微生物工程的概念和意义

第一节　微生物工程的概念和意义

1．何谓微生物工程

无论是巍峨的大厦，还是壮丽的大桥，任何一项宏伟工程，都要有总设计的蓝图和现场施工图纸，微生物工程也同样。比如我们今天看到的蚕吃桑叶，吐的是蚕丝；鸡吃米谷，而生出的是鸡蛋。我们设想从发酵罐中捞取蚕丝和吃发酵罐中生产的不带壳的鸡蛋，就是这项宏伟工程的总设计蓝图，而传统的发酵技术与基因工程、细胞工程、蛋白质工程、固相化菌、固相化酶技术相结合，就是现场施工技术。这种渗透有工程学的微生物学，就是微生物工程（或发酵工程）。有了按生物工程改造过的微生物细胞（即“工程菌”），接着就是对“工程菌”进行营养、培养条件、发酵罐中生长动力学和产物形成动力学的研究。其目的为生产控制、模拟放大以及电子计算机的程序控制提供模型，从而找到最优化的生产控制条件，最后借助生化工程技术，实现真正按人类意志生产所需的生物工程产品。由此看来，生物工程虽以基因工程为主导和核心，但离不开微生物工程这个基础。

微生物工程具体包括菌种选育、菌体生产、代谢产物的发酵以及微生物机能的利用等。其应用范围为：

（1）微生物菌体生产和应用如面包酵母、利用再生资源生产饲料蛋白、作为生物催化剂使用的微生物细胞。

（2）微生物代谢产物的应用通常包括氨基酸、核苷酸、有机酸等初级代谢产物和抗生素、维生素、激素、生物碱、细胞毒素等次级代谢产物。

（3）微生物机能的利用如微生物对有毒化合物和高分子化合物的分解净化、石油探矿和开采、细菌冶金、有机废弃物的综合治理、海洋和宇宙的开发等。

现代微生物工程不仅使用微生物细胞，也可用动植物细胞发酵生产有用物质。例如，采用培养罐大量培养杂交瘤细胞生产用于疾病诊断和治疗的单克隆抗体，用培养罐大规模培养人参细胞和担子菌生产人参皂苷、生物碱、灵芝多糖等。工业化培养动植物细胞的目的是可以大大缩短生产周期，如用200升罐培养担子菌，两周生产的灵芝多糖，按常规栽培却要六个月。

2．微生物工程的优越性

为了解决世界面临的能源、资源、人口、粮食及污染等严重问题，生物工程已被誉为世界新技术革命的标志之一，受到各国重视。值得注意的是，至今生物工程应用于工业化生产的，主要是微生物（当然也有不少转基因植物、转基因动物成功的报道）。人们不禁要问：为什么基因工程、细胞工程、酶工程、单克隆抗体和生物能量转化等高技术研究成果，最易通过个体最小的微生物（注意，1000个杆菌首尾相连才有1粒米大！）才能转化为生产力呢？我们从微生物种种惊人的特点中找到了答案。原来在生物界中，微生物以比表面积（表面积与体积之比）、转化能力、繁殖速度、变异与适应性和分布范围五大特殊本领而著称。五大本领中最基本的是微生物的比表面积远比其他生物大。如乳酸杆菌比表面积12万倍、鸡蛋1．5倍，90公斤体重的人只有0．3倍。生物体比表面积越大，其代谢活性越强。在适宜条件下，微生物24小时所合成的营养物质相当于原来重量的30～40倍；而一头体重500公斤的乳牛，一昼夜只能合成0．5公斤蛋白质，相差1000倍。在适宜条件下，细菌20分钟繁殖一代，经24小时培养，一个细胞可繁殖成4万亿亿个细胞。细菌比植物繁殖率快500倍，比动物繁殖率快2000倍。微生物也以抗严寒酷暑，耐酸、碱、盐的惊人适应力被誉为“生物界之最”。太平洋海沟高压350摄氏度下的嗜热菌，南极100兆帕（1000个大气压）－18摄氏度下的嗜冷菌，pH0．5酸性有色金属浸矿水中的嗜酸硫杆菌，pH12～13环境下的极端嗜碱菌，甚至在32%盐溶液中的嗜盐菌，在其他生物难以生存的各种极端环境中，都蕴藏着大量的微生物资源。大肠杆菌等细菌、酿酒酵母等酵母菌是单细胞原核微生物和真核微生物的代表，细胞结构和繁殖方式简单，遗传背景清楚，加上微生物的种种特点，是提供特殊功能供体的遗传物质和接受外源遗传物质的最好受体菌株。基因重组和细胞融合技术构成的“工程菌”和“超级菌”，将更造福于人类。

人们知道，传统的化学工业都是大烟囱，冒浓烟，几乎全部在高温高压条件下进行反应，要求耐酸碱、耐腐蚀的设备，既消耗能源，又污染环境。而微生物发酵工程，以活细胞（主要是微生物，也包括动植物细胞）或其组成部分（细胞器和酶）控制在最优条件下进行工业化生产，具有前者无法比拟的优点。

当然与化学工业相比，微生物发酵工程的产品较稀，提取工艺较繁琐、成本较高等难题尚待克服。目前，已建立了一批食品、医药、农药、饲料和生物能等产业，成为世界经济的重要组成部分。微生物工程向应用微生物方向发展，具有极大的经济潜力，必将对我国未来国民经济的发展发挥更大作用。