第一章 绪论
学习要点：掌握动物生物技术的概念，了解动物生物技术的主要研究领域；了解动物生物技术的发展历程及其应用；了解动物生物技术的发展趋势。
第一节 动物生物技术概述
一、动物生物技术的概念
生物技术（ biotechnology）是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的的综合性新兴学科。先进的工程技术是指基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和蛋白质工程等新技术；改造生物体是指获得优良品质的动物、植物或微生物品系；生物原料则指生物体的某一部分或生物生长过程中产生的可被利用物质，如淀粉、糖蜜、纤维素等有机物，也包括一些无机物，甚至某些矿石；为人类生产出所需产品包括粮食、医药、组织器官、食品、化工原料、能源、金属等；达到某种目的则包括疾病的预防、诊断与治疗，食品的检验，环境污染的检测与治理等。
动物生物技术是生物技术的重要组成部分，是以动物为主要研究对象，采用基因工程、细胞工程、蛋白质（酶）工程、发酵（微生物）工程等现代生物技术对动物品质和性状进行改造的生物技术，包括获得新型生物制品或饲料添加剂，培育高产、优质、抗逆的畜禽品种。
二、动物生物技术的主要研究领域
动物生物技术作为生物技术的一大组成部分，其主要研究领域包括动物基因工程、动物细胞工程、动物胚胎工程、酶工程、蛋白质工程和生物分离工程等（图 1-1）。动物生物技术是所有动物科学领域中包含范围昀广泛的学科之一，它包括动物分子生物学、动物细胞生物学、动物生理学、动物免疫学、动物生物化学、遗传学等几乎所有的动物生物科学的次级学科，并以这些学科为支撑，结合了诸如物理、化学、数学、计算机、信息学等生物学领域之外的尖端基础学科，形成了一门多学科相互渗透的综合性学科。其中，又以生命科学领域的重大图 1-1动物生物技术所涉及的发现和技术的突破为基础。例如，没有细胞培养和显微技术就主要领域没有克隆动物的产生和应用；没有 DNA双螺旋结构及 DNA半保留复制机制的阐明，没有遗传密码的破译等重大理论的解析，就没有基因工程技术的应运而生。现代高端微电子学和计算机技术与生物技术结合并相互渗透，生物技术才得以深入分子水平，以前所未有的速度向前发展和广泛应用。
（一）动物基因工程
基因工程是在分子生物学和分子遗传学综合发展基础上于 20世纪 70年代诞生的一门崭新的生物技术。所谓动物基因工程（ animal genetic engineering）是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术，是将外源基因通过体外重组导入动物受体细胞内，使该基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。它是用人为的方法将所需要的某一供体动物的遗传物质— —DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的 DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，使外源物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达，从而获得新物种或新产品的一种新技术。动物基因工程使人们克服了动物物种间的遗传障碍，定向培养或改造品种，以满足人类需求。
（二）动物细胞工程
动物细胞工程是根据细胞生物学及工程学原理，在体外条件下进行培养、繁殖或定向改变动物细胞内的遗传物质从而获得新型生物或特种细胞产品的一门技术。常用的技术手段包括动物细胞培养、动物细胞融合、单克隆抗体、胚胎移植、核移植等。这一技术在生物制药的研究和应用中起关键作用，目前全世界生物技术药物中使用动物细胞工程生产的已超过 80%，如蛋白质、单克隆抗体、疫苗等。
（三）动物胚胎工程
动物胚胎工程是用人工方法对动物卵母细胞或胚胎进行改造的技术，包含胚胎移植、排卵控制、体外受精、胚胎性别控制、胚胎分割、胚胎冷冻、胚胎嵌合等。目前，胚胎工程已在遗传学、医学、发育生物学、动物育种学上得到广泛应用。动物胚胎工程研究始于近代，基础理论还比较薄弱，如基因组的重新编程机制尚不清楚；研究手段、技术操作、仪器设备不完善、不配套；应用效果受较多因素影响，导致性能不够稳定，如克隆出的家畜存在生活力不强等问题。所以大部分的研究目前仍然以实验室研究为主，全面应用于生产还有漫长的路要走。随着科技进步， 21世纪胚胎生物工程技术领域将是昀活跃、昀具有实践应用价值的内容之一，将给人类的医药卫生、家畜改良等领域带来革命性变化，特别是在药物生产和供人类移植所用器官的生产等方面，其经济效益和社会效益是难以估量的。
（四）酶工程
酶工程是指在一定的生物反应器内，利用酶的催化作用，将相应的原料转化成有用物质的技术，是将酶学理论与化工技术结合而形成的新技术。酶工程包括自然酶的开发及应用，如固定化酶、固定化细胞、多酶反应器（生物反应器）、酶传感器等。酶是细胞产生的有催化活性的蛋白质或多肽，它参与农产品加工过程中的各种化学变化。由于酶的作用具有专一性强、催化效率高、作用条件温和等特点，酶的应用不仅可增强产量，提高质量，降低原材料和能源消耗，改善劳动条件，降低成本，还可以生产出用其他方法难以得到的产品，促进新产品、新技术和新工艺迅速发展。随着现代生物技术的兴起，酶工程技术应运而生，并在制药业、食品工业和农产品加工业中显示出强大的生命力。
（五）蛋白质工程
蛋白质工程是在基因工程冲击下应运而生的。它是以蛋白质的结构及其功能为基础，通过基因修饰和基因合成对现存蛋白质加以改造，组建成新型蛋白质的现代生物技术。这种新型蛋白质必须更符合人类的需要。因此，有学者称，蛋白质工程是第二代基因工程。其基本实施目标是运用基因工程的 DNA重组技术，将克隆后的基因编码加以改造，或者人工组装成新的基因，再将上述基因通过载体引入挑选的宿主系统内进行表达，从而产生符合人类设计需要的“突变型”蛋白质分子。这种蛋白质分子只有表达了人类需要的性状，才算是实现了蛋白质工程的目标。
（六）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，是动物生物技术产业化必不可少的技术环节。生物分离工程与动物基因工程、动物细胞工程、动物胚胎工程、酶工程和蛋白质工程有着密切的联系，这些工程的产物往往混合在细胞、细胞外代谢物、细胞内代谢物、残存的培养基和一些其他成分之中，只有将其提取、分离和纯化后才能得到可用的昀终产品。生物产品对于其生物活性、分子大小、纯度和稳定性等性质要求严格，生物分离工程的质量往往决定了生产过程的成败。因此，合理可行的生物分离工程不仅可以极大地降低产品生产成本，更可以提高生物产品的质量。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的经济竞争力至关重要。
三、动物生物技术安全性与伦理问题
动物生物技术安全性问题主要在食品和环境领域。从食品安全性角度，主要是动物生物技术产品的营养成分是否有缺陷、是否有毒性、是否导致过敏性；经遗传工程修饰的基因片段导入可能引发基因突变或改变代谢途径等，以及重组疫苗进入动物体是否存在致癌、致畸和致突变的可能性和由此给食用此种动物的消费者健康产生影响等问题。从环境安全性角度，主要是动物生物技术在改造生物体的同时对生态环境的影响，包括转基因动物对农业和生态环境的影响，非目标生物漂移的可能性，是否存在致使其他生物产生畸变或灭绝影响等问题，以及对生态系统和生物多样性的影响等。因此，研究人员开展动物生物技术的研究时必须充分认识到可能对食品安全、生态环境和生物多样性的影响。习近平在中央全面深化改革委员会第十二次会议上指出，要从保护人民健康、保障国家安全、维护国家长治久安的高度，把生物安全纳入国家安全体系，系统规划国家生物安全风险防控和治理体系建设，全面提高国家生物安全治理能力。《中华人民共和国生物安全法》（简称《生物安全法》）于 2021年 4月 15日起施行，为国家生物安全治理能力建设提供了有力支撑。
（一）动物生物技术的不确定性存在安全风险和伦理问题
新兴的技术都存在一定的不确定性，任何人都无法准确预测技术发展的走向。例如，病原体的研究可以用于制药、开发新的疫苗，也可以用于制造生物武器，后者就具有很大的风险。随着动物生物技术的快速发展，生命体系合成对象已从原核生物发展到酵母、畜禽和人等真核生物。动物生物技术的发展维度很广，随着其技术手段的多元化，不可预测的范围也正逐渐扩大，相关的生物安全风险主要包括：基因编辑微生物在环境中的释放可能会对粮食供应和其他生物种群产生不利的影响；制造新式“生物武器”或其他恶意使用的风险等。生物安全之外还有严重的伦理挑战，不仅引发了对“生命”概念及“生命”尊严的争议，还引发了诸如合成生物实体的“道德地位”、合成生物学技术对生物“进化”的干预、新物种的挑战等方面的争议。这些问题不加以解决，将严重制约动物生物技术的发展。
（二）安全风险和伦理问题的应对策略
1．加快生物安全立法要以《生物安全法》为基础，加快生物安全立法进程，加强其他配套法律法规的修订工作；尽快出台各部门的相关条例，健全生物安全法律法规体系，为生物安全管理提供更有力的法律支撑，实现依法防控、治理生物安全。明确研究和技术创新的边界，进一步清晰什么可为，什么不可为，确保动物生物技术在安全可控的基础上发展。
2．建立健全风险评估和伦理审查机制对于具有可预见风险的两用性技术，必须审慎评估其必要性和紧迫性，以及如何执行强制性的安全措施；审慎考虑如何对该技术进行强制认证；对于两用性技术研究成果的发表和传播，还须格外注意如何平衡公共知识的可及性与安全性，以确保相关知识与技术不被滥用等。同时，加强对科研人员和相关工作人员的生物安全和科技伦理教育，构建一套系统的伦理培训和教育机制，以树立科研人员的伦理意识和责任感，营造负责任开展动物生物技术创新的研究环境。另外，还须完善监管程序和机制，建立安全管理责任制度。
3．构建和发展舆论沟通渠道与机制在研发的初始阶段就要考虑一定程度的公众参与和信息的公开化、透明化。为此，必须加强动物生物技术的科学普及工作，通过各种形式搭建与公众对话的平台，一方面使公众了解和全面认识生物技术对社会的影响，另一方面也要深入开展公众对生物技术的可接受性或社会可期待性的社会调查。培养公众的风险防范意识，注重与公众的沟通和信息交流，广泛征集和听取社会大众的不同意见。
4．加强多学科协同，推动全球治理在研发和治理过程中需要确保不同学科背景之间的协同和参与，促进自然科学、工程技术科学、人文社会科学的结合，注重跨学科研究人员的团结协作，推动各利益相关方共同构建风险评估、有效沟通与敏捷治理机制；尤其是有必要利用人工智能、大数据等技术，开展风险应急的预模拟和多方协同治理的预研、预判。生物安全是全人类所共同面临的问题和挑战，因此有必要与其他国家积极共享相关的监管和治理信息，从人类命运共同体的角度来考虑合成生物学的发展，积极开展国际合作，争取在治理方面与国际社会步调一致。充分利用各种国际信息和资源，构建有效的全球治理平台和伦理治理框架。
第二节 动物生物技术发展历程及趋势
一、动物生物技术的发展历程
19世纪近代生物学的三项伟大科学成就“细胞学说、达尔文生物进化论和孟德尔遗传定律”，为生物技术的发展奠定了重要理论基础。 1944年 Avery等阐明了 DNA是遗传信息的携带者；1953年 Watson和 Crick提出了 DNA的双螺旋结构模型，阐明了 DNA的半保留复制模式，从而开辟了分子生物学研究的新纪元。由于一切生命活动都是由包括酶和非酶蛋白质行使其功能的结果，所以遗传信息与蛋白质的关系成了研究生命活动的关键问题。 1961年 Khorana和 Nirenberg破译了遗传密码，揭开了 DNA编码的遗传信息是如何传递给蛋白质的这一秘密。基于上述基础理论的发展， 1972年 Berg首先实现了 DNA体外重组技术，标志着生物技术的核心技术—
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