第二节生物工程

1、第二节 生物工程在生物技术中，生物工程对人类的生产和生活产生着深远的影响。它包括生物体或其亚细胞组分在制造业、服务业和环境管理等方面的实际应用技术。生物工程是以细菌、酵母、真菌、藻类、植物细胞和培养的哺乳动物细胞作为工业生产过程的原料，因此，只有微生物学、生物学、遗传学、分子生物学、化学、化工和工程学诸学科，多技术的结合才能使生物工程的应用获得成功。生物工程通常包括生物细胞或生物材料的生产以及所需化学转化物的获得。后者又可分为：所需终产物的合成（如酶、抗生素、有机酸、类固醇）及特定起始物的分解（如污水处理、工业废物及废油的分解）。一、生物工程的特点（1）高技术：生物工程往往表现为精细和密集的复

2、杂技术而摆脱了近代以前的经验型的研究模式。（2）高效能：生物工程能够突破自然的生殖隔离，可以按人类的需要设计和改造生物的结构和功能，定向地组建具有特定性状的新物种和新品系。因此能制造生产能力强大和满足特殊需要的优良的动物、植物和微生物品种，生物物种也有可能量身订做。其效能是传统技术难以相比的。（3）高投入和高利润：生物工程需借助于实验室大量复杂的基础研究工作，前期科研投入往往非常高，而其成果的收益也非常大。建立在实验室研究基础上的生物技术的发展已经为人类带来了巨大的利益和财富。现在人们定义生物技术时都强调生物技术的商品属性，这反映了生物技术的商业化特点。1997年2月，当小样多利的神奇故事上了

3、各传播媒介的首页和头条，全球大多数生物技术公司的股票价值便成倍地上升。自从世界上第一个生物技术公司Genentech公司于1976年成立以来，现在世界上已涌现出了几千个生物技术公司，估计年产值高达6 000亿美元。（4）高挑战性：生物工程可以人为地制造自然界前所未有的生物产品或生物物种，这些产品的安全性对现代技术是一种挑战，对人类的伦理、人性的尊严也都是一种挑战。二、生物工程的主要内容生物工程通常有下列几个分支：发酵工程（微生物工程）、细胞工程、酶工程、基因工程、生化工程。其中，发酵工程往往占主要位置；但人们普遍认为基因工程是当代生物技术的核心技术；基因工程彻底改变了传统生物技术的被动状态，使

4、人们按照自己的意愿改造生命的愿望成为可能。基因工程产生后，即迅速渗透到传统生物技术的所有领域，并最终形成了当代生物技术的体系。（一）酶工程1、酶工程概念酶工程就是利用酶的催化作用进行物质转化，生产人们所需产品的技术。催化剂是指能加快化学速度而本身并不发生变化的物质。酶是一类具有特殊催化反应能力的蛋白质，它由生物体的活细胞产生。在生物体内进行的各种化学反应，几乎都需要在酶的催化下才能顺利地完成。我们每天吃的米饭、鸡蛋、肉类等的食物都必须在胃分泌的胃蛋白酶和胰脏分泌的淀粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶等的作用下，分解成葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和甘油等小分子，才能透过小肠壁，被组织吸收和利用；人体生长的时候，体

5、内又会进行各种蛋白质、脂肪等的合成反应，这些合成反应也需要在酶的催化下完成。一旦酶的正常催化作用遭到干扰破坏，轻则会使生物体表现出某些症状，重则将危及生命。比如，在人体内有一种内酪氨酸酶，当它不能行使正常作用时，人就会得白化病。在人类中有一种半乳糖血症的遗传病，发病的原因是由于患者体内缺乏将半乳糖转化为葡萄糖的酶，造成患者血液中半乳糖含量急剧升高往往在婴儿期就死亡。2、酶工程的范畴（1）对生物宝库中存在天然酶的开发和生产。（2）自然酶的分离纯化及鉴定技术。（3）酶的固定化技术（固定化酶和固定化细胞技术）。（4）酶反应器的研制和应用；（5）与其它生物技术领域的交叉和渗透。其中固定化酶技术是酶工程

6、的核心。在洗衣粉中加入一些酶可大大加强其去污能力，这是把酶催化剂作为一种添加剂加入到产品中去，促进了产品与作用对象的化学反应。但是，对于用葡萄糖生产果糖的行业来说，需要用酶，而酶又不能留在产品中，否则会影响产品纯度。而且，成批的反应物中，加入的酶在反应结束后，没有被消耗掉，但却失去了再被利用的机会，这显然是一种浪费。若能够将酶固定起来，不仅能使其在常温、常压下行使专一的催化功能，而且由于酶密度提高，使催化效率更高、反应更易控制。固定着的酶不会跑到溶液里，与产物混合，这样，酶便可以反复使用，从而使产品成本降低。因此，固定化酶技术十分重要。酶的固定方法主要有：通过非特异性物理吸附法或生物物质的特异

7、吸附作用将酶固定到载体表面，叫做吸附法；利用化学方法将载体活化，再与酶分子上的某些基因反应，形成共价的化学键，从而使酶分子结合到载体上，这种方法叫共价键合法，是广泛采用的制备固定化酶的方法。3、酶工程的意义酶工程对医药、医疗方面贡献巨大。现在，菠萝蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶、胃蛋白酶等十几种可以进行食物转化的酶都已进入食品和药物中，以解除许多有胃分泌功能障碍患者的痛苦。此外还有抗肿瘤的L-天冬酰胺酶、白喉毒素，用于治疗炎症的胰凝乳蛋白酶，降血压的激肽释放酶，溶解血凝块的尿激酶等。另外，新型青霉素产品及青霉素酶抑制剂等也都是酶工程在医药医疗领域的成功应用实例。（二）发酵工程1、发酵工程的概念发酵工

8、程是指利用微生物物，特别是经DNA重组技术改造过的微生物来大规模的生产商业产品。此工程需要两方面的专家通力合作，即分子生物学专家负责分离、鉴定、改造，甚至创造可在微生物中高效表达的基因，以应用于工业生产。而生化技术人员则要保证改造过的微生物能在最适条件下大量生产，以获得最大的产出率。2、发酵工程的组成从广义上讲，发酵工程由三部分组成：即上游工程，发酵工程和下游工程。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。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。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

9、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。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

10、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）。3、发酵工程的意义现代发酵工程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。（三）细胞工程细胞工程是生物工程的一个重要方面。总的来说，它是应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的设计蓝图，进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养。通过细胞工程可以生产有用的生物产品或培养有价值的植株，并可以产生新的物种或品系。1、细胞培养包括单个

11、细胞培养、组织培养和器官培养。植物细胞具有全能性，即每个植物细胞都能像胚胎细胞一样可以在体外培养成完整的植株。1958美国斯蒂伍德用胡萝卜切片在培养液中培养成整株。细胞先分裂愈伤组织，后经适当激素诱导，分化出根茎叶。将花粉或花药细胞离体培养经过诱导可以分化成完整的单倍体植株。组织培养最早用于名贵花卉繁殖。荷兰现在是最大的花卉生产国。植物细胞和原生质体培养技术可以用于育种，在培养无毒苗、长期贮存种子和生产次生代谢产物等方面发挥作用。也可用于各类植物的快速繁殖，如人参含有贵重药物粗皂角苷，天然根块只含4.1%，但组织培养达20%而且采集方便。动物细胞培养技术可用于制取许多有应用价值的细胞产品，如疫

12、苗和生长因子等。利用细胞培养系统可进行毒品和药物检测；一些培养细胞可用于治疗。试管婴儿试管动物属于胚胎移植技术。2、细胞融合细胞融合是用自然或人工的方法使两个或几个不同细胞融合的为一个细胞（含有原来两个细胞的染色体）的过程。亲缘较远的生物体之间是无法正常杂交的。然而它们之间的体细胞却往往能彼此融合，产生出杂种细胞。目前成果有：（1）克服植物远缘杂交种远缘不亲和性扩大遗传重组范围，增加变异，创造新品种。如蕃茄和马铃薯融合。植株的地下部分结马铃薯，地上部分生西红柿。（2）单克隆抗体的生产参与体内免疫反应的来自骨髓的两类细胞一是B淋巴细胞，有合成一种抗体的遗传基因。二是T淋巴细胞，它帮助淋巴细胞产生

13、身体。动物脾脏有上百万种不同的B淋巴细胞系，含遗传基因不同的B淋巴细胞合成不同的抗体。当机体受抗原刺激时，抗原分子上的许多决定簇分别激活各个具有不同基因的B细胞。被激活的B细胞分裂增殖形成该细胞的子孙，即克隆由许多个被激活B细胞的分裂增殖形成多克隆，并合成多种抗体。要想制备单一抗体相当困难。但若有了它，就可用它来检测甚至医治疗各种疾病。如果能选出一个制造一种专一抗体的细胞进行培养，就可得到由单细胞经分裂增殖而形成细胞群，即单克隆。单克隆细胞将合成一种决定簇的抗体，称为单克隆抗体。要制备单克隆抗体需先获得能合成专一性抗体的单克隆B淋巴细胞，但这种B淋巴细胞不能在体外生长。而实验发现骨髓瘤细胞可在

14、体外生长繁殖，应用细胞杂交技术使骨髓瘤细胞与免疫的淋巴细胞二者合二为一，得到杂种的骨髓瘤细胞。这种杂种细胞继承两种亲代细胞的特性，它既具有B淋巴细胞合成专一抗体的特性，也有骨髓瘤细胞能在体外培养增殖永存的特性，用这种来源于单个融合细胞培养增殖的细胞群，可制备抗一种抗原决定簇的特异单克隆抗体。3、细胞亚结构移植细胞亚结构移植是指将细胞的亚结构（如细胞核、染色体等）移植到另一个细胞中，从而改变细胞的遗传性状。主要有细胞拆合、染色体工程和染色体组工程。细胞拆合即细胞换核技术，是通过物理或化学方法将细胞质与细胞核分开，再进行不同细胞间核质的重新组合，重建成新细胞。可用于研究细胞核与细胞质的关系的基础研

15、究和育种工作。如60年代童第周取出鲤鱼卵细胞核移进鲫鱼去核卵细胞中，育出鲫鲤鱼，生长快、个大味美；后又育出鲫金鱼。染色体工程是按人们需要来添加或削减一种生物的染色体，或用别的生物的染色体来替换。可分为动物染色体工程和植物染色体工程两种。动物染色体工程主要采用对细胞进行微操作的方法（如微细胞转移方法等）来达到转移基因的目的。植物细胞工程目前主要是利用传统的杂交回交等方法来达到添加、消除或置换染色体的目的染色体组工程 染色体组工程是整个改变染色体组数的技术。自从1937年秋水仙素用于生物学后，多倍体的工作得到了迅速发展，例如得到四倍体小麦，八倍体小黑麦等。三倍体西瓜是无籽西瓜，但没有后代。（四）基

16、因工程基因工程是利用DNA重组技术进行生产或改造生物产品的技术。是将外源的或是人工合成的基因即DNA片段(目的基因)与适宜的载体DNA重组，然后将重组DNA转入宿主细胞或生物体内，以使其高效表达。限制性内切酶是一种可以切断DNA链的酶，目前被发现的限制性内切酶已有500种以上。当一种限制性内切酶在一个特异性的碱基序列处切断DNA时，就可在切口处留下几个未配对的核苷酸，叫做粘性末端，另外一个用同种限制性内切酶切断的DNA片段也有粘性末端，这两个互补的粘性末端彼此结合就形成了生个重组DNA分子。现在科学家们已经利用限制性内切酶将胰岛素基因从人类细胞的染色体中切出，并将其插入到细菌的质粒DNA中，这

17、样就在细菌自身的遗传物质中掺入了一个外源基因。随着细菌代谢活动的进行，胰岛素就会与细菌自身的蛋白质一起被合成，并贮存在菌体内。当这种带有胰岛素基因的细菌被大量培养时，人类胰岛素也可以不断地从这样的细菌中提取出来。现在，科学家们还利用重组脱氧核糖核酸DNA技术将一些有益的基因连接到细菌的质粒脱氧核糖核酸DNA上，再将这样的重组质粒导入到植物或动物体内，以期望培养出优良的动植物新品种。1、目的基因的获得目的基因即人们所要获得某种蛋白质的基因。获得目的基因的方法有：从生物基因组中分离。一种办法是用“分子剪刀”剪切供体分子，把它切成一些比基因略长的片段，然后再从中找出包含所需目的基因的片段。到目前为止

18、，人们用这种方法已分离出种大肠杆菌蛋白质的基因和鸡的组蛋白基因等。逆转录合成。通常以RNA为模板，在逆转酶下合成DNA，称其为DNA。又称所谓的基因模板合成法，用这种方法人们已先后合成了家兔、鸭和人的珠蛋白基因、羽毛角蛋白基因等。人工合成。如果某种蛋白质的基因是已知的，可以通过化学方法合成。2、目的基因的导入有了目的基因，还不能直接把目的基因送进受体细胞，因为目前存在于地球上的生物，无论是复杂的还是简单的，都是长期历史进化的产物，都是有保卫自身不受异种生物侵害和稳定地延续自己种族的本领。如果外来的“单枪匹马”硬冯进受体细胞，受体细胞就会把它“消灭”。当外来的这种不速之客进入大肠杆菌体内时，大肠杆菌内部的内切酶就毫不留情地使其“粉身碎骨”或“体无完肤”。因此，目的基因的直接导入难免有“全军覆没”的厄运。在这种情况下，生物工程们就只好采用重组技术。首先将目的基因与质粒经过内切酶进行“裁剪”，然后靠“连接酶”的作用，将目的基因和质粒（或病毒）重新组合起来形成重组。重组在质粒（或病毒）的“带领”下进