21世纪生物技术发展带来的机遇与挑战

21世纪生物技术发展带来的机遇与挑战吴兴泉博士1主要内容1、生物技术及其发展历程。2、21世纪生物技术研究进展3、机遇与挑战并存21、生物技术及其发展历程31.1、生物技术与生物工程生物技术(Biotechnology)：又称生物工程。是以生命科学为基础，利用生物体系和工程原理生产生物制品和创造新物种的综合性科学技术。（农业大词典，1998）4生物技术：1917年匈牙利人KarlEreky提出，其含义为“用甜菜作为饲料进行大规模养猪时，即利用生物将原材料转变为产品”。5酿酒和制醋在中国有数千年的历史。19世纪用酵母进行大规模发酵生产乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等初级代谢产物。巴斯德的发酵科学理论。1928年，Flemming爵士发现青霉素，为抗生素生产开创了先河。61940年后，抗生素工业成为生物技术产业的支柱。1960年后，酶制剂现代生物技术的核心是DNA重组技术1.2传统生物技术7步骤传统生物技术主要是通过微生物初级发酵来生产商品，一般包括3个重要步骤：(1)上游处理过程：对粗材料进行加工，作为微生物的营养和能量来源。(2)发酵和转化：发酵指目的微生物的大量生长，发酵过程必须在一个大的生物反应器内进行(100L)，连续生产目的产品(抗生素、氨基酸、蛋白质等）。(3)下游处理过程：目的产物的纯化过程(既可从细胞培养液中纯化,也可直接从细胞中纯化)。8目标及改进措施目标：最大限度地提高效率措施：改进上游处理过程、生物反应器的设计和下游纯化过程的相关技术，使发酵过程的监测、生物反应体系的检测技术和有效地大量培养微生物的技术和相关仪器方面都取得重要进展。9难点生物转化环节的优化原因：通常用于大规模生产的培养条件往往不是自然条件下微生物的最佳生长条件。对策：通过化学突变、化学诱变或紫外线照射诱变来改良菌种，提高产量，获得了较大的成功，如多种抗生素的大量生产。10局限性提高产量的幅度非常有限：突变菌株中某一组分的大量合成影响了其他代谢产物的合成，进而影响微生物在发酵过程中的生长；11传统诱变过程繁琐、耗时长、费用高、筛选和检测的克隆数量大；只能提高一种代谢产物的产量根本出路现代生物技术：DNA重组技术121.3现代生物技术13生物技术的分支（按领域分）基因工程细胞工程酶（蛋白质）工程发酵工程14基因工程又称DNA重组技术，是指通过对DNA分子的操作来创造对人类有用的生物或产品。换句话说是指科学家利用DNA重组技术改变或重组基因，将它们转化到不同的生物体内，从而创造出新的生物类型。基因工程是现代生物技术的基础。15优点具有目的性、严谨性。可有计划、有目的、严格准确人工构建高产微生物菌株。使之成为生产，如胰岛素、干扰素、生长素、抗体等人们所需要的产品；162、21世纪生物技术研究进展2.1现代生物技术与农业发展2.2工业现代生物技术与医学研究17生物技术在提高农作物的抗性和改良品质方面也发挥了重要作用，2.1生物技术与农业发展18全世界批准进行大田释放的转基因植物已达4387项，其中以抗除草剂和抗虫作物最多。2.1.1转基因技术何为转基因?“转基因”是指将外源性基因转移到某种特定生物体中，使其生物性状或机能发生部分改变。19例如，将细菌体内的抗虫基因转入棉花，使棉花可以抵抗害虫的危害。将鱼体内的抗冻基因转入西红柿使其可抵御寒冷；转基因技术的发展史1982年，将大鼠生长激素重组基因导入小鼠受精原核内，获得了人类历史上第一个转基因动物——转基因“超级鼠”，比一般的小白鼠大一倍。1983年，世界上第一例转基因植物（一种含有抗生素药类抗体的烟草）在美国成功培植。1994年，孟山都(Monsanto)公司下属Calgene公司研制的延熟保鲜转基因番茄是第一个转基因食品。201997年全球转基因作物种植面积1100万公顷，1998年就达到3000万公顷，2002年，达到5870万公顷，“在7年的时间里，全球被转基因作物覆盖的面积增加了34倍”，212.2.2转基因植物转基因作物的种类及种植面积目前全球已拥有120多种转基因植物，其中转基因大豆、棉花、玉米、油菜、西红柿等51种转基因作物已开始商品化生产。在所有转基因作物中，转基因的大豆、玉米、棉花和油菜的种植面积占99%以上。全球种得最多的转基因作物是大豆，占全球大豆总种植面积的62%，接下来是玉米（21%）和棉花（12%）。种植转基因作物所带来的总价值估计为42.5亿美元，而在前一年则为38亿美元。22转基因作物的分布现在，有16个国家种植转基因作物，美国、阿根廷、加拿大、中国的转基因作物占了全球总数的99%。23美国保持着绝对优势地位。目前美国国内74%的大豆、75%的棉花和30%的玉米都是转基因品种。在美国市场上有4000多种食品含有转基因成分，占整个零售食品的60%以上。作物转入的外源基因的类型及方法类型：转基因作物涉及的遗传改良性状主要包括：抗除草剂基因占总面积的71%，抗虫基因占28%，抗病毒基因占1%。方法：农杆菌介导法、基因枪。24中国的转基因作物中国正在研发的转基因作物和林木有47种，特别是在转基因抗虫棉、转基因水稻等领域的研究成果已居世界前列，2002年，我国转基因作物种植面积突破210万公顷。25我国目前到底有多少转基因食品？已经超过2000万吨。目前我国极少生产粮食、油料作物等转基因食品。我国的转基因食品基本上都是进口的。排在前三位的是：大豆、玉米、油菜。我国去年进口大豆1500万吨，与国内自产的非转基因大豆数量相当。目前我国进口大豆主要用做加工原料，生产豆油、豆腐、豆奶等制品。26获益的主要途径有三个：①防止虫害和杂草危害，增加产量；②由于减少了杀虫剂和除草剂等农药的用量，降低了生产成本，农民的纯收入相对增加；③通过减少农田害虫和杂草防治的工作量，节省劳力成本，相对增加了农民的经济收入。27转基因植物带来的经济效益2.2.3转基因动物转基因动物：是通过人工的实验方法，将别的基因导入动物细胞，与动物本身的基因整合在一起，并随细胞的分裂而繁殖，并且能够将别的基因信息遗传给后代，严格意义上说，转基因动物是人工创造的新动物。28从屠宰场杀掉的奶牛体内收集卵母细胞，并使之在体外成熟；用公牛精子对成熟卵母细胞进行体外受精；将欲导入的基因微注射到受精卵中；对胚胎进行体外培养；利用非外科移植术将一个胚胎植入代孕母牛子宫内；对子代进行基因检测确定是否存在转入基因。29微注射的方法其主要步骤：转基因动物的主要目的：动物改良：使肉质改善、饲料增效、个体增大、体重增加、奶量提高、脂肪减少、增强动物抗病力等。生物制药：将药物蛋白基因转入羊、牛体内，使乳汁中含有“药”，利用转基因动物生产蛋白质、造药，将是全新的药物生产模式。转基因动物生产人体器官：还将是人类最好的“器官库”，提供从皮肤、角膜，到心、肝、肾等几乎所有的“零件”。30转基因牛改善牛奶的成分生产药物增加产奶量31转基因猪研究主要集中于四个方面：（1）选育成高产、优质品种。“超级猪”。（2）用作研究人类疾病的动物模型。（3）生产人类药用蛋白：如生产人血红蛋白。（4）利用转基因猪生产人体器官。转基因猪32转基因鱼中国1985年就首先报道了第一例成功的转基因鱼。目前在转基因鱼中，大部分转入的基因都是生长激素基因，使鱼生长速度大大提高。2002湖北科技博览会“转基因黄河鲤鱼”首次亮相，这种鱼生长快，高蛋白低脂肪。两三年内有望上餐桌。332003年11月21日，美国得到的一种能发红色荧光的转基因斑马鱼。售价估计为每条5美元。34转基因羊对绵羊、山羊所进行的转基因研究大多集中于利用其乳腺作为生物反应器生产药用蛋白。98年初，上海医学遗传所获得5只转基因山羊。可生产一种药物蛋白——人凝血九因子。352.2生物技术与医学研究362.2.1基因工程药物2.2.2基因治疗2.2.1基因工程药物胰岛素（3种）人生长激素（3种）干扰素（6种）白细胞介素2（1种）乙型肝炎疫苗（3种）甲型肝炎疫苗（1种目前，大量与人类健康密切相关的基因都得到克隆和表达，胰岛素、生长激素、细胞因子和多克隆抗体等基因工程药物已获准上市，美国至1997年7月已批准39种药物。37基因治疗是指将人的正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞以纠正基因的缺陷或者发挥治疗作用，从而达到治疗疾病目的的生物医学新技术。目前开展的基因治疗只限于体细胞。基因治疗目前主要是治疗那些对人类健康威胁严重的疾病。包括：遗传病（如血友病、囊性纤维病、家庭性高胆固醇血症等）、恶性肿瘤、心血管疾病、感染性疾病（如AIDS、类风湿等）2.2.2基因治疗383.1生物技术中的巨大商机3、机遇与挑战并存3.2生物技术发展中的主要问题39生物技术是解决人类人类面临的六大难题的根本出路：21世纪人类面临的六大难题(人口、食品、健康、资源、环境和能源)——关系到人类的生存和进步,关系到社会、经济和国家的稳定,关系到一个民族的素质和兴旺。这些问题都需要依靠生物技术来解决。我国政府也日益重视对生物技术研究和开发的支持力度。3.1生物技术的中的巨大商机40发展趋势基因操作新技术和方法一出现便被快速商品化加以应用。基因工程药物和疫苗研究与开发进展迅速使医药工业具有光明前景。转基因动、植物的大量出现和广泛应用，将极大地满足人类的生活需要。生物体基因组计划的开展和后基因组时代的到来使生命科学成为21世纪的带头学科。目前已完成多个原核生物和1个真核生物（酵母）的基因组全序列。与人类重大疾病相关的基因，农作物抗逆基因和农艺性状相关基因是今后研究的一个热点。重大疾病的基因治疗将取得重大进展。蛋白质工程成为基因工程后的新热点。生物信息技术的广泛应用。41高技术钱学森(1992)曾说“当今生物科学和生物技术的飞跃进步是一场科学革命,它们必将引起一场生产力乃至社会的变革,即第六次产业革命”。知识密集型、研究手段先进。许多生物技术产品都源于实验室，许多公司领导人本身就是分子生物学家，产品技术含量高，一旦发现有较大商业前景的高技术产品就可以很快地进入商业化生产，如许多基因工程药物。生物技术的商业化特点——四高42高投资现代生物技术是20世纪最后一项伟大的技术革命，因此世界各国政府都在生物技术上投入巨资。美国1993年的投资即达40多亿美元；日本1997年投入超过5000多亿日元；大量生物技术公司成立并投入巨资。1998年美国的PerkinElmer公司投资3亿多美元到人类基因组计划研究中，以求在药物开发和疾病治疗方面获得一席之地。43高风险竞争激烈：大量的公司兼并，要想在激烈的市场竞争中保持优势，各公司必须有自己的拳头产品,研究目标高度集中,产品专一化。美国的1300多家生物技术公司真正盈利的仅10家，其他公司大部分依靠来自社会上的风险投资基金，上市股票及和大型有实力的制药公司建立伙伴关系等来维持研究开发费用。44高回报1982年世界上第一种基因工程药物——重组人胰岛素获准生产和销售，使投资者获得高额回报。目前，生物技术公司已从投资风险期，进入了投资收获期。451994年美国的医学生物工程产品的年销售额超过40亿美元，1995年16种重要生物技术药品的销售额超过68亿美元，其中人红细胞生成素(EPO)一项每年的销售额就达到16.5亿美元。日本1992年的销售额超过4000亿日元，2000年全世界生物技术产值超过6000亿美元。46生物技术是一柄双刃剑，既可用于造福人类，也可用来制造致命的生物武器。1.基因工程生物对生物多样性的影响（如毁灭其他物种）；2.对环境的危险性（如出现致病性极强的新病原）；3.克隆人及其伦理；4.外源基因对调节细胞生长的重要基因的影响（如激活原癌基因）。473.2生物技术发展中的主要问题研发经费严重不足。跟踪有余、创新不足：跟踪国际研究前沿和热点，照抄照搬国外研究成果，创新明显不足，导致侵犯他人知识产权时有发生。低水平重复现象十