了生长快、瘦肉率高的转基因猪。以色列科学家生产的转基因鸡夏天不长毛，以利于它在酷热的环境中生长。但培养优良性状动物品种的基因工程难度较大。一方面，分离出控制某些性状的基因比较困难，另一方面，动物基因工程还需要紧密结合细胞工程、胚胎工程的相关技术操作才能实现。目前已有转基因鱼、鸡、牛、羊、马等多种动物成功的报道，并已逐步走向商品化生产。

医药基因工程 基因工程给医药技术带来了革命性的变化。从疾病的诊断、治疗、预防，到药品的生产，相关技术都已经被普遍采用。1978年，凯恩(Y．W．Kan)和都西(A．M．Dozy)首先应用羊水细胞DNA限制性片段长度多态性作镰刀形细胞贫血症的产前诊断，从而开创了DNA诊断技术。20多年来，DNA诊断技术飞速发展，建立了多种多样的检测方法，用于遗传性疾病、肿瘤、传染性疾病的诊断。在遗传疾病的基因治疗上，关键之处在于找到缺失或变异的基因，并能克隆出用于治疗的基因。目前，基因治疗遗传病已获得初步成功。在癌症的治疗上，基因治疗既可以通过免疫系统杀灭癌细胞，又可以通过对癌基因或抗癌基因抑制癌基因的表达使病灶恢复到正常状态。在药品生产上，基因工程药物的主要产品是具有生物活性的蛋白质。在以前，这些具有生物活性的蛋白质往往是从人(比如人的血液、尿)或动物的组织或者器官中提取，成本高，效率低，并且安全性低(如病毒污染)，即应用基因工程技术和细菌培养方法，则可让细菌高效、大量地生产出符合人们的要求的安全性较高的活性蛋白。当然，用细菌作为生物反应器生产蛋白质也有其固有的缺陷，如活性较低，不容易进行蛋白质修饰等。所以人们在尝试使用家畜作为生物反应器生产高活性蛋白。

5.3细胞工程与克隆技术

一般认为，细胞工程是指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖，或人为地使细胞某些生物学特征按人们的意愿发生改变，从而达到改良和创新生物品种，加速繁育动植物个体，以获得某些有用物质的过程。它的建立是与细胞融合现象的发现及其研究紧密相关的。1965年，哈利斯和沃特金斯证明了，灭活的病毒在控制条件下可以用来诱导动物细胞的融合，亲缘较远的不同种的动物细胞之间也可以被诱导融合，并且形成的融合细胞在适宜的条件下可以继续存活下去。另一方面，在20世纪初，德国植物学家哈伯兰德(G．Haberl9ndt)预言了“植物细胞的全能性”，即植物体的任何一个细胞都包含了所有的遗传信息，在一定条件下，都可能生长发育成新的个体。分子遗传学的建立，为这种猜想提供了理论的基础，并且人们进一步将这种设想推广到所有生物。

5.4生物技术的安全性

基因工程诞生以来，人们就对它的安全性产生了不少的疑问：因为基因工程的实质就是要改变物种，这会给人类和整个自然界带来什么样的后果呢?确实，基因工程给人类带来了不少的希望：人们有望通过基因工程来解决世界性的粮食危机，有望通过基因工程来解决噩梦般的癌症与艾滋病以及其他许多以前无法攻克的疾病，人们还很有希望地看到生物技术能和信息技术一样，构建成一种新经济，不仅使人类社会更加富裕，并且会带来更多的福祉。但是，基因工程会产生怎样的后果却是难以预计的。人类对科学的态度从没有现在这样处于两难。

升始，担心主要是技术上的。科学家担心基因重组技术所使用的细菌、病毒、真核细胞基因有可能从试验室里扩散出去而给人类带来巨大的威胁。20世纪70年代初，当伯格(P．Berg)完成DNA的体外重组时，就有科学家提出了反对意见。伯格本人也呼吁要暂停这类研究。这种担心和反对很快扩散到大众中。但人们随即发现，基因重组技术中对细菌、病毒的某些DNA片段的采用可能导致的风险远没有最初想像的那样大。后来，转基因作物及食品的问世带来了更多的疑虑：人为地改变生物的物种会导致什么样的后果呢?最终，在1996年，世界卫生组织(WHO)第二届生物技术与食品安全专家咨询会议在罗马召开，做出这样的结论：“生物技术产生的食品并不固有地比传统食品的安全性低。”随着生物技术产品的广泛使用，在技术上人们变得越来越理智，“技术的事最好让技术本身回答”，因为只有采用新的技术才能克服旧技术的缺陷。

现在，人们最大的担心是伦理上的。传统的自然伦理是建立在人类的尊严上的。“人是万物之灵”，很多人会认为，将猪的心脏移植给病人以拯救生命是能被接受的，但将人的某些基因片段植入动物就有犯人类的尊严，更不必说素食主义者会抗议将动物的基因植入食用植物中，穆斯林会抗议将他们禁忌的某些动物基因植入他们常用的食用生物中。在这些地方，科学和技术带来了最现实的伦理挑战，并且这种挑战不是科学技术本身所能解决的。这种科学技术与现世伦理之间最尖锐的冲突体现在关于克隆人的研究上。1998年初，美国哈佛大学理查德•希德宣布了他的克隆人计划，立即招来了全世界的反对，人们不仅变得愤怒，还变得更加惶恐不安：假如这个克隆疯子真的成功了，人类该怎样面对?

谁都不能否认，人们必须对生物技术的研究制定必要的规范，以保证它的安全。这些规范必须既包括技术规范?又包括伦理规范。对技术规范似乎没有多大的疑义，但对伦理规范的内容有很多争议。自两次世界大战以来，人们已经意识到科学技术是一把双刃剑，它既可以造福人类，又可能会给我们带来灾难。现在已经没有。人会天真地认为“科学无禁区”了。但现在的问题更具有挑战性：原子弹等人规模杀伤性武器的使用所造成的伤害是明确的，伦理上的冲击却是肉眼看不见的，因为没有人能够预见到克隆人出现以后人类社会究竟会怎么样。当然，目前世界上很多国家(包括中国)都制定了法律，禁止克隆人的有关试验(尽管在目前的技术水平上，克隆人还远远办不到)。

相关的争论还在继续，或者会永远争论下去。目前，我们只能有这样一个大致的结论：人类的态度应该是审慎的。生物技术的使用正在使某些平衡发生倾斜，在技术上，我们应该周详地评估；同时，我们应该明白，技术问题永远不仅仅是技术问题，它和我们的社会状况以及文化和价值的多元性紧密地联系在一起。所以，在很多时候，我们要解决的问题不是技术问题，而是文化冲突与社会矛盾。