现代生物技术概述
一、现代生物技术的起源
（一）传统生物技术与现代生物技术
生物技术就是利用生物（动物、植物或微生物）或其产物，来生产对人类有用的物质或生物。生物技术并不是一门新兴的学科，传统的生物技术在许多年前就已经开始造福人类。早在数千年前，埃及人就已经知道用生物技术的方法来生产酒类和面包，在我国周代后期，人们就发明了制作豆腐、醋、酱油的方法，这些都是利用了微生物发酵的原理，属于生物技术的范畴。可见，传统的生物技术是早已存在的，数千年来被人们所利用并广为使用的技术。传统的生物技术虽然属于生物技术，但没有高科技的内容，与我们所谈论的现代生物技术有很大的差别。
虽然人类很早之前就知道利用发酵来制造各种产品，但人们却对该技术的原理并不知晓。直到1676年荷兰人LeeuwenHoek制成了能放大170-300倍的显微镜，才知道自然界有微生物的存在。
1857年法国著名生物学家巴斯德（Pasteur）用实验证明了酒精发酵是由活的酵母引起的，其他不同的发酵产物则是由不同微生物的作用而形成。后来人们又发现，发酵是因为微生物分泌了一种具有发酵能力的物质，称为酶。制造醋、酱油、奶制品、面包等都是酶作用的结果。到了20世纪50年代，发酵工业和酶制剂工业大量涌现，发酵技术和酶技术被广泛应用于医药、食品、化工、制革和农产品加工等部门。
1928年英国科学家弗莱明（Fleming）发明的青霉素，也是生物技术的产物。它是利用青霉菌所产生的抵抗其他细菌的物质生产出来的。在20世纪40年代，青霉素被广泛用于抗感染的治疗，它比磺胺类药物更有效而且毒副作用更小，直到现在都是抗菌消炎药的首选。青霉素被认为是21世纪医学史上最伟大的发现。此后，链霉素、金霉素、红霉素等抗生素相继问世，兴起了抗生素工业，促进了工业微生物的生产进入了一个新的阶段。抗生素生产的经验很快促进了发酵产品的发展。最突出的是20世纪50年代的氨基酸发酵工业，20世纪60年代的酶制剂工业。生物技术的发展导致了众多产品的诞生，如医药业的抗生素、维生素、幽体激素、氨基酸；轻工食品业的工业酶制剂、食用氨基酸、酵母；化工业的酒精、丙酮、丁醇、沼气等等。这些产品的出现大大改变了人们的生活。
21世纪是现代生物技术的世纪，现代生物技术对人类在各个方面产生巨大的影响。我们所称的现代生物技术，是运用生物化学、分子生物学以及分子遗传学等现代科技利器，来改变生物个体的遗传性质。这是在根本上控制了生物的代谢或生理，以达到生产有用物质的目的。两种生物技术最大的差别在于，现代生物技术是使用“细胞和分子”层次的微观手法来进行操作，不同于传统对“整体”动物、植物或微生物的饲养、交配或筛选方式。现代生物技术是以生命科学的理论和成就为基础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，直接或间接地利用生物体以及生物体的某些成分或特殊机能，为人类生产出所需要的产品或达到某种目的的技术。
现代生物技术是一门新兴的、综合性的学科，它涵盖了微生物学、生物化学、细胞生物学、现代分子生物学、免疫学、育种技术等学科，是多种学科共同发展的产物。现代生物技术的范围和领域十分广泛，目前主要包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程和蛋白质工程五个方面。
基因工程，就是应用人工方法把生物的遗传物质DNA（脱氧核糖核酸）分离出来，在体外进行切割、重组，然后将重组的DNA导入某个宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品性。基因工程应用十分广泛，从转基因动植物到克隆生物；从生产基因药物到基因诊断疾病。而且，其他的现代生物工程也都要以基因工程为基础。细胞工程，是指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖，人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种，或者加速繁育动、植物个体，以及获得某种有用物质的过程。细胞工程包括动、植物细胞的体外培养技术、细胞融合技术、细胞器移植技术、克隆技术、干细胞技术等。酶工程，是利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。发酵工程，是利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品的技术。发酵工程也称微生物工程。蛋白质工程，是指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类所需要的新型蛋白质的技术。
（二）基因工程技术
可以说在现代生物技术的五个方面中，是以基因技术为核心的，基因技术特别是DNA重组技术是所有其他技术的基础。现代生物学处在一个飞速发展、日新月异的阶段，没有人能对基因给出一个很准确而又无争议的定义。一般认为，基因就是带有遗传信息的DNA片段。
人类从很久以前就期望解开生命之迷，孟德尔的豌豆试验和摩尔根的果蝇研究都证明了基因的存在，但没有人知道它在哪儿，是什么样子。生命现象是一个非常复杂的现象。拿人来说，一个新生命的诞生是由于男性的精子与女性的卵子结合形成受精卵，受精卵是一个细胞，它不断分裂，诞生不同的细胞最终形成胎儿。胎儿出生后，又是通过细胞的不断分裂复制，也就是说的新陈代谢，渐渐地长大成人。生命之所以能够一代一代地延续下去，主要是由于遗传物质绵延不断地向后代传递，从而使后代具有与前代同样的性状。
科学家发现构成生物体的基本单位是细胞，人体是由60万亿个细胞组成的。人类的遗传与细胞有关，细胞由细胞膜、细胞质和细胞核组成，而决定人的特性和遗传的是细胞核。人体除了极少数成熟的红血球外，每个细胞都有一个细胞核。每个细胞核中又包含有染色体，人们了解到染色体在生物的传种接代过程中，能够保持一定的稳定性和连续性。因此，人们认为染色体在遗传上起着主要的作用。不同的生物染色体数目不同，人有23对染色体。通过对染色体化学成分的分析，得知染色体主要是由DNA（脱氧核糖核酸）和蛋白质组成的，其中的DNA在染色体里含量稳定，是主要的遗传物质。由于细胞里的DNA大部分在染色体上，所以说遗传物质的主要载体是染色体。基因的复制是通过DNA分子的复制来完成的，基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代，还可以使遗传信息以一定的方式反映到蛋白质的分子结构上来，从而使后代表现出与亲代相似的性状，遗传学上把这一过程叫做基因的表达。
经过数代科学家的不懈努力，人类距离揭开生命奥秘的大门越来越近了。到了1953年4月25日，美国科学家詹姆斯·沃森（JamesWason）和英国科学家弗朗西斯·克里克（FrancisH.C.Crick）在英国的权威杂志《自然》（NATURE）上发表了一篇名为《核酸的分子结构——DNA的一种可能结构》的短文。此后研究证实，他们对DNA结构的描述恰当，令人难以置信，第一次揭示了遗传物质DNA（脱氧核糖核酸）的双螺旋结构。那篇短文被认为是“生物学的一个标志，开创了新的时代”。DNA双螺旋结构的发现为基因工程奠定了基础。试验证明在生物体内，每一个细胞核中都包含了诸多的DNA分子，由DNA决定着生物的性状，而生物体的遗传信息就体现在DNA分子中的四种碱基A、G、T、C的排列顺序上。从病毒到细菌，再到动物、植物乃至人类，所有的生物都是由这四种碱基不同的排列组合来储存、传递和表达其遗传信息的。生物之间并没有难以逾越的鸿沟，这就为日后的基因重组技术提供了可能。
1961年，马绍尔·尼伦博戈（MarshallNirenberg）和哈·格宾·克拉纳（HarGobindKhorana）发现了DNA编码的遗传信息是如何传递给蛋白质的秘密。这些有关基因的发现都为基因技术奠定了坚实的基础，但这些发现也仅仅是基因技术产生的一个前提，真正的基因技术产生于20世纪70年代。在1972年，美国科学家保罗·伯格（PaulBerg）首先实现了DNA体外重组技术，它标志着基因技术的诞生。通过对DNA的切割和重组人们可以将基因从生物体内分离，并导入其他生物或细胞，用以改造农作物或动物品种、生产基因药物以及进行基因治疗等等。
二、现代生物技术的应用和发展前景
科学家预言，21世纪是生物技术的世纪。生物技术的发展将使人类跨入一个崭新的时代。现代生物技术的发展可谓日新月异，随着细胞培养技术、转基因技术、现代生物反应器技术等的成熟和工业化应用，生物技术为解决人类面临的食品与营养、资源与能源、环境与健康等重大问题开辟了新的途径。生物技术被世界各国视为一项高新技术，它广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工、食品、化工等领域。生物技术产业将是21世纪的支柱产业，许多国家都将生物技术确定为国民经济发展的支柱产业。在医药工业、食品工业、能源工业、冶金工业、农业环境保护和医疗卫生等方面，生物技术正在开拓着日益广阔的应用领域，并将逐步形成一个新兴产业，因此很多国家都对生物技术的研究、开发和应用给予极大的关注。
我国政府也十分重视生物技术的发展，把生物技术列为高新技术之一，并组织力量进行研究。我国生物资源丰富，对生物技术的发展十分有利。近年来我国的基因工程技术研究方面取得了很大的进展，在医药卫生、轻工业、农业、牧业、渔业、化工等各领域已取得了一些重要的研究成果，在发展中国家中处于领先的地位。此外，在应用动植物细胞大规模培养技术生产贵重药材，固定化酶、微生物农药、生物能源、生物处理工业废水方面也取得了一些成果。
此外，人类基因组计划也为人类解开自身的奥秘打开了一道大门。人类基因组计划是美国科学家于1985年率先提出的，旨在阐明人类基因组30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。1990年起，首先在美国启动了人类基因组计划，并于2000年6月26日宣布完成了人类基因组草图，2003年4月14日人类基因组图正式完成。人类基因组计划由美、英、日、法、德、中6个国家参与，各国在该计划中所承担的工作比例大致为美国54％、英国33％、日本7％、法国2.8％、德国2.2％、中国1％。我国是惟一参与人类基因组测序的发展中国家。
基因是带有遗传物质的DNA片段，它位于染色体上，由遗传密码组成。人体内大约有30亿个遗传密码，这些密码大约可以组成5-10万个基因，每个基因大约包含30000个遗传密码，基因决定一个蛋白质的结构与功能。也就是说，这5-10万个基因，决定了我们身体的基本构造与特征。人类基因组计划就是要测出人类基因组的30亿个碱基对组成的DNA在染色体上的排列顺序。测出基因序列顺序只是研究利用基因的第一步，在这个基础上要对所有基因所表达的功能进行分析研究，弄清每个基因在人体所起的作用。这样人类就可以随心所欲地操纵包括人类自己在内的所有生物，基因诊疗、基因修饰、克隆器官移植等都可以实现。甚至人类可以控制衰老基因，让人类的寿命大大延长。不但如此，掌握了基因工程技术，人类就可以将任何外源基因植入任何目标生物体内，改变其遗传密码，从此可以操纵自然界万物的进化方向。现在，生物技术已经产生了巨大的经济效益和社会效益，总的来说生物技术可以包括以下的几个主要方面：
（一）培育和改良动植物品种
人类在农耕时代以后就一直没有停止过对动植物的培育和改良，但是人类长期以来所采用的都是传统的优选、杂交的方法。过去的几千年里农作物改良的方式主要是对自然突变产生的优良基因和重组体的选择和利用，通过随机和自然的方式来积累优良基因。遗传学创立后近百年的动植物育种，则是采用人工杂交的方法，进行优良基因的重组和外源基因的导入，从而实现遗传改良。
转基因技术，是指将某种生物的基因导入另一种生物的细胞中，使之与后者本身的基因整合在一起，而外源基因就能因此随细胞的分裂而增殖，在其体内得到表达，从而使它具有某种新的性状，并遗传给后代的技术。转基因技术创造的人造生命称之为转基因生物。
虽然传统技术与转基因技术本质都是通过获得优良基因进行遗传改良。但在基因转移的范围和效率上有很大的不同。传统技术只能在生物种内个体间实现基因转移，而转基因技术所转移的基因则不受生物体间亲缘关系的限制，可以在不同种生物之间进行转移。另一方面，传统的杂交和选择技术一般是在生物个体水平上进行，操作对象是整个基因组，所转移的是大量的基因，不可能准确地对某个基因进行操作和选择，对后代的表现预见性较差；而转基因技术所操作和转移的一般是经过明确定义的基因，功能清楚，后代表现可准确预期。
