酶在生物技术中的应用

生物技术_自然科学概论

第六节　生物技术

生物技术，又称生物工程，指生物学研究与应用的技术方面，它既是人类最古老的工程技术之一，又是新技术革命的最新技术之一。这种质的飞跃的标志，是1973年DNA重组技术的出现，为生物技术注入了现代内容，使人们得以运用基因操作、细胞融合、细胞培养以及生物反应器(装有固化酶的容器，能进行生化合成)等技术，改造或重新创造设计细胞的遗传物质、培育出新品种，以工业规模利用现有生物体系，以生物化学过程来制造工业产品。简言之，生物工程就是将活的生物体、生命体系或生命过程产业化的过程。生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程及生化工程等。

一、生物工程的技术体系

(一)基因工程

又称遗传工程、基因重组技术。它是在分子生物学基础上发展起来的一项新兴技术。是现代生物工程的核心。

基因工程是指在基因水平上，按照人类的需要进行设计，然后按设计方案创建出具有某种新的性状的生物新品系，并能使之稳定地遗传给后代。

基因工程采用与工程设计十分类似的方法，明显地既具有理学的特点，同时也具有工程学的特点。

基因工程药物是先确定对某种疾病有预防和治疗作用的蛋白质，然后将控制该蛋白质合成过程的基因取出来，经过一系列基因操作，最后将该基因放入可以大量生产的受体细胞中去，这些受体细胞包括细菌、酵母菌、动物或动物细胞、植物或植物细胞，在受体细胞不断繁殖过程中，大规模生产具有预防和治疗这些疾病的蛋白质，即基因疫苗或药物。在医学和兽医学中应用正逐步推广。

作为现代生物技术的核心，基因工程将在社会生产和实践中发挥越来越重要的作用。

(二)细胞工程

又称细胞融合技术。它打破了生物学上种属间杂交的障碍，把遗传性质不同的两个细胞人为地结合在一起，从而创造出自然界本来不存在的兼有两个物种优良性状的新细胞。

分为染色体工程、细胞质工程和细胞融合工程。

从20世纪70年代开始，已经有许多种细胞融合成功，有植物间、动物间、动植物间甚至人体细胞与动植物间的成功融合的新的杂交植物，如“西红柿马铃薯”、“拟南芥油菜”和“蘑菇白菜”等。

(三)酶工程

又称生物转化工程。它是利用生物学的方法，以酶作为生物催化剂，使一种物质迅速转化为另一种物质的技术。生物转化不需要传统的化学转化所不可缺少的高温、高压、强酸、强碱等条件，大大减少了污染，节省了能源。生物酶在1秒钟内所完成的工作，对于化学催化剂要1万年甚至数万年才能完成。

酶工程分为两部分。一部分是如何生产酶，一部分是如何应用酶。

酶的生产大致经历了四个发展阶段。最初从动物内脏中提取酶，随着酶工程的进展，人们利用大量培养微生物来获取酶，基因基因工程诞生后，通过基因重组来改造产酶的微生物，近些年来，酶工程又出现了一个新的热门课题，那就是人工合成新酶，也就是人工酶。

酶在使用中也存在着一些缺点。如遇到高温、强酸、强碱时就会失去活性，成本高，价钱贵。实际应用中酶只能使用一次等。利用酶的固定化可以解决这些问题，它被称为是酶工程的中心。1960年代初，科学家发现，许多酶经过固定化以后，活性丝毫未减，稳定性反而有了提高。这一发现是酶的推广应用的转折点，也是酶工程发展的转折点。

(四)发酵工程

现代的发酵工程。又叫微生物工程，指采用现代生物工程技术手段，利用微生物的某些特定的功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程。

从广义上讲，发酵工程由三部分组成:上游工程，发酵工程和下游工程。其中上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件(pH、温度、溶解氧和营养组成)的确定，营养物的准备等。发酵工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。下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术。

发酵工程的步骤一般包括:第一步，菌种的选育;第二步，培养基的制备和灭菌;第三步，扩大培养和接种。;第四步，发酵过程;第五步，分离提纯。

发酵工程在医药工业、食品工业、农业、冶金工业、环境保护等许多领域得到广泛应用

(五)蛋白质工程

蛋白质工程是在20世纪80年代初期出现的。蛋白质工程是指在深入了解蛋白质空间结构以及结构与功能的关系，并在掌握基因操作技术的基础上，用人工合成生产自然界原来没有的、具有新的结构与功能的、对人类生活有用的蛋白质分子。

蛋白质工程的类型主要有两种:一是从头设计，即完全按照人的意志设计蛋白质。从头设计是蛋白质工程中最有意义也是最困难的操作类型，技术尚不成熟，已经合成的蛋白质只是一些很小的短肽。二是定位突变与局部修饰，即在已有的蛋白质基础上，只进行局部的修饰。这种通过造成一个或几个碱基定位突变，以达到修饰蛋白质分子结构目的的技术，称为基因定位突变技术。

蛋白质工程的基本程序是:先要测定蛋白质中氨基酸的顺序，测定和预测蛋白质的空间结构，建立蛋白质的空间结构模型，然后提出对蛋白质进行加工和改造的设想，通过基因定位突变和其他方法获得需要的新蛋白质的基因，进而进行蛋白质合成。

由于蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，技术上有很多同基因工程相似的地方，因此蛋白质工程也被称为第二代基因工程。

蛋白质工程为改造蛋白质的结构和功能找到了新途径，并且预示人类设计和创造自然界不存在的优良蛋白质的可能性，因而具有潜在的社会效益和巨大的经济效益。

(六)生化工程

生物化学工程是生物化学反应的工程应用，主要包括反应器的设计与放大、生化反应动力学、产品的分离与纯化及计算机辅助设计和优化控制等。它以化学工程原理及方法研究含有生物物系或生化反应的工业生产中的有关技术问题。

二、生物工程的广泛应用

伴随着生命科学的新突破，生物技术已经广泛应用于工业、农牧业、医药、环保等众多领域，产生了巨大的经济和社会效益。

(一)基因工程的应用

半乳糖症，由于患者失去一个显性基因，不能产生半乳糖分解酶，对于幼婴表现出生长迟缓、智力发育下降，甚至夭折，对该症无药可治，只能采用“基因治疗”。1971年，美国人曼里尔用生物技术获得了患者离体的成纤细胞利用乳糖的能力，这就为以矫正或取代患者的缺陷基因，纠正错误的遗传密码的基因治疗开创了道路。

1973年，美国人科恩和博耶用人工合成方法合成了一个生长素的编码基因，并通过载体带入大肠杆菌细胞中去，进而合成了这种激素，这就是轰动世界的基因工程的起点。

获取激素的传统方法是只能从生物体中提取，不但过程复杂，而且产量小、成本高。如用生物技术制备的1升生长激素释放抑制因子的发酵液，它的激素产量相当于50万只羊脑中的含量;450升含人生长激素基因的微生物发酵液，它的产量相当于从6万具尸体脑垂体中的提取量。1980年，美国、瑞士科学家一起用基因工程技术首次在世界上研制成功了具有抑制病毒繁殖、肿瘤生长和调节机体免疫反应等多种功能的细菌合成干扰素。

利用基因工程能大量生产一些来源稀少价格昂贵的药物，减轻患者的负担。这些珍贵药物包括生长抑素、胰岛素、干扰素等等。

1991年，美国人发明了一种治疗遗传造成的高胆固醇血症的新疗法，即对肝细胞进行基因重组。目前该项技术已完成了实验阶段研究，并准备将其应用于临床。

1992年6月，美国一位患皮肤癌的妇女成为世界上第一个接受直接注射遗传物质的人，为使用“DNA”作为常规药物打开了大门。

长期以来，医学工作者在防治乙肝方面做了大量工作，但曾一度陷于困境。乙肝病毒(HBV)主要由两部分组成，内部为DNA，外部有一层外壳蛋白质，称为HBSAg。把一定量的HBSAg注射入人体，就使机体产生对HBV抗衡的抗体。机体依靠这种抗体，可以清除入侵机体内的HBV。过去，乙肝疫苗的来源，主要是从HBV携带者的血液中分离出来的HBSAg，这种血液是不安全的，可能受到其他病原体(其他型的肝炎病毒，特别是艾滋病病毒H IV)的污染。此外，血液来源也是极有限的，使乙肝疫苗的供应犹如杯水车薪，远不能满足全国的需要。基因工程疫苗解决了这一难题。与上述的血源乙肝疫苗相比，基因工程生产的乙肝疫苗，取材方便，利用的是资源丰富的大肠杆菌或酵母菌，它们有极强的繁殖能力，并借助于高科技手段，可以大规模生产出质量好、纯度高、免疫原性好、价格便宜的药物。在小孩出生后，按计划实施新生儿到六个月龄内先后注射三次乙肝疫苗的免疫程序，就可获得终身免疫，免受乙型肝炎之害。正是基于1996年我国已有能力生产大量的基因工程乙肝疫苗，我国才有信心遏制这一威胁人类健康最严重、流行最广泛的病种。这是基因工程药物对人类贡献的典型案例之一。

利用转基因动物生产药用蛋白同样是目前的研究热点。科学家已经培育出多种转基因动物，它们的乳腺能特异性地表达外源目的基因，因此从它们产的奶中能获得所需的蛋白质药物，由于这种转基因牛或羊吃的是草，挤出的奶中含有珍贵的药用蛋白，生产成本低，可以获得巨额的经济效益。

我国上海第二医科大学乐卫东教授和他领衔的课题组第一次在国际上发现了帕金森新致病基因，这是1998年开始对此项研究所获得的成果。这对于该病的基因治疗带来福音。

通过引入特定的基因，可以改善动植物的品质。例如，科学家在西红柿中植入抗成熟的基因，可以延长西红柿的货架期。在植物中引入对人体无害的抗虫基因，可以防止病虫害，减少农药的使用，在水稻中介入产生维生素A的基因，可以提高稻米的营养价值。

利用基因工程技术，将一种昆虫的耐DDT基因转移到细菌体内，培育一种专门“吃”DDT的细菌，大量培养，放到土壤中，土壤中的DDT就会被“吃”得一干二净。

(二)细胞工程的应用

1979年，西德马克布朗研究所利用细胞工程技术成功地培育出西红柿和马铃薯两者性质都兼有的“西红柿马铃薯”。全世界已培育出番茄山芋、向日豆、大豆米、大豆豌豆、芹菜油菜、芹菜胡萝卜、大豆烟草等数千种植物。

此外，植物培养技术培育出硬紫草细胞所生产的紫草素，已成功地用于化妆品的生产。

又如自然界无法大量提供的天然药物黄连素、奎宁等都可以运用细胞工程加以解决。一些名贵花卉应用此项技术已可进行工厂化生产。

在动物细胞工程上，单克隆抗体的发明被誉为是免疫学的一次革命。1975年，英国人科勒和米尔斯坦将淋巴细胞与肿瘤细胞融合，制成单克隆抗体。“克隆(Clone)”意为无性细胞，是人工诱导下的无性繁殖。通俗讲，就是“复制”生物，而不是靠父母双亲繁育。单克隆抗体具有反应专一，特异性强等特点。在抗癌方面，单克隆抗体的作用如同人体自身免疫系统，但大多数情况下，人体自身免疫系统不会将癌细胞作为有害细胞而进行阻止，使癌细胞在体内繁殖，危害人体生命;而单克隆抗体的作用是瞄准癌细胞，将癌细胞消灭或启动体内免疫系统对癌细胞进行攻击;单克隆抗体也可成为一种“聪明炸弹”，携带放射性或化学介质，选择癌细胞进行攻击。

1990年代人类运用“无性繁殖”技术，成功地培育出哺乳动物。1997年2月，英国科学家首次成功地克隆了绵羊，起名“多利”。科学家从一只6岁母绵羊乳腺组织(体细胞)中取出“遗传物质”，通过电击方法将“遗传物质”再送到另一只已除去所有染色体而成为无DNA遗传物质的卵细胞中融合，再经试管分裂，形成胚胎后取出，移植到第三只母绵羊的子宫进行发育，出生的羔羊与原先被取的乳腺细胞的那只绵羊一模一样。该克隆羊与以往由胚胎细胞克隆的鼠、兔、牛、猪、羊、猴不同，它是世界上首例采用成年哺乳动物的没有全能性的体细胞作为供体细胞培育出来的，是世界上第一只仅有母亲，没有父亲的哺乳动物。克隆羊的诞生，预示着动物将成为人类的药物制造厂。

2000年6月，我国西北农林科技大学利用成年山羊体细胞克隆出两只“克隆羊”，这表明我国科学家也掌握了哺乳动物体细胞核移植的尖端技术。

(三)酶工程的应用

酶工程技术引人注目的是微生物发电，它可以巧妙地运用生物催化剂进行能量转换。美、日研制的生物电池和酶电池，已经引起人们的极大关注。

酶制剂是指从生物中提取的具有酶特性的一类物质，主要作用是催化食品加工过程中各种化学反应，改进食品加工方法。例如，酶制剂能取代洗涤剂中的磷和皮革鞣制过程中的硫化物。在造纸过程中，酶制剂可以减少氯化物在纸浆漂白过程中的用量。微生物在工业生产过程中的应用，使工业生产变得清洁、高效，具有可持续性。

人的尿激素、纤溶酶激活剂的产品均已投入生产，为血栓治疗提供了廉价的新药物。

采用固定化酶和固定化细胞进行工业生产，产品有酒精、啤酒、各种氨基酸、各种有机酸以及药品等等。

更诱人的是，通过生物酶，玉米秸秆可以转化为可降解的塑料，用于食品包装等。

(四)发酵工程的应用

发酵是微生物特有的作用，几千年前就已被人类认识并且用来制造酒、面包等食品。

20世纪20年代主要是以酒精发酵、甘油发酵和丙醇发酵等为主。

20世纪40年代中期美国抗菌素工业兴起，大规模生产青霉素以及日本谷氨酸盐(味精)发酵成功，大大推动了发酵工业的发展。

20世纪70年代，基因重组技术、细胞融合等生物工程技术的飞速发展，发酵工业进入现代发酵工程的阶段。不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。在环保中，微生物改造某些化学物质，微生物分解有害物质，微生物从工业废料废水中回收金属，以及防止酸性废水污染环境等。

(五)生物技术的其他应用

一些微生物能产出可降解的生物塑料，避免了“白色污染”。

蜘蛛丝是一种特殊的蛋白质，其强度大，可塑性高，可用于生产防弹背心、降落伞等用品。利用生物技术可以生产蛛丝蛋白，得到与蜘蛛丝媲美的纤维。

利用生物技术可以从虾、蟹等甲壳类动物的甲壳中获取甲壳素。甲壳素是制造手术缝合线的极好材料，它柔软，可加速伤口愈合，还可被人体吸收而免于拆线。

生物技术也应用于珍稀野生动物的保护，通过DNA识别来鉴别动物的种类，跟踪其活动地域等

生物技术还用于人类考古和犯罪调查，通过DNA分析可以研究人类种群的进化史。DNA技术应用于犯罪案件调查可以帮助执法人员确认罪犯。

生物技术推动超级计算机产业的发展。2001年11月22日，以色列科学家宣布研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型“生物计算机”，一万亿个这样的计算机仅一滴水那样大，运算速度达到每秒10亿次，准确率为99.8%。

生物技术将从根本上突破计算机的物理极限。目前使用的计算机是以硅芯片为基础，由于受到物理空间的限制、面临耗能和散热等问题，将不可避免地遭遇发展极限，要取得大的突破，需要依赖于新材料的革新。2000年美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的科学家根据生物大分子在不同状态下可产生有和无信息的特性，研制出分子开关(Molecular switches)。2001年世界首台可自动运行的DNA计算机问世，并被评为当年世界十大科技进展。2002年，DNA计算机研究领域的先驱阿德勒曼教授利用简单的DNA计算机，在实验中为一个有24个变量、100万种可能结果的数学难题找到了答案，DNA计算机的研制迈出了重要一步。

(6)中国科学家的贡献

在生物技术方面，我国的科学工作者也做出了突出的贡献。

20世纪30年代朱冼教授便培育出单亲青蛙，60年代又成功地创造出“没有外祖父的癞蛤蟆”。

我国学者童第周曾培育出“金鱼核鰟鮍鱼质的小鱼”。

1988年，我国科学家首先实现了人的基因在高等植物中的表达，培育出“能产生人体蛋白的转基因烟草植株”。

在生物固氮研究方面，我国“联合共生固氮菌剂”的生产已实现产业化，推广应用居世界领先水平。

中国科学院武汉水生研究所，用鲤鱼胚胎细胞的核取代了鲫鱼卵细胞的核，然后此细胞开始了类似受精卵一样的分裂，最后培育出带有“胡须”的“鲤鲫鱼”。完全像鲤鱼，但它的侧线鳞片数和脊椎骨的数目与鲫鱼相同。这种鱼个头像鲤鱼，生长快，产量高;肉质似鲫鱼，味道鲜美，受到市场欢迎。

近年来还出现了红色的鲫鲤杂交鱼，系用以红鲫鱼为母本，湘江野鲤鱼为父本，用人工方法进行杂交的“湘鲫”，是我国首次成功获得杂交子代并广泛应用于养殖生产优质、高产的远缘杂交鱼。鲫鲤杂交鱼，兼有两亲本的优良性状，经过20～30天培育就可直接进入池塘、稻田、莲田和湖泊中养殖，并且当年能达到商品规格。其生长速度比鲫鱼快3～4倍，接近或相当鲤鱼，最大个体可达1250克，一般亩产15千克左右。湘鲫摄食消化功能强，饵料转化率高，抗病、抗逆性强，耐低氧，养殖成活率高，出塘规格整齐，适应各种水域放养，均不会引起混杂退化，深受市场欢迎。

生物工程所提供的丰硕成果表明，人类已从认识和利用生物的时代进入了创造生物的时代。科技界几乎一致认为，生物工程是新世纪的高新产业，21世纪将是生命科学的世纪。