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21世纪-生命科学的世纪

来源:yxszp.com  时间:2010-01-29 22:13:07点击:
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  20世纪已经结束,回顾20世纪的科学发展史,不难看出,上半个世纪,科学发展主要在物理学,爱因斯坦的相对论将现代物理学推到了光辉的顶峰;但在下半个世纪,科学的重心显然偏向生命科学。自1953年,克里克和沃森发现DNA 双螺旋结构以来,生命科学成果迭出。截止1989年,已有22位科学家共9 次在此领域获得诺贝尔奖。1989年~1997年除1990年默里和托马斯因器官移植、骨髓移植获诺贝尔医学和生理学奖外,其余年份均在生命科学领域。1993年诺贝尔化学奖得主史密斯和穆利斯因发明聚合酶链反应,亦是生命科学领域。

  回顾20世纪下半叶生命科学的重大突破,可以展望21世纪生命科学作为先导学科的前景。

  50年代:1953年4月,《Nature》 发表了美国生物学家沃森和英国物理学家克里克共同研究的成果-­­ DNA分子的双螺旋结构模型。此模型的建立,是分子生物学诞生的标志,打开了“生命之谜”的大门,改变了生物学在整个科学中的地位,同时还给技术科学和社会科学带来了巨大的影响和冲击,因此,被称之为是“生物学的革命”。

  60年代:1965年9月15日报道, 我国首次用人工方法合成具有生物活性的牛胰岛素获得成功。这是在控索生命起源过程中的一次突破。它突破了一般有机物分子与生物大分子的界限,带来了人工合成生命的曙光;它更有力地打破了生命神秘论,揭示了生命与非生命物质的统一性。

    70年代:70年代初,随着限制性内切酶的发展和DNA分子杂交技术的建立,分子生物学进入了技术化时代,基因工种学也有所发展,出现了基因重组技术,从而开创了基因工程这一生物技术的新领域。在这个基础上,现代生物技术逐渐兴起,特别是近十多年来发展很快,越来越受到世界各国的重视。

  80年代:PCR技术发明,美国加州Cetus生物技术公司的史密斯发现在克隆过程中,不用细菌来复制经筛选的DNA,而用DNA多聚酶来进行复制,因为细菌本身也用它来复制DNA。他发明的这种方法叫多聚酶链反应,简称PCR。用这种方法可以扩增试管中的任何特异性DNA序列。

  90年代:克隆动物掀起热潮。

  在胚胎学上,克隆是指通过无性繁殖的手段,从一个细胞获得遗传上相同的细胞群或个体群,这些细胞叫克隆细胞,个体群称为克隆动物。直到本世纪末,人们才有足够的知识和科学实验结果,能把某一成年动物的个体细胞移入一个去除遗传物质的成熟卵母细胞,然后移入另一只成年动物体内,让它生长发育,最终产生具有与体细胞相同的基因的幼体-克隆动物。

         国内外胚胎细胞核移植首创年份

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 动 物         国 内(文献)         国 外(文献)  

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绵 羊             —               1986(Willadsen S M

                                                    Nature 1986,220:63-65.

 兔                   1990                        1988(stice S L Biol Reprod.

                                                   1988,39:657-664.

山羊(当代)     1991(张涌等,中国农业科学                       —

                   1991,24(5):1-6.)

      (继代)    1995(邹贤刚等,科学通报                         —

                   1995,40:264-267.)

  牛  (当代)     1996(李雪峰等,畜牧医学报            1987(Prather R S et al Biol

                   1996,27:495-500)                  Reprod  1987; 37: 859-866

      (继代)                                        1993(stice S L Biol Reprod

                                                    1993,48:715-719.)

  猪             1995                               1989(Prather R S et al Biol

                                                    Reprod 1989,41:414-418.)

小  鼠           1996                              1983(McGrath J, Solther D Science

                                                   1983,220:1300-1302.)

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  Wilmut I et al 在《Nature》1997,385:810~813报道,用3种新的细胞群细胞作为供体细胞,进行细胞核移植,获得了活的绵羊。这3种细胞是从第9天胚胎的胚盘细胞,第26天胎儿的成纤维细胞和6岁成年绵羊妊娠后3个月的乳腺上皮细胞经体外培养获得的。实验结果,3种不同源细胞的核移植,分别得4只、3只和1只羔羊。体细胞作为供体细胞进行细胞核移植的成功,无疑是20世纪生物学突破性成就之一。其技术难度大,涉及领域较广,需要多种实验程序,但由于它具有潜在的应用价值,因而一直吸引着众多的科学家执着地去探索。

  1997年是克隆年。2月24日,英国罗斯林研究所与PPL生物技术公司宣布,他们利用一只6岁母羊的体细胞于1996年7月成功地繁殖出了一只小母羊多莉。当即被誉为本世纪最重大,同时也最有争议性的科技突破之一。许多国家都将其评为1997年最突出、最重大的科技成就,如德国《焦点》新闻周刊与美国《Science 》周刊评出的1997年10大科技成就,多莉均榜上有名。美国《大众科学》评出100 项科技成就中,多莉名列榜首。

  3月2日,美国宣布利用不同的胚胎细胞于1996年8 月成功地复制出了两只基因各异的猴子。3月罗斯林研究所又发布消息, 他们正利用死牛的细胞进行无性繁殖试验。这是世界上首次利用已死亡动物进行克隆试验。如果这项试验获得成功,克隆死去的人是否将成为可能?7月24日,他们又宣布于1997年7月繁殖出世界上第一批无性繁殖的转基因羊。其中7月9日出生的小母羊波莉已被确认含有植入的人类基因。标志着朝着大规模为人类服务阶段迈了一步。8月6日,美国威斯康星州一家生物技术公司宣布于6个月之前克隆出一只毛色黑白相间、名为“基因”的小公牛,可用来大批复制繁殖出多奶、多产肉的优质牛。10月中旬, 英国巴斯理工大学宣布培育出无头青蛙胚胎。这种技术改良后,有可能利用人体组织培养出人体无头胚胎,待其发育成熟后,从中取下相应器官进行人体器官移植,解决了全球移植供体短缺问题。日本、法国、巴西、韩国等国也纷纷开始动物无性繁殖技术研究。德国科学家1997年初宣布培育出转基因羊,其奶液中含有人体所需的血凝蛋白。俄罗斯则培育出一只转基因绵羊,可用来制作奶酪,还可用来提炼药品。克隆技术的突破是一项伟大的科学成就。该技术施用于组织、植物和动物,已导致癌证、糖尿病和恶性纤维化等疾病新疗法的成功开发;将来可用来为事故中受伤者制造代用皮肤、软骨或骨组织,以及为治疗脊髓受伤而制造神经组织。开发前景广阔。

  美国芝加哥科学家理查德·席德于 12月5日一次生育技术研讨会上,谈到计划借用多莉的技术,利用一些显微操作器械将取自某位妇女卵子中的DNA 剔除出去,代之以将要克隆的那个人的DNA,一旦受精,这个受精卵就会分裂为50~100个细胞,此时形成的胚胎就可以移植到体内,一个婴儿克隆体就会在9个月之后出生,并且,他打算将生产过程企业化,最终目的是在美国设10~20个复制诊所,另在海外设5~6个同类型诊所。全世界每年克隆20万人,受到各国政府及科学家的谴责、 反对、禁止。

  2月23日罗斯林研究所和英国PPL医疗公司宣布,该公司又克隆出一头牛犊,名叫“杰弗逊先生”,用的是细胞核移植技术,但用的是胚胎细胞,故与多莉不同。

  20多年来,生物技术在工业、农业、化学、环境保护等各个领域都有广泛的应用,但迄今为止,生物技术最突出的成就是在医学方面。由于基因工程师已经掌握了基因剪切、拼接和重组技术,因此可以在生物体内取出无用基因,加入有用基因。生产出新的药物,创造出新的诊断、治疗方法,例如1962年以前,用于治疗糖尿病的胰岛素,只能从猪或牛的胰脏中提取。1978年,利用基因工程技术人工合成胰岛素取得成功,此后不久,科学家已能够用经过基因转移的微生物,批量生产纯净的人工胰岛素;用于治疗侏儒症的人体生长激素于1979年研制成功,1983年应用于临床。1986年,在美国和欧洲,基因工程干扰素先后投放市场;此后,促红细胞生长素、乙肝疫苗等一大批基因工程药物相继投放市场。现今世界已有50多种生物技术新型药物和疫苗投放市场。我国已有自行研制的15种投放市场。80年代末,我国也研制成功了基因工程干扰素,并用于临床和实现了产业化。科学家认为,基因工程师在今后几年内,将有可能研制出治疗免疫系统疾病、心血管疾病和癌症等顽疾的基因工程药物。利用生物技术开发出的新疗法也日益增多,在治疗遗传性疾病和免疫系统疾病方面,尤为突出,例如,美国国立卫生研究院的科学家用基因疗法治疗一名腺苷脱氨酶缺乏症的患儿。他们将能分泌腺苷脱氨酶的健康基因注入患儿体内,患儿免疫系统缺陷得到修复,功能恢复正常。我国复旦大学遗传研究所与长海医院合作,采用反转录病毒基因转移技术,治疗两例血友病患者,取得了显著疗效,长期依靠输血维持生命的患者,关节出血、肌肉萎缩等症状大为改善,体内凝血因子浓度成倍上升,凝血活性大大提高,已持续18个月未进行输血治疗。这是迄今世界上治疗血友病疗效最好的一例。1990年国际上正式将基因疗法用于临床。经卫生部批准,上海遗传研究所与长海医院的基因治疗血友病技术,已正式应用于临床,成为我国第一例获国家批准的基因治疗技术。迄今,在临床实践中应用生物技术开发的诊断、检测装置已有数百种,其中最重要的是血液产品筛选试验装置,这种装置可以保证血液制品不被艾滋病毒、乙型和丙型肝炎病毒所污染。

  生物技术在农业、畜牧业和食品工业中的应用也引人注目。1994年5月18 日,美国联邦食品和药物管理局正式批准应用基因工程培育的西红柿上市销售。加州基因公司投资2000万美无,耗时8年培育成功的这种转基因西红柿,不易腐烂,耐贮存和运输,可以在充分成熟后再进行采摘,所以味道特别鲜美。日本培育成功的转基因西红柿也已在筑波市种植。抗病虫害马铃薯已在墨西哥培育成功,去年开始,墨西哥政府已向农民供应这种转基因马铃薯种苗,这样,每年约可避免60%~10% 的损失。不怕除草剂的转基因棉花、专供织牛仔布的蓝色棉花、具有杀虫能力的转基因烟草均已培育成功。最近我国科学家利用低能离子束技术培育出世界首例转基因水稻,利用基因重组技术培育出花期长,能改变花色的牵牛花,表明我国植物基因工程已缩小了与世界水平的差距。在动物基因工程方面也硕果累累。进入90年代以来,转基因动物-牛、羊、猪、鸡等相继培育成功。欧洲莱夫德生物工程公司不久前培育了一头带人类基因的奶牛,它的雌性后代能产含有铁乳酸的奶,这种牛奶像人的母乳那样,能促进儿童吸收铁元素。1992年,英国爱丁堡医药蛋白公司,培养出一种叫“特蕾西”的转基因绵羊,这种羊的奶中含有一种能控制人体组织生长的蛋白酶。这种蛋白酶只存在于人体,无法用化学方法合成和进行工业化生产。所以,“特蕾西”羊的培育成功,引起医药界的极大兴趣,德国拜尔化学公司不惜重金买下了这种羊的使用权。英国爱丁堡罗斯林生理和遗传研究所培育出一种转基因公鸡,它的雌性后代所产的蛋中含有能治疗血友病所必须的凝血因子和治疗肺气肿病的一种人体蛋白质。今年1月,以色列科学家也培育成功一头名为“吉蒂”的山羊,“吉蒂”身上带有人类的血清蛋白基因。“吉蒂”的雌性后代所产的每一升牛奶中可以提取10克白蛋白,血清蛋白是人体血浆中的一种主要成分,它可以用来治疗休克,烧伤和补充血液损失。英国剑桥大学的科学家培育出能为人体提供心、肺、肾的转基因猪,这种猪的器官移植到人体可大大降低受体排斥的危险性。当前,世界各国均增加对生物技术研究的投入,大力发展生物技术产业,开发生产生物技术产品。近20年来,美国成立的生物技术公司已达1000多家。从1998年开始,美国生物技术产业的收益开始大幅度增加。90年代出现了生物技术产品销售的黄金时期。预计到1995年底,销售额将达60亿美元,1995年美国用于生物技术开发的经费将达40亿美元,日本政府最近决定将生物技术、新材料和新能源作为科技开发的重点领域。日本不惜花费巨资,大量购买美国的生物技术成果和专利,发展自己的生物技术产业。日本的高速发展已威胁到美国在生物技术领域的领先地位。美国国家研究委员会已呼吁停止向日本的单向技术输出,英国政府调整了科技发展战略,决定优先发展生物科学技术。作为发展中国家的泰国,每年用于生物科学的研究经费达6000万美元,为了加速发展生物科学技术,泰国专门成立了遗传基因工程学与生物技术中心。我国已将生物工程技术列入“863”高科技发展计划。

  随着时间的推移,生物技术产业在规模和重要性方面,都将超过计算机工业,成为21世纪发展最迅速的产业!21世纪将是生命科学世纪!


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