基因工程和医疗健康的意义是什么?
微生物生长迅速,易于控制,适合大规模工业化生产。如果将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞生产相应药物,不仅可以解决产量问题,还可以大大降低生产成本。
胰岛素是治疗糖尿病的特效药。长期以来,只能从猪、牛等动物的胰腺中提取。100Kg胰腺只能提取4-5g胰岛素,其产量之低,价格之高可想而知。当合成胰岛素基因导入大肠杆菌时,每2000L培养基可产生100g胰岛素。大规模的工业化生产,不仅解决了比黄金还贵的药物产量问题,还使其价格降低了30%-50%。
干扰素是治疗病毒感染的灵丹妙药。以前是从人的血液中提取,仅用300L血液就提取了1mg。其“珍贵”程度不用多说。基因工程人干扰素α-2b(安达芬)是中国第一个工业化的基因工程人干扰素α-2b。具有抗病毒、抑制肿瘤细胞增殖、调节人体免疫功能的作用。广泛用于病毒性疾病和各种肿瘤的治疗,是目前国际公认的治疗病毒性疾病的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。通过基因工程工业化生产人造血、白细胞介素和乙肝疫苗,在减轻人类痛苦和改善人类健康方面发挥了重要作用。
基因诊断和基因治疗。利用基因工程设计制造的“DNA探针”检测肝炎病毒等病毒感染和基因缺陷,不仅准确,而且快速。通过基因工程将正常基因导入遗传病患者体内,可以一次性解除患者的痛苦。重度联合免疫缺陷患者缺乏正常的人体免疫功能,只要被细菌或病毒轻微感染就会死亡。这种疾病的机制是细胞常染色体上编码腺苷脱氨酶(ADA)的基因发生突变,可以通过基因工程治疗。
基因工程将把中医带入一个新时代。
在“中药与天然药物”国际研讨会上,中国专家认为,转基因药用植物或器官的研究、有效次生代谢途径关键酶基因的克隆、中药DNA分子标记的研究、中药基因芯片的研究已成为中药研究的热点,将使中药进入一个全新的时代。据北京大学天然药物与仿生药物国家重点实验室副主任郭德安介绍,转基因药用植物或器官组织的研究是近年来我国中药生物技术较为活跃的领域之一。
在转基因药用植物的研究中,中国医学科学院药用植物研究所分别用发根农杆菌和根癌农杆菌诱导丹参形成毛状根和冠瘿,然后分化成植株。他们对它们与栽培丹参的形态和化学成分进行了比较研究。结果表明,由毛状根再生的植株叶片皱缩,节间缩短,植株矮化,须根发达。而冠瘿组织再生的植株,植株高大,根系发达,产量高。丹参酮含量高,对丹参育种和提高药材质量具有重要意义。
郭德安表示,研究中药化学成分的生物合成途径,不仅有利于这些化学成分的仿生合成,而且可以人为调控这些化学成分的合成,有利于所需化学成分的定向合成。国内在这方面的研究已经开始。据了解,生物技术在我国中医药研究中的应用研究逐渐兴起。有些方面,如药用植物的组织和细胞培养,已经积累了二三十年的经验,理论和技术也相当成熟,在全国已经形成了一定的规模。其中,中草药细胞工程的研究正处于鼎盛时期。
郭德安说,面对许多野生植物濒临灭绝,一些特殊环境下难以引种的问题,我国科学家开始探索通过大量培养高等植物细胞和器官来生产有用的次生代谢产物。研究内容包括高产组织或细胞系的筛选、培养条件的优化和次生代谢产物生物合成途径的调控,以达到降低成本和提高次生代谢产物产量的目的。
此外,利用植物悬浮培养细胞或不定根、毛状根对外源化学成分进行生物转化的研究也在近期悄然兴起,并取得了一定进展。
而且,科学家们更加关注次生代谢产物生物合成途径的调控。这些研究取得了令人振奋的成果,表明我国药用植物的细胞培养进入了一个新时代。
郭德安认为,今后的主要研究方向应集中在珍贵濒危药用植物的组织细胞培养上;调节次级代谢物的产生;中药中一些重要化学成分的生物转化。此外,应加强动物医学的生物技术研究。
生产最有效药物的转基因动物
转基因动物是一种个体表达反应系统,代表了当今时代药物生产的最新成果,也是最复杂、最有前途的生物反应系统。就通过转基因动物和家畜生产基因药物而言,理想的表达位点是乳腺。由于乳腺是外分泌器官,乳汁不进入内循环,不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。从转基因动物乳汁中获得的基因产物不仅产量高、易于纯化,而且表达的蛋白经过了充分的修饰,具有稳定的生物活性,因此也被称为“动物乳腺生物反应器”。1994中国科学院发表转基因家禽输卵管生物反应器并利用蛋清蛋白基因侧翼序列构建表达载体《生物技术通讯》第6期1997首届转基因动物国际研讨会于1996在北京召开。2007年,中国国家863计划被列入指南。用转基因牛、羊等家畜的乳腺来表达人类所需的蛋白质基因,相当于建了一个大型制药厂。这个药厂显然具有投资少、效率高、无污染的优点。
从生物学的角度来看,生命体对能量的利用和转化效率是当今世界上任何机械装置都达不到的。因此,通过转基因动物生产药物是人们所能想象到的最有效、最先进的方法。
转基因动物的乳腺能够持续提供目的基因(药物蛋白)的生产,不仅产量高,而且表达产物经过充分的修饰和加工,具有稳定的生物活性。转基因运动作为一种生物反应器,可以无限繁殖,因此具有成本低、周期短、效益好的优点。一些从转基因牲畜的乳汁中分离出来的药物蛋白正被用于临床试验。
目前,我国在转基因动物研究领域已经获得转基因鼠、兔、鱼、猪、羊、牛。
虽然转基因动物(家畜)-乳腺生物反应器生产的药物或珍贵蛋白质尚未形成产业,但据国外经济学家预测,转基因动物生产的药物将在十年左右的时间里站上世界市场。当时,仅药物的年销售额就超过了250亿美元(不包括营养蛋白和其他产品),使转基因动物(牲畜)-乳房生物反应器行业成为最赚钱的新行业。
从5438年6月到2000年2月25日,北京三只转基因羊以及在此之前的各种转基因蔬菜、水稻、棉花的出现,让人们更加关注转基因技术。那么转基因技术是一种什么样的神秘技术呢?
中国工程院院士、上海市儿童医院上海医学遗传研究所所长认为,转基因动物是指通过实验方法,将人们想要研究的动物或人类基因,或者具有经济价值的蛋白质基因,通常称为外源基因,人工导入动物的受精卵(或早期胚胎细胞),使其与动物本身的基因组整合。这样,外源基因可以随着细胞分裂而增殖,并可以稳定地传递给下一代动物。
北京市顺义区第三高新农业实验示范区北京兴鹿苑生物技术中心首席畜牧官田先生表示,转基因动物和转基因羊的意义不在于羊本身,而在于它们产出的羊奶可以提取α抗胰蛋白酶,它们每一个都可以称得上是天然的基因药厂,价值巨大。
田先生介绍,转基因羊的制备是通过显微操作将人α抗胰蛋白酶基因注入母羊受精卵的雄性细胞核内,并与羊自身基因整合,形成一个不可分割的整体。这种新的基因组可以稳定地传递给出生的羔羊。山羊也成为了人工创造的不同于母山羊的新品系,它们的后代也会携带这种α抗胰蛋白酶基因。这个过程有点类似于植物嫁接。
准备转基因动物是一项复杂的任务。目前,在转基因动物的开发中,外源基因与动物自身基因组的整合率较低,其表达往往不理想,外源基因的固有特性不能完全表达或不能表达。牛、羊、猪等实验动物的整合率一般在1%左右。造成这种情况的原因可能有很多。首先是目的基因的问题,不同外源基因的表达水平不同,因人而异。其次,外源基因表达载体内部各部分的组合和连接是否合理;更重要的一点是,外源基因在动物基因组中达到整合位置是否合理。科学家还不知道整合在哪里高表达,在哪里低表达。人无法控制外源基因整合的位置,只能随机整合。所以整合率低是必然的。
尽管转基因动物还有一些技术亟待解决,但转基因动物研究取得的巨大进展,特别是其在各个领域的广泛应用,已经对生物医学、畜牧业和制药业产生了深远的影响。