生物工程概述

第一节　生物工程概述

生物工程有时也称生物技术，被世界各国视为一项高新技术，并位于世界七大高新技术之首位，生物工程之所以令世界各国如此重视，是因为它在解决人类所面临的诸如食物短缺、人类健康、环境污染和资源匮乏等重大问题上有着不可比拟的优越性，还因为它与理、工、农、医等科技的发展，与伦理道德、法律等社会问题都有着密切的关系。生物工程产业将是21世纪的支柱产业。

一、生物工程的概念及研究内容

1.生物工程的概念

生物工程是20世纪70年代以后发展起来的一门新技术、新学科，由于发展时间短，所涉及的理论、技术和研究内容尚在不断完善之中，因此在相关书刊上经常出现生物技术、基因工程等术语来表示生物工程的含义，这里根据国内外普遍的观点对生物技术和生物工程作一粗略的概述。

生物技术是指以现代生命科学为基础（分子生物学、细胞生物学），结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，利用生物体及其亚细胞结构和分子，研究、设计和制造新产品，或预期性地改变生物的特性乃至创造新的物种或品种，使人们得到所期望的品质的技术。生物工程也是以生物材料为研究对象，通过工程学原理和手段开发新产品的工业过程，在工程学的含义里，重点在生产手段和设备的研究。而技术是需要将一定的科学原理与工程学原理相结合，研究开发相应的工艺学，因此目前生物技术的含义包括了技术与工程两者，不同的学者对生物技术和生物工程的定义稍有不同，但基本观点是相似的。

基因工程又称DNA重组技术，是通过体外遗传物质DNA进行人工“剪切”和“拼接”等方法，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导人受体细胞，进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生人类需要的基因产物。生物工程包括基因工程。

2.生物工程的研究内容

生物工程研究内容主要包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程。这五个工程密切联系、相互影响，其核心工程是基因工程。

（1）基因工程　基因工程是20世纪70年代以后兴起的一门新技术，其主要原理是应用人工方法把生物的遗传物质，通常是脱氧核糖核酸（DNA）分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组了的DNA导入某种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品性；有时还使新的遗传信息在新的宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物（多肽或蛋白质）。这种定向地改变生物遗传特性或创造新物种的过程就称为基因工程，也称DNA重组技术，是在分子水平上的一种操作技术，所以它是分子水平的生物工程。

（2）细胞工程　一般认为，细胞工程是指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖，或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而改良生物品种和创造新品种，加速繁育动、植物个体，或获得某种有用的物质的过程。所以细胞工程应包括动、植物细胞的体外培养技术、细胞融合技术（也称细胞杂交技术）、细胞器移植技术等，是在细胞水平和亚细胞水平上的生物工程。

细胞融合是不同种类的细胞，通过生物学、化学或物理学方法，使其原生质体融合在一起，这可以克服远缘种问的不亲和性，扩大遗传重组范围，筛选杂种后代；细胞大规模培养技术，是以工业生产为目的，不受气候、季节等限制，从大量培养的细胞中获得药物及其他有用物质；组织培养快速繁殖技术，是利用动植物组织和细胞的全能性，进行快速的无性繁殖，在比天然生长发育短得多的时间内得到动植物幼苗或组织，便于工业化生产；细胞移植技术是通过显微或超微技术，将一种细胞的细胞核或某种细胞器转移到另一种不同细胞中的核移植和细胞质移植技术，以产生具有超级功能的新细胞。

（3）酶工程　所谓酶工程是利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。

在工业生产上，就是在一定的生物反应器中，利用酶的催化作用，将相应的原料转化成所需的产品。酶的固定化技术，就是将酶（或细胞）与高分子化合物相结合，成为固相，便于长期反复使用，进行连续化生产，这样，既保证了酶的特异催化作用，又延长了酶的使用寿命。酶的分子改造和化学修饰技术，是通过对酶分子主链的“切割”、“剪接”和侧链基团的修饰，以改变酶的物化性质（如提高稳定性）及生物活性（如提高酶活力、解除抗原性等），或者给酶赋予新的功能，大大提高酶的实用性。此外，根据对酶结构的研究以及结构与功能关系的阐明，按照人们的要求设计新的酶，也是酶工程的重要内容及研究方向，是在更高层次上扩大酶的应用范围。

（4）发酵工程　利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程，有时也称微生物工程。发酵工程包括生物反应器的设计、传感器的研制和产品的分离、精制技术。发酵工程不同于传统的发酵技术，发酵工程是将传统的发酵与DNA重组、细胞融合等新技术相结合并加以发展的现代发酵技术，所使用的生产菌种应是通过生物工程手段选育、改造，并具有新的生物机能的所谓“工程菌”，因此所得到的产品无论产量还是质量都是传统发酵技术不能比拟的。

（5）蛋白质工程　指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接的目的，以产生能满足人类需要的新型蛋白质。

上述五项工程并不是各自独立的，它们彼此之间是互相联系、互相渗透的。其中的基因工程技术是核心技术，它能带动其他技术的发展。比如通过基因工程对细菌或细胞改造后获得的“工程菌”或细胞，都必须分别通过发酵工程或细胞工程来生产有用的物质；又如通过基因工程技术对酶进行改造，以增加酶的产量、酶的稳定性以及提高酶的催化效率等。

二、生物工程在现代领域中的应用

随着生命科学的发展，生物技术在各行各业的应用也越来越广泛和深入，已逐渐形成了医学生物技术、农业生物技术、海洋生物技术、食品生物技术、环境保护生物技术、能源化工生物技术等，生物技术产业将是21世纪的支柱产业，它的发展对人类社会的生产、生活将产生深远的影响。

1.在工业领域的应用

（1）在食品和轻工业的应用　生物工程在食品工业的应用历史悠久，不仅可用来制造特殊风味的食品，而且越来越多地被用来改进食品加工工艺，提供新的食品资源和在食品分析检测中提供简便、快捷、灵敏的方法。

微生物工程是应用于食品工业的古老传统的生物技术，利用微生物发酵工程所取得的成果涉及食品的生产、新食品的配料、食品加工的添加剂以及废弃物利用和食品检测，目前已形成了柠檬酸、谷氨酸、淀粉酶酶制剂、发酵酒精和酵母制品的发酵工业体系。

基因工程在食品工业中的应用主要涉及改造食品的原材料（如微生物、植物和动物）的品质，进而达到改良食品品质的目的。如荷兰开发出不含直链淀粉的新型马铃薯，改变了它的淀粉组成，提高了马铃薯的贮存和加工特性。

（2）在化工及冶金工业的应用　生物工程在化学工业方面的应用前景十分广阔，它不仅可提供大量廉价的原料和产品，而且不断出现省能耗、少污染的新工艺，甚至革新整个现代化工业。

现在已经利用固定化棒杆菌的生物反应器，由丙烯腈生产丙烯酰胺（涂料材料），应用微生物法氧化正烷烃生产癸二酸，它是生产尼龙和香料的原料。利用生物工程方法将烷烃转化成多种高碳二元酸和二元醇，由碳水化合物生产合成橡胶的原料2，3-丁二醇等，都在生产上已开始应用。

在冶金工业上可以利用微生物（或生物工程菌）及其代谢产物作为浸矿剂，以富集尾矿、贫矿以及海洋的有色金属，提高产量。例如，已大规模利用硫杆菌浸铜和铀，以及用细菌于煤炭脱硫；还可以从低品位矿石中回收银、铅、锌、镍等有色金属。此外，德国利用生物技术从海水中提取铀，不仅保护了海洋生态环境，而且大大节约投资，提高了经济效益。

（3）在环保和能源领域的应用　生物工程在环境保护领域的应用目前主要是在两个方面：一是利用生物反应器来连续处理工业废水或含毒废液；二是利用基因工程技术，构建“超级菌”，以处理大面积的污染，如海洋石油污染。

在能源工业上生物工程既可用于节能，又可开发新能源，提高石油采收率。利用纤维素、木质素等为原料生产酒精、甲烷和氢，通过这些新能源的开发，以解除日益枯竭的石油苊机。在石油开采方面，许多国家利用微生物发酵产物聚丙烯酰胺、胞外多糖等，作为钻井的乳化剂，利用微生物发酵产生的气体可大大提高钻井采油率。

由上面生物工程在工业上各领域的应用可以看出，生物工程新技术的研究和发展，对工业所起的作用是巨大的，因此有人说“生物工程是第三次工业革命”。

2.在农业领域的应用

农业是人类赖以生存的物质基础，是世界上规模最大和最重要的产业。农业生产是以动植物为操作对象的，因此也将是生物技术应用最广泛、最活跃、最富有挑战性的领域，生物技术的第二个浪潮已在农业领域展开。

（1）植物生物技术　利用生物技术如组织培养、单倍体育种、细胞融合和基因工程等现代生物技术能克服常规育种中的困难，加速育种进程，培养新品种，如获得了转基因延熟番茄，贮存时间可延长1～2个月；获得含高必需氨基酸的马铃薯品系；利用组织培养进行快速无性繁殖，目前已在花卉生产领域形成产业化，如君子兰、玫瑰、海棠等。利用组织培养还可生产人造种子。

利用基因工程技术提高植物抗逆性，目前已获得了许多成功的例子，如培育出抗草甘磷除草剂的植物，抗昆虫的多种植物（如抗虫棉、抗虫玉米、抗虫水稻等），抗真菌、抗病毒、抗重金属及抗盐碱的植物。

利用生物农药进行生物控制，例如澳大利亚利用K-84放射农杆菌制剂防治玫瑰根癌取得成功，挽救了澳洲的玫瑰种植业。

截止到2001年，经农业部安全评价批准进入田间环境释放的转基因植物有水稻、棉花、大豆、玉米、油菜、烟草、马铃薯、番茄、甜椒、杨树等10种植物；获准商业化生产的转基因植物有番茄、棉花、矮牵牛和甜椒等4种植物，其中种植面积最大的是转基因抗虫棉，目前已有13个抗虫棉品种通过审定，累计种植面积达3000多万亩，减少农药用量达30%，增加皮棉1亿公斤，创造经济效益50亿元人民币。

（2）动物生物技术　在畜牧业方面，利用基因工程、胚胎工程进行动物良种繁育、改良品种、提高动物产品产量已获得多方面的成功，如培育出产奶量提高20%以上的奶牛新品种，培育出自动脱毛的大体型绵羊，在牛、羊、猪、鸡、鸭、鱼等动物中培育出各种新品种。

利用生物反应器，生产生物药品，如荷兰研制的转人乳铁蛋白基因的牛，中国获得能够分泌含有活性人凝血因子乳的羊，是治疗血友病的珍贵药物。

3.在医药领域的应用

生物技术在医药卫生领域应用得最广泛，成绩最显著，发展最迅速，潜力也最大。它可以提供过去常规方法不能生产的药品和制剂，可开发新的药品资源，可提供灵敏度高、反应专一、实用性强的f临床诊断新试剂和新方法，提供安全性能好、免疫性强的新一代疫苗。利用生物技术将病原体减毒或弱化制成的疫苗，如百日咳杆菌疫苗、白喉杆菌疫苗、破伤风杆菌疫苗、结核杆菌疫苗、脑膜炎双球菌疫苗、脊髓灰质炎病毒疫苗等，在人类传染病防治工作中已作出了巨大的贡献；利用基因工程将病原体的抗原基因克隆在细菌或真核细胞内，生产病原体的抗原，再利用这种抗原而不是病原体本身作为疫苗，称为第二代疫苗，如现在市售的乙型肝炎疫苗。这类疫苗避免了第一代疫苗的不安全性。

通过生物工程获得治疗和诊断药物方面是最活跃的领域，到目前为止全世界从动物、植物和微生物中获得的生物药品约400多种，包括发酵工程获得的抗生素、甾体药物、酶制剂和酶抑制剂，基因工程获得的免疫球蛋白、细胞因子（如各种干扰素、白细胞介素、表皮生长因子、凝血因子），激素（如生长激素等）。利用ELISA技术、单克隆抗体、DNA诊断技术可以快速、准确地诊断疾病，在疾病的诊断方面取得了突破性的进展。

目前，基因治疗的研究应用主要集中在遗传疾病、肿瘤和传染病的治疗。基因治疗对于遗传疾病的诊治也发挥了独特的作用。