绪论
学习目的
①了解现代生物技术定义、主要技术范畴、特点和生物技术发展历程；②认识现代生物技术前景及其对人类社会所产生的深刻影响；③了解中国在现代生物技术领域取得的成就和面临的挑战。
在20世纪*后的20多年中，现代生物技术以前所未有的速度迅猛发展，一批新兴的现代生物技术产业已经或正在形成。现代生物技术取得的一个接一个令人瞩目的成就，推动着科学的进步，促进着经济的发展，改变着人们的生活与思维，影响着人类社会的发展进程。现代生物技术的研究与开发已经成为世界性潮流，不论是发达国家还是发展中国家，都对现代生物技术寄予厚望。现代生物技术的研究与开发不仅有可能使产业结构发生变化，还有可能给一些传统的生物技术产业带来新的希望。毫无疑问，现代生物技术将成为21世纪*具发展前景的高科技领域和国民经济体系的支柱产业之一。
然而，事物都具有其两面性。同很多重大的科学技术发明（如火药、电能、核能、计算机与网络技术等）一样，现代生物技术在带给人类社会进步、促进经济发展的同时，也存在安全性问题，对社会伦理观念、法律法规已经或正在产生深刻影响，并可能引发一系列社会伦理问题。对此人们应给予充分认识。
0.1 生物技术定义与主要技术范畴
0.1.1 生物技术定义
随着现代生物技术产品越来越多地进入市场和百姓家庭，生物技术、生物工程、基因工程等术语逐渐被人们了解。一般而言，生物技术由以下3个相互关联的基本要素构成。
（1）采用生命科学的基础理论与技术。生命科学涉及生物学、医学、农学等与生命相关的学科领域，其中生物学理论和技术是现代生物技术*重要的基础。生物学又可分为遗传学、生理学、生物化学、生物物理学、细胞生物学、分子生物学、微生物学、免疫学、发育生物学、生物信息学等多种学科及分支交叉学科，探讨的问题从DNA到蛋白质、从染色体到细胞、从生理现象到遗传变异、从受精到细胞凋亡、从个体发育到物种进化、从陆地生物到海洋生物及空间生物、从大型生物到微小生物等。
（2）应用生物材料或生物系统。现代生物技术开发利用的材料可以是微生物、植物体或动物体，也可以是动物或植物的器官、组织、细胞、细胞器及生物酶系等。利用生物特有的生命方式，在适当的条件下，经济、高效地制备人类所需要的生物活性物质。
（3）通过一定的工程系统（包括生产工艺、设备等）获得产品或为社会提供服务。例如，生产医用蛋白、DNA、细胞、组织或器官、动物或植物新品种、食品、肥料、饲料、生物材料等，以及提供治疗和预防疾病、治理环境污染、改善自然生态环境等社会服务。
基于以上认识，学者们赋予生物技术如下定义：生物技术（biotechnology）是以现代生命科学理论为基础，结合其他自然科学与工程学原理和技术，设计构建具有特定生物学性状的新型物种或品系，依靠生物体（包括微生物、动植物体或细胞、生物酶系等）作为生物反应器，将物料进行加工以提供产品和为社会服务的综合性技术体系。
0.1.2 现代生物技术的主要技术范畴
很多学者认为，现代生物技术包含的主要技术范畴有：基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、生物分离工程（生化工程），以及由此衍生出来的蛋白质工程、抗体工程（antibody engineering）、糖基化工程（glycosylation engineering）、胚胎工程（embryo engineering）及海洋生物技术等。随着生命科学与生物技术的纵深发展，不断有一些新内容出现，尤其是人类和生物的基因组学、蛋白质组学、生物芯片、生物信息学等重大技术的出现，已经大大扩展了现代生物技术的内涵，并且其深度与广度还会得到不断拓展。
0.1.2.1 基因工程与蛋白质工程
基因工程（genetic engineering）又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性，获得新品种，生产新产品。基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。基因工程可用来表示一个特定的基因施工项目，也可泛指它所涉及的技术体系，其核心是构建重组体DNA的技术，因而基因工程和DNA重组技术有时是同义词。基因工程是当前生物技术中影响*大、发展*为迅速、*具突破性的领域；它突出的优点之一是打破了常规育种难以突破的物种之间的界限，可以使原核生物与真核生物之间、动物与植物之间，甚至人与其他生物之间的遗传信息进行重组和转移。人的基因可以转移到大肠杆菌中表达，细菌的基因可以转移到植物中表达。
蛋白质工程（protein engineering）是通过对蛋白质化学、蛋白质晶体学和蛋白质动力学的研究，获得有关蛋白质理化特性和分子特性的信息，在此基础上对编码蛋白质的基因进行有目的的设计和改造，通过基因工程技术获得可以表达蛋白质的转基因生物系统，这个生物系统可以是转基因微生物、转基因植物、转基因动物，甚至可以是细胞系统。其研究的内容主要有两个方面：根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系。在此基础之上，实现由氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能，设计合成具有特定生物功能的全新的蛋白质，这也是蛋白质工程*根本的目标之一。
基因工程和蛋白质工程的发展既反映了基础研究的*新成果，又体现了工程学科开拓出来的新技术和新工艺。基因工程与蛋白质工程的兴起标志着人类已经进入一个可以设计和创造新基因、新蛋白质和生物新性状的时代。由于改变蛋白质氨基酸序列需要通过基因工程来实现，是基因工程的深化和发展，因此蛋白质工程仍包含于基因工程范畴，也被称为第二代基因工程。
0.1.2.2 细胞工程
细胞工程（cell engineering）是指应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法，按照人们的需要和设计，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞结构和内含物，以改变生物的结构和功能，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的生物工程技术。
细胞工程涉及的范围非常广。按实验操作对象的不同可以分为细胞与组织培养、细胞融合、细胞核移植、体外受精、胚胎移植、染色体操作、转基因生物等；按生物类型的不同又可分为动物细胞工程、植物细胞工程、微生物细胞工程。随着细胞工程研究的不断深入，在其基础之上发展衍生出了不少新的领域，如组织工程、胚胎工程、染色体工程等。
0.1.2.3 发酵工程
发酵工程（fermentation engineering）是生物技术的桥梁工程，是现代生物技术产业化的重要环节，其主体是利用微生物（特别是经过DNA重组改造的微生物）及动物细胞和植物细胞来大规模生产商业产品。人们熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业乙醇，利用乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。随着科学技术的进步，发酵技术也有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物，使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。
0.1.2.4 酶工程
酶具有作用专一性强、催化效率高等特点，能在常温常压和低浓度条件下进行复杂的生物化学反应。没有酶，生物体的生命活动就难以进行。酶工程（enzyme engineering）是将酶或者微生物细胞、动植物细胞、细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。酶工程包括酶制剂的制备、酶的固定化、酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶工程的应用，主要集中于食品工业、轻工业及医药工业中。
0.1.2.5 生物分离工程
生物分离工程（bio-separation engineering）就是从微生物发酵液、酶促反应液或动植物细胞培养液中将需要的目标产物提取、浓缩、纯化及成品化的一门工程学科，是现代生物技术产业化必不可少的技术环节。生物产品可以通过微生物发酵过程、酶促反应过程或动植物细胞大量培养过程获得，包括传统的生物技术产品（如氨基酸、有机酸、抗生素、维生素等）和现代生物技术产品（如重组医用多肽或蛋白质）。生物反应的产物通常是由细胞、游离的细胞外代谢产物、细胞内代谢产物、残存的培养基成分和其他一些惰性成分组成的混合物，这些产物并不能直接应用，必须通过一系列提取、分离和纯化等后续加工才能得到可用的*终产品。因此，生物分离工程是现代生物技术的重要领域之一，又与基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程等有密切关联。生物产物的特殊性（如具有生物活性、不稳定、发酵液中目标产物含量低等）、复杂性（从小分子到大分子）和产品要求（如纯度、活性、特定杂质含量）的严格性，导致生物产物的分离过程往往占整个生物生产的大部分（70%～90%，甚至更高）。因此，生物分离过程的质量往往决定整个生物加工过程的成败，设计合理的生物分离过程可大大降低产品的生产成本，实现商业化生产。生物分离工程的进步程度对于保持和提高各国在生物技术领域内的经济竞争力至关重要。
0.2 现代生物技术的应用
现代生物技术具有巨大潜能与效益，世界各国都非常重视其发展。美国在现代生物技术领域一直处于领先地位，欧洲国家、日本紧追其后。中国对现代生物技术发展同样高度重视，并做出了巨大努力。
经过几十年的发展，我国生物技术产业取得了快速发展，为经济建设和社会发展做出了重要贡献，总体水平已经在发展中国家处于领先地位。目前生物技术在我国已广泛用于农业、医药、环保、轻化工等重要领域，对提高人类健康水平、提高农牧业和工业产量与质量、改善环境正发挥着越来越重要的作用。
0.2.1 医药生物技术
医药生物技术是中国现代生物技术发展的一个重要方面，并已取得了一系列突破性进展。
0.2.1.1 基因工程药物、疫苗与诊断试剂
人体的基因缺失、重复或突变、基因异常表达等都会造成遗传性疾病。向靶细胞或组织引入外源基因DNA或RNA片段来纠正或补偿基因缺陷、关闭或抑制异常表达的基因，可以达到治疗遗传性疾病的目的。20世纪80年代初，美国科学家Anderson首先阐明了基因治疗的前景和发展方向。1990年，美国国立卫生研究院（NIH）和重组DNA调研委员会（RAC）批准了世界上第一例临床基因治疗的申请，1990年10月1日，由美国Genetic Therapy公司和NIH进行的第一例临床试验正式开始，结果取得成功。1991年7月，中国科研人员从一批自愿接受基因治疗的凝血因子Ⅸ（F Ⅸ）基因缺陷性血友病B（HEMB）患者中选择了两兄弟进行基因治疗临床研究。目前已经进行过基因治疗动物试验和临床试验的遗传性疾病包括骨髓损伤（SCIS）、获得性免疫缺陷综合征（AIDS，艾滋病）、癌症、囊性纤维化、高胆固醇血症、血友病、进行性肌营养不良、地中海贫血、镰状细胞贫血、岩藻糖苷代谢病等。
疫苗接种到人体后可以在接受者体内建立对入侵物质的免疫抵抗力，保护疫苗接受者免受疾病侵染。典型的疫苗包括细菌疫苗和病毒疫苗两大类，主要是灭活或减毒的致病物质，制备的前提是不能丧失引起免疫反应的能力。基因工程技术的引入使科学家能够开发出多种途径来生产疫苗，从而使当代疫苗的发展和应用扩展到许多非传染病领域，如抗肿瘤、计划生育、防止免疫病理损伤等，疫苗不再是单纯的预防性制剂，而且通过调节体内免疫已经成为富有前景的治疗性制剂。
0.2.1.2 改造传统的生物技术产业
人们利用哺乳动物细胞作为生物反应器来生产医用药物蛋白，并且一直在努力研究开发可用于工业化生产的、稳定有效的哺乳动物细胞表达系统。用动物乳腺生产医用蛋白和其他高附加值产品已形成了一种风险投资
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