生物技术的应用
学习目标:
- 生物技术在农业中的应用
- 生物技术在医学中的应用
- 转基因动物
- 伦理问题
生物技术的三个关键研究领域如下:
- 以改良生物的形式提供最好的催化剂。
- 通过工程创造催化剂发挥作用的最佳条件。
- 净化蛋白质/有机化合物的下游加工技术。
生物技术在农业中的应用
以下是可用于增加粮食产量的三种选择:
- 农化农业
- 有机农业
- 基于转基因作物的农业
绿色革命大大改善了粮食供应。它对环境造成了很大的危害;以地下水枯竭、土壤污染和水污染的形式存在。有机农业是环保的，但未能跟上人口增长的需要。
转基因生物:基因被人为改变的植物、细菌、真菌和动物被称为转基因生物。
以下是转基因植物的一些好处:
- 使作物更能耐受非生物胁迫(寒冷、干旱、盐和热)。
- 减少对化学农药(抗虫害作物)的依赖。
- 帮助减少收获后的损失。
- 提高植物对矿物的利用效率
- 提高食物的营养价值，例如富含维生素A的大米。
- 有可能建造量身定制的工厂，为工业提供替代资源，例如淀粉、燃料和制药。
Bt毒素:它是由一种叫做苏云金杆菌．Bt毒素基因已从细菌中克隆出来并在植物中表达;为了提供对昆虫的抵抗力。这有助于排除对杀虫剂的需要。含有Bt毒素基因的植物有:Bt棉花、Bt玉米、水稻、番茄、马铃薯、大豆等。
Bt棉花:一些菌株苏云金杆菌生产可以杀死某些昆虫的蛋白质，如鳞翅目动物(烟草芽虫、粘虫)、鞘翅目动物(甲虫)和双翅目动物(苍蝇、蚊子)。b基因在生长的特定阶段形成蛋白质晶体。这些晶体含有一种有毒的杀虫蛋白。Bt毒素蛋白以非活性原毒素的形式存在b基因．一旦昆虫摄入了不活跃的毒素，肠道的碱性pH值就会溶解晶体，使毒素活跃起来。被激活的毒素与中肠上皮细胞表面结合并产生气孔。这些小孔会引起肿胀和溶解，最终导致昆虫死亡。由于大多数Bt毒素是昆虫群体特有的，因此基因的选择取决于作物和目标害虫。由基因编码的一些蛋白质是cryIAc, cryIIAb而且cryIAb．
抗虫害植物:许多线虫以寄生虫的形式生活在各种各样的动植物身上;包括人类。让我们以线虫为例Meloidegyne incognitia．这种线虫感染烟草植物的根，造成产量的巨大损失。这种感染的预防是基于RNA干扰(RNAi)的过程。作为细胞防御的一种方法，RNAi在所有生物中都存在。该方法涉及由于互补的dsRNA分子结合并阻止mRNA的翻译而沉默特定的mRNA。这种互补RNA的来源可能来自具有RNA基因组或通过RNA中间体复制的可移动遗传元件(转座子)的病毒感染。
将线虫特异性基因导入寄主植物;通过使用农杆菌属向量。DNA的引入在宿主细胞中产生了有意义和反意义的RNA。这两个rna(相互互补)形成了双链(dsRNA)。dsRNA启动RNAi，从而使线虫的特定mRNA沉默。作为结果;这种寄生虫无法在转基因寄主体内存活。
生物技术在医学上的应用
基因工程胰岛素
许多糖尿病患者需要定期服用胰岛素。胰岛素可以从人体中提取，但这不足以满足日益增长的糖尿病患者的需求。动物来源的胰岛素会给服用胰岛素的患者带来很多问题。如果一种细菌可以被操纵来产生胰岛素，那么它就可以解决数量和质量的问题。
胰岛素由两条短多肽链组成，即链A和链b。这两条链由二硫化物桥连接在一起。在哺乳动物中，胰岛素是作为一种前激素合成的，它含有一种叫做c肽的额外拉伸物。这种c肽在成熟胰岛素中不存在。将胰岛素组装成成熟的形式是主要的挑战。
1983年，一家名为Eli Lilly的美国公司制备了人类胰岛素A链和B链对应的两个DNA序列。这些序列被导入大肠杆菌质粒以产生胰岛素链。A链和B链是分开生产的。它们被提取出来，并通过产生二硫化物键结合，形成人类胰岛素。
基因治疗
基因治疗是一种允许纠正儿童/胚胎中已诊断出的基因缺陷的方法的集合。基因缺陷的矫正包括将正常基因植入个体或胚胎。正常基因接管无功能基因的功能并对其进行补偿。
ADA缺乏症:第一个临床基因治疗是在1990年给一个4岁的女孩，她患有腺苷脱氨酶缺乏。这种酶对免疫系统的正常运作至关重要。这种疾病是由ADA基因缺失引起的。
ADA缺乏症的常规治疗方法是骨髓移植或酶替代疗法。但这些方法并不能保证完全治愈。
基因治疗的第一步是从患者血液中提取淋巴细胞，并在培养基中培养。然后将有功能的ADA cDNA(使用逆转录病毒载体)引入这些淋巴细胞。然后淋巴细胞被送回患者体内。由于淋巴细胞在一段时间后死亡，患者需要定期输注转基因淋巴细胞。但是，如果从产生ADA的骨髓细胞中分离出的基因在胚胎早期阶段被引入细胞，就可能是一种永久性的治疗方法。
分子诊断
常规的诊断方法包括分析血清、尿液等。但这些方法不能保证早期诊断。早期诊断有助于更好地治疗疾病。有助于早期诊断的技术有:重组DNA技术、聚合酶链反应(PCR)和酶联免疫吸附试验(ELISA)．
即使是非常低浓度的病原体也可以通过PCR扩增其核酸来检测到。这种方法现在被常规用于检测疑似艾滋病患者的HIV病毒。
ELISA是基于抗原-抗体相互作用的原理。病原体感染可以通过抗原(蛋白质、糖蛋白等)的存在或通过检测针对病原体合成的抗体来检测。
转基因动物
转基因动物的DNA被操纵，以拥有和表达额外的(外来的)基因。转基因老鼠、兔子、猪、羊、牛和鱼已经被培育出来。转基因动物有以下优点:
- 正常生理和发育:转基因动物可以被专门设计用来研究基因是如何被调节的。它们被设计用来研究基因如何影响身体的正常功能及其发育。
- 疾病研究:转基因动物的设计可以增加我们对基因在疾病发展中的作用的理解。
- 生物制品:有些药物含有生物制品。制造这样的产品非常昂贵。转基因动物可以被设计成生产有用的生物产品。这可以通过引入编码特定分子的基因来实现。
- 疫苗安全:在将疫苗用于人体之前，转基因小鼠正在被开发用于测试疫苗的安全性。这在很大程度上有助于制止虐待动物。
- 化学品安全检测:转基因动物携带的基因使它们比非转基因动物对有毒物质更敏感。然后他们接触有毒物质并研究其影响。这有助于在更短的时间内获得结果。
伦理问题
如果不加以制止，人类对生物体的操纵可能会失控。此外，在生态系统中引入转基因生物可能会产生不可预测的后果。这一点也需要加以控制。印度政府已经建立了基因工程审批委员会．该组织对转基因研究的有效性和安全性做出决定。
生物剽窃:跨国公司和其他组织未经有关国家和个人适当授权使用生物资源;没有补偿性支付的被称为生物剽窃。
在许多情况下，发达国家的公司和(或)人民获得了生物资源新用途的专利权，而这些生物资源本来是发展中国家传统知识的一部分。一个美国人对一种新型巴斯马蒂大米的专利就是这样一个例子。