微生物生物工程

【内容提要】

本章从基因工程、细胞工程、酶学工程、发酵工程（生物反应器工程）等不同的层面上介绍微生物的育种和发酵生产目标产物的一般过程。微生物基因工程包括四大要素及其操作步骤。四大要素即为外源目的基因、克隆载体、工具酶和宿主受体细胞。主要步骤为分离或合成基因，体外重组将基因插入载体，重组DNA导入受体细胞，基因克隆和筛选重组子，克隆的基因进行鉴定或测序和外源基因的表达和基因产物的获得。细胞工程主要是通过细胞融合获得具有新特性的菌株。酶学工程主要是对蛋白酶进行修饰和改造，使蛋白酶具有新的特性，利用固定化技术对酶和细胞进行固定化，延长酶和细胞的作用时间和提高效率。发酵工程讲述了不同形式的发酵以及对基因工程菌发酵时防止工程基因外逸的措施和方法。

生物工程（bioengineering），又称生物技术（biotechnology），是一门正在迅速发展中的交叉学科，它以分子生物学、分子遗传学、微生物学、生物化学和细胞学的理论和技术为基础，结合化学工程、计算技术等现代工程技术，运用生物学的最新成就，定向地改造物种，再通过合适的生物反应器，对这类“工程菌”或“工程细胞株”进行大规模的培养，以生产大量有用的代谢产物或发挥它们独特生理功能的一门新兴技术。生物工程可包括基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和生物反应器工程等五个不同的层次。其中前两者的目的是获得工程菌或工程细胞株，后三者的目的是为工程菌或工程细胞株创造良好的生长繁殖条件，进行大规模扩增培养，以充分发挥其内在潜力，为人们提供巨大的经济效益和社会效益。因此基因工程是生物工程的主导，而发酵工程是生物工程的基础。

微生物生物工程就是一门以微生物为主要操作对象的生物工程技术。在微生物生物工程的发展历程中，有几个具有发展里程碑式的事件。首先是20世纪40年代抗生素工业的发展推动了生物工程的建立，因为只有抗生素的大罐无菌深层发酵才标志着真正现代意义发酵工业的开始，在此之前的乙醇发酵、乳酸发酵、面包酵母发酵等都不是无菌发酵。其次是20世纪50年代初生物转化的兴起，即利用微生物在某些大分子化合物上加入某种基团，改变其特性，转化生产各种具有新特性的化合物。第三是20世纪50年代末利用微生物发酵生产氨基酸的成功与迅速发展。第四是20世纪50～60年代发酵生产中固定化酶、固定化细胞等固定化技术的发展与运用，极大地提高了发酵效率。第五是20世纪60年代末蛋白酶和其他酶抑制剂的发现与应用，极大地推动了生物活性物质的寻找与开发。第六是20世纪70年代初发展起来的基因工程即重组DNA技术的成功、发展与完善，使得人类可以按照自己的意愿设计、培育菌株并生产所需的药物和生物活性物质。