現代生物技術，又稱生物工程，是利用生物有機體（從微生物直至高等動物）或其組成部分（器官、組織、細胞等）發展新工藝或新產品的一種科學技術體系。

生物工程主要包括基因工程、細胞工程、酶工程、蛋白質工程和發酵工程等5個部分。以重組DNA為核心的現代生物技術的創立和發展，為生命科學注入了新的活力，它所提供的實驗方法和手段極大地促進了傳統生物學科如植物學、動物學、遺傳學、生理學、生物醫學等的發展。同時，生物技術目前也已被廣泛地應用于醫藥、食品、化學、農業及環保等領域，為這些行業帶來了一場新的技術革命。

現代生物技術的發展僅20余年，但它在生命科學研究和產業化方面已產生了巨大的影響，但這僅僅是個開始，生物技術的發展和應用仍方興未艾。

基因工程即重組DNA技術，是指對不同生物的遺傳基因，根據人們的意愿，進行基因的切割、拼接和重新組合，再轉入生物體內，產生出人們所期望的產物，或創造出具有新的遺傳特征的生物類型。世界上第一批重組DNA分子誕生于1972年，次年幾種不同來源的DNA分子裝入載體后被轉入到大腸桿菌中表達，標志著基因工程正式登上歷史舞臺。

基因工程徹底改變了傳統生物科技的被動狀態，使得人們可以克服物種間的遺傳障礙，定向培養或創造出自然界所沒有的新的生命形態，以滿足人類社會的需要。

蛋白質工程也稱“第二代基因工程”。蛋白質工程主要包括通過基因工程技術了解蛋白質的DNA編碼序列、蛋白質的分離純化、蛋白質的序列分析和結構功能分析、蛋白質結晶和蛋白質的力學分析、蛋白質的DNA突變改造等過程。

蛋白質工程為改造蛋白質的結構和功能找到了新途徑，推動了蛋白質和酶的研究，為工業和醫藥用蛋白質（包括酶）的實用化開拓了美妙的前景。

細胞是生物體的結構單位和功能單位。細胞工程是利用細胞的全能性，采用組織與細胞培養技術對動、植物進行修飾，為人類提供優良品種和保存瀕危珍稀物種。細胞工程主要包括體細胞融合、核移植、細胞器攝取和染色體片段重組等。

體細胞融合是指兩個不同種類的細胞，加上融合劑，在一定條件下，彼此融合成雜交細胞，使來自兩個親本細胞的基因有可能都被表達，從而打破了遠緣生物不能雜交的屏障，提供了創造新物種的可能。

細胞核移植對動物優良雜交種的無性繁殖具有重要的意義。克隆技術便是細胞核移植的一個最為典型的應用。

細胞器的攝取主要是指葉綠體和線粒體的攝取。如用白化型原生質體攝取正常的葉綠體，進而發育成正常的綠色植物；用抗藥型草履蟲的線粒體植入其他草履蟲細胞，使后者獲得抗藥性。

染色體片段重組是利用染色體替換來改變生物遺傳特性，如利用染色體的易位、缺體等方法，獲得新的染色體組合。

酶是生物體內的一種具有新陳代謝催化劑作用的特殊蛋白質，它們可特定地促成某個反應而自身卻不參與反應，并具備反應效率高、反應條件溫、反應產物污染小、能耗低以及反應易于控制等優點。

酶工程即利用酶的催化作用，在一定的生物反應器中，將相應的原料轉化成所需的產品。酶工程是現代酶學理論與化工技術的交叉技術，它的應用主要集中于食品工業、輕工業和醫藥工業等領域。

發酵工程是指利用微生物的特定性狀，通過現代工程技術，在生物的反應器中生產有用物質的一種技術系統。當前的醫用和農用抗生素絕大部分是發酵的產品，此外發酵工程產品還包括氨基酸、工業用酶等，人們日常生活中廣泛使用的味精、維生素B2等也是發酵工程的產品。

基因工程的操作步驟

基因工程一般包括四個方面的基本內容：一是取得符合人們的要求的DNA片段，這種DNA片段被稱為“目的基因”；二是將目的基因與質粒或病毒DNA連接成重組DNA（質粒和病毒DNA稱作載體）；三是把重組DNA引入某種細胞（稱為受體細胞）；四是把目的基因能表達的受體細胞挑選出來。DNA分子很小，其直徑只有20埃，約相當于五百萬分之一厘米，在它們身上進行“手術”是非常困難的，因此基因工程實際上是一種“超級顯微工程”，對DNA的切割、縫合與轉運，必須有特殊的工具。首先，要把所需基因——目的基因從供體DNA長鏈中準確地剪切下來。1968年，沃納·阿爾伯博士、丹尼爾·內森斯博士和漢密爾·史密斯博士第一次從大腸桿菌中提取出了限制性內切酶能夠在DNA上尋找特定的“切點”，認準后將DNA分子的雙鏈交錯地切斷。人們把這種限制性內切酶稱為“分子剪刀”。這種“分子剪刀”可以完整地切下個別基因。自70年代以來，人們已經分離提取了400多種“分子剪刀”，其中許多“分子剪刀”的特定識別切點已被弄清。有了形形色色的“分子剪刀”，人們就可以隨心所欲地進行DNA分子長鏈的切割了。由于限制性內切酶的發現，阿爾伯、史密斯和內森斯共享1978年諾貝爾生理和醫學獎。

DNA的分子鏈切開后，還得縫接起來以完成基因的拼接。1976年，科學在5個實驗室里幾乎同時發現并提取出一種酶，這種酶可以將兩個DNA片段連接起來，修復好DNA鏈的斷裂口。1974年以后，科學界正式肯定了這一發現，并把這種酶叫作DNA連接酶。從此，DNA連接酶就成了名符其實的“縫合”基因的“分子針線”。只要在用同一種“分子剪刀”剪切的兩種DNA碎片中加上“分子針線”，就會把兩種DNA片段重新連接起來。

把“拼接”好的DNA分子運送到受體細胞中去，必須尋找一種分子小、能自由進出細胞，而且在裝載了外來的DNA片段后仍能照樣復制的運載體。

基因的理想運載工具是病毒和噬菌體，病毒不僅在同種生物之間，甚至可以在人和兔培養細菌細胞轉移。還有一種理想的載體是質粒。質粒能自由進出細菌細胞，當用“分子剪刀”把它切開，再給它安裝上一段外來的DNA片段后，它依然如故地能自我復制。因此，它是一種理想的運載體。有了限制性內切酶、連接酶及運載體，進行基因工程就如可以愿以償了。

把目的基因裝在運載體上，運載體將目的基因運到受體細胞是基因工程的最后一步。一般情況下，轉化成功率為百萬分之一。為此，遺傳工程師們創造了低溫條件下用氯化鈣處理受體細胞和增加重組DNA濃度的辦法來提高轉化率。采用氯化鈣處理后，能增大體細胞的細胞壁透性，從而使雜種DNA分子更容易進入。目的基因的導入過程是肉眼看不到的。因此，要知道導入是否成功，事先應找到特定的標志。例如我們用一種經過改造的抗四環素質粒PSC100作載體，將一種基因移入自身無抗性的大腸桿菌時，如果基因移入后大腸桿菌不能被四環素殺死，就說明轉入獲得成功了。
　　目的基因：所謂目的基因就是我們想要的基因片段，它在生物體內能表達產生所要蛋白產物。生物界的基因有上億個，多數存在于染色體上，少數存在于細胞質中。取得目的基因的辦法是用“分子剪刀”剪切供體DNA分子，把它切成一些比基因略長的片段，然后再從中找出包含所需目的基
因的DNA片段。到目前為止，人們用這種方法已分離出40種大腸桿菌蛋白質基因、雞的組蛋白基因等。另一種獲得目的基因的方法是人工合成。隨
著技術的進步，已有用于自動測定DNA順序的專門儀器和自動合成DNA儀器。還有一種基因合成方法是模板合成。基因工作指令的傳遞是按照“DNA-
RNA-蛋白質”這一方向進行的，相反的信息傳遞即由RNA-DNA也存在。基因模板合成法就是先以信使RNA為模板，反向轉錄出一條DNA單鏈，再以互
補的方式加倍成DNA雙鏈。用這種方法人們已先后合成了家兔、鴨和人的珠蛋白基因、羽毛角蛋白基因等。

載體：目的基因片段很難直接轉入生物體細胞，而且由于它自身常無DNA復制所需信息，在細胞分裂時不能復制給子細胞，就會丟失，所以人們要把它連在一些能獨立于細胞染色體之外復制的DNA片段上，這些DNA片段就叫載體。常用的載體有質粒和病毒。當然載體還有其它作用，如促進目的基因轉化、表達等。人們對天然質粒及病毒進行了一系列改造，如加上耐藥性基因片段等，提高基因的轉化、篩選、表達效率。

限制性內切酶： 在細菌內存在的一類能識別并水解外源DNA限制性內切酶，它具有極好的專一性，能識別DNA上的特定位點，將DNA的兩條鏈都切斷，形成粘性末端或平末端。DNA經限制性內切酶切割后產生的具有堿基互補單鏈的末端稱為粘性末端。限制性內切酶的生物學功能在于降解外面侵入的DNA而不降解自身細胞的中的DNA，因自身DNA的酶切位點經修飾酶的甲基化修飾而受到保護。限制性內切酶較為穩定，常用的約100多種，并已大多轉化為商品。限制性內切酶在分析染色體結構、制作DNA的限制酶圖譜、測定較長DNA序列以及基因的分離、基因的體外重組等研究中是
不可缺少的重要工具酶。

轉化：重組DNA進入受體的過程叫“轉化”，得到重組DNA的細胞叫“轉化細胞”。目的基因難以直接送進受體細胞。因為地球上的生物都是長期歷史進化的產物，都有保衛自身不受異種生物侵害和穩定地延續自己種族的功能。如果外來的DNA闖進受體細胞，受體細胞就會把它“消滅”。當外來的DNA進入大腸桿菌時，大腸桿菌內部的內切酶就會使其“粉身碎骨”。因此，目的基因的直接導入往往不通。在這種情況下，生物工程師們就要采用DNA重組技術。首先將目的基因與質粒經過內切酶的“裁剪”，然后靠連接酶的作用，將目的基因和質粒（或病毒DNA）重新組合起來形成重組DNA。重組DNA就能在質粒（或病毒DNA）的“帶領”下進入受體細胞。

一、基因工程制藥的最新進展

基因工程開創制藥工業新門類

現代生物技術是通過生物化學與分子生物學的基礎研究而快速發展起來的。醫藥生物技術起步最早、發展最快，目前世界已有2000多家生物技術公司，其中70%從事醫藥產品的開發。美國已批準30多個生物技術藥品上市，還有143種生物技術藥物和疫苗正在進行臨床試驗，另有472種處于不同研究階段。有資料表明，從1982年重組人胰島素上市至1991年10年間僅批準該類藥品用于治療21個病種，而近3年新批準用于治療的品種已達13個，說明生物技術藥品的審評速度加快，生物技術工業總體日趨成熟，正在由風險產業變成以商業為動力，以市場為中心的產業。

應用生物技術已有可能產生幾乎所有的多肽和蛋白質，基因工程技術的應用已使新藥研究方法和制藥工業的生產方式發生重大變革。

基因工程藥物的研究進展

近十幾年來，在利用生物技術制取新藥方面取得了驚人的成就，已有不少藥物應用于臨床。例如人胰島素、人生長激素、干擾素、乙肝疫苗、人促紅細胞生成素（Epo）、GM－集落刺激因子（GM－CSF）、組織溶纖酶原激活素、白細胞介素－2及白介素－11等。正在研究的有降鈣素基因相關因子、腫瘤壞死因子、表皮生長因子等140多種。隨著生物技術藥物的發展，多肽與蛋白質類藥物的研究與開發，已成為醫藥工業中一個重要的領域，同時給生物制劑帶來了新的挑戰。在實際應用中，基因工程藥物受到一定限制，如口服應用時生物利用度低，會受到消化酶的破壞，在胃酸作用下不穩定，在體內半衰期較短等，因此只能注射給藥或局部用藥。為了克服這些缺陷，已開始改為合成這些天然蛋白質的較小活性片段，即所謂“多肽模擬”或“多肽結構域”合成，又叫“小分子結構藥物設計”。這類藥物可口服，有利于由皮膚、粘膜給藥，用于治療免疫缺陷癥、HIV感染、變態反應性疾病、風濕性關節炎等，其制造成本也更低。這種設計思想也已應用于多糖類藥物、核酸類藥物和模擬酶的有關研究。小分子藥物設計屬于第二代結構相關性藥物設計，所設計的分子能替代原先天然活性蛋白與特異靶相互作用。

在給藥方式的研究方面，對注射用溶液和注射用無菌粉末 （目前上市的多肽蛋白質類藥物多為此種劑型），除了繼續改進其穩定性外，還通過一些其他技術手段，研制出了化學修飾型、控釋微球型和脈沖式給藥系統。在非注射途徑的給藥系統，即包括鼻腔、口服、直腸、口腔、肺部給藥方面也已取得重大進展。

第一代和第二代基因工程藥物

第一代基因工程藥物是針對因缺乏天然內源性蛋白所引起的疾病。應用基因工程技術去擴大這類多肽蛋白質的產量以替代或補充體內對這類活性多肽蛋白質的需要，主要是以蛋白質激素類為代表的，如人胰島素、胰高血糖素、人生長激素、降鈣素、生長激素(somatropin)及α-EPO(Epoetinalfa)等。第二代基因工程藥物是根據內源性多肽蛋白的生理活性，應用基因工程技術大量生產這些極為稀有物質，以超正常濃度劑量供給人體，以激發它們的天然活性作為其治療疾病的藥理基礎，主要是以細胞生長調節因子為代表的，如G-CSF，GM-CSF，α-IFN，γ-IFN和tPA等。　

蛋白質工程藥物

應用蛋白質工程技術已獲得多種自然界不存在的新型基因工程藥物，如CD4，IL-2與毒素結合的雜合蛋白和PIXY321等。

對表達產物的后修飾也是改善蛋白質工程藥物藥理作用的有效手段。如PEG修飾能有效地改善多肽蛋白質類藥物的免疫原性，增加穩定性，延長體內半衰期，減少毒副作用等。PEG-腺苷脫胺酶已投放市場，PEG-天冬酰胺酶，PEG-IL-2，PEG-SOD，均已進入臨床。

應用重組DNA技術表達人源性抗體或將抗體小型化(如Fab抗體，單鏈抗體、單域抗體，分子識別抗體等)，與非人源化抗體和完整抗體相比，其免疫原性弱，穿透力強，表達效率高。所以人源化抗體藥物和小型化抗體靶向藥物正成為腫瘤治療，自身免疫性疾病，器官移植排斥和艾滋病防治藥物的又一研究熱點。

基因工程制藥的技術路徑

利用微生物發酵、動物細胞培養生產基因工程藥物是目前工業化生產基因工程藥物的最主要方法。 從1982年重組胰島素批準上市以來，現已有近40種基因工程蛋白質藥物投放市場，主要用于治療癌癥、血液病、艾滋病、乙型肝炎、丙型肝炎、細菌感染、骨損傷、創傷、代謝病、外周神經病、矮小癥、心血管病、糖尿病、不孕癥等疑難病。近年來，利用轉基因植物生產基因工程疫苗和利用轉基因動物乳腺作為生物反應器，生產基因工程人類蛋白質藥物的研究也取得重大進展。

1、轉基因植物基因工程疫苗

1990年以來利用轉基因植物生產基因工程疫苗的研究得到了迅速的發展。利用轉基因植物生產基因工程疫苗，是將抗原基因導入植物，讓其在植物中表達，人或動物攝入該植物或其中的抗原蛋白質，以產生對某抗原的免疫應答。轉基因植物生產疫苗的研究主要集中在煙草、馬嶺薯、蕃茄、香蕉等植物。

2、轉基因動物乳腺生物反應器生產的基因工程藥物

利用轉基因動物乳腺作為生物反應器，生產基因工程人類蛋白質藥物，其成本較微生物發酵、動物細胞培養生產基因工程藥物大大降低，故近年不少研究者從事轉基因動物乳腺生物反應器生產基因工程藥物的研究。乳腺生物反應器生產基因工程藥物的基本方法是：將藥用蛋白質基因連接到乳汁蛋白質基因的調節元件下游，然后將連接產物顯微注射到哺乳動物受精卵或胚胎干細胞，當轉基因胚胎長成個體后，在泌乳期藥用蛋白質基因表達，從動物乳汁可獲得基因工程藥物。

1988年開始在大哺乳動物乳腺生物反應器中表達基因工程藥物以來，已在以下動物的奶汁中生產出一些人類蛋白質藥物：牛奶中有抗凝血酶、纖維蛋白原、人白血清蛋白、膠原蛋白、生育激素、乳缺蛋白、糖基轉移酶、蛋白C等，山羊奶中有抗凝血酶原、抗胰蛋白酶、生育激素、血清白蛋白、組織型溶纖維原激活因子、單克隆抗體，綿羊奶中有抗胰蛋白酶、凝血因子IX、纖維蛋白原、蛋白質C，豬奶中亦有蛋白質C、凝血因子IX、纖維蛋白原、血紅蛋白。

乳腺生物反應器生產基因工程藥物的研究已取得了一些成功經驗，但離商業化生產還有距離。

二、中國基因工程新藥簡介

外用重組人表皮生長因子衍生物

深圳華生元基因工程發展有限公司開發的外用重組人表皮生長因子衍生物噴劑“依濟復”，日前獲得國家一類新藥證書。這種噴劑將顯著促進創傷愈合，大大提高臨床治療水平，是中國基因工程制藥領域取得的又一項新成果。

醫學研究表明，人表皮生長因子（ｈＥＧＦ）是一種廣泛存在于體內的小分子多肽，以自分泌和旁分泌方式分布于體內，多類表皮細胞群的生長對ＥＧＦ的刺激能作出靈敏反應。實驗證明，極微量的ｈＥＧＦ可刺激上皮細胞、成纖維細胞和角化細胞的增殖，促進核酸、蛋白質和羥脯氨酸等
的合成等。

外用重組人表皮生長因子衍生物噴劑（ｒｈＥＧＦ）采用ＤＮＡ重組技術，構建與完善了ｈＥＧＦ大腸桿菌分泌表達細統，在結構和生物學活性等方面與內源性ｈＥＧＦ高度一致。它通過與細胞膜上的受體結合而產生生物學效應，從而激活核內重要基因，調控細胞增殖和激活蛋白質合成。
專家認為，ｒｈＥＧＦ可顯著促進創面愈合，在普通外科、胃腸道潰瘍防治、角膜損傷修復等方面有廣闊的應用前景。

人降鈣素基因相關肽脂質體片劑

由北京沃華生物大分子應用開發有限公司發明的專利技術，已申報14個國家和地區專利。與其它活性多肽物質一樣，降鈣素基因相關肽是易于氧化、水解的不穩定生物活性物質，在人體內，特別是在肝、肺等組織內緩慢被降解，半衰期短僅9分鐘，所以不能直接作為藥品。利用脂質體載體嵌入技術，在成功完成了人降鈣素基因相關肽脂質體注射液的基礎上，根據臨床的需求，進行了該藥的劑型改革試驗，制備出符合臨床要求、患者易于接受的口服片劑，為多肽類藥物上市奠定了良好的基礎。該片劑具有療效確切、穩定性好、緩釋長效、用藥劑量小（pg量）、無毒副作用等特點。對局灶性腦梗塞和全腦缺血都有確切的保護作用，可以做為預防和治療該病的有效藥物。

生物免疫調節劑

5月中旬，湖南九芝堂股份公司開發的新藥——斯奇康注射液拿到新西蘭，按照國際通行的GCP標準進入臨床實驗研究。著名國際呼吸病專家貝斯理教授認為，運用生物免疫調節治療哮喘、慢性支氣管炎等呼吸病，國際醫學界尚處在動物試驗階段，而中國已經有了大批量臨床成功應用的制劑，這是醫學界的一大突破。湖南九芝堂公司進行了長達12年的深度開發，采用卡介菌經熱酚法提取多糖核酸，配以滅菌生理鹽水制成了人體肌肉注射液。經首都醫科大學、同濟醫科大學等30多家醫院臨床應用證實，該注射液可明顯調節人體自身免疫水平，無毒副作用禁忌。該新藥已經中國生物制品檢定所檢定并進入了95版生物制品試行規程，正式命名為卡介菌多糖核酸，取商品名為斯奇康。

降血壓肽

一種從牛奶中分離出的、可規模化工業生產的、具有高降血壓活性的多肽物質，已由廣州市輕工研究所研制開發成功，動物實驗已顯示出其具有起效時間快、持續時間長、對正常血壓無影響的特點，人體臨床應用研究正在開展中。

降血壓肽是指一類具有血管緊張素轉化酶(ACE)抑制活性的多肽物質，這些多肽的氨基酸序列和肽鏈長度各有不同，但都具有類似的降壓功能。

ACE抑制肽廣泛存在于各種食物蛋白中，例如牛奶、玉米、明膠以及發酵乳中都有不同的蛋白來源。

合成ACE抑制劑作為藥品已在臨床治療高血壓中獲得成功，而從天然食物蛋白中分離ACE抑制肽，雖然降血壓效果不及合成藥物強烈，但它對正常血壓無影響的特點和來自天然的安全性吸引了眾多研究者。據悉，日本從魚類中獲得的降血壓肽已經商品化。

另外，利用來自天然食物蛋白的ACE抑制肽開發具有調節血壓作用的保健食品，通過長期服用而達到預防、控制、緩解和輔助治療高血壓的目的，也不失為一條安全有效的途徑。