三、分子生物学与基因工程的应用
（一）理论与科学意义
分子生物学的成就说明，生命活动的根本规律在形形色色的生物体中都是统一的。例如，不论在何种生物体中，都是由同样的氨基酸和核苷酸分别组成其蛋白质和核酸。遗传物质，除某些病毒外，都是DNA，并且在所有的细胞中都以同样的生化机制进行复制。分子遗传学的中心法则和遗传密码，除个别例外，在绝大多数情况下也都是通用的。
物理学的成就证明，一切物质的原子都由为数不多的基本粒子根据相同的规律所组成，说明了物质世界结构上的高度一致，揭示了物质世界的本质，从而带动了整个物理学科的发展。分子生物学则在分子水平上揭示了生命世界的基本结构和生命活动的根本规律的高度一致，揭示了生命现象的本质。和过去基本粒子的研究带动物理学的发展一样，分子生物学的概念和观点也已经渗入到基础和应用生物学的每一个分支领域，带动了整个生物学的发展，使之提高到一个崭新的水平。
过去生物进化的研究，主要依靠对不同种属间形态和解剖方面的比较来决定亲缘关系。
随着蛋白质和核酸结构测定方法的进展，比较不同种属的蛋白质或核酸的化学结构，即可根据差异的程度，来断定它们的亲缘关系。由此得出的系统进化树，与用经典方法得到的是基本符合的。采用分子生物学的方法研究分类与进化有特别的优越性。第一，构成生物体的基本生物大分子的结构反映了生命活动中更为本质的方面。第二，根据结构上的差异程度可以对亲缘关系给出一个定量的，因而也是更准确的概念。第三，对于形态结构非常简单的微生物的进化，则只有用这种方法才能得到可靠结果。
高等动物的高级神经活动是极其复杂的生命现象，过去多是在细胞乃至整体水平上研究，近年来深入到分子水平研究的结果充分说明高级神经活动也同样是以生物大分子的活动为基础的。例如，在高等动物学习与记忆的过程中，大脑中RNA和蛋白质的组成发生明显的变化，并且一些影响生物体合成蛋白质的药物也显著地影响学习与记忆的能力。又如，“生物钟”是一种熟知的生物现象。用鸡进行的实验发现，有一种重要的神经传递介质（5-羟色胺）和一种激素（褪黑激素）以及控制它们变化的一种酶，在鸡脑中的含量呈24小时的周期性变化。正是这种变化构成了鸡的“生物钟”的物质基础。
（二）实践与应用意义
在应用方面，生物膜能量转换原理的阐明，将有助于解决全球性的能源问题。了解酶的催化原理就能更有针对性地进行酶的人工模拟，设计出化学工业上广泛使用的新催化剂，从而给化学工业带来一场革命。
近几年来，人类基因组研究的进展日新月异，而分子生物学技术也不断完善，随着基因组研究向各学科的不断渗透，这些学科的进展达到了前所未有的高度。在法医学上，STR位点和单核苷酸（SNP）位、点检测分别是第二代、第三代DNA分析技术的核心，是继RFLPs（限制性片段长度多态性）VNTRs（可变数量串联重复序列多态性）研究而发展起来的检测技术。作为最前沿的刑事生物技术，DNA分析为法医物证检验提供了科学、可靠和快捷的手段，使物证鉴定从个体排除过渡到了可以作同一认定的水平，DNA检验能直接认定犯罪，为凶杀案、强奸杀人案、碎尸案、强奸致孕案等重大疑难案件的侦破提供准确可靠的依据。随着DNA技术的发展和应用，DNA标志系统的检测将成为破案的重要手段和途径。此方法作为亲子鉴定已经是非常成熟的，也是国际上公认的最好的一种方法。
分子生物学在生物工程技术中也起了巨大的作用，1973年重组DNA技术的成功，为基因工程的发展铺平了道路。80年代以来，已经采用基因工程技术，把高等动物的一些基因引入单细胞生物，用发酵方法生产干扰素、多种多肽激素和疫苗等。基因工程的进一步发展将为定向培育动、植物和微生物良种以及有效地控制和治疗一些人类遗传性疾病提供根本性的解决途径。
目前，科学家可从任何生物中分离出对人类有益的基因，并能够将分离到的基因插入到一种小的、能够自动复制的染色体外遗传结构如细菌质粒或病毒DNA上，并将这种人工重组的DNA导入衍生细胞如细菌、酵母等细胞内，也能够对这类含有重组DNA的生物进行大容量培养，最后分离和纯化所要的基因。科学家还能够将基因连接到某种特殊调节信号上，使基因在细菌、植物或动物中正确表达。在某些情况下，还可将基因限制在高等植物和动物的某些特殊组织或细胞中表达。简言之，科学家可以按照自己的意愿将基因切割下来和将其间任何来源的DNA分子连接在一起，最后再将其导入细胞中，并使之按照人类的要求进行表达。
四、分子生物学与基因工程研究的未来发展趋势
回顾20世纪初，生命科学各学科所涉及的领域彼此间界限甚是分明，例如解剖学、细胞学、微生物学、病理学、生理学、药理学等，它们都运用特定的理论与手段进行明确领域的研究。但是到了21世纪，学科间的界限变得十分模糊，方法学上相互运用，理论上彼此借鉴，大家有了共同的语言。这是因为生命科学家都在用分子生物学与生物化学的方法、手段与理论去探讨生命现象中的众多问题。目前，生命科学家已有了共识：只有把维系生命现象的过程如同化学反应一样去研究它，理解它，才能把生命现象的本质揭示出来。这是生命科学发展的必然趋势。
上世纪50年代以来，分子生物学与基因工程研究取得了惊人的进展，解决了生物学中许多重大问题，如核酸的双螺旋结构、核酸复制、遗传密码、遗传的中心法则、病毒中逆转录酶的发现等。蛋白质纯化方法、结构分析的高速发展，激素受体学说及信息传递第二信使的发现等等，都使生命科学研究上了一个新台阶。几乎每年的诺贝尔医学或生理学奖以及若干诺贝尔化学奖都授予了从事分子生物学与基因工程研究的科学家，他们的贡献在生命科学历史上留下了光辉的一页。
这些发明创造及由此产生的影响遍及生命科学各个领域，也为今后发展勾画出前进的方向。可以预言，21世纪的分子生物学与基因工程仍然会充满生机，并将继续影响生命科学的各个方面。分子生物学与基因工程的主要研究对象是蛋白质、酶、核酸、糖及脂类，其研究内容已更为深入并渗透到许多领域。
（一）蛋白质与酶学
蛋白质的功能丰富多样，诸如运动、消化、吸收、信息传递等都是蛋白质功能的表现。如果没有一个基本原理去解释它们，就会被各种现象所迷惑。过去用严谨的物理学和化学理论以及实验技术揭示了小分子物质的性质与功能，同样的原理，大体上也能推导和预测像蛋白质那样复杂大分子的性质和功能，因此，当前蛋白质研究的一个中心课题是确定组成蛋白质的每个原子的三维空间排列。其最终目标是从蛋白质的化学式和三维空间结构预测其结构和功能，从而人类可以改造、模拟并合成蛋白质。
蛋白质一级结构即氨基酸的序列研究是蛋白质研究的基础。过去60年已有长足进展。
近年来，分析手段的发展很快，如应用快原子轰击质谱（FAB/MS）分析、核磁共振（NMR）波谱分析、X射线衍射分析等。X射线衍射晶体学方法开发较早，但至今仍是研究蛋白质晶体结构的最有效的手段。编码蛋白质基因的分子克隆技术以及快速DNA序列分析技术的建立，是蛋白质结构分析的又一有力武器。
目前，已有的分析方法正在进一步计算机化、微量化和联机化。可靠、迅速的分析方法积累了大量数据，随之也建立了有效的数据库。一些未知功能的蛋白质通过与其他蛋白质之间的氨基酸序列相比较而得到了线索。
蛋白质基础理论研究的成就，大大促进了新技术的开发。如多肽工程与蛋白质工程，这是20世纪80年代兴起并迅速发展的领域。开始时主要是通过点突变来改造天然蛋白质，以后发展到蛋白质分子的全新设计以至非肽模拟。多肽与蛋白质工程的发展最终将改变传统工业的高温、高压、高能耗状况，代之以节省能量与资源的高效率生产方式。
酶学研究是蛋白质结构、功能与生物催化机理研究的结合。由于生物化学与分子生物学的每个领域都涉及酶学的理论和实验手段，因此酶学和蛋白质研究是生物化学和分子生物学的共同基础。
酶是生物催化剂，体内所有化学反应几乎都是在酶的催化下进行。过去一直认为酶的本质是蛋白质，并希望能有朝一日人工合成酶蛋白，但始终未能实现。80年代，发现了酶活性核糖核酸（ribozyme）和抗体酶（abzyme），打破了酶即是蛋白质的经典概念。抗体酶技术将为酶的定向设计展现广泛的前景，如果一旦能制造出对氨基酸序列有特异性的抗体酶，能限制性地切割不同氨基酸残基间的肽键，则将对蛋白质结构的研究提供新的手段。抗体酶的定向设计也开辟了一个不依赖于蛋白质工程的真正酶工程领域。
酶学研究除了上述基础理论方面的重要成就以外，在应用研究方面也取得很大进展。
60年代后期兴起的固定化酶技术在工农业和医学中实际应用的巨大效益，已受到世界各国的注意。事实上，果葡糖浆、氨基酸、有机酸、酒精、抗生素等重要化工、医药产品已可由固定化酶技术生产。建立在吸附、共价结合、交联、包埋等物理和化学原理基础上的近百种方法已被用来将酶固定化在载体上或载体内。今天人们已能根据应用目的和酶的特性，选择合适的固定化方法和载体。固相酶的理论研究也因需要而获得发展，诸如固相酶的稳定性、动力学、底物专一性的改变等都已有不少报道和研究。通过固相化，使酶在有机溶剂中的催化成为可能，有机化合物的不对称水解、不对称合成、氧化还原反应和加成反应都有可能用固相化酶在温和条件下催化。在单一酶固相化的基础上，发展了多酶体系的共固相化，如天冬氨酸酶和天冬氨酸脱羧酶的共固相化可从延胡素酸生产L-丙氨酸。近几年来又进一步建立了固相活细胞技术，使细胞能在载体上生长繁殖，获得高密度制剂，并能将细胞生长期和生产期分开，延长生产期，使用后衰减的生产能力还可再生。为了生产高等生物体内某些具有经济价值的酶、激素、免疫化合物、生物碱、色素和香料等，又从固相微生物细胞发展至难度较高的固相动、植物细胞。各种微载体和大孔胶材料为贴壁的动物细胞提供了较大的比表面，如琼脂糖凝胶、海藻酸聚赖氨酸微囊和中孔纤维可用来包埋贴壁细胞和悬浮细胞。已有报道应用固相化动物细胞生产单克隆抗体、干扰素和乙肝疫苗等。利用固相化植物细胞从简单碳源合成生物碱或进行生物碱等药物中间体的转化也已有不少成功的例子。
固相酶技术的发展使生物传感器应运而生。生物传感器是具有专一识别功能的生物材料（如酶）与基于化学或物理学原理的换能检测装置结合而构成的，酶电极就是最早期的生物传感器。目前约有10种可用于临床生化测定的酶电极商品化，分别可测定葡萄糖、尿素、尿酸、乳酸和谷氨酸等。近几年来，生物传感器的发展十分迅速，有专一识别能力的生物材料已从酶发展到抗体、受体、细胞器甚至细胞组成功能元件，换能检测器也从电极（气敏、离子敏）发展到离子敏场效应晶体管、热敏电阻器、发光二极管、光纤和石英压电振荡器，能把各种化学信息转变成电信号加以度量。目前生物传感器的主要趋向是微型化和多功能化，并发展成生物芯片。把具有信息传递、记忆、分子识别、能量传递和放大功能的生物分子组成像集成电路那样的芯片，这将促进未来的生物电脑的出现。
