生物技术工程论文

本文主要介绍了基因工程的概念、利用基因工程技术进行药物开发的一般过程以及基因工程药物，并探讨了未来利用基因工程技术进行药物开发研究的发展方向。

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1基因工程概述

所谓基因工程，是指在体外将核酸分子插入到病毒、质粒或其他载体分子中，形成新的遗传物质组合，使其加入到以前没有这种分子的宿主细胞中，使其能够持续稳定地繁殖。

基因工程的第一个重要特征是能够跨越自然物种的屏障，即能够将任何一种生物的基因放入与其无关的新宿主生物的细胞中。这说明人是有可能按照自己的主观意愿创造出自然界不存在的新物种的。第二个特点是它强调了在新的宿主细胞中扩增某个小的DNA片段，从而可以制备大的、纯化的DNA片段，从而拓宽了分子生物学的领域，使其在生物制药领域有很大的应用。

自20世纪70年代初基因工程问世以来，无论是基础理论研究还是实际应用都取得了惊人的成就。全基因组核苷酸序列的测定和分析是基因工程技术促进基础生物学研究的一个极好的例子。2001 2月12日，6个国家的科学家和国际人类基因组发表了人类基因组图谱和初步分析结果，为人们提供了约3000个药用基因，将推动基因制药产业的快速发展。由于基因克隆技术的发展，基因工程技术在工业生产，尤其是医药生产中发挥了重要作用。过去人们利用微生物生产有用的产品，如青霉菌生产的青霉素和链霉菌生产的链霉素。然而，从这些生物中分离和纯化这些药物不仅昂贵，而且在技术上也很困难。如今，通过克隆和转移编码这些药物的基因到合适的生物中进行有效表达，可以容易地提取大量有用的药物。

2利用基因工程技术进行药物开发的一般过程

利用基因工程技术开发一种药物一般要经过以下几个步骤:①获得目的基因片段:通过化学合成可以合成核苷酸序列已知的DNA片段；也可以从生物组织和细胞中提取分离获得，真核生物需要建立cDNA文库。②将获得的目的基因片段扩增并与合适的载体连接后，导入合适的表达系统。③在合适的培养条件下，目的基因能在表达系统中大量表达目的药物。④提取、分离、纯化目标药物，然后制备相应的制剂。

上述方法多以微生物或组织细胞为表达系统，通过微生物发酵或组织细胞培养生产药物。近年来，通过转基因动物生产药物的“生物制药厂”已成为转基因动物研究最活跃的领域，也是基因工程制药最具吸引力的行业。转基因动物药物具有生产成本低、投资周期短、表达量高、与天然产物完全一致、易于分离纯化等优点。，特别适用于一些用量大、结构复杂的血液因子，如人血红蛋白(Hb)、人白蛋白(HSA)、蛋白C(Protein C)。英国爱丁堡制药公司通过转基因羊生产α1-抗胰蛋白酶(α1-AAT)用于治疗肺气肿，每升羊奶生产16g AAT，占牛奶蛋白质含量的30%。据估计，每只泌乳母羊可产70克AAT。此外，转基因植物药比转基因动物药更安全，因为后者可能污染人类病原体。目前已开发出许多转基因植物药物，如脑啡肽、干扰素-α和人血清蛋白，以及最昂贵的两种药物，即葡萄糖脑苷脂酶和粒细胞-巨噬细胞集落因子。

3种基因工程药物

自20世纪70年代末以来，基因工程药物发展迅猛。1978年首次用大肠杆菌生产合成基因表达的人脑激素和人胰岛素。1980年，美国最高法院裁定微生物基因工程可以申请专利。1982年，基因工程菌生产的第一种药物胰岛素被批准在美国和英国使用。自从被批准使用以来，各种基因工程药物如雨后春笋般蓬勃发展。中国的医疗技术研发和产业化也取得了长足的进步。

(1)抗生素的传统生产主要通过化学合成或微生物发酵获得。在生产过程中，菌株的表达水平较低，生产成本较高，使用过程中易产生耐药菌群。可利用基因工程技术对生产菌株进行遗传改造，获得表达水平高、产品目的性强的菌株，如大肠杆菌生产的青霉素邻苯二酰胺酶。一个德国研究小组利用基因工程来增强大肠杆菌的青霉素酰胺酶活性。通过克隆大肠杆菌基因PBR322的质粒形成的菌株，其酶活比出发菌株提高了50倍，从而提高了6APA的生产能力。我国王一光利用基因重组技术转化螺旋霉素产生菌，增强了螺旋霉素产生菌中丙酰转移酶基因的表达，提高了丙酰螺旋霉素的产量。

(2)人体内存在一系列活性肽，如激素类，含量低但生理活性高，对人体代谢有重要的调节作用。这些物质在临床上可作为治疗此类物质失衡引起的疾病的药物。这些药物的制剂多来自各种动物器官，生产方法复杂，成本高。个别产品必须从动物尸体中提取，无法进行大规模工业化生产。自从基因工程技术出现以来，通过基因重组技术可以从微生动产生，这是基因工程技术最伟大的成就之一。以下是这种类型的两种典型药物。

胰岛素:1978年，基因泰克公司利用基因重组技术，由Goeddel等学者开发了利用大肠杆菌生产人胰岛素。随着基因工程技术的不断发展，生产胰岛素的工艺和技术不断完善，在临床上已经完全取代了从动物器官中提取的产品。目前，我国新疆的转基因绵羊已经能够成功表达人胰岛素原，这为胰岛素的生产开辟了一条新的途径。

生长素:人体生长素在临床上用于治疗侏儒症和肌营养不良。传统的制造方法是从人体脑垂体中提取，原料来源困难，产量受到很大限制。世界上只有1%的侏儒症患者可以得到治疗，因为生长素极其昂贵，每克高达5000美元。1979年，基因泰克公司首先由Goeddel等学者利用大肠杆菌开发生产人生长素。近年来还开发了酵母生产生长素，产量可达1.4×106 ~ 4.7×106分子/细胞。目前，我国基因工程人生长素已研发成功并投入市场，用于临床。

除了上述药物，还有基因工程技术生产的神经生长因子(PDGH)、人基底成纤维细胞生长因子、绒毛膜促性腺激素。

(3)细胞免疫调节因子基因工程技术已广泛用于细胞免疫调节因子，如抗肿瘤和免疫调节。近年来，由于基因重组和细胞融合的进展，以及高压液相色谱、氨基酸序列裂解装置和蛋白质精制分析技术的提高，一些调节细胞免疫活性物质的研究和开发发展迅速，如干扰素(INF)、白细胞介素(IL)、集落刺激因子(CSF)和肿瘤坏死因子(TNF)。

干扰素是研究广泛、技术成熟、产业化较早的产品。第一代干扰素是从血液中提取的。据芬兰K Canted报道，纯度在65，438+0%以下的干扰素，处理23，000 L血液后不到65，438+000 mg，所以产量很低。而且由于血源质量无法保证，可能造成血源性传染病的传播。第二代干扰素是通过基因工程技术生产的。其生产水平可达25万分子/细胞，每升可含2.5亿单位。成本显著降低，产品纯度很高，含量可达90%以上。目前商业化的基因工程干扰素有α、β、γ三种，生产技术也在不断完善。俄罗斯科学家构建了以假单胞菌为载体的表达系统，生产基因工程干扰素。与传统的大肠杆菌表达系统相比，培养周期更短，细胞易于破碎和提取。随着基因重组技术的不断发展，一些研究者对干扰素基因进行了改造，构建了靶向干扰素基因和表达载体。夏等用限制性内切酶分别从含人抗乙肝S抗原单链抗体和人干扰素α的质粒上切下目的基因，连接到pET22b质粒上，构建了单链抗体靶向干扰素表达载体，并在大肠杆菌中成功表达。

(4)疫苗传统疫苗是病原微生物的减毒或灭活物质，但这些疫苗并不理想，可能会发生回复突变，恢复毒性；或者是灭活不当导致的疾病流行。基因工程技术生产的新型疫苗可以克服传统疫苗价格高、安全性差的缺点，可以为艾滋病等一些目前尚无有效疫苗的特殊疾病提供有效治疗。

第一个商业化的基因工程疫苗是针对人类乙型肝炎病毒的(HBV)。中国约有65，438+00%的人口受到过HBV的侵袭，而HBV的感染通常与特殊的肝癌(HCC)密切相关，全球每年约有30万患者死于HCC。HBV具有很高的宿主特异性，只能感染人类和黑猩猩，这意味着只能从肝炎患者身上获得有限数量的病毒用作疫苗，从患者血液中提取的疫苗也可能感染艾滋病。用基因工程技术生产的抗HBV疫苗克服了传统疫苗的缺点，质量高，安全性好，而且用量很小。一般用量在10mg以下，接种三次，是普通药物用量的千分之一。1982年，P . valen zuela等人在载体上克隆了S基因(HBV表面抗原基因)的一个片段，结果在酵母中合成了HBV表面抗原(HbsAg)颗粒，产量为25 μ g/L，现在酵母表达系统已经能够大规模生产人用重组肝炎疫苗了。

大约20年前，人们发现注射到体内的“裸露”DNA可以诱导免疫反应。科学家们进行了大量的研究，开发了一种新型的核酸疫苗。所谓核酸疫苗，是指将编码抗原蛋白的外源基因(DNA或RNA)直接转入动物体内，通过宿主表达系统合成抗原蛋白，从而诱导宿主对抗原蛋白产生免疫应答，达到预防和治疗疾病的目的。已经开发了多种核酸疫苗，如流感核酸疫苗、艾滋病疫苗、狂犬病疫苗、结核病疫苗、乙型肝炎疫苗和戊型肝炎疫苗。

(5)基因治疗产品基因治疗在1990开始试验。在1993中，美国FDA将人类基因治疗定义为“基于活细胞遗传物质改变的医学治疗，可在活体外进行，然后应用于人体，或直接在人体内进行”。因此，基因治疗有两种方式，即间接体内法和体内法。间接体内法主要是在体外通过基因转移筛选出能表达外源基因的细胞，然后转移到体内；体内法是在体内直接改变和修复遗传物质。随着分子生物学和基因重组技术的发展，获得目的基因的方法已趋于成熟，但目的基因的转移和递送系统、表达调控、有效性和安全性仍需进一步研究和确认。目前，基因转移系统分为两类:一类是病毒介导的基因转移系统，主要包括逆转录病毒(Rt)、腺病毒(Ad)、疱疹病毒(HSV)和腺病毒相关病毒(AAV)载体。Nnldini等人开发了一种基于HIV的重组Rt载体，它可以感染多种不含辅助细胞的非分裂细胞，同时保留了在宿主染色体上整合的特性。世界上第一个基因治疗载体是Rt载体，用于治疗腺苷酸脱羧酶缺陷引起的严重联合免疫缺陷(ADA-SCID)。另一类是非病毒介导的基因转移系统，包括脂质体、分子偶联载体、基因枪和裸DNA。

此外，反义核苷酸技术还用于基因治疗，尤其是针对乙肝病毒的基因治疗，包括反义DNA、反义RNA和核酶RNA。2001，Robaczewska等人首次通过静脉给予反义DNA，选择性抑制北京鸭肝脏中HBV的复制和表达，证明了反义DNA在动物实验中的有效性。美国Viagene公司开发了一种“HIV免疫制剂”，是小鼠逆转录病毒和核心蛋白编码基因序列与HIV表面抗原RNA的结合产物，并在小鼠和灵长类动物实验中证实了该药物能诱导强烈的HIV特异性杀伤细胞。

4结论

基因工程技术使药物开发发生了根本性的变化。传统的药物开发方式是从大量化学合成物质和微生物代谢产物中随机筛选得到作为新药的有效成分。利用基因工程技术开发新药，就是通过对致病机理的研究，找到可用于治疗目的的有效成分及其编码基因，然后通过基因重组将其转入合适的载体，使其有效成分大量表达，作为治疗药物。同时，基因工程技术给药物生产技术带来了革命性的变化。过去一些难以生产的产品，如激素、酶、抗体等生物活性物质，通过基因工程可以优质高产地投入生产，同时生产成本大大降低，提高了患者的用药水平和生活质量。

基因工程技术在癌症、艾滋病、遗传病等一些传统医学无法有效治疗的疾病的诊断、治疗和预防方面提供了有效的新手段，并取得了一些重大突破。如果发现致癌基因，癌症的早期诊断和治疗药物的开发将成为可能。随着分子生物学和基因重组技术的发展，我们相信在不久的将来，这些严重危害人类生命的疾病将得到有效的预防和治疗。