細(xì)胞工程
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細(xì)胞工程(Cell engineering)是指應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的方法，通過某種工程學(xué)手段，在細(xì)胞水平或細(xì)胞器水平上，按照人們的意愿來改變細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)，從而獲得新型生物或特種細(xì)胞產(chǎn)品、或產(chǎn)物的一門綜合性科學(xué)技術(shù)。
細(xì)胞工程與基因工程一起代表著生物技術(shù)最新的發(fā)展前沿，伴隨著試管植物、試管動(dòng)物、轉(zhuǎn)基因生物反應(yīng)器等相繼問世，細(xì)胞工程在生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。
21世紀(jì)合成生物學(xué)的發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、DNA或基因合成技術(shù)，人工設(shè)計(jì)細(xì)胞的信號(hào)傳導(dǎo)與基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，乃至整個(gè)基因組與細(xì)胞的人工設(shè)計(jì)與合成，從而刷新了基因工程與細(xì)胞工程技術(shù)，并將帶來生物計(jì)算機(jī)、細(xì)胞制藥廠、生物煉制石油等技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命?！ ?/p>
特點(diǎn)
1、前沿性：現(xiàn)代生物技術(shù)的熱點(diǎn)
2、爭議性：新技術(shù)給倫理道德帶來的沖擊
3、綜合性：多學(xué)科交叉
4、應(yīng)用性：工程類課程，重在產(chǎn)品與技術(shù)
種類
根據(jù)細(xì)胞類型的不同，可以把細(xì)胞工程分為植物細(xì)胞工程和動(dòng)物細(xì)胞工程兩大類。
植物細(xì)胞工程
常用技術(shù)手段：植物組織培養(yǎng)，植物體細(xì)胞雜交。
理論基礎(chǔ)：植物細(xì)胞的全能性。
植物組織培養(yǎng)
植物組織培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)用范圍：快速繁殖、培育無病毒植物，通過大規(guī)模的植物細(xì)胞培養(yǎng)來生產(chǎn)藥物、食品添加劑、香料、色素和殺蟲劑等。
植物體細(xì)胞雜交
植物體細(xì)胞雜交是用兩個(gè)來自于不同植物的體細(xì)胞融合成一個(gè)雜種細(xì)胞，并且把雜種細(xì)胞培育成新的植物體的方法。
動(dòng)物細(xì)胞工程
常用的技術(shù)手段：動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)、動(dòng)物細(xì)胞融合、單克隆抗體、胚胎移植、核移植等（動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是其他動(dòng)物細(xì)胞工程技術(shù)的基礎(chǔ)）
動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)
動(dòng)物細(xì)胞能夠分泌蛋白質(zhì)，如抗體等。但是單個(gè)細(xì)胞分泌的蛋白質(zhì)的量是很少的，要借助于大規(guī)模的動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)獲得大量的分泌蛋白。
動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)用
生產(chǎn)許多有重要價(jià)值的蛋白質(zhì)生物制品，如病毒疫苗、干擾素、單克隆抗體等。
動(dòng)物細(xì)胞融合
動(dòng)物細(xì)胞融合技術(shù)最重要的用途，是制備單克隆抗體。
單克隆抗體
要想獲得大量的單一抗體，必須用單個(gè)B淋巴細(xì)胞進(jìn)行無性繁殖，也就是通過克隆，形成細(xì)胞群，這樣的細(xì)胞群就有可能產(chǎn)生出化學(xué)性質(zhì)單一、特異性強(qiáng)的抗體——單克隆抗體。
單克隆抗體的應(yīng)用
“生物導(dǎo)彈”，將藥物定向帶到癌細(xì)胞所在部位，消滅了癌細(xì)胞不傷害健康細(xì)胞。
生物技術(shù)發(fā)展到今天，細(xì)胞則成了科學(xué)家們隨意發(fā)揮想象力的樂園，他們甚至可以把生命像積木那樣組裝起來，進(jìn)行細(xì)胞水平上的生命組合游戲。生命組合的一個(gè)最具代表性的游戲是美國耶魯大學(xué)教授克萊白特.L.馬格特和羅伯特.M.彼德斯的杰作。他們在黑毛鼠、白毛鼠、黃毛鼠的受精卵分裂成8個(gè)細(xì)胞時(shí)用特制的吸管把8細(xì)胞胚吸出輸卵管，然后用一種酶將包裹在各個(gè)胚胎上的粘液溶解，再把這三種鼠的8細(xì)胞胚放在同一溶液中使之組裝成一個(gè)具有24個(gè)細(xì)胞的“組裝胚”。馬格特和彼德斯把“組裝胚”移植到一只老鼠的子宮內(nèi)，不久，一只奇怪的組裝鼠問世了，這只組裝鼠全身披著黃、白、黑三種不同顏色的皮毛。迄今為止，除組裝鼠外，英國和美國還組裝成功了綿羊和山羊的嵌合體——綿山羊。據(jù)說，世界各國科研人員熱情高漲，正在組裝“五位一體”。“六位一體”的生物，實(shí)在想象不出那樣的生物會(huì)是什么樣子?！ ?/p>
細(xì)胞工程的應(yīng)用
細(xì)胞工程作為科學(xué)研究的一種手段，已經(jīng)滲入到生物工程的各個(gè)方面，成為必不可少的配套技術(shù)。在農(nóng)林、園藝和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中，細(xì)胞工程正在為人類做出巨大的貢獻(xiàn)。
1.糧食與蔬菜生產(chǎn)
利用細(xì)胞工程技術(shù)進(jìn)行作物育種，是迄今人類受益最多的一個(gè)方面。我國在這一領(lǐng)域已達(dá)到世界先進(jìn)水平，以花藥單倍體育種途徑，培育出的水稻品種或品系有近百個(gè)，小麥有30個(gè)左右。其中河南省農(nóng)科院培育的小麥新品種，具有抗倒伏、抗銹病、抗白粉病等優(yōu)良性狀。
在常規(guī)的雜交育種中，育成一個(gè)品種一般需要8～10年，而用細(xì)胞工程技術(shù)對雜種的花藥進(jìn)行離體培養(yǎng)，可大大縮短育種周期，一般提前2～3年，而且有利優(yōu)良性狀的篩選。前面已介紹過的微繁殖技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上也有廣泛的用途，其技術(shù)比較成熟，并已取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。例如，我國已解決了馬鈴薯的退化問題，日本麒麟公司已能在1000升容器中大量培養(yǎng)無病毒微型馬鈴薯塊莖作為種薯，實(shí)現(xiàn)種薯生產(chǎn)的自動(dòng)化。通過植物體細(xì)胞的遺傳變異，篩選各種有經(jīng)濟(jì)意義的突變體，為創(chuàng)造種質(zhì)資源和新品種的選育發(fā)揮了作用?，F(xiàn)已選育出優(yōu)質(zhì)的番茄、抗寒的亞麻、以及水稻、小麥、玉米等新品系。有希望通過這一技術(shù)改良作物的品質(zhì)，使它更適合人類的營養(yǎng)需求。
蔬菜是人類膳食中不可缺少的成分，它為人體提供必需的維生素、礦物質(zhì)等。蔬菜通常以種子、塊根、塊莖、插扦或分根等傳統(tǒng)方式進(jìn)行繁殖，化費(fèi)成本低。但是，在引種與繁育、品種的種性提純與復(fù)壯、育種過程的某些中間環(huán)節(jié)，植物細(xì)胞工程技術(shù)仍大有作為。例如，從國外引進(jìn)蔬菜新品種，最初往往只有幾粒種子或很少量的塊根、塊莖等。要進(jìn)行大規(guī)模的種植，必須先大量增殖，這就可應(yīng)用微繁殖技術(shù)，在較短時(shí)間內(nèi)迅速擴(kuò)大群體。在常規(guī)育種過程中，也可應(yīng)用原生質(zhì)體或單倍體培養(yǎng)技術(shù)，快速繁殖后代，簡化制種程序。另外，還可結(jié)合植物基因工程技術(shù)，改良蔬菜品種。
2.園林花卉
在果樹、林木生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用細(xì)胞工程技術(shù)主要是微繁殖和去病毒技術(shù)。幾乎所有的果樹都患有病毒病，而且多是通過營養(yǎng)體繁殖代代相傳的。用去病毒試管苗技術(shù)，可以有效地防止病毒病的侵害，恢復(fù)種性并加速繁殖速度。目前，香蕉、柑橘、山楂、葡萄、桃、梨、荔枝、龍眼、核桃等十余種果樹的試管苗去病毒技術(shù)，已基本成熟。香蕉去病毒試管苗的微繁殖技術(shù)已成為產(chǎn)業(yè)化商品化的先例之一。因?yàn)橄憬妒?a href="/w/%E4%B8%89%E5%80%8D%E4%BD%93" title="三倍體">三倍體植物，必須通過無性繁殖延續(xù)后代，傳統(tǒng)方法一般采用芽繁殖，感病嚴(yán)重，繁殖率低；而采用去病毒的微繁殖技術(shù)不僅改進(jìn)了品質(zhì)，畝產(chǎn)量約提高30％～50％，很容易被蕉農(nóng)接受。
近年來，對經(jīng)濟(jì)林木組織培養(yǎng)技術(shù)的研究也受到很大的重視。采用這一技術(shù)可比常規(guī)方法提前數(shù)年進(jìn)行大面積種植。特別是有些林木的種子休眠期很長，常規(guī)育種十分費(fèi)時(shí)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)已研究成功的林木植物試管苗已達(dá)百余種，如松屬、桉樹屬、楊屬中的許多種，還有泡桐、槐樹、銀杏、茶、棕櫚、咖啡、椰子樹等。其中桉樹、楊樹和花旗松等大面積應(yīng)用于生產(chǎn)，澳大利亞已實(shí)現(xiàn)桉樹試管苗造林，用幼芽培養(yǎng)每年可繁殖40萬株。
植物細(xì)胞工程技術(shù)使現(xiàn)代花卉生產(chǎn)發(fā)生了革命性的變化。1960年，科學(xué)家首次利用微繁殖技術(shù)將蘭花的愈傷組織培養(yǎng)成植株后，很快形成了以組織培養(yǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)化生產(chǎn)體系——蘭花工業(yè)。現(xiàn)在，世界蘭花市場上有150多種產(chǎn)品，其中大部分都是用快速微繁殖技術(shù)得到的試管苗。從此，市場供應(yīng)擺脫了氣候、地理和自然災(zāi)害等因素的限制。至今，已報(bào)道的花卉試管苗有360余種。已投入商業(yè)化生產(chǎn)的有幾十種。我國對康乃馨、月季、唐昌蒲、菊花、非洲紫羅蘭等品種的研究較為成熟，有的也已商品化，并有大量產(chǎn)品銷往港澳及東南亞地區(qū)。
3.臨床醫(yī)學(xué)與藥物
自1975年國劍橋大學(xué)的科學(xué)家利用動(dòng)物細(xì)胞融合技術(shù)首次獲得單克隆抗體以來，許多人類無能為力的病毒性疾病遇到了克星。用單克隆抗體可以檢測出多種病毒中非常細(xì)微的株間差異，鑒定細(xì)菌的種型和亞種。這些都是傳統(tǒng)血清法或動(dòng)物免疫法所做不到的，而且診斷異常準(zhǔn)確，誤診率大大降低。例如，抗乙型肝炎病毒表面抗原（HBsAg）的單克隆抗體，其靈敏度比當(dāng)前最佳的抗血清還要高100倍，能檢測出抗血清的60％的假陰性。
近年來，應(yīng)用單克隆抗體可以檢查出某些還尚無臨床表現(xiàn)的極小腫瘤病灶，檢測心肌梗死的部位和面積，這為有效的治療提供方便。單克隆抗體并已成功地應(yīng)用于臨床治療，主要是針對一些還沒有特效藥的病毒性疾病，尤其適用于抵抗力差的兒童。人們正在研究“生物導(dǎo)彈”——單克隆抗體作載體攜帶藥物，使藥物準(zhǔn)確地到達(dá)癌細(xì)胞，以避免化療或放射療法把正常細(xì)胞與癌細(xì)胞一同殺死的副作用。
單克隆抗體可以精確地檢測排卵期。新一代免疫避孕藥也在研制之中，其基本原理是用精子，卵透明帶或早期胚胎來制備單克隆抗體，將它們注入婦女體內(nèi)，人體就會(huì)產(chǎn)生對精子的免疫反應(yīng)，從而起到避孕作用。人類體外受精技術(shù)的日趨成熟，使人類對生育活動(dòng)有了較大的選擇余地，促進(jìn)優(yōu)生優(yōu)育，提高人口素質(zhì)，也為不孕癥患者或不宜生育的人帶來福音。
生物藥品主要有各種疫苗、菌苗、抗生素、生物活性物質(zhì)，抗體等，是生物體內(nèi)代謝的中間產(chǎn)物或分泌物。過去制備疫苗是從動(dòng)物組織中提取，得到的產(chǎn)量低而且很費(fèi)時(shí)。現(xiàn)在，通過培養(yǎng)、誘變等細(xì)胞工程或細(xì)胞融合途徑，不僅大大提高了效率，還能制備出多價(jià)菌苗，可以同時(shí)抵御兩種以上的病原菌的侵害。用同樣的手段，也可培養(yǎng)出能在培養(yǎng)條件下長期生長、分裂并能分泌某種激素的細(xì)胞系。1982年國科學(xué)家用誘變和細(xì)胞雜交手段，獲得了可以持續(xù)分泌干擾素的體外培養(yǎng)細(xì)胞系，現(xiàn)已走向應(yīng)用。
4.繁育優(yōu)良品種
目前，人工受精、胚胎移植等技術(shù)已廣泛應(yīng)用于畜牧業(yè)生產(chǎn)。精液和胚胎的液氮超低溫（-196攝氏度）保存技術(shù)的綜合使用，使優(yōu)良公畜、禽的交配數(shù)與交配范圍大為擴(kuò)展，并且突破了動(dòng)物交配的季節(jié)限制。另外，可以從優(yōu)良母畜或公畜中分離出卵細(xì)胞與精子，在體外受精，然后再將人工控制的新型受精卵種植到種質(zhì)較差的母畜子宮內(nèi)，繁殖優(yōu)良新個(gè)體。綜合利用各項(xiàng)技術(shù)，如胚胎分割技術(shù)、核移植細(xì)胞融合技術(shù)、顯微操作技術(shù)等，在細(xì)胞水平改造卵細(xì)胞，有可能創(chuàng)造出高產(chǎn)奶牛、瘦肉型豬等新品種。特別是干細(xì)胞的建立，更展現(xiàn)了美好的前景。
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