1、21世紀(jì)生物技術(shù)發(fā)展帶來的機遇與挑戰(zhàn),吳興泉 博士,1,主要內(nèi)容,1、生物技術(shù)及其發(fā)展歷程。,2、21世紀(jì)生物技術(shù)研究進展,3、機遇與挑戰(zhàn)并存,2,1、生物技術(shù)及其發(fā)展歷程,3,1.1、生物技術(shù)與生物工程,生物技術(shù)(Biotechnology)：又稱生物工程。是以生命科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物體系和工程原理生產(chǎn)生物制品和創(chuàng)造新物種的綜合性科學(xué)技術(shù)。 （農(nóng)業(yè)大詞典，1998）,4,生物技術(shù)：1917年匈牙利人Karl Ereky提出，其含義為“用甜菜作為飼料進行大規(guī)模養(yǎng)豬時，即利用生物將原材料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品”。,5,釀酒和制醋在中國有數(shù)千年的歷史。,19世紀(jì)用酵母進行大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)乳酸、酒精、面包酵母、檸

2、檬酸和蛋白酶等初級代謝產(chǎn)物。巴斯德的發(fā)酵科學(xué)理論。,1928年，F(xiàn)lemming爵士發(fā)現(xiàn)青霉素，為抗生素生產(chǎn)開創(chuàng)了先河。,6,1940年后，抗生素工業(yè)成為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的 支柱。 1960年后，酶制劑,現(xiàn)代生物技術(shù)的核心是DNA重組技術(shù),1.2 傳統(tǒng)生物技術(shù),7,步 驟,傳統(tǒng)生物技術(shù)主要是通過微生物初級發(fā)酵來生產(chǎn) 商品，一般包括3個重要步驟：,(1)上游處理過程：對粗材料進行加工，作為微生物的營養(yǎng)和能量來源。,(2)發(fā)酵和轉(zhuǎn)化：發(fā)酵指目的微生物的大量生長，發(fā)酵過程必須在一個大的生物反應(yīng)器內(nèi)進行( 100L)，連續(xù)生產(chǎn)目的產(chǎn)品(抗生素、氨基酸、蛋白質(zhì)等）。,(3)下游處理過程：目的產(chǎn)物的純化過程(

3、既可從細胞培養(yǎng)液中純化,也可直接從細胞中純化)。,8,目標(biāo)及改進措施,目標(biāo)：最大限度地提高效率,措施：改進上游處理過程、生物反應(yīng)器的設(shè)計和下游純化過程的相關(guān)技術(shù)，使發(fā)酵過程的監(jiān)測、生物反應(yīng)體系的檢測技術(shù)和有效地大量培養(yǎng)微生物的技術(shù)和相關(guān)儀器方面都取得重要進展。,9,難 點,生物轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的優(yōu)化 原因：通常用于大規(guī)模生產(chǎn)的培養(yǎng)條件往往 不是自然條件下微生物的最佳生長條件。,對策：通過化學(xué)突變、化學(xué)誘變或紫外線照射誘變來改良菌種，提高產(chǎn)量，獲得了較大的成功，如多種抗生素的大量生產(chǎn)。,10,局限性,提高產(chǎn)量的幅度非常有限：突變菌株中某一組分的大量合成影響了其他代謝產(chǎn)物的合成，進而影響微生物在發(fā)酵過程中

4、的生長；,11,傳統(tǒng)誘變過程繁瑣、耗時長、費用高、篩選和檢測的克隆數(shù)量大；,只能提高一種代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量,根本出路,現(xiàn)代生物技術(shù)：DNA重組技術(shù),12,1.3 現(xiàn)代生物技術(shù),13,生物技術(shù)的分支（按領(lǐng)域分）,基因工程 細胞工程 酶（蛋白質(zhì)）工程 發(fā)酵工程,14,基因工程 又稱DNA重組技術(shù)，是指通過對DNA分子的操作來創(chuàng)造對人類有用的生物或產(chǎn)品。 換句話說是指科學(xué)家利用DNA重組技術(shù)改變或重組基因，將它們轉(zhuǎn)化到不同的生物體內(nèi)，從而創(chuàng)造出新的生物類型。 基因工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的基礎(chǔ)。,15,優(yōu) 點,具有目的性、嚴謹性。 可有計劃、有目的、嚴格準(zhǔn)確人工構(gòu)建高產(chǎn)微生物菌株。 使之成為生產(chǎn)，如胰島素、干

5、擾素、生長素、抗體等人們所需要的產(chǎn)品；,16,2、21世紀(jì)生物技術(shù)研究進展,2.1 現(xiàn)代生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)發(fā)展,2.2 工業(yè)現(xiàn)代生物技術(shù)與醫(yī)學(xué)研究,17,生物技術(shù)在提高農(nóng)作物的抗性和改良品質(zhì)方面也發(fā)揮了重要作用，,2.1 生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)發(fā)展,18,全世界批準(zhǔn)進行大田釋放的轉(zhuǎn)基因植物已達4387項，其中以抗除草劑和抗蟲作物最多。,2.1.1 轉(zhuǎn)基因技術(shù),何為轉(zhuǎn)基因 ? “轉(zhuǎn)基因”是指將外源性基因轉(zhuǎn)移到某種特定生物體中，使其生物性狀或機能發(fā)生部分改變。,19,例如，將細菌體內(nèi)的抗蟲基因轉(zhuǎn)入棉花，使棉花可以抵抗害蟲的危害。將魚體內(nèi)的抗凍基因轉(zhuǎn)入西紅柿使其可抵御寒冷；,轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展史 1982年，將大

6、鼠生長激素重組基因?qū)胄∈笫芫藘?nèi)，獲得了人類歷史上第一個轉(zhuǎn)基因動物轉(zhuǎn)基因“超級鼠”，比一般的小白鼠大一倍。 1983年，世界上第一例轉(zhuǎn)基因植物（一種含有抗生素藥類抗體的煙草）在美國成功培植。 1994年，孟山都(Monsanto)公司下屬Calgene公司研制的延熟保鮮轉(zhuǎn)基因番茄是第一個轉(zhuǎn)基因食品。,20,1997年全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積1100萬公頃， 1998年就達到3000萬公頃， 2002年，達到5870萬公頃， “在7年的時間里，全球被轉(zhuǎn)基因作物覆蓋的面積增加了34倍”，,21,2.2.2 轉(zhuǎn)基因植物,轉(zhuǎn)基因作物的種類及種植面積 目前全球已擁有120多種轉(zhuǎn)基因植物，其中 轉(zhuǎn)基因大

7、豆、棉花、玉米、油菜、西紅柿等51種 轉(zhuǎn)基因作物已開始商品化生產(chǎn)。 在所有轉(zhuǎn)基因作物中，轉(zhuǎn)基因的大豆、玉米、棉花和油菜的種植面積占99%以上。 全球種得最多的轉(zhuǎn)基因作物是大豆，占全球大豆 總種植面積的62%，接下來是玉米 （21%）和棉花（12%）。 種植轉(zhuǎn)基因作物所帶來的總價值估計為42.5億美元，而在前一年則為38億美元。,22,轉(zhuǎn)基因作物的分布 現(xiàn)在， 有16個國家種植轉(zhuǎn)基因作物，美國、阿根廷、加拿大、中國的轉(zhuǎn)基因作物占了全球總數(shù)的99%。,23,美國保持著絕對優(yōu)勢地位。目前美國國內(nèi)74%的大豆、75%的棉花和30%的玉米都是轉(zhuǎn)基因品種。 在美國市場上有4 000多種食品含有轉(zhuǎn)基因成分，

8、占整個零售食品的60%以上。,作物轉(zhuǎn)入的外源基因的類型及方法 類型：轉(zhuǎn)基因作物涉及的遺傳改良性狀主要包括：抗除草劑基因占總面積的71%，抗蟲基因占28%，抗病毒基因占1%。 方法：農(nóng)桿菌介導(dǎo)法、基因槍。,24,中國的轉(zhuǎn)基因作物 中國正在研發(fā)的轉(zhuǎn)基因作物和林木有47種，特別是在轉(zhuǎn)基因抗蟲棉、轉(zhuǎn)基因水稻等領(lǐng)域的研究成果已居世界前列， 2002年，我國轉(zhuǎn)基因作物種植面積突破210萬公頃。,25,我國目前到底有多少轉(zhuǎn)基因食品？ 已經(jīng)超過2000萬噸。 目前我國極少生產(chǎn)糧食、油料作物等轉(zhuǎn)基因食品。 我國的轉(zhuǎn)基因食品基本上都是進口的。排在前三位的是：大豆、玉米、油菜。 我國去年進口大豆1500萬噸，與國內(nèi)

9、自產(chǎn)的非轉(zhuǎn)基因大豆數(shù)量相當(dāng)。目前我國進口大豆主要用做加工原料，生產(chǎn)豆油、豆腐、豆奶等制品。,26,獲益的主要途徑有三個： 防止蟲害和雜草危害，增加產(chǎn)量； 由于減少了殺蟲劑和除草劑等農(nóng)藥的用量，降低了生產(chǎn)成本，農(nóng)民的純收入相對增加； 通過減少農(nóng)田害蟲和雜草防治的工作量，節(jié)省勞力成本，相對增加了農(nóng)民的經(jīng)濟收入。,27,轉(zhuǎn)基因植物帶來的經(jīng)濟效益,2.2.3 轉(zhuǎn)基因動物,轉(zhuǎn)基因動物：是通過人工的實驗方法，將別的基因?qū)雱游锛毎?，與動物本身的基因整合在一起，并隨細胞的分裂而繁殖，并且能夠?qū)e的基因信息遺傳給后代，嚴格意義上說，轉(zhuǎn)基因動物是人工創(chuàng)造的新動物。,28,從屠宰場殺掉的奶牛體內(nèi)收集卵母細胞，并使

10、之在體外成熟； 用公牛精子對成熟卵母細胞進行體外受精； 將欲導(dǎo)入的基因微注射到受精卵中； 對胚胎進行體外培養(yǎng)； 利用非外科移植術(shù)將一個胚胎植入代孕母牛子宮內(nèi)； 對子代進行基因檢測確定是否存在轉(zhuǎn)入基因。,29,微注射的方法其主要步驟：,轉(zhuǎn)基因動物的主要目的： 動物改良：使肉質(zhì)改善、飼料增效、個體增大、體重增加、奶量提高、脂肪減少、增強動物抗病力等。 生物制藥：將藥物蛋白基因轉(zhuǎn)入羊、牛體內(nèi)，使乳汁中含有“藥”，利用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)蛋白質(zhì)、造藥，將是全新的藥物生產(chǎn)模式。 轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)人體器官：還將是人類最好的“器官庫”，提供從皮膚、角膜，到心、肝、腎等幾乎所有的“零件”。,30,轉(zhuǎn)基因牛 改善牛奶的

11、成分 生產(chǎn)藥物 增加產(chǎn)奶量,31,轉(zhuǎn)基因豬研究主要集中于四個方面： （1）選育成高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)品種?！俺壺i”。 （2）用作研究人類疾病的動物模型。 （3）生產(chǎn)人類藥用蛋白：如生產(chǎn)人血紅蛋白。 （4）利用轉(zhuǎn)基因豬生產(chǎn)人體器官。,轉(zhuǎn)基因豬,32,轉(zhuǎn)基因魚 中國1985年就首先報道了第一例成功的轉(zhuǎn)基因魚。目前在轉(zhuǎn)基因魚中，大部分轉(zhuǎn)入的基因都是生長激素基因，使魚生長速度大大提高。 2002湖北科技博覽會 “轉(zhuǎn)基因黃河鯉魚”首次亮相，這種魚生長快，高蛋白低脂肪。兩三年內(nèi)有望上餐桌。,33,2003年11月21日，美國得到的一種能發(fā)紅色熒光的轉(zhuǎn)基因斑馬魚。售價估計為每條5美元。,34,轉(zhuǎn)基因羊 對綿羊、山羊

12、所進行的轉(zhuǎn)基因研究大多集中于利用其乳腺作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)藥用蛋白。 98年初，上海醫(yī)學(xué)遺傳所獲得5只轉(zhuǎn)基因山羊?？缮a(chǎn)一種藥物蛋白人凝血九因子。,35,2.2 生物技術(shù)與醫(yī)學(xué)研究,36,2.2.1 基因工程藥物,2.2.2 基因治療,2.2.1 基因工程藥物,胰島素（3種） 人生長激素（3種） 干擾素（6種） 白細胞介素2（1種） 乙型肝炎疫苗（3種） 甲型肝炎疫苗（1種,目前，大量與人類健康密切相關(guān)的基因都得到克隆和表達， 胰島素、生長激素、細胞因子和多克隆抗體等基因工程藥物 已獲準(zhǔn)上市，美國至1997年7月已批準(zhǔn)39種藥物。,37,基因治療是指將人的正?；蚧蛴兄委熥饔玫幕蛲ㄟ^一定方式導(dǎo)

13、入人體靶細胞以糾正基因的缺陷或者發(fā)揮治療作用，從而達到治療疾病目的的生物醫(yī)學(xué)新技術(shù)。,目前開展的基因治療只限于體細胞。基因治療目前主要是治療那些對人類健康威脅嚴重的疾病。包括：遺傳病（如血友病、囊性纖維病、家庭性高膽固醇血癥等）、惡性腫瘤、心血管疾病、感染性疾?。ㄈ鏏IDS、類風(fēng)濕等）,2.2.2 基因治療,38,3.1 生物技術(shù)中的巨大商機,3、機遇與挑戰(zhàn)并存,3.2 生物技術(shù)發(fā)展中的主要問題,39,生物技術(shù)是解決人類人類面臨的六大難題的根本出路： 21世紀(jì)人類面臨的六大難題(人口、食品、健康、資源、環(huán)境和能源)關(guān)系到人類的生存和進步, 關(guān)系到社會、經(jīng)濟和國家的穩(wěn)定, 關(guān)系到一個民族的素質(zhì)和

14、興旺。這些問題都需要依靠生物技術(shù)來解決。 我國政府也日益重視對生物技術(shù)研究和開發(fā)的支持力度。,3.1 生物技術(shù)的中的巨大商機,40,發(fā)展趨勢,基因操作新技術(shù)和方法一出現(xiàn)便被快速商品化加以應(yīng)用。 基因工程藥物和疫苗研究與開發(fā)進展迅速使醫(yī)藥工業(yè)具有光明前景。 轉(zhuǎn)基因動、植物的大量出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，將極大地滿足人類的生活需要。 生物體基因組計劃的開展和后基因組時代的到來使生命科學(xué)成為21世紀(jì)的帶頭學(xué)科。目前已完成多個原核生物和1個真核生物（酵母）的基因組全序列。與人類重大疾病相關(guān)的基因，農(nóng)作物抗逆基因和農(nóng)藝性狀相關(guān)基因是今后研究的一個熱點。 重大疾病的基因治療將取得重大進展。 蛋白質(zhì)工程成為基因工程后

15、的新熱點。 生物信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用。,41,高技術(shù) 錢學(xué)森(1992)曾說“當(dāng)今生物科學(xué)和生物技術(shù)的飛躍進步是一場科學(xué)革命, 它們必將引起一場生產(chǎn)力乃至社會的變革, 即第六次產(chǎn)業(yè)革命”。 知識密集型、研究手段先進。 許多生物技術(shù)產(chǎn)品都源于實驗室，許多公司領(lǐng)導(dǎo)人本身就是分子生物學(xué)家，產(chǎn)品技術(shù)含量高，一旦發(fā)現(xiàn)有較大商業(yè)前景的高技術(shù)產(chǎn)品就可以很快地進入商業(yè)化生產(chǎn)，如許多基因工程藥物。,生物技術(shù)的商業(yè)化特點四高,42,高投資 現(xiàn)代生物技術(shù)是20世紀(jì)最后一項偉大的技術(shù)革命，因此世界各國政府都在生物技術(shù)上投入巨資。 美國1993年的投資即達40多億美元； 日本1997年投入超過5000多億日元； 大量生物

16、技術(shù)公司成立并投入巨資。1998年美國的Perkin Elmer公司投資3億多美元到人類基因組計劃研究中，以求在藥物開發(fā)和疾病治療方面獲得一席之地。,43,高風(fēng)險,競爭激烈：大量的公司兼并，要想在激烈的市場競爭中保持優(yōu)勢，各公司必須有自己的拳頭產(chǎn)品,研究目標(biāo)高度集中,產(chǎn)品專一化。 美國的1300多家生物技術(shù)公司真正盈利的僅10家，其他公司大部分依靠來自社會上的風(fēng)險投資基金，上市股票及和大型有實力的制藥公司建立伙伴關(guān)系等來維持研究開發(fā)費用。,44,高回報,1982年世界上第一種基因工程藥物重組人胰島素獲準(zhǔn)生產(chǎn)和銷售，使投資者獲得高額回報。 目前，生物技術(shù)公司已從投資風(fēng)險期，進入了投資收獲期。,45,1994年美國的醫(yī)學(xué)生物工程產(chǎn)品的年銷售額超過40億美元，1995年16種重要生物技術(shù)藥品的銷售額超過68億美元，其中人紅細胞生成素(EPO)一項每年的銷售額就達到16.5億美元。 日本1992年的銷售額超過4000億日元，2000年全世界生物技術(shù)產(chǎn)值超過6000億美元。,46