书城教材教辅中学化学课程资源丛书-化学新里程
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第15章 生物化学科技的发展(1)

最近几十年生物科技有了很大的发展,生物学家已经弄清了遗传物质的基础,基因的分子结构,就是DNA(脱氧核糖核酸)的双螺旋结构。他们正不断研究生物科技,希望能够改善人类的生活。另外,生物学家们更利用这种技术,创造了人工合成蛋白质及人工合成核糖核酸,又利用了基因的技术治疗一些从前认为是不治之症。在植物方面,生物学家改变植物本身的基因,注入其他的基因,从而改良了植物的品种,使植物的疾病逐步消除,并结合其他优良的品种,造福人类。同时,为了治疗不育之症,生物学家利用胚胎移植,发明了试管婴儿技术,帮助很多渴望有孩子而不能成孕的夫妇。

中国自20世纪50年代以来,生物技术亦取得了相当显著的发展,在人和动物的胚胎培育方面取得了新成果,亦已经达到世界先进的水平。现在,从中国所发明的人工合成的蛋白质技术、人工合成脱氧核糖核酸技术、基因治疗、植物的基因重组、试管婴儿等方面,说明中国生物科技的发展。

一、最早人工合成蛋白质

1965年9月17日,中国科学家人工合成了结晶牛胰岛素,这是世界上最早用人工方法合成的蛋白质。胰岛素是在胰脏中叫做胰岛的内分泌组织所分泌出来的激素,有将葡萄糖变化成肝糖的功能,所以被尊为治疗糖尿病的特效药。胰岛素是简单的蛋白质,人工合成胰岛素就是人工合成蛋白质。由于从猪或牛的胰脏中抽取的胰岛素与人体胰岛素结构上稍有不同,若长期服用的话,会引起副作用。因此可知,基因重组是解决问题的方法。胰岛素的分子量是5750个。每个分子有两条氨基酸组成的链条:一条叫α链,由21个氨基酸组成;一条叫β链,由30个氨基酸组成。要想人工合成的话,首先要把氨基酸按照一定的次序顺序连结起来,制成像天然胰岛素一样的两条链,然后再把两条α、β链接合在一起,这是一项十分艰巨而复杂的工作。

1958年,中国科学院上海生物化学研究所、上海有机化学研究所和北京大学化学系等单位的科技工作者合作,向人工合成胰岛素进军,他们从天然胰岛素的拆合开始,经过六年零九个月的不懈努力,最后实现了全合成。经过晶体结构测定,证明它具有天然胰岛素一样的生命活力和同样的物理、化学性质。

现在,人体胰岛素的大量生产已有两种方法在实用中,其中一种是基因重组(基因重组人体胰岛素),于1977年,由美国的亚瑟·李戈与板仓盛壹两位博士所开发的。还有一种是用化学变化猪的胰岛素的化学变换人体胰岛素,丹麦的酵素制造商挪博公司已开始制造。

1977年末,美国加利福尼亚大学和霍普市医学中心的研究者用化学法合成了脑激素基因,具有42个核酸,他们将这个人工合成的激素基因,用基因工程方法转移到大肠杆菌中,获得了基因表达,首次用大肠杆菌生产出了人脑激素。后来,他们又将人工合成胰岛素基因转移到大肠杆菌中制造人的胰岛素,现已成为商业化产品进入市场。

人工合成胰岛素的成功,将促进复杂蛋白质的人工合成,并为合成核酸积累了经验,从而为人工合成生命物质开拓了道路。这项重大成果标志着人类在认识生命、揭示生命奥秘的历程中迈出了关键性的一步,引起了世界科学界的极大震动。

二、最早人工合成核糖核酸

中国人工合成的酵母丙氨酸转移核糖核酸,是世界上最早用人工方法合成而具有与天然分子相同化学结构和完整生物活性的核糖核酸。它除了含有天然分子所含有的四种常见核酸外,还含有全部七种稀有的核酸;具有接受丙氨酸的活力和将丙氨酸掺入蛋白质中去的活力,合成的产率和得率也较高。

从1968年起,中国科学工作者开始人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸的研究。这种核糖核酸由76个核酸组成,其中除了四种常见的核酸外,还有七种稀有的核酸。经过千百次的探寻和摸索,科学工作者终于自行制出了11种核酸、近十种核糖核酸工具和有关的化学试剂等,并采取有机化学和促合成的方法,把核酸连接成小片段,然后分别接成含有35和41个核酸的两个半分子。1981年11月20日完成了最后的合成,以后又进行了五次重复合成试验,均获得了成功。

1970年,外国学者柯拉那等人合成了第一个基因-酵母丙氨酸转移核糖核酸;以后,1975年玻伊尔等人合成了乳糖操纵基因;1979年柯拉那等人合成了更大的酪氨酸转移核糖核酸的基因。

生物的遗传特征则主要由核酸所决定。没有核酸和蛋白质,就没有生命。1965年,中国曾人工全合成结晶牛胰岛素,这次又人工合成了酵母丙氨酸转移核糖核酸(核酸的一种),标志着人类在探索生命科学的道路上,又迈出了重要的一步。

三、乙型肝炎病毒表面抗原的基因工程

截至1988年底,乙型肝炎患病率在中国各种传染病中居第一位,每年新发生乙型肝炎患病人约100万,全国有近1.2亿人携带乙型肝炎病毒。乙型肝炎的治疗尚没有特效药,预防的有效方法是注射疫苗。国内当时使用的国产血源疫苗,由于受到血源限制,产量不足,远远不能满足需要。

乙型肝炎的传染源是乙型肝炎病毒(HBV)。患者的血液中会出现完整的病毒颗粒,并会出现表面抗原蛋白构成的颗粒。将由患者血液中分离得到的表面抗原颗粒给黑猩猩或自愿者注射后,能产生抗体。它能有效地预防乙型肝炎病毒的感染。根据表面抗原蛋白的免疫血清型,乙型肝炎病毒可分成ADW、AYW、ADR、AYR四种主要亚型。ADW和AYW亚型的HBV基因组DNA,已分别由美国和法国科学家克隆成功,测定了其DNA的全顺序。ADYW混合亚型也已有英国科学家克隆成功,测定了部分顺序。

美国在1982年已使ADW亚型表面抗原基因在酵母中表达获得成功。得到的产物是由表面抗原蛋白构成的表面抗原颗粒。使得生产酵母作为HBV表面抗原疫苗的希望大增。

1982年,中国预防医学科学院病毒所以任贵方研究员为首的科研组,开始采用基因工程技术研制高纯、高效的乙型肝炎疫苗。经过七年艰苦努力,科研组培养出产量达到每升培养液含乙型肝炎病毒表面抗原5~7.5毫克的高产细胞系。经检测,该细胞系无任何微生物污染,完全符合世界卫生组织关于应用传代细胞生产乙型肝炎疫苗的要求。为应付大规模生产的需要,任贵方等又在卫生部长春生物制品研究所和中国药品生物制品检定所协助下,建立了乙型肝炎基因工程疫苗实验室纯化流程,并获得高纯度、免疫原性良好的试验用疫苗。

1988年7月下旬,84名儿童接种该疫苗,无任何不良反应。三个月后检测,这些儿童全部也产生抗体,免疫效果明显高于接种血源疫苗的对照组,达到国际上同类产品的先进水平,成为国内第一个具备进入中试生产条件的基因工程疫苗制品。

四、异基因骨髓移植治疗白血病及基因治疗