生物技术的内容

生物技术的内容_普通生物学

第一节　生物技术的内容

生物技术是指以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。它主要包括基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和蛋白质工程五个领域。

一、基因工程

（一）基因工程的概念

基因工程是指在基因水平上的遗传工程，它是用人为方法将所需要的某一供体生物的遗传物质DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源遗传物质在其中“安家落户”，进行正常复制和表达，从而获得新物种的一种崭新的育种技术。

（二）基因工程的基本步骤

基因工程是一项非常复杂的技术操作，它包括以下几个基本步骤。

1．目的基因的获取

获取目的基因是实施基因工程的第一步，目的基因是指通过人工方法分离、改造、扩增并能够表达的特定基因，或者是按计划获取的有经济价值的基因，如植物的抗病（抗病毒、抗细菌）基因、种子的贮藏蛋白的基因，以及人的胰岛素基因等，都是目的基因。

2．载体构建

用人工方法，取得目的基因的适宜载体，即质粒或病毒。载体一般带有必要的标志基因，以便进行检测。

3．目的基因插入载体

用人工的方法将目的基因与运载体结合的过程，首先用限制性内切酶和其他一些酶类，修饰或切割目的基因和载体DNA，然后用DNA连接酶将两者连接起来，使目的基因插入载体内，形成重组DNA分子。这些工作都在生物体外进行，所以又称体外DNA重组，是基因工程的核心。

4．重组DNA导入受体细胞进行扩增

用人工方法，让携带目的基因的运载体进入新的生物细胞里，让其大量扩增或者表达，由此形成重组DNA的无性生殖系。能够接受重组DNA分子并使其稳定维持的细胞，称为受体细胞。基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。

5．基因重组体的筛选与鉴定

以上步骤完成后，在全部的受体细胞中，真正能够摄入重组DNA分子的受体细胞是很少的。因此，必须通过一定的手段对受体细胞中是否导入了目的基因进行筛选与鉴定。

（三）基因工程的研究历史

基因工程的发展过程也是人类探究自然界生物和人类自身遗传奥秘的过程。自从1953年Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模型以来，明确了基因就是染色体上具有一定功能的DNA片段。1958年Crick提出遗传信息传递的中心法则，阐明了贮存在核酸中的遗传信息的传递方向和连续性。20世纪60年代末70年代初，DNA限制性内切酶及DNA连接酶的发现使两种DNA片段能够重新连接起来，使体外DNA操作成为可能。1973年，美国斯坦福大学教授S．Cohen首先在体外进行了改造DNA的研究，成功地构建成世界上第一个体外重组的DNA分子。1974年，S．Cohen又将非洲爪蟾的DNA与大肠杆菌的质粒“拼接”，拼接后的杂合质粒进入大肠杆菌，产生了非洲爪蟾的核糖体核糖核酸（rRNA），从而完成了DNA体外重组和扩增的全过程。后来S．Cohen以DNA重组技术发明人的身份向美国专利局申报了世界上第一个基因工程的技术专利。一门新的生物学科——基因工程学也就从此诞生了。

基因工程在农牧业、工业、环境保护、医疗卫生等方面都有广泛应用。

二、细胞工程

（一）细胞工程的概念

细胞工程是指应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法，按照人们的需要和设计，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞的结构和内含物，以改变生物的结构和功能，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的生物工程技术。

（二）细胞工程的研究内容

根据研究层次的不同，可将细胞工程分为染色体工程、染色体组工程、细胞质工程和细胞融合工程。根据研究水平的不同，细胞工程可分为细胞水平、组织水平、细胞器水平和基因水平。根据研究对象的不同，细胞工程可分为动物细胞工程、植物细胞工程和微生物细胞工程，通常将微生物细胞工程归为发酵工程范畴。

1．染色体工程

染色体工程将一种生物的特定染色体，按照人们的需要来消除、添加，或同别的生物的染色体置换，或改造的技术。动物染色体工程主要采用对细胞进行微操作的方法来达到转基因的目的。植物细胞工程目前主要是利用传统的杂交回交等方法来达到改变染色体的目的。目前基因工程的操作技术多限于单个或少数基因在大肠杆菌等微生物中的表达。为了改变真核细胞的遗传性和控制高等生物的生命活动，还必须研究和开发染色体工程，建立一种新的技术体系，把所需的基因或染色体片段整合到染色体的任意位置，并能将有关遗传信息在细胞分裂中一代又一代地传递下去。目前这方面的工作还处于起步阶段。

2．染色体组工程

染色体组工程是改变整个染色体组数的技术。自从1937年秋水仙素用于生物学后，多倍体的工作得到了迅速发展，例如得到三倍体西瓜、四倍体小麦、八倍体小黑麦等。

3．细胞质工程

细胞质工程是通过物理或化学方法将细胞质与细胞核分开，再进行不同细胞间核质的重新组合，形成新的细胞。可用于细胞核与细胞质的关系方面的基础研究和育种工作。

4．细胞融合

细胞融合是采用自然或人工的方法使两个或几个不同细胞融合为一个细胞的过程，用于产生新的品种或品系及产生单克隆抗体。单克隆抗体技术是利用克隆化的杂交瘤细胞分泌高度收益的单克隆抗体，具有很高的实用价值，在诊断和治疗病症方面有着广泛的应用前景。

5．植物细胞工程

植物细胞工程是以植物细胞为基本单位进行培养、繁殖或按照人们的意图改变细胞的某些生物学特性，从而改良品种或获得新的生物和物种。植物细胞工程包括植物组织培养技术、细胞培养技术、原生质体融合与培养技术、亚细胞水平的操作技术等。植物细胞工程要早于动物细胞工程。

6．动物细胞工程

动物细胞工程是以动物细胞为基本单位在体外条件下进行培养、繁殖和人为操作，使细胞产生某些人们所需要的生物学特性，从而改良品质，加速繁殖动物个体或获得有用品系的技术。动物细胞工程是一门应用性科学技术，其主要的学科基础是基础生物学和生物化学工程，另外还有遗传学、免疫学、分子生物学、生物化学、微生物学、应用物理和电子计算机等，是由多个学科综合而成的新兴技术。

动物细胞工程常用的技术手段有动物细胞培养、动物细胞融合、单克隆抗体、胚胎移植等。其中，动物细胞培养技术是动物细胞工程的技术基础。

（三）细胞工程的研究历史

植物细胞培养的研究始于20世纪初。1902年，德国植物学家哈贝兰特依据细胞学说的内容认为，每一个分离出来的高等植物的细胞都具有进一步分裂和发育的能力。到20世纪30年代，植物细胞培养研究取得了突破性进展。1955年，米勒等学者发现激动素能促使培养细胞分裂，还可以代替腺嘌呤促进发芽。1956年，Roetier等首先申请了用植物细胞培养技术生产化学物质的专利。20世纪60年代，Cocking等建立了植物原生质体培养和融合技术。20世纪70年代以后，外源基因片段可引入植物细胞体内，通过培养这种细胞，可获得人们需要的产物。同时，大规模培养技术方面也取得了巨大发展，1983年，首例转基因植物培育成功。20世纪90年代初，转基因植物进入产业化阶段。

动物细胞工程晚于植物细胞工程，起初应用于疫苗的生产。20世纪20年代至50年代，已经开发出多种病毒或细菌疫苗。1951年，Earle等开发了能促进动物细胞体外培养的培养液，这标志近代动物细胞培养技术的开端。20世纪50年代开始大规模培养动物细胞生产生物制品。20世纪70年代基因重组技术和杂交瘤技术的研究发明使动物细胞工程技术的应用日益完善。1982年，重组人胰岛素药物的推出，标志着细胞工程商业化的开始。

三、发酵工程

（一）发酵工程的定义

发酵工程是研究微生物工业生产中各单元操作的工艺和设备的一门学科。其主要内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，来制备微生物菌体或其代谢产物的过程。

（二）发酵工程的基本步骤

发酵工程基本上可分为上游工程、发酵和下游工程。其中上游工程包括优良菌种的选育、最适发酵条件（如营养成分、pH值、温度等）的确定、营养物质的准备等。发酵部分是微生物反应过程，主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。这里要有严格的无菌生长环境，包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术、在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术、在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术，还有种子培养和生产培养的不同的工艺技术。下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术，包括固液分离技术（离心分离、过滤分离、沉淀分离等工艺）、细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等）、蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空干燥和冰冻干事燥等）。

发酵工程必须具备以下条件：某种适宜的微生物；要保证或控制微生物进行代谢的各种条件，即培养基的组成、温度、溶氧浓度、pH值等；微生物发酵需要的设备；提取菌体或代谢产物或精制产品的方法和设备。

（三）发酵工程发展史

发酵工程发展到今天经历了天然发酵、纯培养技术的建立、通气搅拌发酵技术的建立、代谢控制发酵技术的建立、开拓发酵原料、基因工程等阶段。

20世纪20年代的酒精、甘油和丙酮等发酵工程，属于厌氧发酵。从那时起，发酵工程又经历了几次重大的转折，并不断地发展和完善。

20世纪40年代初，随着青霉素的发现，抗生素发酵工业逐渐兴起。由于青霉素产生菌是需氧型的，微生物学家就在厌氧发酵技术的基础上，成功地引进了通气搅拌和一整套无菌技术，建立了深层通气发酵技术。它大大促进了发酵工业的发展，使有机酸、维生素、激素等都可以用发酵法大规模生产。

1957年，日本用微生物生产谷氨酸成功，使得代谢控制发酵技术在20世纪六七十年代进入广泛应用的鼎盛时期，20种氨基酸和核苷酸物质都可以采用发酵法生产，可以说在发酵原料方面，发酵技术又有了新的飞跃。

20世纪70年代以后，随着DNA重组技术、细胞大规模培养技术、转基因技术、PCR技术、生物芯片技术等的出现，生物技术发生了革命性的变化。同时随着基因重组、细胞和组织培养、动植物细胞的大规模培养和计算机的广泛应用以及产品分离、纯化等技术的发展，发酵工程和基因工程技术的结合进入新的发展阶段。

（四）发酵工程的内容

发酵工程的内容主要包括菌种的培养和选育、发酵条件的优化与控制、发酵反应器的设计和自动控制、产品的分离纯化和精制等过程。在食品工业（如调味品、食品添加剂、发酵食品等）、化工、医药工业（如核苷酸、抗生素、激素等）、冶金、能源开发、污水处理等领域都有广泛应用。目前已知的具有生产价值的发酵类型有以下五种。

1．微生物菌体发酵

微生物菌体发酵是以获得微生物菌体为目的的发酵方式。传统的工业发酵有面包制作的酵母发酵及食品的微生物菌体蛋白发酵两种类型；现代的菌体发酵常用来生产一些真菌类，如各种蘑菇、冬虫夏草以及灵芝等药用真菌；还可生产生物防治剂，如苏云金杆菌、伴孢晶体可以毒杀鳞翅目、双翅目害虫。

2．微生物酶发酵

微生物酶发酵是以获得酶制剂为目的的发酵方式。最初，人们是从动、植物组织中提取酶，但目前工业应用的酶大多来自微生物发酵，因为微生物具有种类多、产酶面广、生产容易和成本低等特点。微生物酶制剂具有广泛的用途，例如：微生物生产的青霉素酰化酶用于半合成青霉素时，制备中间体6－氨基青霉烷胺；胆固醇氧化酶用于检查血清中胆固醇的含量；葡萄糖氧化酶用于检查血中葡萄糖的含量等。

3．微生物代谢产物发酵

微生物代谢产物的种类很多，已知的有37个大类。根据菌体不同生长时期的产物不同，可分为初级代谢产物和次级代谢产物。初级代谢产物指在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长繁殖所必需的。次级代谢产物指在菌体生长静止期，某些菌体合成的一些具有特定功能的产物，最主要的是抗生素，还有生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。

4．微生物转化发酵

微生物转化发酵是利用微生物细胞的一种或多种酶把一种化合物转变为结构相关的更有价值的产物的生化反应。可进行的转化反应包括：脱氢反应、氧化反应、脱水反应、缩合反应、脱羧反应和异构化反应等。最古老的生物转化是利用乙醇脱氢酶将乙醇转化成乙酸的醋酸发酵，生物转化还可以将葡萄糖转化成葡萄糖酸。

5．生物工程细胞的发酵

生物工程细胞的发酵是利用生物工程技术所获得的细胞，如DNA重组的“工程菌”、细胞融合所得的“杂交”细胞等进行培养的新型发酵，其产物多种多样。如用基因工程菌生产胰岛素、干扰素、青霉素、酚化酶等，用杂交瘤细胞生产用于治疗和诊断的单克隆抗体等。

四、酶工程

（一）酶工程概述

1．酶的概念及研究意义

酶是由活细胞产生的具有催化功能的生物大分子。它存在于活细胞中，控制机体的各种代谢过程。按照其化学组成，可以分为蛋白酶和核酸酶。蛋白酶主要由蛋白质组成，核酸酶主要由核糖核酸（RNA）组成。细胞生命代谢中的化学反应都是在酶的催化作用下进行的。

酶存在于所有的细胞核组织中，并不断进行自我更新。组成代谢体系的生化反应多数是在酶的催化下进行的，而且生物体能够通过多方面因素对酶的活性进行调节和控制，使复杂的代谢活动有条不紊地进行。因此，酶在生命活动中占有极其重要的地位。

酶与生命科学密切相关，对酶的深入研究推动了多种学科的发展，产生了多个交叉学科。20世纪以来，先后形成了生物化学、生物技术、分子生物学以及仿生学等。其中生物技术占有核心地位，其研究与应用推动了工业、农业、食品、环保、能源开发、医药卫生等方面的迅速发展，成为21世纪的主导学科之一。酶工程作为生物技术的分支，在上述领域的发展中起到了十分重要的作用。

2．酶工程的概念

酶工程是研究酶的生产和应用的一门学科，即将酶或者微生物细胞、动植物细胞、细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备，酶的固定化、酶的修饰与改造及酶的发酵生产等。酶工程的应用，主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。

（二）酶工程技术

目前已经发现的酶有7000种以上，但实际被用于工业生产的仅10余种。已经能够实现工业化生产的酶有淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、葡萄糖异构酶等。概括地说，酶工程包括酶制剂的生产和应用两个方面。它包括酶制剂的制备、酶的固定化、酶的修饰与改造及酶的发酵生产等方面的内容。

1．酶制剂的制备

初期酶制剂主要来源于动物材料，现在酶主要来自微生物。生产酶制剂的过程主要包括酶的产生、提取、纯化和固定化等步骤。

（1）酶的产生、提取和纯化　酶普遍存在于动物、植物和微生物体内。人们最早是从动植物的器官和组织中提取酶的。例如，从胰腺中提取蛋白酶，从麦芽中提取淀粉酶；现在，酶大都来自微生物发酵生产，因为微生物具有容易培养、繁殖速度快和便于大规模生产等优点。从微生物和动植物细胞中得到含有多种酶的提取液后，为了从混合液中获得所需要的某种酶，必须对提取液中的其他物质进行分离，以达到获得纯化酶的目的。

（2）酶的固定化　酶固定化技术是将纯化的酶连接到一定的载体上，使用时将被固定的酶投放到反应溶液中，催化反应结束后再将被固定的酶吸收。固定化酶一般是呈膜状、颗粒状或粉状的酶制剂，它在一定的空间范围内催化底物反应。

（3）固定化细胞　利用胞内酶制作固定化酶时，先要把细胞打碎，然后将里面的酶提取出来，这就增加了酶制剂生产的工序和成本。直接固定细胞同样可以提供所需的酶（胞内酶），因此固定化细胞同样可以代替酶进行催化反应。例如，将酵母细胞吸附到多孔塑料的表面上或包埋在琼脂中制成的固定化酵母细胞，可以用于酒类的发酵生产。

2．酶的修饰与改造

虽然酶在工业、农业、医药、环保和能源开发等方面得到了越来越多的应用，但总体来说，大规模应用酶和酶工艺的并不多。因为酶一旦离开生活细胞，离开其特定的作用环境，常变得稳定性差、活性不高和可能具有还原性等，不适合大量生产的需要。鉴于以上原因，人们需要进行酶分子修饰的研究。

酶分子修饰是指通过各种方法使酶分子结构发生某些改变，从而改变酶的某些特性和功能，创造出天然酶不具备的某些优良性状，使其适应各方面的需要。酶分子修饰主要包括金属离子交换修饰、大分子结合修饰、肽链有限水解修饰、侧链基团修饰、氨基酸转换修饰等方法。

3．酶的发酵生产技术

商业用酶主要来源于动植物组织和某些微生物。传统上从植物体内提取的酶主要有蛋白酶、淀粉酶、氧化酶和其他酶，从动物组织中提取的酶主要有胰蛋白酶、脂肪酶和凝乳酶。但是从动植物组织中提取的酶经常要涉及技术上、经济上以及道德伦理上的问题，使得许多传统的酶源已不能适应当今世界对酶的需求。为了扩大酶源，人们将目光转向了微生物。微生物作为酶生产的主要来源有生长繁殖快、生活周期短、产量高、培养方法简单、生产原料来源丰富、机械化程度高、经济效益高、具有较强的适应性和应变能力等优点。

酶的发酵生产是指在人工控制的条件下，有目的地利用微生物培养生产所需的酶，包括产酶优良菌种的筛选、基因工程菌株的构建和微生物酶的发酵生产三个步骤。目前大部分的酶采用微生物发酵生产。

（三）酶工程的发展历史

早在几千年前，人类已开始利用微生物来制造食物和饮料。然而真正有意识地利用酶不过100年的历史。真正出现酶的概念是在1878年。当时德国的库尼将从麦芽中分离出来的一种能够水解淀粉的物质称为“酶”。1896年德国人巴赫纳兄弟用细砂研磨酵母细胞，然后压取汁液，并证明此不含细胞的酵母提取液也能使糖发酵。因此比较公认的看法是，酶学的研究是从1896年巴赫纳兄弟的实验开始的。

20世纪初，酶学得到了迅速发展。一是发现酶的种类越来越多，二是开始了对酶的作用机理研究，同时发现了辅酶在酶催化反应中的意义。1965年我国科学家首次人工合成具有生物活性的牛胰岛素，称为酶学研究的重要里程碑。

20世纪70年代以后，伴随着第二代酶——固定化酶及其相关技术的产生，酶工程才算真正登上了历史舞台。固定化酶正日益成为工业生产的主力军，在化工医药、轻工食品、环境保护等领域发挥着巨大的作用。不仅如此，还产生了威力更大的第三代酶，它是包括辅助因子再生系统在内的固定化多酶系统，它正在成为酶工程应用的主角。

五、蛋白质工程

（一）蛋白质工程定义

蛋白质是生命的体现者，而生物体内存在的天然蛋白质，有的往往不尽人意，需要进行改造。由于蛋白质是由许多氨基酸按一定顺序连接而成的，每一种蛋白质有自己独特的氨基酸顺序，所以改变其中关键的氨基酸就能改变蛋白质的性质。而氨基酸是由三联体密码决定的，只要改变构成遗传密码的一个或两个碱基就能达到改造蛋白质的目的。蛋白质工程的一个重要途径就是根据人们的需要，对负责编码某种蛋白质的基因重新进行设计，使合成的蛋白质变得更符合人类的需要。

蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基础之上，融合了蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域。其内容主要有两个方面：根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系。在此基础之上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能，设计合成具有特定生物功能的全新的蛋白质，这也是蛋白质工程最根本的目标之一。

一般认为，蛋白质工程就是通过基因重组技术改变或设计合成具有特定生物功能的蛋白质。实际上蛋白质工程包括蛋白质的分离纯化，蛋白质结构和功能的分析、设计和预测，通过基因重组或其他手段改造或创造蛋白质。从广义上来说，蛋白质工程是通过物理、化学、生物和基因重组等技术改造蛋白质或设计合成具有特定功能的新蛋白质。

（二）蛋白质工程的研究内容

蛋白质工程的研究内容包括任何旨在将蛋白质知识转变为实践应用的理论研究和操作技术研究。蛋白质工程研究主要包括以下四大类。

（1）建立结构与功能之间关系的数据库。蛋白质工程的核心内容之一就是收集大量的蛋白质分子结构的信息，以便建立结构与功能之间关系的数据库，为蛋白质结构与功能之间关系的理论研究奠定基础。利用已知的蛋白质一级结构的信息开发应用研究，这是迄今蛋白质工程研究中最成功的领域。例如，利用原核细胞的信号肽直接指导牛胰蛋白酶抑制剂的分泌及加工处理过程。

（2）定量确定蛋白质结构和功能的关系。这是目前蛋白质工程研究的主体，它包括蛋白质三维结构模型的建立，酶催化的性质、蛋白质折叠和稳定性研究，蛋白质变异的探讨等。

（3）从混杂变异体库中筛选出具有特定结构和功能关系的蛋白质。有目的地在特定的位点上使蛋白质产生变异，然后研究结构和功能的关系，如果有了混杂的变异体库，则可筛选出具有特定结构－功能关系的蛋白质。例如，将对热不稳定的酶的基因转移至嗜热生物体内，再利用酶的某种标志选择出对热稳定的酶，既保持酶的固有的性质，又增强了热稳定性。

（4）人工合成。根据已知结构与功能关系的蛋白质，用人工方法合成它及其变异体，完全人为控制蛋白质的性质，目前还仅限于小分子的肽链。