1、第三节 基因工程与转基因生物综合运用生物学、化学和工程学的手段，直接或综合运用生物学、化学和工程学的手段，直接或间接地利用生物本身、生物体某些部分的组成成分或某间接地利用生物本身、生物体某些部分的组成成分或某些特殊功能来生产有用的物质的一门崭新的应用技术。些特殊功能来生产有用的物质的一门崭新的应用技术。崭新的综合技术生物工程 细胞工程、细胞工程、基因工程基因工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程五大分支:什么是基因工程？基因工程给我们的生活带来了什么？遗传遗传 赋于物种的赋于物种的稳定稳定，保证物种的延续不断。，保证物种的延续不断。变异变异 赋于物种的赋于物种的进
2、化进化，保证物种对各种环境的适应。，保证物种对各种环境的适应。在生物演变的长河中，自然发生的变异是非常在生物演变的长河中，自然发生的变异是非常缓慢的，随着生物科学的发展，人类开始学会干缓慢的，随着生物科学的发展，人类开始学会干预生物的变异。预生物的变异。经典遗传学经典遗传学 使人们在几年至几十年内便可实现在自然界中需要千百万年才能出现的变异，从而改变了某些物种。经典遗传学之父经典遗传学之父孟德尔孟德尔经典杂交育种方法经典杂交育种方法不可逾越的鸿沟不可逾越的鸿沟不能跨越物种界限不能跨越物种界限基因工程的最大特点，就基因工程的最大特点，就是以重组是以重组DNADNA的技术，在短的技术，在短时间内改
3、造生物遗传性时间内改造生物遗传性它填补了生物它填补了生物种属间不可种属间不可逾越的鸿沟逾越的鸿沟，使人类有可能，使人类有可能按照需要按照需要定向定向培育生物新品培育生物新品种、新类型乃至创造自然界种、新类型乃至创造自然界从未有过的新生物。从未有过的新生物。基因工程正以新的势头迅基因工程正以新的势头迅猛发展，成为当今生物科学猛发展，成为当今生物科学研究领域中最有生命力、最研究领域中最有生命力、最引人注目也最广泛引起争议引人注目也最广泛引起争议的前沿科学之一。的前沿科学之一。ChimeraChimera -客迈拉客迈拉 希腊神话中一希腊神话中一只提丰百头怪只提丰百头怪兽（父亲）和兽（父亲）和厄喀德
4、那（母厄喀德那（母亲）杂交的后亲）杂交的后代，有羊头、代，有羊头、狮头和蛇尾的狮头和蛇尾的吐火怪兽。吐火怪兽。依据预先设计的蓝图，用人工方法将依据预先设计的蓝图，用人工方法将某种某种生生物的基因，接合到物的基因，接合到另一种另一种生物的基因组生物的基因组DNADNA中并中并使其表达，使后者获得新的遗传性状，产生出人使其表达，使后者获得新的遗传性状，产生出人类所需产物，或创造出新的生物类型的现代生物类所需产物，或创造出新的生物类型的现代生物技术。技术。（p.57)p.57)一、基因工程：在遗传学理论基础上，发展形成的定向控在遗传学理论基础上，发展形成的定向控制遗传性状的先进技术。制遗传性状的先进
5、技术。预见性预见性 精确性精确性 严密性严密性成果：成果：转基因大豆、转基因抗虫棉、转基因产品转基因大豆、转基因抗虫棉、转基因产品博耶（博耶（1936-）科恩（科恩（1935-）质粒质粒质粒：质粒：P57“广角镜广角镜”基因工程俗称基因工程俗称“剪刀剪刀+浆糊浆糊”限制限制性核酸内切性核酸内切酶酶DNA连接酶连接酶分子运输车分子运输车1970年，年，内森斯内森斯和和史密斯史密斯发现限制性核酸内切酶，发现限制性核酸内切酶，因而获得因而获得1978年诺贝尔生理学及医学奖。年诺贝尔生理学及医学奖。史密斯史密斯（1931-）内森斯内森斯（1928-）A A T T C G T-G C A-G T C
6、T T A A-C A GA A T T C T C-G A G-T C C T T A A-A G GA A T T C G T-G C A-G T C T T A A-C A G-T C C T T A AA A T T C T C-G A G-A G G二、基因工程的基本过程：获取目的基因获取目的基因目的基因与载体目的基因与载体重组重组重组重组DNA导入受导入受体细胞体细胞筛选含目的基因筛选含目的基因的受体细胞的受体细胞将目的基因转入受体细胞将目的基因转入受体细胞细菌细菌基因工程菌基因工程菌植物细胞植物细胞转基因植物转基因植物动物细胞动物细胞转基因动物转基因动物三、转基因技术的应用：基因
7、工程基因工程微生物微生物基因工程菌基因工程菌发酵工程发酵工程动植物个体或细胞动植物个体或细胞细胞工程细胞工程优良动植物品系优良动植物品系产品产品胰岛素、人生长激素、干扰素、胰岛素、人生长激素、干扰素、人生长激素抑制剂、重组乙肝人生长激素抑制剂、重组乙肝疫苗等。疫苗等。1.微生物基因工程：100Kg100Kg4-5g4-5g40405050 197819789 92000L2000L100g100g1 119801980基因工程胰岛素基因工程胰岛素 制药方面干扰素生产车间干扰素生产车间干扰素分子干扰素分子环境保护方面 利用微生物处理废水、废物已取得可喜成绩。利用基因工程方法，可以创造一些对有害物
8、质降降解能力强的新型微生物解能力强的新型微生物。有的学者曾利用能吞噬原油的4种假单胞杆菌假单胞杆菌属属的菌株，把它们的4种质粒内的消化不同石油烃的基因结合在一个菌体内，创造出能降解4种石油烃的“超级细菌超级细菌”。这种细菌能把原油中三分之二的烃消化掉，而且速度要比其他微生物快得多。2.植物基因工程：转基因水稻转基因水稻抗虫棉、高蛋白谷物、耐储存番茄等。抗虫棉、高蛋白谷物、耐储存番茄等。中国是世界上第一个在生产上使用杂交稻的国家。中国是世界上第一个在生产上使用杂交稻的国家。一九九六年，中国水稻研究所以黄大年研究员为首一九九六年，中国水稻研究所以黄大年研究员为首的课题组，在世界上首次研究出了的课题
9、组，在世界上首次研究出了抗除草剂转基因抗除草剂转基因杂交稻杂交稻，后来又成功研制出，后来又成功研制出抗除草剂转基因直播水抗除草剂转基因直播水稻稻，可省工省时除尽稻田杂草。，可省工省时除尽稻田杂草。去年三月，中国水稻所与浙江钱江生物化学股份有去年三月，中国水稻所与浙江钱江生物化学股份有限公司联合组建了浙江金穗农业基因工程有限公司，限公司联合组建了浙江金穗农业基因工程有限公司，正式拉开了将转基因水稻推向产业化的序幕。正式拉开了将转基因水稻推向产业化的序幕。世界上第一种转基因食品是1993年投放美国市场的西红柿。至今，动物来源的、植物来源的和微生物来源的转基因食品发展非常迅速，各种类型转基因食品应运
10、而生。转基因菊花抗虫植株快速繁殖转基因菊花抗虫植株快速繁殖组织培养然后组织培养然后分株快速繁殖分株快速繁殖中棉所中棉所38号号固氮基因的转导固氮基因的转导 将豆科植物的固氮基因固氮基因转移到其他作物中去，使其自行固氮，可解决氮肥问题。将大豆的高蛋白基因高蛋白基因转移到水稻中去的研究，也颇引人注目，因为大豆的蛋白质含量高达40以上，而水稻只含8。还可以将抗病毒、抗虫、抗旱、抗盐、抗寒等基因转入农作物中，不仅能提高产量，而且能扩大种植面积，充分利用劣质土地甚至沙漠。其它转基因植物其它转基因植物 从在极地生活的鱼类中提取从在极地生活的鱼类中提取抵御严寒的抵御严寒的基因基因，再把它们插入到，再把它们插
11、入到草莓草莓中去，让草莓也能在极寒中去，让草莓也能在极寒的地区生存。的地区生存。从一种从一种荠草荠草中取得中取得耐高温耐高温遗传基因片段，然后把它植遗传基因片段，然后把它植入入烟草烟草的基因中。普通烟草的适宜生长温度为的基因中。普通烟草的适宜生长温度为2525左左右，如果高于右，如果高于2525其光合作用就会减慢；若超过其光合作用就会减慢；若超过3535，烟草就会枯萎而死亡。经过遗传基因置换的烟草在烟草就会枯萎而死亡。经过遗传基因置换的烟草在4747的高温的高温环境中生长良好，而普通烟草在这个温度环境中生长良好，而普通烟草在这个温度下，三天内就会枯死。下，三天内就会枯死。保护不耐热作物如保护不
12、耐热作物如小麦、高原蔬菜小麦、高原蔬菜等等,可解决粮食问可解决粮食问题。题。转基因玉米转基因玉米 转基因抗虫棉转基因抗虫棉 目前全球种植转基因农作物的国家已有十几个。目前全球种植转基因农作物的国家已有十几个。在中国，在中国，20022002年仅抗虫棉种植面积就达年仅抗虫棉种植面积就达130130多万公顷，多万公顷，增产皮棉增产皮棉1 1亿千克，创经济效益亿千克，创经济效益5050亿元。亿元。转基因小鼠转基因小鼠“巨型小鼠巨型小鼠”P61 图图6-22 转基因牛、羊、马、兔、鱼转基因牛、羊、马、兔、鱼 家畜乳腺生物反应器家畜乳腺生物反应器在动物乳汁中产生药用蛋白在动物乳汁中产生药用蛋白3.动物基
13、因工程：转入人凝血因子转入人凝血因子IX基因的山羊基因的山羊目前已在下列动物的乳汁中生产出一些人类蛋白质药物：牛：牛：抗凝血酶、纤维蛋白原、人血清白蛋白、胶原蛋白、乳铁蛋白、糖基转移酶、蛋白C等；山羊：抗凝血酶原、抗胰蛋白酶、血清白蛋白、组织纤溶原激活因子、单克隆抗体等；绵羊：抗胰蛋白酶、凝血因子、蛋白C；转基因猪转基因猪图中猪的细胞中图中猪的细胞中含人的生长激素含人的生长激素基因，生长速度基因，生长速度快、个体比正常快、个体比正常猪大得多。猪大得多。自自2020世纪世纪7070年代以来，基因制药迅速发展。据统计，年代以来，基因制药迅速发展。据统计，2020世纪世纪9090年代至今，全世界包括
14、基因制药在内的生物技年代至今，全世界包括基因制药在内的生物技术的销售额，以年均术的销售额，以年均30%30%的速度增长。的速度增长。吸取精子吸取精子显微注射显微注射授精授精移植移植钱卓和他的聪明鼠钱卓和他的聪明鼠聪明鼠对疼痛更敏感，嗅觉更灵敏。聪明鼠对疼痛更敏感，嗅觉更灵敏。1999年，美国普林斯年，美国普林斯顿大学华裔生物学家钱卓顿大学华裔生物学家钱卓博士用转基因方法为实验博士用转基因方法为实验小鼠添加小鼠添加2个个NR2B基因，基因，培育出培育出“聪明鼠聪明鼠”，其能，其能产生产生NMDA的受体，能够的受体，能够激活神经激活神经帮助记忆帮助记忆。聪明鼠聪明鼠基因治疗人类的遗传病中，多数是由
15、于人类的遗传病中，多数是由于基因缺陷基因缺陷引起的。通过基因引起的。通过基因工程技术，用正常基因取代缺陷基因，这将有可能根治遗工程技术，用正常基因取代缺陷基因，这将有可能根治遗传病。目前，这种基因治疗的技术正在蓬勃发展。传病。目前，这种基因治疗的技术正在蓬勃发展。半乳糖血症半乳糖血症是因正常染色体上的一个基因发生突变，患是因正常染色体上的一个基因发生突变，患者体内不能形成者体内不能形成半乳糖酶半乳糖酶，也就不能利用母乳中的半乳糖，也就不能利用母乳中的半乳糖，于是半乳糖及其衍生物在肝脏、大脑和血液中的大量积累，于是半乳糖及其衍生物在肝脏、大脑和血液中的大量积累，造成智力低下、肝功能损害、失明等症
16、状，严重者还会死造成智力低下、肝功能损害、失明等症状，严重者还会死亡。亡。科学实验预示，可将科学实验预示，可将半乳糖酶的基因半乳糖酶的基因通过通过载体导入载体导入患者体患者体细胞中，使之产生半乳糖酶，从而使症状好转或消失。细胞中，使之产生半乳糖酶，从而使症状好转或消失。阅读P65:发现之路基因检测 疾病重在预防疾病重在预防 预防重在预知预防重在预知 预知从基因检测开始预知从基因检测开始 针对性预防：针对性预防：防止防止其发生，其发生，延缓延缓其发生其发生 辅助临床诊断辅助临床诊断 预防性诊断，判断疾病的演变状况预防性诊断，判断疾病的演变状况 指导个性化用药和治疗指导个性化用药和治疗 甲基丙二酸
17、尿症甲基丙二酸尿症病因：两个基因缺陷导致维生素病因：两个基因缺陷导致维生素B12不足，甲基不足，甲基 丙二酸增多损害神经细胞导致智力低下丙二酸增多损害神经细胞导致智力低下预防：给孕妇注射大量维生素预防：给孕妇注射大量维生素B12，孩子出生，孩子出生 后，还要给其注射大量的维生素后，还要给其注射大量的维生素B12。苯丙酮酸尿症的预防：苯丙酮酸尿症的预防：调整饮食调整饮食基因治疗 预防医学预测医学基因组医学预防医学预测医学基因组医学 思路：通过基因修复来预防疾病思路：通过基因修复来预防疾病“抗癌婴儿抗癌婴儿”的降生的降生 体外受精，对受精卵做体外受精，对受精卵做“手术手术”，剔除疾，剔除疾病基因，
18、插入正常基因，得到健康的婴儿。病基因，插入正常基因，得到健康的婴儿。“无缺陷的孩子无缺陷的孩子”，其自然寿命会有多长呢？，其自然寿命会有多长呢？基因治疗 2001.8.2001.8.有报道：加拿大主要的转基因作物有报道：加拿大主要的转基因作物是耐除草剂的是耐除草剂的GMGM油菜，但它们正在变成杂草。油菜，但它们正在变成杂草。农民的农田里出现了未种植过的农民的农田里出现了未种植过的GMGM油菜，它们油菜，它们能抗常规使用的除草剂，要杀死它们还较困难。能抗常规使用的除草剂，要杀死它们还较困难。GMGM油菜成为耐除草剂的油菜成为耐除草剂的“超级杂草超级杂草”。实验研究中：一种蝴蝶的幼虫吃了含杆菌实验
19、研究中：一种蝴蝶的幼虫吃了含杆菌基因的马利筋属植物的花粉后，产生了死亡或基因的马利筋属植物的花粉后，产生了死亡或不正常发育的现象。引起了生态学家们另一种不正常发育的现象。引起了生态学家们另一种担心，那些不在改良范围内的其他物种有可能担心，那些不在改良范围内的其他物种有可能成为改良物种的受害者。成为改良物种的受害者。人们在改变一种植物、或一种动物的人们在改变一种植物、或一种动物的基因结构时，是否真的能够确保新生物基因结构时，是否真的能够确保新生物的安全性呢？我们无法确定，在基因技的安全性呢？我们无法确定，在基因技术的那一头，会不会潜伏着术的那一头，会不会潜伏着“异形异形”或或“客迈拉客迈拉”一样
20、的怪物。一样的怪物。在享受新科技带来的惊喜时，我们必须时时刻刻牢记，不要被手中掌握的改变基因权利腐蚀；我们所能做的其实只是很粗糙、很原始的一小部分。人类的过去充满了“人为的悲剧”，而在这场席卷一切的“新农业革命”中，我们首先要做的就是竭力避免悲剧的重演。四、转基因生物产品的安全性P64 事物总是一分为二的，基因工程的应用可以给人类事物总是一分为二的，基因工程的应用可以给人类带来福音，也可能带来严重的灾难，甚至会有难以预测带来福音，也可能带来严重的灾难，甚至会有难以预测的后果。的后果。如：战争狂人、恐怖主义者可以利用如：战争狂人、恐怖主义者可以利用DNA分子重组技分子重组技术制造难以制服的术制造
21、难以制服的和和，即所谓的，即所谓的“基因基因武器武器”，进行讹诈和大规模毁灭人类的生物战争。，进行讹诈和大规模毁灭人类的生物战争。5千万美元制造的千万美元制造的武器库武器库的杀伤力的杀伤力 50亿美元制造的亿美元制造的核武器库核武器库五、转基因生物产品的安全性转抗除草剂基因植物和杂草一起培育，转抗除草剂基因植物和杂草一起培育，结果产生了耐除草剂的杂草。结果产生了耐除草剂的杂草。幼鼠在食用转基因马铃薯后，会使内脏幼鼠在食用转基因马铃薯后，会使内脏和免疫系统受损。和免疫系统受损。抗虫植物的引入使昆虫大量死亡，造成抗虫植物的引入使昆虫大量死亡，造成鸟类数量迅速减少，同时也使昆虫具有鸟类数量迅速减少，
22、同时也使昆虫具有了较强的抵抗性。了较强的抵抗性。毒性问题：毒性问题：一些研究学者认为，对于基因的人工提炼和添加，可能在达到一些研究学者认为，对于基因的人工提炼和添加，可能在达到某些人们想达到的效果的同时，也增加和积聚了食物中原有的微量毒素。某些人们想达到的效果的同时，也增加和积聚了食物中原有的微量毒素。过敏反应问题：过敏反应问题：对于一种食物过敏的人有时还会对一种以前他们不过敏对于一种食物过敏的人有时还会对一种以前他们不过敏的食物产生过敏，比如：科学家将玉米的某一段基因加入到核桃、小麦和贝类的食物产生过敏，比如：科学家将玉米的某一段基因加入到核桃、小麦和贝类动物的基因中，蛋白质也随基因加了进去
23、，那么，以前吃玉米过敏的人就可能动物的基因中，蛋白质也随基因加了进去，那么，以前吃玉米过敏的人就可能对这些核桃、小麦和贝类食品过敏。对这些核桃、小麦和贝类食品过敏。营养问题营养问题科学家们认为外来基因会以一种人们目前还不甚了解的方式破科学家们认为外来基因会以一种人们目前还不甚了解的方式破坏食物中的营养成分。坏食物中的营养成分。对抗生素的抵抗作用：对抗生素的抵抗作用：当科学家把一个外来基因加入到植物或细菌中去，当科学家把一个外来基因加入到植物或细菌中去，这个基因会与别的基因连接在一起。人们在服用了这种改良食物后，食物会在这个基因会与别的基因连接在一起。人们在服用了这种改良食物后，食物会在人体内将
24、抗药性基因传给致病的细菌，使人体产生抗药性。人体内将抗药性基因传给致病的细菌，使人体产生抗药性。对环境的威胁：对环境的威胁：在许多基因改良品种中包含有从杆菌中提取出来的细菌在许多基因改良品种中包含有从杆菌中提取出来的细菌基因，这种基因会产生一种对昆虫和害虫有毒的蛋白质。在一次实验室研究中，基因，这种基因会产生一种对昆虫和害虫有毒的蛋白质。在一次实验室研究中，一种蝴蝶的幼虫在吃了含杆菌基因的马利筋属植物的花粉之后，产生了死亡或一种蝴蝶的幼虫在吃了含杆菌基因的马利筋属植物的花粉之后，产生了死亡或不正常发育的现象，这引起了生态学家们的另一种担心，那些不在改良范围之不正常发育的现象，这引起了生态学家们
25、的另一种担心，那些不在改良范围之内的其它物种有可能成为改良物种的受害者。内的其它物种有可能成为改良物种的受害者。最后，生物学家们担心为了培养一些更具优良特性，比如说具有更强的抗最后，生物学家们担心为了培养一些更具优良特性，比如说具有更强的抗病虫害能力和抗旱能力等，而对农作物进行的改良，其特性很可能会通过花粉病虫害能力和抗旱能力等，而对农作物进行的改良，其特性很可能会通过花粉等媒介传播给野生物种。等媒介传播给野生物种。转基因食品的五大隐患转基因食品的五大隐患国际上纷纷出现了各种法令：国际经济发展合作组织颁布了国际经济发展合作组织颁布了生物技术生物技术管理条例管理条例 欧美也颁布了欧美也颁布了关于
26、控制使用基因修饰微关于控制使用基因修饰微生物的指令生物的指令 关于基因修饰生物向环境释放的指令关于基因修饰生物向环境释放的指令 19861986年年6 6月，美国发布月，美国发布生物技术法规协调生物技术法规协调大纲大纲 19961996年联合国环境署和年联合国环境署和生物多样性公约生物多样性公约秘书处就秘书处就生物安全协议书生物安全协议书组织了组织了9 9轮谈轮谈判。判。我国对转基因生物颁布的法令：19931993年年1212月月2424日发布日发布1717号令号令基因工程安基因工程安全管理办法全管理办法 19961996年年7 7月农业部发布月农业部发布农业生物基因工程农业生物基因工程安全管
27、理实施办法安全管理实施办法 19961996年由国家环境组织代表团（外交部、年由国家环境组织代表团（外交部、科技部、外经贸部、农业部、中科院，）科技部、外经贸部、农业部、中科院，）参加了参加了生物安全协议书生物安全协议书缔约工作，我缔约工作，我国为第国为第7070个签署国。个签署国。我们应该如何对待基因工程？基因工程这种生物改造方法虽然基因工程这种生物改造方法虽然有一些不利的影响有一些不利的影响,但它带给我们的好但它带给我们的好处还是显而易见的。只要我们以一种积处还是显而易见的。只要我们以一种积极的心态，冷静的头脑去对待它，这种极的心态，冷静的头脑去对待它，这种实验技术必将给我们带来更大的益处。实验技术必将给我们带来更大的益处。目的基因与载体目的基因与载体（分子运输车）的（分子运输车）的重组重组重组重组DNADNA导入受体细胞导入受体细胞筛选筛选含目的基因的受体细胞含目的基因的受体细胞将重组将重组DNADNA分子导入受体细胞的频率一般仅在分子导入受体细胞的频率一般仅在 1010 -7-7左右。左右。得到目的基因的得到目的基因的受体受体，大量的是未，大量的是未 成功导入的细胞。成功导入的细胞。需要从这样巨大的细胞群体中需要从这样巨大的细胞群体中出已获得出已获得目的基因的细胞才能生产出人类所需要的基因目的基因的细胞才能生产出人类所需要的基因产品。产品。
