现代生物技术在生物工程中的应用

现代生物技术在生物工程中的应用现代生物技术也称生物工程。在分子生物学基础上建立的创建新的生物类型或新生物机能的实用技术，是现代生物科学和工程技术相结合的产物。随着基因组计划的成功，在系统生物学的基础上发展了合成生物学与系统生物工程学，开发生物资源，涉及农业生物技术、环境生物技术、工业生物技术、医药生物技术与海洋生物技术，乃至空间生物技术等领域，将在21世纪开发细胞制药厂、细胞计算机、生物太阳能技术等发挥关键作用。现代生物技术包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程。基因工程（gene engineering）,又称为重组DNA技术,是按着人们的科研或生产需要,在分子水平上,用人工方法提取或合成不同生物的遗传物质（DNA片段）,在体外切割,拼接形成重组DNA,然后将重组DNA与载体的遗传物质重新组合,再将其引入到没有该DNA的受体细胞中,进行复制和表达,生产出符合人类需要的产品或创造出生物的新性状,并使之稳定地遗传给下一代.按目的基因的克隆和表达系统,分为原核生物基因工程,酵母基因工程,植物基因工程和动物基因工程.基因工程具有广泛的应用价值,为工农业生产和医药卫生事业开辟了新的应用途径,也为遗传病的诊断和治疗提供了有效方法.基因工程还可应用于基因的结构,功能与作用机制的研究,有助于生命起源和生物进化等重大问题的探讨. 基因工程有两个重要的特征,第一是可把来自任何生物的基因转移到与其毫无关系的任何其他受体细胞中,因此可以实现按照人们的愿望,改造生物的遗传特性,创造出生物的新性状；第二是某一段DNA可在受体细胞内进行复制,为准备大量纯化的DNA片段提供了可能,拓宽了分子生物学的研究领域.细胞工程分为植物细胞工程和动物细胞工程。植物细胞工程的理论基础：细胞全能性。（1）过程：离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织试管苗植物体（2）用途：微型繁殖、作物脱毒、制造人工种子、单倍体育种、细胞产物的工厂化生产.A植物繁殖微型繁殖：可以高效快速地实现种苗的大量繁殖作物脱毒：采用茎尖组织培养来除去病毒（因为植物分生区附近的病毒极少或没有）人工种子：以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料,经人工薄膜包装得到的种子.优点：完全保持优良品种的遗传特性,不受季节的限制；方便储藏和运输B作物新品种培育单倍体育种：a过程：植株（AaBb）通过减数分裂得到花粉（AB、Ab、aB、ab四种类型）；对花粉进行花药离体培养（技术是植物组织培养）；得到单倍体植株；对其幼苗时期进行秋水仙素处理；得到了正常的纯合二倍体植株（AABB、AAbb、aaBB、aabb四种类型）.b优点：明显缩短育种年限C突变体利用：在组织培养中会出现突变体,通过从有用的突变体中选育出新品种（如筛选抗病、抗盐、含高蛋白的突变体）D细胞产物的生产：通过能够产生对人们有利的产物的细胞进行组织培养,从而让它们能够产生大量的细胞产物.（3）地位：是培育转基因植物、植物体细胞杂交培育植物新品种的最后一道工序. 动物细胞工程：（1）概念：动物细胞培养就是从动物机体中取出相关的组织,将它分散成单个细胞,然后放在适宜的培养基中,让这些细胞生长和繁殖.（2）动物细胞培养的流程：取动物组织块（动物胚胎或幼龄动物的器官或组织）剪碎用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理分散成单个细胞制成细胞悬液转入培养瓶中进行原代培养贴满瓶壁的细胞重新用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理分散成单个细胞继续传代培养.（3）细胞贴壁和接触抑制：悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上,称为细胞贴壁.细胞数目不断增多,当贴壁细胞分裂生长到表面相互抑制时,细胞就会停止分裂增殖,这种现象称为细胞的接触抑制.（4）动物细胞培养需要满足以下条件无菌、无毒的环境：培养液应进行无菌处理.通常还要在培养液中添加一定量的抗生素,以防培养过程中的污染.此外,应定期更换培养液,防止代谢产物积累对细胞自身造成危害.营养：合成培养基成分：糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等.通常需加入血清、血浆等天然成分.温度：适宜温度：哺乳动物多是36.50.5；pH：7.27.4.气体环境：95%空气5%CO2.O2是细胞代谢所必需的,CO2的主要作用是维持培养液的pH.（5）动物细胞培养技术的应用：制备病毒疫苗、制备单克隆抗体、检测有毒物质、培养医学研究的各种细胞.酶工程（英语：Enzyme engineering）又称蛋白质工程学，是指工业上有目的的设置一定的反应器和反应条件，利用酶的催化功能，在一定条件下催化化学反应，生产人类需要的产品或服务于其它目的的一门应用技术。酶工程就是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反应器等方面内容。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。发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物（主要是微生物）和有活性的离体酶的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些工业生产过程的一种技术。从广义上讲，发酵工程由三部分组成：是上游工程，中游工程和下游工程。其中上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。中游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。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。此外，根据不同的需要，发酵工艺上还分类批量发酵：即一次投料发酵；流加批量发酵：即在一次投料发酵的基础上，流加一定量的营养，使细胞进一步的生长，或得到更多的代谢产物；连续发酵：不断地流加营养，并不断地取出发酵液。在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。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）。目前,生物技术产业在医药生物技术、农业生物技术、工业生物技术三个产业化浪潮推动下正快速由最具发展潜力的高技术产业向高技术支柱产业