基因工程已經(jīng)成為生物科學(xué)中不可或缺的一部分.也是最令人類充滿無限遐想的一門科學(xué).自從解開人類基因組后,長(zhǎng)生不老等就古老的傳說又再度流行起來.盡管現(xiàn)在的基因技術(shù)還不能做到讓你真的長(zhǎng)生不老,但是基因療法等技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)讓人們看到了基因工程的生命力.本文從環(huán)境保護(hù),軍事等方面淺談了基因工程的應(yīng)用.
目前世界許多國(guó)家將生物技術(shù),信息技術(shù)和新材料技術(shù)作為三大重中之重技術(shù),而生物技術(shù)可以分為傳統(tǒng)生物技術(shù),工業(yè)生物發(fā)酵技術(shù)和現(xiàn)代生物技術(shù).
現(xiàn)在人們常說的生物技術(shù)實(shí)際上就是現(xiàn)代生物技術(shù).現(xiàn)代生物技術(shù)包括基因工程、蛋白質(zhì)工程、細(xì)胞工程、酶工程和發(fā)酵工程等五大工程技術(shù).其中基因工程技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)的核心技術(shù).基因工程的核心技術(shù)是DNA的重組技術(shù),也就是基因克隆技術(shù).既然基因工程這么重要,那么什么是基因工程呢?
基因工程是指在體外將核酸分子插入病毒、質(zhì)?；蚱渌d體分子,構(gòu)成遺傳物質(zhì)的新組合,并使之參入到原先沒有這類分子的寄主細(xì)胞內(nèi),而能持續(xù)穩(wěn)定地繁殖.根據(jù)這個(gè)概念,人們可以從一個(gè)生物的基因中提取有用的基因片斷,植入到另外一個(gè)生物體內(nèi),從而使該生物獲得某些新的遺傳性狀.從而獲得所需要的新的生物的變種.運(yùn)用基因工程可以加快生物的變異,并使生物的變異朝著有益于人類的方向發(fā)展.而且,基因工程是處在分子水平上的操作,因而可以跨越不同的物種進(jìn)行操作.大大改善了傳統(tǒng)的只能同類生物雜交并且不能控制變異方向的方法.例如,傳統(tǒng)的水稻培養(yǎng)方法是讓很多不同的水稻雜交,然后將種子都培養(yǎng)成水稻,再?gòu)闹羞x擇優(yōu)良的品種.但是這種方法不僅工作量大,而且效果也不是很好.根據(jù)DNA重組原理,有些隱性性狀大約只有1/4的概率能表達(dá)出來.這樣就做了大量的無用功.但是利用基因工程,我們只需要從不同的水稻中提取所需要表達(dá)出來的性狀的核苷酸組合,將其移植到另外的水稻上,就可以表達(dá)出來.這樣做,大大節(jié)省了工程的周期,也提高了基因性狀表現(xiàn)的精確度.另外,不同種的生物一般是不能交配的.例如魚和牛,就不能進(jìn)行交配而生出下一代.但是利用基因工程,我們可以把魚的某些基因移植到牛的受精卵上,或者把牛的基因移植到魚的受精卵上,加以培養(yǎng),就可以產(chǎn)生既有牛的性狀又有魚的性狀的新的物種.雖然基因工程有這么多的好處,但是也不是說可以濫用的.因?yàn)槊糠N生物經(jīng)過適者生存的自然選擇,都能適應(yīng)所處的生存環(huán)境.如果移植了外來的基因,可能會(huì)打破其體內(nèi)的細(xì)胞的平衡,從而導(dǎo)致細(xì)胞的快速衰老甚至死亡.可見,基因工程要正確處理好細(xì)胞的相容性.
那么,基因工程都有那些應(yīng)用呢?
一:在生產(chǎn)領(lǐng)域,人們可以利用基因技術(shù),生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因食品.例如,科學(xué)家可以把某種肉豬體內(nèi)控制肉的生長(zhǎng)的基因植入雞體內(nèi),從而讓雞也獲得快速增肥的能力.但是,轉(zhuǎn)基因因?yàn)橛懈呖萍己? 怕吃了轉(zhuǎn)基因食品中的外源基因后會(huì)改變?nèi)说倪z傳性狀,比如吃了轉(zhuǎn)基因豬肉會(huì)變得好動(dòng),喝了轉(zhuǎn)基因牛奶后易患戀乳癥等等.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的張啟發(fā)院士認(rèn)為：“轉(zhuǎn)基因技術(shù)為作物改良提供了新手段,同時(shí)也帶來了潛在的風(fēng)險(xiǎn).基因技術(shù)本身能夠進(jìn)行精確的分析和評(píng)估,從而有效地規(guī)避風(fēng)險(xiǎn).對(duì)轉(zhuǎn)基因技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)以傳統(tǒng)技術(shù)為參照.科學(xué)規(guī)范的管理可為轉(zhuǎn)基因技術(shù)的利用提供安全保障.生命科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的科普和公眾教育十分重要.
”
二:軍事上的應(yīng)用.生物武器已經(jīng)使用了很長(zhǎng)的時(shí)間.細(xì)菌,毒氣都令人為之色變.但是,現(xiàn)在傳說中的基因武器卻更加令人膽寒.基因武器只對(duì)具有某種基因的人(例如某一種族)有殺傷力,而對(duì)其他種族的人毫無影響.這種武器的使用無疑會(huì)使遭受基因武器襲擊的種族面臨滅頂之災(zāi).
三: 環(huán)境保護(hù)上,也可以應(yīng)用基因武器.我們可以針對(duì)一些破壞生態(tài)平衡的動(dòng)植物,研制出專門的基因藥物,既能高效的殺死它們,又不會(huì)對(duì)其他生物造成影響.還能節(jié)省成本.例如一直危害我國(guó)淡水區(qū)域的水葫蘆,如果有一種基因產(chǎn)品能夠高校殺滅的話,那每年就可以節(jié)省幾十億了.
科學(xué)是一把雙刃劍.基因工程也不例外.我們要發(fā)揮基因工程中能造福人類的部分,抑止它的害處.
四,醫(yī)療方面
隨著人類對(duì)基因研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)許多疾病是由于基因結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生改變所引起的.科學(xué)家將不僅能發(fā)現(xiàn)有缺陷的基因,而且還能掌握如何進(jìn)行對(duì)基因診斷、修復(fù)、治療和預(yù)防,這是生物技術(shù)發(fā)展的前沿.這項(xiàng)成果將給人類的健康和生活帶來不可估量的利益.
所謂基因治療是指用基因工程的技術(shù)方法,將正常的基因轉(zhuǎn)如病患者的細(xì)胞中,以取代病變基因,從而表達(dá)所缺乏的產(chǎn)物,或者通過關(guān)閉或降低異常表達(dá)的基因等途徑,達(dá)到治療某些遺傳病的目的.目前,已發(fā)現(xiàn)的遺傳病有6500多種,其中由單基因缺陷引起的就有約3000多種.因此,遺傳病是基因治療的主要對(duì)象.
第一例基因治療是美國(guó)在1990年進(jìn)行的.當(dāng)時(shí),兩個(gè)4歲和9歲的小女孩由于體內(nèi)腺苷脫氨酶缺乏而患了嚴(yán)重的聯(lián)合免疫缺陷癥.科學(xué)家對(duì)她們進(jìn)行了基因治療并取得了成功.這一開創(chuàng)性的工作標(biāo)志著基因治療已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)研究過渡到臨床實(shí)驗(yàn).1991年,我國(guó)首例B型血友病的基因治療臨床實(shí)驗(yàn)也獲得了成功.
基因治療的最新進(jìn)展是即將用基因槍技術(shù)于基因治療.其方法是將特定的DNA用改進(jìn)的基因槍技術(shù)導(dǎo)入小鼠的肌肉、肝臟、脾、腸道和皮膚獲得成功的表達(dá).這一成功預(yù)示著人們未來可能利用基因槍傳送藥物到人體內(nèi)的特定部位,以取代傳統(tǒng)的接種疫苗,并用基因槍技術(shù)來治療遺傳病.
目前,科學(xué)家們正在研究的是胎兒基因療法.如果現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)療效得到進(jìn)一步確證的話,就有可能將胎兒基因療法擴(kuò)大到其它遺傳病,以防止出生患遺傳病癥的新生兒,從而從根本上提高后代的健康水平.
五,基因工程藥物研究
基因工程藥物,是重組DNA的表達(dá)產(chǎn)物.廣義的說,凡是在藥物生產(chǎn)過程中涉及用基因工程的,都可以成為基因工程藥物.在這方面的研究具有十分誘人的前景.
基因工程藥物研究的開發(fā)重點(diǎn)是從蛋白質(zhì)類藥物,如胰島素、人生長(zhǎng)激素、促紅細(xì)胞生成素等的分子蛋白質(zhì),轉(zhuǎn)移到尋找較小分子蛋白質(zhì)藥物.這是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的分子一般都比較大,不容易穿過細(xì)胞膜,因而影響其藥理作用的發(fā)揮,而小分子藥物在這方面就具有明顯的優(yōu)越性.另一方面對(duì)疾病的治療思路也開闊了,從單純的用藥發(fā)展到用基因工程技術(shù)或基因本身作為治療手段.
現(xiàn)在,還有一個(gè)需要引起大家注意的問題,就是許多過去被征服的傳染病,由于細(xì)菌產(chǎn)生了耐藥性,又卷土重來.其中最值得引起注意的是結(jié)核病.據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)道,現(xiàn)已出現(xiàn)全球肺結(jié)核病危機(jī).本來即將被消滅的結(jié)核病又死灰復(fù)燃,而且出現(xiàn)了多種耐藥結(jié)核病.據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界現(xiàn)有17.22億人感染了結(jié)核病菌,每年有
900萬(wàn)新結(jié)核病人,約300萬(wàn)人死于結(jié)核病,相當(dāng)于每10秒鐘就有一人死于結(jié)核病.科學(xué)家還指出,在今后的一段時(shí)間里,會(huì)有數(shù)以百計(jì)的感染細(xì)菌性疾病的人將無藥可治,同時(shí)病毒性疾病日益曾多,防不勝防.不過與此同時(shí),科學(xué)家們也探索了對(duì)付的辦法,他們?cè)谌梭w、昆蟲和植物種子中找到一些小分子的抗微生物多肽,它們的分子量小于4000,僅有30多個(gè)氨基酸,具有強(qiáng)烈的廣普殺傷病原微生物的活力,對(duì)細(xì)菌、病菌、真菌等病原微生物能產(chǎn)生較強(qiáng)的殺傷作用,有可能成為新一代的“超級(jí)抗生素”.除了用它來開發(fā)新的抗生素外,這類小分子多肽還可以在農(nóng)業(yè)上用于培育抗病作物的新品種.
六,加快農(nóng)作物新品種的培育
科學(xué)家們?cè)诶没蚬こ碳夹g(shù)改良農(nóng)作物方面已取得重大進(jìn)展,一場(chǎng)新的綠色革命近在眼前.這場(chǎng)新的綠色革命的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)、食品和醫(yī)藥行業(yè)將融合到一起.
本世紀(jì)五、六十年代,由于雜交品種推廣、化肥使用量增加以及灌溉面積的擴(kuò)大,農(nóng)作物產(chǎn)量成倍提高,這就是大家所說的“綠色革命”.但一些研究人員認(rèn)為,這些方法目前已很難再使農(nóng)作物產(chǎn)量有進(jìn)一步的大幅度提高.
基因技術(shù)的突破使科學(xué)家們得以用傳統(tǒng)育種專家難以想象的方式改良農(nóng)作物.例如,基因技術(shù)可以使農(nóng)作物自己釋放出殺蟲劑,可以使農(nóng)作物種植在旱地或鹽堿地上,或者生產(chǎn)出營(yíng)養(yǎng)更豐富的食品.科學(xué)家們還在開發(fā)可以生產(chǎn)出能夠防病的疫苗和食品的農(nóng)作物.
基因技術(shù)也使開發(fā)農(nóng)作物新品種的時(shí)間大為縮短.利用傳統(tǒng)的育種方法,需要七、八年時(shí)間才能培育出一個(gè)新的植物品種,基因工程技術(shù)使研究人員可以將任何一種基因注入到一種植物中,從而培育出一種全新的農(nóng)作物品種,時(shí)間則縮短一半.
雖然第一批基因工程農(nóng)作物品種5年前才開始上市,但今年美國(guó)種植的玉米、大豆和棉花中的一半將使用利用基因工程培育的種子.據(jù)估計(jì),今后5年內(nèi),美國(guó)基因工程農(nóng)產(chǎn)品和食品的市場(chǎng)規(guī)模將從今年的40億美元擴(kuò)大到200億美元,20年后達(dá)到750億美元.有的專家預(yù)計(jì),“到下世紀(jì)初,很可能美國(guó)的每一種食品中都含有一點(diǎn)基因工程的成分.”
盡管還有不少人、特別是歐洲國(guó)家消費(fèi)者對(duì)轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品心存疑慮,但是專家們指出,利用基因工程改良農(nóng)作物已勢(shì)在必行.這首先是由于全球人口的壓力不斷增加.專家們估計(jì),今后40年內(nèi),全球的人口將比目前增加一半,為此,糧食產(chǎn)量需增加75％.另外,人口的老齡化對(duì)醫(yī)療系統(tǒng)的壓力不斷增加,開發(fā)可以增強(qiáng)人體健康的食品十分必要.
加快農(nóng)作物新品種的培育也是第三世界發(fā)展中國(guó)家發(fā)展生物技術(shù)的一個(gè)共同目標(biāo),我國(guó)的農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的研究與應(yīng)用已經(jīng)廣泛開展,并已取得顯著效益.
七,分子進(jìn)化工程的研究
分子進(jìn)化工程是繼蛋白質(zhì)工程之后的第三代基因工程.它通過在試管里對(duì)以核酸為主的多分子體系施以選擇的壓力,模擬自然中生物進(jìn)化歷程,以達(dá)到創(chuàng)造新基因、新蛋白質(zhì)的目的.
這需要三個(gè)步驟,即擴(kuò)增、突變、和選擇.擴(kuò)增是使所提取的遺傳信息DNA片段分子獲得大量的拷貝；突變是在基因水平上施加壓力,使DNA片段上的堿基發(fā)生變異,這種變異為選擇和進(jìn)化提供原料；選擇是在表型水平上通過適者生存,不適者淘汰的方式固定變異.這三個(gè)過程緊密相連缺一不可.
現(xiàn)在,科學(xué)家已應(yīng)用此方法,通過試管里的定向進(jìn)化,獲得了能抑制凝血酶活性的DNA分子,這類DNA具有抗凝血作用,它有可能代替溶解血栓的蛋白質(zhì)藥物,來治療心肌梗塞、腦血栓等疾病.
我國(guó)基因研究的成果
以破譯人類基因組全部遺傳信息為目的的科學(xué)研究,是當(dāng)前國(guó)際生物醫(yī)學(xué)界攻克的前沿課題之一.據(jù)介紹,這項(xiàng)研究中最受關(guān)注的是對(duì)人類疾病相關(guān)基因和具有重要生物學(xué)功能基因的克隆分離和鑒定,以此獲得對(duì)相關(guān)疾病進(jìn)行基因治療的可能性和生產(chǎn)生物制品的權(quán)利.
人類基因項(xiàng)目是國(guó)家“863”高科技計(jì)劃的重要組成部分.在醫(yī)學(xué)上,人類基因與人類的疾病有相關(guān)性,一旦弄清某基因與某疾病的具體關(guān)系,人們就可以制造出該疾病的基因藥物,對(duì)人類健康長(zhǎng)壽產(chǎn)生巨大影響.據(jù)介紹,人類基因樣本總數(shù)約10萬(wàn)條,現(xiàn)已找到并完成測(cè)序的約有8000條.
近些年我國(guó)對(duì)人類基因組研究十分關(guān)注,在國(guó)家自然科學(xué)基金、“863計(jì)劃”以及地方政府等多渠道的經(jīng)費(fèi)資助下,已在北京、上海兩地建立了具備先進(jìn)科研條件的國(guó)家級(jí)基因研究中心.同時(shí),科技人員緊跟世界新技術(shù)的發(fā)展,在基因工程研究的關(guān)鍵技術(shù)和成果產(chǎn)業(yè)化方面均有突破性的進(jìn)展.我國(guó)人類基因組研究已走在世界先進(jìn)行列,某些基因工程藥物也開始進(jìn)入應(yīng)用階段.
目前,我國(guó)在蛋白基因的突變研究、血液病的基因治療、食管癌研究、分子進(jìn)化理論、白血病相關(guān)基因的結(jié)構(gòu)研究等項(xiàng)目的基礎(chǔ)性研究上,有的成果已處于國(guó)際領(lǐng)先水平,有的已形成了自己的技術(shù)體系.而乙肝疫苗、重組α型干擾素、重組人紅細(xì)胞生成素,以及轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的藥物生產(chǎn)器等十多個(gè)基因工程藥物,均已進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化階段.
基因技術(shù)：進(jìn)退兩難的境地和兩面性的特征
基因作物在輿論界引發(fā)爭(zhēng)議不足為怪.但在同屬發(fā)達(dá)世界的大西洋兩岸,轉(zhuǎn)基因技術(shù)的待遇迥然不同卻是一種耐人尋味的現(xiàn)象.當(dāng)美國(guó)40％的農(nóng)田種植了經(jīng)過基因改良的作物、消費(fèi)者大都泰然自若地購(gòu)買轉(zhuǎn)基因食品時(shí),此類食品在歐洲何以遭遇一浪高過一浪的喊打之聲?
從直接社會(huì)背景看,目前歐洲流行“轉(zhuǎn)基因恐懼癥”情有可原.從1986年英國(guó)發(fā)現(xiàn)瘋牛病,到今年比利時(shí)污染雞查出致癌的二惡英和可口可樂在法國(guó)導(dǎo)致兒童溶血癥,歐洲人對(duì)食品安全頗有些風(fēng)聲鶴唳,關(guān)于轉(zhuǎn)基因食品可能危害人類健康的假設(shè)如條件反射一般讓他們聞而生畏.
同時(shí),歐洲較之美國(guó)在環(huán)境和生態(tài)保護(hù)問題上一貫采取更為敏感乃至激進(jìn)的態(tài)度,這是轉(zhuǎn)基因食品在歐美處境殊異的另一緣故.一方面,歐洲各國(guó)媒介的環(huán)保意識(shí)日益強(qiáng)烈,往往對(duì)可能危害環(huán)境和生態(tài)的問題窮追不舍甚至進(jìn)行夸張的報(bào)道,這在很大程度上左右著公眾對(duì)諸如轉(zhuǎn)基因問題的態(tài)度.另一方面,以“綠黨”為代表的“環(huán)保主義勢(shì)力”近年來在歐洲政壇崛起,在政府和議會(huì)中的勢(shì)力不斷擴(kuò)大,對(duì)決策過程施加著越來越大的影響.
但是,歐洲人對(duì)轉(zhuǎn)基因技術(shù)之所以采取如此排斥的態(tài)度,似乎還有一個(gè)較為隱蔽卻很重要的深層原因.實(shí)際上,在轉(zhuǎn)基因問題上歐美之間既有價(jià)值觀念之差,更是經(jīng)濟(jì)利益之爭(zhēng).與一般商品不同,轉(zhuǎn)基因技術(shù)具有一種獨(dú)特的壟斷性.在技術(shù)上,美國(guó)的“生命科學(xué)”公司一般都通過生物工程使其產(chǎn)品具有自我保護(hù)功能.其中最突出的是“終止基因”,它可以使種子自我毀滅而不能象傳統(tǒng)作物種子那樣被再種植.另一種技術(shù)是使種子必須經(jīng)過只為種子公司所掌握的某種“化學(xué)催化”方能發(fā)育和生長(zhǎng).在法律上,轉(zhuǎn)基因作物種子一般是通過一種特殊的租賃制度提供的,消費(fèi)者不得自行保留和再種植.美國(guó)是耗資巨大的基因工程研究最大的投資者,而從事轉(zhuǎn)基因技術(shù)開發(fā)的美國(guó)公司都熟諳利用知識(shí)產(chǎn)權(quán)和專利保護(hù)法尋求巨額回報(bào)之道.美國(guó)目前被認(rèn)為已控制了相當(dāng)大份額的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品市場(chǎng),進(jìn)而可以操縱市場(chǎng)價(jià)格.因此,抵制轉(zhuǎn)基因技術(shù)實(shí)際上也就是抵制美國(guó)在這一領(lǐng)域的壟斷.
生物技術(shù)在許多領(lǐng)域正在發(fā)揮越來越重要的作用：遺傳工程產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域無孔不入,遺傳工程作物開始在美國(guó)農(nóng)業(yè)中占有重要位置；生物技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展,已有一些遺傳工程藥物取代了常規(guī)藥物,醫(yī)學(xué)界在幾方面從基因研究中獲利；克隆技術(shù)的進(jìn)展為拯救瀕危物種及探索多種人類疾病的治療方法提供了前所未有的機(jī)會(huì).目前研究人員正準(zhǔn)備將生物技術(shù)推進(jìn)到更富挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域.但近來警惕遺傳學(xué)家的行為的聲音越來越受到重視.
今天,人們借助于所謂的DNA切片已能同時(shí)研究上百個(gè)遺傳基質(zhì).基因的研究達(dá)到了這樣一個(gè)發(fā)展高度,幾年后,隨著對(duì)人類遺傳物質(zhì)分析的結(jié)束,人們開始集中所有的手段對(duì)人的其他部分遺傳物質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行有系統(tǒng)地研究.但是,生物學(xué)的發(fā)展也有其消極的一面：它容易為種族主義提供新的遺傳學(xué)方面的依據(jù)對(duì)新的遺傳學(xué)持批評(píng)態(tài)度的人總喜歡描繪出一幅可怕的景象：沒完沒了的測(cè)試、操縱和克隆、毫無感情的士兵、基因很完美的工廠工人……遺傳密碼使基因研究人員能深入到人們的內(nèi)心深處,并給他們提供了操縱生命的工具.然而他們是否能使遺傳學(xué)朝好的研究方向發(fā)展還完全不能預(yù)料.