基因工程的安全性分析

基因工程的安全性分析

作为生物技术的核心内容，阐明了先进技术的特点之一。目前,基因工程领域的研究与开发工作十分活跃,新成果不断涌现,发展日新月异。1972年,Berg等首次用限制性内切酶EcoRⅠ切割病毒SV40DNA和λ噬菌体DNA,经过连接,组成重组DNA分子。他是第一个实现DNA重组的人。1973年,Cohen将伤寒沙门氏菌抗链霉素质粒与大肠杆菌抗四环素质粒在体外重组,获得异源的重组质粒DNA,并把重组质粒导入大肠杆菌中,建立了抗四环素和抗链霉素的大肠杆菌克隆体,这一研究标志着基因工程的出现。经过几十年的发展,基因工程技术已走出实验室,基因工程技术的应用已发展成为一个巨大的产业,不仅科研机构进行研究和开发,很多商业机构也积极参与。基因工程在农业、医药、食品、环保等领域已显示出巨大的应用价值。但从人类历史发展的经验来看,科学技术给人类社会带来福音的同时,都潜在着对人类自身或生存环境造成危害的一面,基因工程也不例外,在开展基因工程应用的同时,也要注意到其潜在的危害,加强安全性管理。1各国对巨资资助开发的项目与环境经过几十年的发展,基因工程已走出实验室进入应用阶段,基因工程产业被喻为朝阳产业,具有巨大的发展前景,各个国家都投巨资资助研究和开发项目。1983年,世界第一例转基因植物(转基因烟草和马铃薯)问世以来,在农业、医药、食品、环保等领域,基因工程应用研究都取得了突破性进展。1.1培育抗病虫害作物农业是基因工程的一个重要应用领域,主要用于培育具有优良性状的动物和农作物,如培育抗虫害、抗病害、抗除草剂、耐盐抗干旱作物、农产品品质改良、提高营养物质含量。传统的杂交育种方法周期非常长,而且准确性差。基因工程方法具有极高的准确性,基因的转移不再限于同一物种之间,动物、植物、微生物之间也可发生基因转移。目前的基因工程作物主要有马铃薯、棉花、玉米、大豆、番茄等,这些作物已通过一些国家的审批程序,开始大面积种植。到1998年1月底,全世界约有30种转基因植物被批准进行商品化生产。美国是转基因作物最大的种植国家,1998年74%的转基因农作物种植在美国,阿根廷、加拿大、澳大利亚分别占15%、10%、1%。大豆和玉米是最广泛种植的转基因作物,在过去四年中,转基因作物种植面积增加了25倍,1999年达到一亿英亩。基因工程在作物育种方面应用有:第一,培育抗病虫害作物。长期、大量使用农药使害虫的耐药性越来越高,农药用量和农药品种不断增加,农业生产成本上升,生态破坏日趋严重。培育抗病虫害作物一直是传统作物杂交育种的一个主要目标。基因工程在培育抗病虫害农作物方面表现出极大的优势。苏云金杆菌在形成芽孢时能产生伴孢晶体,这种毒蛋白对磷翅目昆虫有特异的毒性作用,现已将这种晶体蛋白基因从苏云金杆菌中分离出来,并导入到玉米、水稻、烟草等作物中,使作物在生长过程中产生这种晶体蛋白,杀死害虫。美国孟山都公司开发的Newleaf马铃薯能抗科罗拉多马铃薯甲虫,1995年5月批准成为常规品种。抗虫棉可抗磷翅目害虫。保产玉米可抗玉米螟。90年代以来,抗病虫害的转基因花生植株也研究成功。第二,抗除草剂。草甘磷(glyphosate)是一种广谱除草剂,它通过抑制5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸合成酶(EPSP)的活性而阻断芳香族氨基酸的合成,导致植物死亡,将含有抗草甘磷的EPSP合成酶突变基因引入植物,就可使植物获得抗草甘磷的能力。这方面最成功的例子是大豆,抗除草剂转基因大豆能耐受草甘磷,可防止广谱除草剂对大豆植株的伤害,除草剂的用量也可减少。第三,抗逆性。由于环境恶化和人口增长,用于农业生产的土地紧张问题日益突出。培育抗干旱、耐盐碱等抗逆性能良好的农作物,就可充分利用以前不适宜耕作的土地,或提高干旱、盐碱土地的农作物产量。将烟草中的CMO基因导入水稻中,使水稻具有很强抗旱性。Hightower利用农杆菌将比目鱼体内的抗冻蛋白基因转入番茄,番茄抗冻能力明显提高,这是首例利用基因工程提高番茄抗逆性的报道。第四,作物品质改良。通过基因工程手段,还可改良农产品的品质,如改善口感、营养成分、外观、提高耐贮藏性。水稻是一些亚洲国家的主要粮食作物,水稻淀粉含量高,但蛋白质含量低。而且水稻蛋白质中必需氨基酸如甲硫氨酸、赖氨酸的含量也较低,利用基因工程方法,将植物中分子量较小且富含硫氨基酸的蛋白质基因导入水稻,是改良水稻营养品质的可行途径。Meijer等将分离的富含脯氨酸基因成功地导入水稻基因组中获得转基因植株。Barkharddt将单子叶植物中八氢番茄红素合成酶及其脱氢酶基因导入水稻中,获得富含类胡萝卜素的基因工程水稻。番茄在采收后容易成熟变软,造成腐烂。通过抑制多聚半乳糖醛酸酶的活性来抑制细胞壁的降解和抑制乙烯生成,可以延缓果实过度成熟软化,提高番茄的耐贮存性。目前,采用反义基因技术已培育出耐贮番茄,这种转基因番茄久放而不变软,颜色和风味与普通番茄一样,1994年4月,一种名为FlavrSavr的耐贮番茄在美国上市。第五,转基因动物。最早问世的转基因动物是转基因小鼠,培育转基因动物的主要目的是提高生产性能,提高抗病性。目前已报道对鱼、鸡、猪、牛、马、羊等动物成功地进行了转基因试验。转基因家畜除了在动物生产上的应用外,还因其与人的生物学特征有较大的相似性,在器官移植、药物生产、疾病模型建立方面显示出特殊的价值。如将外源基因导入泌乳家畜中,利用家畜的乳腺合成药物蛋白,生产成本可大大降低,应用前景广阔。据美国红十字学会和美国遗传学会预测,到2010年,所有基因工程药物中乳腺反应器生产的份额将达到95%。1.2基于基因的发酵技术食品加工与农业密切相关,通过基因工程方法改进农作物的生产性能,可为食品加工业提供质优而价廉的原料。转基因大豆的油脂组成中含有较高比例的不饱和脂肪酸,转基因番茄耐贮藏,不易腐烂,用基因工程的方法改进微生物菌种性能,可使发酵食品和食品酶制剂生产面貌一新。第一个采用基因工程改造的食品微生物是面包酵母,经基因改良的面包酵母中麦芽糖透性酶和麦芽糖酶的含量比普通面包酵母高,产生二氧化碳气体的量也较高,可制作出更松软可口的面包。啤酒酵母是啤酒发酵的关键微生物,将α-淀粉酶和糖化酶基因导入啤酒酵母中,就可以简化生产工序,提高产品质量和生产新的啤酒品种。基因工程改造的食品微生物在发酵乳制品、氨基酸、维生素、有机酸和调味品的生产上有广阔应用前景。酶制剂在食品加工中广泛应用,凝乳酶是第一种应用基因工程技术把小牛胃中的凝乳酶基因转移到细菌或真核微生物生产的酶,传统方法是从小牛皱胃中提取,成本高,产量低。80年代以来,英、美等国科学家将凝乳酶原基因导入大肠杆菌、酵母中,成功地进行了大规模的生产。目前,对α-淀粉酶、葡萄糖异构酶、溶菌酶、碱性蛋白酶的生产菌都用基因工程方法进行了改良,大大提高了这些酶制剂的生产效率。1.3基因组测序计划基因工程在医学上主要应用于生产基因工程药物、疾病诊断、基因治疗。基因工程药物有激素与细胞分裂素、生理调节因子、血液制品、疫苗、单克隆抗体几类。如人胰岛素、人生长激素、人促红细胞生成素、人尿激酶、组织纤溶酶激活剂、乙肝疫苗、干扰素等药物已可以用基因工程的方法生产。我国α-干扰素基因工程产品于1989年投产,是我国第一种基因工程药物。在疾病诊断方面,科学家现已完成了许多病原微生物的基因组测序。如流感嗜血杆菌、生殖器支原体、幽门螺杆菌、结核杆菌和梅毒螺旋体等,为进一步了解这些病原菌的致病机理,设计诊断、预防和治疗的新方法提供了有价值的信息。通过基因工程细胞生产的单克隆抗体是一种快速而准确的诊断试剂。1990年美国启动人类基因组计划(HGP),欧盟国家、日本、俄罗斯、加拿大、澳大利亚和我国科学家相继加入该计划。此计划将使人们深入认识许多困扰人类的重大疾病的发病机理并寻找治疗方法。在人类基因组计划的研究过程中,已发现了肥胖基因、支气管哮喘基因,为诊断和治疗这些疾病提供了新的途径。2000年6月22日科学家宣布人类基因组草图已绘制成功,人类基因组的测序工作已基本完成,下一步工作是弄清各基因的功能,寻找致病基因,我国科学家也承担了人类基因组中1%的测序工作。目前,遗传性疾病、恶性肿瘤、传染性疾病如艾滋病等还没有有效的治疗手段,基因工程可能为这些疾病的治疗在理论、技术上带来突破,有可能采用基因治疗的方法,用正常基因补充缺失或异常突变基因。1.4保护机构的保护工业生产带来了很多环境问题,基因工程技术为环境保护提供了新的手段。基因工程应用于环境保护起始于80年代。目前已培养出能降解农药、除草剂、塑料、防治重金属污染、清除石油污染的基因工程菌。经基因改造的杨树在生长过程中,可清除土壤、地下水中重金属的污染,将可分解石油成分基因工程菌接种到海滩,可清除海滩的原油污染,其清除速度比天然细菌快得多。2存在潜在的有害药物早在七十年代,基因工程安全性问题就引起了广泛的讨论,人们已注意到基因工程对生态环境、人类健康、伦理道德等可能带来的一些问题。2.1结构材料的危害地球的生命已经存在了三十多亿年,简单的生命经过漫长的进化过程,形成了今天地球上由千万种生物所组成的复杂生态系统。采用基因工程的手段改造生物体,就有可能过快打乱自然界经过漫长时间进化所形成的秩序,破坏生态平衡。转基因生物的代谢产物会向外界环境扩散,造成链锁反应,凭目前的生物技术发展水平,还不能准确预测基因工程生物体及其代谢产物的表现形态和潜在危害,也难以提出针对性的防范措施。基因工程对生态系统的危害体现在下面几个方面:第一、基因漂移。导入到转基因农作物中的基因可能由于植物花粉飞扬转移到杂草和其它作物中,如果抗除草剂基因转移到杂草中,就可能产生“超级杂草”。基因漂移将使正常、非目标植物发生基因改变,这个过程很难人为控制,其后果也很难预测。第二、对非目标生物产生危害。苏云金杆菌晶体蛋白可不加区分地杀死许多种昆虫的幼虫,不仅对害虫有致死作用,对其它昆虫,包括有益昆虫也会致死。1999年发表在《自然》杂志的一项研究表明转苏云金杆菌晶体蛋白基因的玉米花粉被蝴蝶幼虫采食后,会使幼虫致死,而这种幼虫并不是玉米的害虫。第三、产生有害生物,危害生物群落。对细菌、病毒进行基因改造,可能使无害或弱致病性的细菌、病毒变成有害或强致病性的细菌、病毒,对其它动、植物的生存造成危害,转基因植物有演变成“超级杂草”的可能。转基因动物可能形成“怪物”或优势生物,基因改造的生物体释放到环境,可能通过竞争消除群落中原有的野生种,并通过食物链间接影响群落结构。2.2抗私家车开、培育抗菌剂的危害很多经基因改造的农作物、动物经过加工成为食品,虽然基因工程技术可大大提高食品的产量和质量,但也可能引起食品成分非预期的改变,对食用者的健康产生潜在的危害。这体现在:是否会含有新的过敏原,抗昆虫农作物是否含有残留的抗昆虫内毒素,抗除草剂农作物是否最终导致除草剂用量增加,引起除草剂在食品中残留。抗病毒农作物中含有的病毒外壳蛋白基因是否会对人体造成危害。如果致病力强的基因改造微生物从试验室逸出并扩散,由于人类对这些新的微生物无免疫力,是否可能会造成疾病流行。2.3现代社会的基因改造与保护基因工程的作用对象是生物体,这样,基因工程的掌握者人本身也成了作用对象。人类科技发展和道德进步并不总是协调的。基因工程与其它科技相比,所遇到的伦理、道德、法律方面的问题更加尖锐,如果不加限制的发展,将会带来意想不到的社会问题。1997年2月,克隆“多利”小绵羊的出现在全世界引起强烈反响。科学家能够复制羊,从理论和技术上讲,复制人也将是可能的。这使人们不由的想到其可怕的后果。基因克隆技术如果应用到人身,将完全打破以往的生育模式。无性繁殖在人身上也可实现。夫妻、父子等基本的伦理关系会变得模糊不清,社会的基本单位——家庭将会消失,现有的社会秩序会打乱,使人类现有的意识形态、宗教信仰、法律制度变得无所适从。对其它动、植物的基因进行随意,甚至恶意的改造、重组,也是对自然界不负责任的行为。人类基因组计划完成后,这可以确定和改造人的致病基因。如何保护个人的遗传隐私将成为一个社会问题。人的基因改造如何来控制,由谁决定对一个人的基因进行改造,基因改造对人类自身的进化有什么影响。如何保证不会改造出“怪人”或“超人”来等都是一些亟待回答的问题。美国在实施人类基因组计划(HGP)一开始就注意到其所带来的社会问题,每年都拨款资助伦理、法律和社会问题的研究。转基因食品也存在一些伦理方面的担忧,将某些宗教团体禁止食用的动物基因转入他们食用的动物中,如将猪的基因转入棉羊中,可能会引起如穆斯林这样的宗教团体的反对,将动物基因转入植物中,会引起素食主义者的反对。2.4主要原因在基因资源整合与利用方面处于不平衡的状态,主要表现为开发基因工程产品需要巨大的经费投入,如开发一种转基因农作物,需要经过试验室研究、中间试验、环境释放、商品化生产等环节,为保证商业利益,基因工程作物种子往往价格昂贵,并且有专利保护,使农业生产高投入、高产出的趋势更明显,发展中国家和贫穷国家由于资金不足,防碍转基因作物的开发与应用,随着转基因产品数量增加,对发达国家的依赖程度也会增加,可能使贫富差距拉大,引起新的发展不平衡。发展中国家和落后国家在基因资源的利用方面也处于不利地位,人群中与某种遗传性疾病有关的基因对于开发基因工程药物、疾病诊断、基因治疗都有重大意义,先发现就可以申请专利而得到保护,基因的资源的有限的、不可再生的,在基因资源的争夺战中,发达国家凭借其资金和技术占尽先机,通过所谓“合作研究”获取其他国家的基因资源。这使得未来在基因资源利用、开发具有自主知识产权的转基因产品方面,发展中国家和贫穷国家越来越处于被动地位。3结构安全管理措施的差异基因工程对未来科技、经济、社会的影响是不容低估的,许多国家都不会错过基因工程所带来的发展机遇,积极开展研究与应用工作。然而,进行基因工程的研究与产品开发在当今世界已成为一个敏感话题,随时都可能召来一些反对的声音。针对基因工程可能带来的对人类健康和生态环境的危害,一些国家和国际组织制定了一系列的安全管理措施。在基因工程的安全性管理上,美国的政策较为宽松,欧盟的政策比较严格,其它国家介于两者之间,我国在1993年12月颁布了《基因工程安全管理法》,1996年7月农业部颁布了《农业生物基因工程安全管理实施办法》,并成立了农业生物基因工程安全管理办公室和农业部农业生物基因工程安全管理委员会。基因工程安全管理的主要工作是基因工程产品的安全性评价。评价对象有农业基因工程体、基因工程食品、基因工程医药产品。由于基因工程的应用历史并不长,基因工程的安全性管理措施还不完善,还需要从理论与技术上进行深入研究。3.1防护种设置方法我国的农业基因工程管理办法主要对基因工程体在试验阶段、中间试验、环境释放和商品化生产几个过程进行安全性评价,基因工程体包括植物、动物、植物用微生物、兽用微生物和水生动植物。操作步骤是:(1)根据受体生物的生物学特殊性、演变历史、异化作用等,评价其对人类和生态环境的潜在危害。(2)确定基因操作对受体生物安全等级的影响类型和影响程度。(3)确定遗传工程及其产品的安全等级。通过这些方法,将基因工程的安全等级划分为四个级别,分级申报审批。国际上对基因工程农作物安全性评价的总原则是:促进而不是限制其发展,同时保障人类健康与生态环境,考虑到转基因植物的种类及环境多样性,一般采取个案分析,逐步完善的原则。3.2生物食品的安全性评价与标识FAO和WHO共同于1990年、1996年分别在日内瓦和罗马召开会议,讨论基因工程食品的安全性评价问题。提出了一些基因工程食品安全性评价的原则。首先阐明其分子、生物学和化学特性,了解基因改造所采用的方法。对基因改造后的产物进行化学结构分析,对与传统食品不相同的基因工程食品要进行广泛的毒理学试验,必要时进行营养评价与致敏试验。对基因改造的动物性食品,哺乳动物本身的健康可作为安全性评价的标志。鱼类和无脊椎动物本身可产生毒素,需进一步进行安全评价。对基因改造的微生物食品,如分子、生物、和化学分析与传统食品一致,则主要对其杂质和加工过程进行评价。对已进行安全性评价并已批准的食品,需进行有计划的使用后人群健康监测。2000年3月由经济合作与发展组织(OECD)在英国爱丁堡召开转基因食品安全性会议,会议提出成立国际委员会来评估转基因食品对科学与社会的影响。由于国情不同,各国转基因食品管理的政策也不样,日本厚生省宣布,到2001年4月,所有的基因工程食品都必须进行健康测试,目前,这种测试还只是自愿的。印度还没有宣布基因工程食品的管理办法,目前,印度没有种植转基因农作物,也没有基因工程食品出售,但为解决其粮食问题,印度政府积极支持基因工程方面的研究。巴西完全禁止基因工程作物及其产品。欧盟法律规定基因工程食品在销售时,其外包装要标识清楚。非基因工程食品中,基因工程食品混杂的比例不能超过1%。美国的基因工程作物和食品安全性由三个部门管理,食品与药品管理局负责转基因食品的安全性,环境保护局主要评估转基因作物对环境是否安全,农业部的动植物检疫局负责评估转基因作物本身对农业生产是否安全,如是否会成为有害昆虫宿主?作物是否会转变成有害杂草?确定食品中转基因作物的检测方法对转基因食品的安全性评价和标识也