基因工程的应用及其安全性管理_黄志良

文章编号:1008 9632(2001)03 0032 04

基因工程的应用及其安全性管理

黄志良

(华南理工大学食品与生物工程学院,广州 510640)

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摘 要:基因工程在农业、食品、医药、环保等方面有广泛的应用,同时对生态环境、人类健康、伦理道德、社会经济有不同程度的影响和潜在危害。加强基因工程的安全管理是基因工程产业健康发展的前提。本文就基因工程的应用及影响、安全性管理等问题进行了探讨。关键词:基因工程;应用;安全性管理

中图分类号:Q789;Q788 文献标识码:A 基因工程作为生物技术的核心内容,已成为现代高新技术的标志之一。目前,基因工程领域的研究与开发工作十分活跃,新成果不断涌现,发展日新月异。1972年,Berg 等首次用限制性内切酶EcoR 切割病毒SV40DNA 和 噬菌体DNA,经过连接,组成重组DNA 分子。他是第一个实现DNA 重组的人[3]。1973年,Cohen 将伤寒沙门氏菌抗链霉素质粒与大肠杆菌抗四环素质粒在体外重组,获得异源的重组质粒DNA,并把重组质粒导入大肠杆菌中,建立了抗四环素和抗链霉素的大肠杆菌克隆体,这一研究标志着基因工程的出现。经过几十年的发展,基因工程技术已走出实验室,基因工程技术的应用已发展成为一个巨大的产业,不仅科研机构进行研究和开发,很多商业机构也积极参与。基因工程在农业、医药、食品、环保等领域已显示出巨大的应用价值。但从人类历史发展的经验来看,科学技术给人类社会带来福音的同时,都潜在着对人类自身或生存环境造成危害的一面,基因工程也不例外,在开展基因工程应用的同时,也要注意到其潜在的危害,加强安全性管理。1 基因工程的应用

经过几十年的发展,基因工程已走出实验室进入应用阶段,基因工程产业被喻为朝阳产业,具有巨大的发展前景,各个国家都投巨资资助研究和开发项目。1983年,世界第一例转基因植物(转基因烟草和马铃薯)问世以来,在农业、医药、食品、环保等领域,基因工程应用研究都取得了突破性进展。1 1 农业

农业是基因工程的一个重要应用领域,主要用于培育具有优良性状的动物和农作物,如培育抗虫害、抗病害、抗除草剂、耐盐抗干旱作物、农产品品质改良、提高营养物质含量。传统的杂交育种方法周期非常长,而且准确性差。基因工程方法具有极高的准确性,基因的转移不再限于同一物种之间,动物、植物、微生物之间也可发生基因转移。目前的基因工程作物主要有马铃薯、棉花、玉米、大豆、番茄等,这些作物已通过一些国家的审批程序,开始大面积种植。到1998年1月底,全世界约有30

种转基因植物被批准进行商品化生产。美国是转基因作物最大的种植国家,1998年74%的转基因农作物种植在美国,阿根廷、加拿大、澳大利亚分别占15%、10%、1%。大豆和玉米是最广泛种植的转基因作物,在过去四年中,转基因作物种植面积增加了25倍,1999年达到一亿英亩。基因工程在作物育种方面应用有:第一,培育抗病虫害作物。长期、大量使用农药使害虫的耐药性越来越高,农药用量和农药品种不断增加,农业生产成本上升,生态破坏日趋严重。培育抗病虫害作物一直是传统作物杂交育种的一个主要目标。基因工程在培育抗病虫害农作物方面表现出极大的优势。苏云金杆菌在形成芽孢时能产生伴孢晶体,这种毒蛋白对磷翅目昆虫有特异的毒性作用,现已将这种晶体蛋白基因从苏云金杆菌中分离出来,并导入到玉米、水稻、烟草等作物中,使作物在生长过程中产生这种晶体蛋白,杀死害虫。美国孟山都公司开发的New leaf 马铃薯能抗科罗拉多马铃薯甲虫,1995年5月批准成为常规品种[11]。抗虫棉可抗磷翅目害虫。保产玉米可抗玉米螟。90年代以来,抗病虫害的转基因花生植株也研究成功[5]。第二,抗除草剂。草甘磷(glyphosate)是一种广谱除草剂,它通过抑制5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸合成酶(EPSP)的活性而阻断芳香族氨基酸的合成,导致植物死亡,将含有抗草甘磷的EP SP 合成酶突变基因引入植物,就可使植物获得抗草甘磷的能力。这方面最成功的例子是大豆,抗除草剂转基因大豆能耐受草甘磷,可防止广谱除草剂对大豆植株的伤害,除草剂的用量也可减少。第三,抗逆性。由于环境恶化和人口增长,用于农业生产的土地紧张问题日益突出。培育抗干旱、耐盐碱等抗逆性能良好的农作物,就可充分利用以前不适宜耕作的土地,或提高干旱、盐碱土地的农作物产量。将烟草中的CM O 基因导入水稻中,使水稻

具有很强抗旱性[2]

。H ightower 利用农杆菌将比目鱼体内的抗冻蛋白基因转入番茄,番茄抗冻能力明显提高,这是首例利用基因工程提高番茄抗逆性的报道[14]。第四,作物品质改良。通过基因工程手段,还可改良农产品的品质,如改善口感、营养成分、外观、提高耐贮藏性。水稻

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y 收稿日期:2000 10 23

作者简介:黄志良(1969 )男,讲师,博士研究生

是一些亚洲国家的主要粮食作物,水稻淀粉含量高,但蛋白质含量低。而且水稻蛋白质中必需氨基酸如甲硫氨酸、赖氨酸的含量也较低,利用基因工程方法,将植物中分子量较小且富含硫氨基酸的蛋白质基因导入水稻,是改良水稻营养品质的可行途径。M eijer等将分离的富含脯氨酸基因成功地导入水稻基因组中获得转基因植株。Barkharddt将单子叶植物中八氢番茄红素合成酶及其脱氢酶基因导入水稻中,获得富含类胡萝卜素的基因工程水稻[2]。番茄在采收后容易成熟变软,造成腐烂。通过抑制多聚半乳糖醛酸酶的活性来抑制细胞壁的降解和抑制乙烯生成,可以延缓果实过度成熟软化,提高番茄的耐贮存性。目前,采用反义基因技术已培育出耐贮番茄,这种转基因番茄久放而不变软,颜色和风味与普通番茄一样,1994年4月,一种名为Flavr Savr的耐贮番茄在美国上市[11,14]。第五,转基因动物。最早问世的转基因动物是转基因小鼠,培育转基因动物的主要目的是提高生产性能,提高抗病性。目前已报道对鱼、鸡、猪、牛、马、羊等动物成功地进行了转基因试验。转基因家畜除了在动物生产上的应用外,还因其与人的生物学特征有较大的相似性,在器官移植、药物生产、疾病模型建立方面显示出特殊的价值。如将外源基因导入泌乳家畜中,利用家畜的乳腺合成药物蛋白,生产成本可大大降低,应用前景广阔。据美国红十字学会和美国遗传学会预测,到2010年,所有基因工程药物中乳腺反应器生产的份额将达到95%[8]。

1 2 食品

食品加工与农业密切相关,通过基因工程方法改进农作物的生产性能,可为食品加工业提供质优而价廉的原料。转基因大豆的油脂组成中含有较高比例的不饱和脂肪酸,转基因番茄耐贮藏,不易腐烂,用基因工程的方法改进微生物菌种性能,可使发酵食品和食品酶制剂生产面貌一新。第一个采用基因工程改造的食品微生物是面包酵母,经基因改良的面包酵母中麦芽糖透性酶和麦芽糖酶的含量比普通面包酵母高,产生二氧化碳气体的量也较高,可制作出更松软可口的面包。啤酒酵母是啤酒发酵的关键微生物,将 -淀粉酶和糖化酶基因导入啤酒酵母中,就可以简化生产工序,提高产品质量和生产新的啤酒品种。基因工程改造的食品微生物在发酵乳制品、氨基酸、维生素、有机酸和调味品的生产上有广阔应用前景。酶制剂在食品加工中广泛应用,凝乳酶是第一种应用基因工程技术把小牛胃中的凝乳酶基因转移到细菌或真核微生物生产的酶,传统方法是从小牛皱胃中提取,成本高,产量低。80年代以来,英、美等国科学家将凝乳酶原基因导入大肠杆菌、酵母中,成功地进行了大规模的生产。目前,对 -淀粉酶、葡萄糖异构酶、溶菌酶、碱性蛋白酶的生产菌都用基因工程方法进行了改良,大大提高了这些酶制剂的生产效率[16]。

1 3 医药学上的应用

基因工程在医学上主要应用于生产基因工程药物、疾病诊断、基因治疗。基因工程药物有激素与细胞分裂素、生理调节因子、血液制品、疫苗、单克隆抗体几类。如人胰岛素、人生长激素、人促红细胞生成素、人尿激酶、组织纤溶酶激活剂、乙肝疫苗、干扰素等药物已可以用基因工程的方法生产[9]。我国 -干扰素基因工程产品于1989年投产,是我国第一种基因工程药物。在疾病诊断方面,科学家现已完成了许多病原微生物的基因组测序。如流感嗜血杆菌、生殖器支原体、幽门螺杆菌、结核杆菌和梅毒螺旋体等,为进一步了解这些病原菌的致病机理,设计诊断、预防和治疗的新方法提供了有价值的信息。通过基因工程细胞生产的单克隆抗体是一种快速而准确的诊断试剂。1990年美国启动人类基因组计划(HGP),欧盟国家、日本、俄罗斯、加拿大、澳大利亚和我国科学家相继加入该计划。此计划将使人们深入认识许多困扰人类的重大疾病的发病机理并寻找治疗方法。在人类基因组计划的研究过程中,已发现了肥胖基因、支气管哮喘基因,为诊断和治疗这些疾病提供了新的途径[7]。2000年6月22日科学家宣布人类基因组草图已绘制成功,人类基因组的测序工作已基本完成,下一步工作是弄清各基因的功能,寻找致病基因,我国科学家也承担了人类基因组中1%的测序工作。目前,遗传性疾病、恶性肿瘤、传染性疾病如艾滋病等还没有有效的治疗手段,基因工程可能为这些疾病的治疗在理论、技术上带来突破,有可能采用基因治疗的方法,用正常基因补充缺失或异常突变基因。

1 4 环保

工业生产带来了很多环境问题,基因工程技术为环境保护提供了新的手段。基因工程应用于环境保护起始于80年代。目前已培养出能降解农药、除草剂、塑料、防治重金属污染、清除石油污染的基因工程菌。经基因改造的杨树在生长过程中,可清除土壤、地下水中重金属的污染,将可分解石油成分基因工程菌接种到海滩,可清除海滩的原油污染,其清除速度比天然细菌快得多[8]。

2 基因工程的潜在危害

早在七十年代,基因工程安全性问题就引起了广泛的讨论,人们已注意到基因工程对生态环境、人类健康、伦理道德等可能带来的一些问题。

2 1 对生态环境影响

地球的生命已经存在了三十多亿年,简单的生命经过漫长的进化过程,形成了今天地球上由千万种生物所组成的复杂生态系统。采用基因工程的手段改造生物体,就有可能过快打乱自然界经过漫长时间进化所形成的秩序,破坏生态平衡。转基因生物的代谢产物会向外界环境扩散,造成链锁反应,凭目前的生物技术发展水平,还不能准确预测基因工程生物体及其代谢产物的表现形态和潜在危害,也难以提出针对性的防范措施。基因工程对生态系统的危害体现在下面几个方面:第一、基因漂移。导入到转基因农作物中的基因可能由于植物花粉飞扬转移到杂草和其它作物中,如果抗除草剂基因转移到杂草中,就可能产生 超级杂草 。基因漂移将使正常、非目标植物发生基因改变,这个过程很难人为控制,其后果也很难预测。第二、对非目标生物产生危害。苏云金杆菌晶体蛋白可不加区分地杀死许多种昆虫的幼虫,不仅对害虫有致死作用,对其它昆虫,包括有益昆虫也会致死。1999年发表在 自然 杂志的一项研究表明转苏云金杆菌晶体蛋白基因的玉米花粉被蝴蝶幼虫采食后,会使幼虫致死,而这种幼虫并不是玉米的害虫。第三、产生有害生物,危害生物群落。对细菌、病毒进行基因改造,可能使无害或弱致病性的细菌、病毒变成有害或

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