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第一期

生物技术一班

2006.9.22

目录：

1.科学家研究引力变化下的草履虫游动情况

2.溶胶凝胶技术与生物传感器

3.精子、孢子染色体压缩过程中的决定性分子

4.转基因的若干问题

5.水体的生物修复

6.葡萄酒与健康

1.科学家研究引力变化下的草履虫游动情况

布朗大学的物理学家们使用高功率的电磁场，增加、消除、甚至反转草履虫所在位置的引力作用，并研究草履虫在这种变化下游动行为的变化。

对于水中生活的许多单细胞生命来说，外力总是阻止着它们。

比如草履虫在水中向上游要比向下游费力得多。

现在，布朗大学的物理学家KarineGuevorkian和JamesValles想办法改变了重力，然后看这种生物怎样反应。

科学家们把一个装着含有活草履虫的池塘水的瓶子放在弗罗里达州塔拉哈西市的美国国家高磁场实验室的一个高功率磁场下。

由于有机体比水要对磁场较不敏感，所以瓶内产生的磁场对水的拉力要比对这些细胞大。

场向下拉，细胞会上浮；场向上拉，细胞下沉。

只使用水的话，科学家们能够把引力效果增强50%。

为了进一步增强效果，他们向水中加入了一种叫做Gd-DTPA的物质。

这种物质对磁场高度敏感。

这样，科学家们可以使水对于草履虫更重和更轻，达到10倍重力的效果。

磁场是连续可调的，科学家们可以用来模拟零重力和反重力的条件。

同过改变磁场，草履虫的游动行为有极大的改变。

在高重力下，草履虫们会使劲地向上游来保持它们在水中的位置；在零重力下，它们会上下均等的游；在负重力下，它们会潜到沉淀物应该在的位置。

科学家们改变磁场强度，在大约8倍重力时，草履虫的游动和外力达到平衡。

科学家们由此可以计算出它们游动的力为0.7纳牛。

这种在地球上模拟重力改变的方法，不用到太空中就可以进行重力改变的实验，有助于研究许多与引力有关的生命效应。

2.溶胶凝胶技术与生物传感器

溶胶凝胶技术是指有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，经热处理而制得氧化物或其他化合物固体的方法。

由于溶胶凝胶过程中有着纯度高、均匀性强、处理温度低、反应条件易控制等优点，近20年来，溶胶凝胶技术在特殊光学玻璃、特殊薄膜、超细粉、复合材料、光学纤维、生物材料等领域中展示了广阔的应用前景。

在此，仅对溶胶凝胶技术在生物传感器和纳米材料中的新近应用作些简单介绍。

由生物敏感元件和转换器组成，是一种选择性和灵敏性优良的分析装置，其灵敏度与转换器的类型、生物材料的固化技术密切相关。

发展至今，固化已有物理或化学吸附、共价键合、交联及包埋等四种方法。

这些方法都有不足这处，如将生物分子包埋在聚合物胶、膜或表面活性剂基底中的包埋法，应该说是较为直接、更接近生物体的一种固化方法。

但存在生物分子包藏在聚合物内生物活性丧失的问题。

由于溶液凝胶过程的特点，特别是在多孔的凝胶网状结构中，能适应固定大、小分子，网络中可给生物分子提供一个水溶液的微环境，使生物分子识别部位的侧链通过氢键和偶极力与溶剂分子作用，从而呈现最大的活性，溶胶凝胶溶液光学透过性强而本身的荧光度低。

所以，溶胶凝胶技术已被成功地用在生物组分的固化上，为研制性能优良的生物传感器、新型的纳米材料提供了条件。

溶胶凝胶技术在电化学生物传感器中的应用主要有两种途径。

一种是将生物组分掺入溶胶凝胶中再涂层于电极上，另一种是以复合碳糊电极。

这方面的研究已有很多，最近又报道了使用溶胶凝胶法合成了复合碳陶瓷基酶电极、溶胶凝胶的碳复合的葡萄糖传感器和IgG免疫传感器，由于酶、抗体及蛋白等一些生物分子在溶胶凝胶中的成功捕获，使得光学型生物传感器，也有了一定的发展。

如采用分光光度测定法研究了溶胶凝胶法固化的肌红蛋白、细胞色素C、血红蛋白等对CO、NO及O2的分析测定，用硅凝胶固定的Pyoverdin荧光法分析了Fe3+等。

可以说，溶胶凝胶技术已被成功地应用到了吸收光、荧光、室温磷光及化学发光等类型的光学型传感器中。

溶胶凝胶技术在纳米材料中的应用研究也有长足的进展。

纳米微粒一般在1～100nm之间，其粒度介于原子簇和超细微粒之间，它所形成的固体材料称为纳米材料。

它具有新型的固体结构，其基本性质也与处于晶态或非晶态的同种材料有很大的差异。

如纳米微粒直径为5nm组成的材料，其原子有一半左右分布在界面上，这些原子排列的无序度、混乱度均高于传统的晶态和非晶态，6nm的纳米固体铁的裂应力要比常规铁材料高近12倍，硬度高出2～3个数量级，室温下合成的纳米TiO2陶瓷晶体能被弯曲，并具有与烧结陶瓷相同的韧性，研究表明，纳米材料具有高强度、高韧性、高的比热容、高的热膨胀系数、高的电导率、高的扩散率、高的磁化率、电磁波均匀的强吸收性能、大的表面积和表面活性等。

自1986年以来，纳米材料的研制以及应用都发展较快，纳米微粒的制备方法较多，由于深胶凝胶为低温反应过程，允许大剂量掺杂，能制备出高纯度和高均匀度的材料，并且从过程的初始阶段起就可在纳米尺度上控制材料的结构。

所以，溶胶凝胶法在近些年得到重视，采用此法，使用正硅酸乙酯水解聚合，在室温制得了石英玻璃，同法还制得了CdS、ZnS、PbS、ZnO和CuCl等微晶掺杂的玻璃。

用正硅酸酯在聚丙烯胺的水凝胶中扩散水解，形成了纳米硅酸盐超结构，这是模拟生物过程制取生物材料或其他材料的仿生事例之一。

总而言之，溶胶凝胶技术将为生物传感器、纳米材料的研制和发展提供更多的机会和条件。

3.精子、孢子染色体压缩过程中的决定性分子

高等生物中，遗传信息通过卵子、精子（或称配子）从亲代传递到子代。

一些单细胞生物体如酵母，基因可以通过孢子（spores）在亲代和子代间传递。

在这两种生殖策略中，遗传物质先加倍然后平均分配到配子或者单孢子中。

在配子或者单孢子形成的末期，遗传物质（也称染色质）发生剧烈的压缩，体积锐减到原来的5%。

   Wistar研究所的研究人员，通过研究酵母单孢子形成过程中控制遗传物质的机制，首次发现一种在染色体压缩过程中发挥关键作用的分子。

他们证实：

分子“标记”出现于压缩过程之前，并且其出现是压缩过程能够顺利完成的保证。

另外，研究人员发现，在果蝇和小鼠的精子形成中，这种分子也发挥相同的活性，提示，控制染色体压缩的机制在进化过程中的保守性。

9月15日《Genes & Development》新闻报道了这项新发现，并且在同一期刊上对实验的重大意义做了深入报道。

    这种分子标记在单孢子和精子内部基因组压缩过程中的关键时刻发挥作用，”论文初级作者、Wistar研究所研究员 Shelley L. Berger教授说，“当然在酵母和哺乳动物以外的生命形式中，这种分子标记对于的染色体压缩也可能发挥相似的作用，提示我们：

压缩在进化过程中是非常非常重要的一个环节。

”

   Berger推测，压缩也许能够回答许多重要的生物学假说。

   “DNA在配子中是以单链形式存在的，很容易断裂或者发生突变，”她说，“压缩能够保持基因组的稳定性。

假如配子中的单链DNA受损，其很有可能断裂，然后以破坏性方式重新组装。

”

    她强调，双链DNA假如发生损伤，能够以剩下的一条单链为模板依据碱基互补原则重新修复损伤。

   “在高等生物中，组装能够影响精子的可孕性和功能，继而影响物种的繁殖能力，”研究小组带头人、Thanuja Krishnamoorthy博士说，“我们有必要更好地了解精子形成过程中基因组装。

”

   实验中一直强调的分子是一种调节组氨酸的磷分子。

组氨酸是一种环绕在DNA周围，与DNA共同组装成核小体的小分子蛋白。

成串的核小体是染色体的结构基础。

   Krishnamoorthy在酵母实验中检验观察结果。

实验过程中，Krishnamoorthy改变了组氨酸上这种关键蛋白附着点。

最后发现：

这种蛋白不能附着在组氨酸上，压缩过程被严重抑制了。

“我们发现实验酵母单孢子内部，染色质的体积明显变大，好像压缩过程消失了一样，”  

   Berger说，“单孢子形成的成功率也明显下降了。

4.转基因的若干问题

转基因技术的定义

将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体的性状的可遗传的修饰，这一技术称之为转基因技术。

人们常说的"遗传工程"、"基因工程"、"遗传转化"均为转基因的同义词。

经转基因技术修饰的生物体在媒体上常被称为"遗传修饰过的生物体"（Geneticallymodifiedorganism，简称GMO）。

几种常用的植物转基因方法

遗传转化的方法按其是否需要通过组织培养、再生植株可分成两大类，第一类需要通过组织培养再生植株，常用的方法有农杆菌介导转化法、基因枪法；另一类方法不需要通过组织培养，目前比较成熟的主要有花粉管通道法。

1．农杆菌介导转化法

农杆菌是普遍存在于土壤中的一种革兰氏阴性细菌，它能在自然条件下趋化性地感染大多数双子叶植物的受伤部位，并诱导产生冠瘿瘤或发状根。

根癌农杆菌和发根农杆菌中细胞中分别含有Ti质粒和Ri质粒，其上有一段T-DNA，农杆菌通过侵染植物伤口进入细胞后，可将T-DNA插入到植物基因组中。

因此，农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系。

人们将目的基因插入到经过改造的T-DNA区，借助农杆菌的感染实现外源基因向植物细胞的转移与整合，然后通过细胞和组织培养技术，再生出转基因植株。

农杆菌介导法起初只被用于双子叶植物中，近年来，农杆菌介导转化在一些单子叶植物（尤其是水稻）中也得到了广泛应用。

2．基因枪介导转化法

利用火药爆炸或高压气体加速（这一加速设备被称为基因枪），将包裹了带目的基因的DNA溶液的高速微弹直接送入完整的植物组织和细胞中，然后通过细胞和组织培养技术，再生出植株，选出其中转基因阳性植株即为转基因植株。

与农杆菌转化相比，基因枪法转化的一个主要优点是不受受体植物范围的限制。

而且其载体质粒的构建也相对简单，因此也是目前转基因研究中应用较为广泛的一种方法。

3．花粉管通道法

在授粉后向子房注射合目的基因的DNA溶液，利用植物在开花、受精过程中形成的花粉管通道，将外源DNA导入受精卵细胞，并进一步地被整合到受体细胞的基因组中，随着受精卵的发育而成为带转基因的新个体。

该方法于80年代初期由我国学者周光宇提出，我国目前推广面积最大的转基因抗虫棉就是用花粉管通道法培育出来的。

该法的最大优点是不依赖组织培养人工再生植株，技术简单，不需要装备精良的实验室，常规育种工作者易于掌握。

常用的动物转基因技术

1．显微注射法

在显微镜下，用一根极细的玻璃针（直径1-2微米）直接将DNA注射到胚胎的细胞核内，再把注射过DNA的胚胎移植到动物体内，使之发育成正常的幼仔。

用这种方法生产的动物约有十分之一是整合外源基因的转基因动物。

2．体细胞核移植方法

先在体外培养的体细胞中进行基因导入，筛选获得带转基因的细胞。

然后，将带转基因体细胞移植到去掉细胞核的卵细胞中，生产重构胚胎。

重构胚胎经移植到母体中，产生的仔畜百分之百是转基因动物。

转基因技术与传统技术的关系

自从人类耕种作物以来，我们的祖先就从未停止过作物的遗传改良。

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而实现遗传改良。

因此，转基因技术与传统技术是一脉相承的，其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，转基因技术与传统育种技术有两点重要区别。

第一，传统技术一般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。

第二，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，