现代微生物学与实验技术-第一章-绪论

现代微生物学与实验技术参考资料：沈萍主编

微生物学金志华等编著

工业微生物遗传育种学原理与应用■

罗大珍等主编现代微生物发酵及技术教程■

杜连祥等主编

微生物学实验技术诸葛健编著工业微生物资源开发应用与保护姚汝华主编

微生物工程工艺原理微生物学报、生物工程进展、生物技术、微生物通报

等期刊第

一

章绪论一

微

生物学的发展1.微生物科学■1.1研究对象及分类地位微生物学：研究微生物在一定条件下的形态结构、生理生化、遗传变异以及微生

物的进化、分类、生态等生命活动规律及其应用的一门学科。分类1753年二界系统(植物界、动物界)瑞典博物学家林奈《植

物种志》□

1866年三界系统(植物界、动物界、原生生物界)海格尔■

1938年(

1956更成熟)四界系统(植物界、动物界、原始

生物界、菌界)柯普兰■

1969年

五界系统(植物界、动物界、原生生物界、真菌界、

原核生物界)

魏塔克根据生物获得营养的方式不同，把真菌提

升为界■

1977年六界系统(动物、植物、原生生物、真菌、原核生物、

病毒)王大耜等70年代三域学说(分子尺：16

SrRNA)■

古生菌域(产甲烷菌、极端嗜盐菌、嗜热嗜酸菌等)■

真细菌域(蓝细菌、除古生菌外细菌)真核生物域(动物、植物、真菌、原生生物)20世纪70年代以前，生物类群间的亲缘关系主要是根据形态结构、生理生化、行为习性等表型特征以及少量

的化石资料来判断它们之间的亲缘关系。要使分类系统真正成为总结生物进化历史的生物系谱，需要系统的古生物资料来阐明各类生物之间的共祖、分

支和年代关系。因此，在缺乏化石资料的情况下，最为

艰难的任务是如何确定类群之间的进化关系，用什么特

征作为划分类群的主要特征。■根据形态学特征推断生物之间的亲缘关系存在两个突出问题：一是由于微生物可利用的形态特征少，很难把所有生物放在同一水平上进行比较；二是形态特征在不同

类群中进化速度差异很大，仅根据形态推断进化关系往

往不准确。■

因

此

，7

0

年代以后研究微生物的系统发育，主要是分

析和比较生物大分子的结构特征，特别是蛋白质、RNA

和DNA

这些反映生物基因组特征的分子序列，作

为判断各类微生物乃至所有生物进化关系的主要指征。■大量研究表明：蛋白

质

、RNA

和DNA序列进化变化的

显著特点是进化速率相对恒定。因此，这些生物大分子

被看作是分子计时器或进化钟，它们真实地记录了各种

生物的进化过程。■我们可以通过比较不同类群的生物大分子序列的改变量

来确定它们彼此系统发育相关性或进化距离。在两群生

物中，如果同一种分子的序列差异很大时，表示它们进

化距离远，这两群生物在进化过程中很早就分支了；如

果两群生物同一来源的大分子的序列相同，说明它们处

在同一进化水平上。挑选恰当的大分子应注意以下几点：■(1)它必须普遍存在于所研究的各个生物类群中。(2)选择在各种生物中功能同源的大分子。■(3)为了鉴定大分子序列的同源位置或同源区，要求所选择的分子序列必须能严格线性排列，以便进行进一步

的分析比较。(4)

还应注意根据所比较的各类生物之间的进化距离来选择适当的分子序列。当我们比较亲缘关系远的生物类

群时，必须选择变化速率低的分子序列，因为序列变化

速率高的分子，在其进化过程中共同的序列已经丧失。■

16SrRNA

被普遍公认为是一把好的谱系分析的“分子

尺”,这是因为：■(1)rRNA

参与生物蛋白质的合成过程，其功能是任何

生物都必不可少的，而且在生物进化的漫长历程中，其

功能保持不变；(2)在16SrRNA

分子中，既含有高度保守的序列区域，又有中度保守和高度变化的序列区域，因而它适用于进

化距离不同的各类生物亲缘关系的研究；(3)16SrRNA

分子量大小适中，便于序列分析。5SrRNA信息量小，应用上受很大限制；23

SrRNA分子量大，序列测定和分析比较工作量大，使用时难度

较

大

；■

(4)16S

rRNA

普遍存在于真核生物和原核生物中(真

核生物中其同源分子是18SrRNA),

因此它可以作为

测量各类生物进化的工具——这一点极为重要。1981年美国学者伍斯等根据某些代表生物16SrRNA

(

或18SrRNA)序列比较，首次提出了一个函盖整个生命界的系统

树，而后又进行了多次修改和补充。图为近年提出的一个全生命

系统树

:热袍菌

一产液菌双滴虫变形杆菌蓝细菌黄杆菌性细菌热球菌

、热变形菌

热网菌、一植物纤毛虫鞭毛虫毛滴虫细菌古生菌(真细菌)

(古细菌)

真核生物绿色非硫

细菌螺旋体革兰氏阳动物内变形虫粘煎真菌甲烷八叠球蘑甲烷杆菌甲烷球菌图12

-

3

全生命系统树(Olsen和

Woese1993)盐杆菌热原体微孢子虫■伍斯提出将生物分成为三界(Kingdom)

(

后来后改称三个域Domain):

古细菌(archaebacteria)、真细菌(Eubacteria)

和真核生物(Eukaryotes)

。1990

年，他为了

避免把古细菌也看作是细菌的一类，他又把三界

(域)改称为：Bacteria

(细菌)、Archaea

(古

生菌)和Euka

rya

(真核生物)。■伍斯三界理论提出后，国际上对生物的系统发育进行了更广泛的研究，除了继续对

rRNA

序列进行比较外，还广泛研究了其他特征，包括许多表型特征。研究结果表明：三界理论虽然是根据16SrRNA序列

的比较提出的，但其他特征的比较研究结果也在一定程度上支持了三界生物的划分。■据报导，古生菌--詹氏甲烷球菌(Methanococcusjannaschii)的全基因组序列测定结果及其通过计算机软件与少数真细菌和真核生物全基因组序列所进行的初步比较，其结果

虽未显示出古生菌与真核生物较真细菌亲缘关系更近的结论，但

也初步证实了它是独立于其他两域生物的第三生命形式。古生菌

作为当今仍生活在地球上某些极端环境(高盐、低PH、高温、高压或极端缺氧环境)的一个特殊群体(上述产甲烷球菌就是生活在

2600m

深、200

大气压、94℃

左右的海底火山口附近),其特

殊的生境与地球生命起源初期的环境有许多相似之处。■三界学说的建立和发展，其主要意义并不在于目前研究所取得的

某些结论，更重要的是它为进一步探讨生命起源和进化，进一步认识、研究和开发微生物资源提出了新的思路，它所提出的研究

生物进化的技术方法使我们看到了揭开生命起源和进化之谜的曙

光

。■当然，随着研究的进一步深入，其学说也必然面临新的挑战建立16SrRNA

系统发育树的意义1)使生物进化的研究范围真正覆盖所有生物类群；2)提出了一种全新的正确衡量生物间系统发育关系的方法；3)对探索生命起源及原始生命的发育进程提供了线索

和理论依据；4)突破了细菌分类仅靠形态学和生理生化特性的限制，

建立了全新的微生物分类、鉴定理论；5)为微生物生物多样性和微生物生态学研究建立了全新的研究理论和研究方法，特别是不经培养直接对生态

环境中的微生物进行研究。1.2

微生物学的分支学科□研究对象、种类：细菌学、真菌学、病毒学、原核生物

学、自养菌生物学等■分科、内容：微生物生理学、遗传学、生态学、分子微

生物学等■生态环境：

土壤微生物学、海洋微生物学、微生态学、

环境微生物学等■实

验

方

法：实验微生物学、微生物研究方法■

学科交叉、融合：化学微生物学、分析微生物学、微生

物生物工程学、微生物化学分类学、微生物数值分类学

微生物地球化学、微生物信息学等■应

用：工业微生物学、农业微生物学、医学微生物学、

环境微生物学、食品微生物学、分子微生物学等酿酒、制酱、造醋和腌菜等方法。在古希腊留下来的石刻上，记有酿酒的操作过程。中国

在春秋战国时期，就已经利用微生物分解有机物质的作用，进行沤粪积肥。公元1世纪的《氾胜之书》提出要以熟粪肥田以及瓜与小豆间作的制度。2

世纪的《神医本草经》中，有白僵蚕治病的记载。6

世纪的《左传》

中，有用麦曲治腹泻病的记载。在10世纪的《医宗金

鉴》中，有关于种痘方法的记载。1796年，英国人E.

琴纳发明了牛痘苗，为免疫学的发展奠定了基础2.微生物学的发展史2.1

史

前

期(8000

年前—

1

6

7

6

年)感性认识阶段。自古以来，人类在日常生活和生产实践中，已经觉察到刻有“

酒”

字。北魏

贾思勰殷商

渠的昌

的《齐民要术》(533544)中，列有谷物制曲、主的作用

遁

发

400

0。中国利用

多年前的龙L散生山

文命

历

时物化2.2初创期(

1676-

1861年)形态学发展阶段.1

7

世纪，荷兰人列文虎克用自制的简单显微镜(可放

大160

～260倍)观察牙垢、雨水、井水和植物浸液后，发现其中有许多运动着的“微小动物”,并用文字

和图画科学地记载了人类最早看见的“微小动物”—细菌的不同形态(球状、杆状和螺旋状等)。过了不久，意大利植物学家P.A米凯利也用简单的显微镜观察了

真菌的形态。1838

年，德国动物学家C.G.

埃伦贝格在《纤毛虫

是真正的有机体》一书中，把纤毛虫纲分为22科，其

中包括3

个细菌的科(他将细菌看作动物),并且创用bacteria

(细菌)

一

词。

1854

年，德国植物学家

F.J.

科思发现杆状细菌的芽孢，他将细菌归属于植

物界，确定了此后百年间细菌的分类地位。2.3奠基期(1861-1897年)生理学发展阶段。微生物学的研究从19

世纪60

年代开始进入生理学阶段。法国科学家L.巴斯德对微生物生理学的研究为现代微

生物学奠定了基础。他论证酒和醋的酿造以及一些物质

的腐败都是由一定种类的微生物引起的发酵过程，并不

是发酵或腐败产生微生物；他认为发酵是微生物在没有

空气的环境中的呼吸作用，而酒的变质则是有害微生物

生长的结果；他进一步证明不同微生物种类各有独特的

代谢机能，各自需要不同的生活条件并引起不同的作用；

他提出了防止酒变质的加热灭菌法，后来被人称为巴斯

德灭菌法，使用这一方法可使新生产的葡萄酒和啤酒长

期保存。。科赫对新兴的医学微生物学作出了巨大贡献。。科赫首先论证炭疽杆菌是炭疽病的病原菌，接着又发现

结核病和霍乱的病原细菌，并提倡采用消毒和杀菌方法

防止这些疾病的传播；。他的学生们也陆续发现白喉、肺炎、破伤风、鼠疫等的

病原细菌，导致了当时和以后数十年间人们对细菌给予

高度的重视；·他首创细菌的染色方法，采用了以琼脂作凝固培养基培养细菌和分离单菌落而获得纯培养的操作过程；。他规定了鉴定病原细菌的方法和步骤，提出著名的科赫法则。代表人物：A巴斯德(1822-

1895年)

法国

人—微生物学奠基人，“微生物学之父”贡献生物学基础理论：■彻底否定“自然发生说”,提出生源说■引进“好氧”和“厌氧”两个术语

工

业

：■①证实发酵是由微生物引起的■②提出巴氏消毒法(60℃,30

min)农业

：■

①家蚕软化病的防治■②建立了免疫学预防接种(鸡霍乱疫苗；牛羊炭疽菌

疫苗)巴斯德逝世百年纪念邮票代表人物：B

柯赫(1843-

1910年)德国人—细菌学的奠基人贡献①建立了研究微生物的一系列重要方法，如，

发明了固体培养基、微生物的纯种分离、显

微染色技术、显微摄影技术等；②利用平板分离方法寻找并分离到许多病原菌，

如炭疽病菌(1877)、结核杆菌(1882)、

链球菌(1882)、霍乱弧菌(1883)等；③提出了柯赫法则(1884)。1905年，德国人科赫获得了诺贝尔医学和生理学奖，主要是为了表彰他在肺结核研究方面的贡献。科赫法则(

Koch's

postulates)□

1、在每一相同病例中都出现这种微生物；□2、要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来；■3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病会重复发生；■

4、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这

种微生物。■

1860年，英国外科医生J.利斯特应用药物杀菌，并

创立了无菌的外科手术操作方法。■俄国出生的法国微生物学家C.

H.维诺格拉茨基于1887

年发现硫细菌，1

8

9

0

年发现硝化细菌、铁细菌

等化能自养菌，他论证了土壤中硫化作用和硝化作用的

微生物学过程以及这些细菌的化能营养特性。他第一次

从土壤中分离出厌氧的自生固氮菌一巴氏德梭菌等，并

运用无机培养基、选择性培养基以及富集培养等原理和

方法，研究土壤细菌各个生理类群的生命活动，揭示土

壤微生物参与土壤物质转化的各种作用，开辟了研究微

生物生态和微生物在自然界物质循环中作用等重要课题，

奠定了土壤微生物学的基础。n

贝杰林克(Beijerinck),荷兰微生物学家，1888年，

成功地从豆科根瘤中分离出根瘤菌，揭示了共生固氮现

象

等

；1891

年，又最早分离和发现了好氧的固氮细菌；

是土壤微生物学的奠基人之一，对普通微生物学的发展

也做出了突出贡献。n

1892年，俄国植物生理学家A.M.伊万诺夫斯基发

现烟草花叶病原体是比细菌还小的、能通过细菌过滤器

的、光学显微镜不能窥测的生物，称为过滤性病毒(烟

草花叶病毒),开创了病毒学。n

1899年，奥梅梁斯基发现了分解纤维素的厌氧性细菌。1901年，著名细菌学家和动物学家M.M.梅契尼科

夫发现白细胞吞噬细菌的作用，对免疫学的发展作出了

贡

献

。■

1915～1917年，F.W.

特沃特和F.H.de

埃雷尔观察细菌菌落上出现噬菌斑以及培养液中的溶菌现象，发现了细菌病毒——噬菌体。病毒的发现使人们对生物

的概念从细胞形态扩大到了非细胞形态。■在这一阶段中，微生物操作技术和研究方法的创立是微生物学发展的特有标志。2.4

发展期(

1897

-

1953年)生化水平研究阶段.20世纪以来，生物化学和生物物理学向微生物学渗透，再加上电子显微镜的发明和同位素示踪原子的应用，推

动了微生物学向生物化学阶段的发展。1897

年德国学

者布赫纳发现酵母菌的无细胞提取液能与酵母一样具有

发酵糖液产生乙醇的作用，从而认识了酵母菌酒精发酵

的酶促过程，将微生物生命活动与酶化学结合起来，建

立了现代酶学，开创了微生物生物化学研究的新时代。代表人物：.布赫纳(Buchner)■

没有酵母的酒精发酵

(Discovery

of

cell-free

fermentati■—德

国

E.Buchner.

1929年，英国细菌学家Fleming

发现了青霉菌产生抑菌物质一青霉素，为疾病的化学治疗开辟了新的途径。促使科学家们纷纷从微生物中寻找这

类抗生物质。他在进行葡萄球菌的培养过程中发现，污染有青

霉菌菌落的周围完全不长葡萄球菌，进一步的研

究发现，这种抑菌物质存在于青霉菌的发酵液中，

称为青霉素。■

1944年，美国土壤微生物学家瓦克斯曼Waksman在他

多年研究土壤微生物所积累资料的基础上，发现了由链

霉菌产生的链霉素。此后陆续发现的新抗生素越来越多，相继找到了氯霉素、地霉素、四环素、金霉素等数百种

抗生素，这些工作促使抗生素的研究从筛选到提纯全面展开，形成了一套完整的抗生素工业系统。■这些抗生素除医用外，也应用于防治动植物的病害和食

品保藏。.G.

诺伊贝格等人对酵母菌生理的研究和对酒精发酵中间产物的分析·

A.J.

克勒伊沃对微生物代谢的研究以及他所开拓的比较生物化学的研究方向。其他许多人以大肠杆菌为材料所进行的一系列基本生理

和代谢途径的研究。都阐明了生物体的代谢规律和控制其代谢的基本原理，

并且在控制微生物代谢的基础上扩大利用微生物，发展

酶学，推动了生物化学的发展。·从2

0

世纪30年代起，人们利用微生物进行乙醇、丙酮、

丁醇、甘油、各种有机酸、氨基酸、蛋白质、油脂等的

工业化生产。从1

9

世纪末到20

世纪40年代末，是微生物学发展迅速的时期，各学科相互渗透，形成了许多应用微生物的

分支学科，如抗生素发酵、有机酸发酵、氨基酸发酵等。2.5成熟期(1953年-现在)分子生物学发展阶段n从1953年4月25日Watson和Crick在英国的《自然》上发表DNA结构的双螺旋模型起(获得了1962年诺贝尔奖),整个生命科学就进入了分子生物学研究的新阶段。n特

点

：(1)微生物学迅速成长为一门十分热门的前沿基础学科；(2)在基础理论的研究方面，微生物迅速成为分子生物

学研究中的最主要的对象；(3)在应用研究方面，向着更自觉、更有效和可人为控

制的方向发展，至70年代初，成为新兴的生物工程中的主角

。n

微生物在生物工程中的应用，微生物学发展史上的第三

个“淘金热”。19

4

1

年

，G.W.比德尔和E.L.

塔特姆用X射

线和紫外线照射粗糙脉孢菌(Neurosporacrassa),

使其产生变异，分离到几个营养

缺陷型突变株。他们对营养缺陷型的研究不

仅可以进一步了解基因的作用和本质，而且

为分子遗传学打下了基础。194

4

年

，Avery在研究细菌的转化因子时，发

现了DNA的作用，揭示了基因的化学本质，

从而证实了遗传的物质基础。1953

年

，Watson和Crick发表了DNA的双螺

旋结构，极大地促进了分子遗传学的发展。1961年，Jacob

和Monod提出了乳糖操纵

子学说，证实大肠杆菌乳糖代谢的调节

是由一套调节基因控制的，建立了微生

物代谢调控的基础。1965年，Nirenberg破译了DNA碱基组成的

三联体密码，揭示了生物同一性的本质。

此

后

，DNA

序列分析、DNA

复制机制、DNA

分子杂交、蛋白质生物合成等方面

的研究以惊人的速度发展。1973年，Cohen

等首次将两个不同质粒的DNA

进行体外重

组，转化大肠杆菌成功，奠定了遗传工程的基础。此后

遗传工程的研究取得多方面的成就。1979年，将人的胰岛素A

、B链基因转入大肠杆菌，并获

得了表达。高等真核生物的基因在原核生物中的成功表

达，使得利用转基因微生物(基因工程菌)生产多肽药

物(基因工程药物)成为可能。此外，微生物基因工程

方法应用于动植物，构建转基因动物和转基因植物，使

生物技术得到全面发展。20世纪80年代后期，微生物学在分子水平上的研究得到全

面快速发展，在短期内取得了多方面的突破性进展，形

成了分子微生物学。即利用分子生物学的技术方法研究

微生物形态、生理、遗传、生态、分类等基本生物学规

律。1995年，美国首先测定了流感嗜血杆菌(Haemophilus

influenzae)的全基因组序列。从此，微生物基因组(genome)的研

究范围不断扩大，目前，已经完成了100

多种微生物的基因组全序列的测定，他

们分属于Woese

系统发育树中的细菌、古

菌和真核微生物，如大肠杆菌、枯草芽

孢杆菌、酵母菌和詹氏甲烷球菌等。★微生物基因组测序为生命科学开辟了新的研

究领域，如生物信息学、比较基因组学、功

能基因组学等。★

微生物基因组测序为微生物学、医学和免疫

学等提供了新的思路和方法。★微生物基因组测序对于后基因组时代，研究

基因与功能之间的相互关系将起着重大作用。★微生物作为理想的模式生物，其基因组测序

技术和方法对于高等生物的基因组测序具有

重要的指导和借鉴意义。1994年，提出了蛋白质组(Proteome)的概念，

20世纪末以来，蛋白质组研究技术和方法逐

渐成熟和完善，微生物蛋白质组研究全面展开，建立了蛋白质组学(Proteomics).20世纪末，从转录组(transcriptome)水平

上的研究工作也开始起步，并取得了可喜的

进展3.微生物发酵工程的发展■

3

.

1天然发酵阶段手工操作

常被杂菌污染

产品质量不稳定■

3

.

2纯培养技术的建立□1857巴斯德证明发酵是由于微生物的作用，葡萄酒酸败是由于

醋酸菌污染造成二次发酵引起■

1881年柯赫固体培养基

微生物纯培养技术■通过上述原理应用，发酵管理技术得到巨大改进，酒类、酱油变

质现象大大减少■采用灭菌操作，发明了密闭式发酵罐■

发酵产品较多，发酵工业逐渐加入到近代化学工业行列一发酵史上第一个转折点■

3.3深层培养(通气搅拌)技术的建立20世纪40年代初，随着青霉素的发现，抗生素发酵工业逐渐兴起。由于青霉素产生菌是需氧型的，微生物学家在厌氧发酵技术的基础上，成功地引进了化学工业的通气搅拌和一整套无菌技术，建立了通气搅拌液体深层发酵技术。它大大促进了发酵工业的发展，是现代微生物发酵工程的主要生产方式。发酵史上第二个转折点啤酒发酵设备发酵车间的几层楼高的大型发酵罐的顶部照片(萃取、蒸馏等)代谢产物的分离副产品或废物处理细胞的加工(离子交换、层析、结

晶、干燥等)代谢产物的分纯或加工产

品产

品菌

种活

化

(

斜

面

)扩大培养

)进一步扩大培养

接

种茄子瓶(摇瓶或(粗选、除杂、粉碎、分析或水解、

加工等)(添加水、无机盐、其他营养物，

调碳氮比、pH等

)(测量和控制发酵温度、pH、溶解氧等)发

酵

原

料预

处

理发酵培养基的配制灭

菌大型发酵代谢产物和细胞的分离(过滤、离心、沉淀等)图15

-

1

微生物工业发酵的基本过程■3.4代谢控制发酵技术的建立■1957年，日本用微生物生产谷氨酸成功，如今20种氨基酸都

可以用发酵法生产。氨基酸发酵工业的发展，是建立在代谢控制

发酵新技术的基础上的。科学家在深入研究微生物代谢途径的基础上，通过对微生物进行

人工诱变，先得到适合于生产某种产品的突变类型，再在人工控

制的条件下培养，就能选择性地大量生产人们所需要的中间代谢

产物如各种氨基酸和抗生素，开始了新型的代谢控制发酵技术。发酵史上第三个转折点■3

.

5发酵原料的转变原料(糖、淀粉)

→

醋酸、甲烷、氢气、废渣、废水、纤维素■发酵史上第四个转折点■3.6

基因工程引入发酵■20世纪80年代以后

体外DNA重组技术工程菌■工程菌产品：胰岛素、干扰素、凝血因子、SOD等■菌种选育，可提高产品的产量、质量，降低成本■发酵史上第五个转折点涉及工业范围：■酿酒工业、食品工业、有机溶剂、抗生素、有机酸、酶制剂、氨基酸工业、核苷酸类、

维生素、生理活性物质(激素、赤霉素)、

环境净化工业、生物能源、微生物冶金。现代发酵工业的特点：■①生产初级代谢产物

→

次级代谢产物；■

十自然发酵

→代谢调控发酵■②发酵生产合成简单产物

→发酵与化学合

成联合生产复杂的产物(抗生素)■③作坊或小型化

→大型化、连续化、自动

化■④自然菌株

→诱变菌株

→

工程菌株，产品

更为多样二

微生物对生物基础理论的贡献微生物特点：个体小、结构简、胃口大、食谱广、繁殖快、易培养、

数量大、分布广、种类多、级界宽、变异易、

抗性强、

休眠长、起源早、发现晚。■繁殖周期短、培养条件简单、表型性状丰富、多数是单

倍体等特别适合作遗传学研究对象。■贡献

：①否定生命的自然发生说，提出胚种学说；

■②证明遗传变异的物质基础是核酸；■③揭示遗传密码，提出操纵子学说；■④提出真核细胞内共生学说；■⑤开创了基因工程，建立了PCR

技术；⑥创建了生物三域学说理论；■

⑦建立了一套独特的研究方法和技术。三现代微生物技术的发展■1.基因工程■现代生物技术(生物工程)是指对生物有机体在分子、细

胞或个体水平上通过一定的技术手段进行设计操作，以

改良物种质量和生物大分子特性或生产特殊用途的生物

大分子物质等。包括基因工程、细胞工程、酶工程、发

酵工程，其中基因工程为核心技术。■生物技术的发展可以划分为三个不同的阶段：传统生物

技术、近代生物技术、现代生物技术。传统生物技术的

技术特征是酿造技术，近代生物技术的技术特征是微生

物发酵技术，现代生物技术的技术特征就是以基因工程

为首要标志。■基因工程或重组DNA

技术是指对遗传信息的分子操作

和施工，即把分离到的或合成的基因经过改造，插入载

体中，导入宿主细胞内，使其扩增和表达，从而获得大

量基因产物，或者令生物表现出新的性状。■基因工程的出现是2

0

世纪生物科学具有划时代意义的

巨大事件，它使得生物科学获得迅猛发展，并带动了生

物技术产业的兴起。■

它的出现标志着人类已经能够按照自己意愿进行各种基因操作，大规模生产基因产物，并且去设计和创建新的

基因、新的蛋白质和新的生物物种，这也是当今新技术

革命的重要组成部分。微生物和微生物学在基因工程的产生和发展中占据了十分重要的地位，可以说一切基因工程操作都离不开微生物：①基因工程所用克隆载体主要是用病毒、噬菌体和

质粒改造而成；②基因工程所用千余种工具酶绝大多数是从微生物中分离纯化得到的；③微生物细胞是基因克隆的宿主，即使植物基因工

程和动物基因工程也要先构建穿梭载体，使外源

基因或重组体DNA

在大肠杆菌中得到克隆并进行

拼接和改造，才能再转移到植物和动物细胞中；④为大规模表达各种基因产物，从事商品化生产，

通常都是将外源基因表达载体导入大肠杆菌或是

酵母菌中以构建成工程菌，利用工厂发酵来实现

的；⑤微生物的多样性，尤其是抗高温、高盐、高碱、

低温等基因，为基因工程提供了极其丰富而独特

的基因资源；⑥有关基因结构、性质和表达调控的理论主要也是

来自对微生物的研究中取得的，或者是将动、植

物基因转移到微生物中后进行研究而取得的。因此微生物学不仅为基因工程提供了操作技术，

同时也提供了理论指导。■基因工程的应用范围十分广泛，在医药、农业、食品、

化工、环保、采矿、冶炼、材料、能源等众多领域都有

诱人的开发前景。■其中医药卫生领域是以基因工程为首要标志的现代生物

技术最先登上的舞台，也是目前应用最广泛、成效最显

著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域。■现代生物技术在医药卫生领域的应用主要是解决了过去

用常规方法不能生产或者生产成本特别昂贵的药品的生

产技术问题，开发出了一大批新的特效药物，这些药品

可以分别用以防治诸如肿瘤、心脑肺血管、遗传性、免

疫性、内分泌等严重威胁人类健康的疑难病症，而且在

避免毒副作用方面明显优于传统药品。基因工程药物包括一些在生物体内含量甚微但却具有重要生理功能的蛋白质，如激

素、酶和抑制剂、细胞因子、抗原和抗体、

反义核酸和疫苗、DNA

重组疫苗等■此外，还可利用重组DNA技术改造蛋白质，

设计和生产出自然界不存在的新型蛋白质

药

物

。■表1列出一些具有重要临床应用价值的重组

蛋白质药物。酶与

(urokinase)a-1-

抗胰蛋白酶

(a-1-antitrypsin)溶菌酶(lysozyme)血液蛋白促红细胞生成素(erythropoietin)凝血因子组织纤溶酶原激活剂(tissue

plasminogen

activator)

人类激素表皮生长因子(epidermal

growthfactor)促滤泡素(folliclestimulating

hormone)人生长激素

(humangrowthhormone)免疫

(interferon)白细胞介素

(interleukin)集落刺激因子(colony

stimulating

factor)肿瘤坏死因子(tumornecrosisfactor)

疫苗乙肝

(

hepatitis

B)狂犬病(rabies)治疗贫血促进血凝溶栓剂促进伤口愈合治疗生殖失调促进生长治疗糖尿病助产剂抗病毒、抗肿瘤激活、刺激各类白细胞

治疗感染和肿瘤抗肿瘤预防乙型肝炎预防麻疹预防狂犬病蛋

白

名

称

用途溶栓剂治疗肺气肿抗炎症表1

利用基因工程生产的人类蛋白质药物胰岛素

(insulin)松弛素(relaxin)麻疹(measles)■胰岛素是在胰脏的胰岛中产生的一种小分子蛋白质，它

能提高组织摄取葡萄糖的能力，具有降低血糖的作用，

可用于治疗人的糖尿病■胰岛素最早是从新鲜猪或牛胰脏组织中提取得到■目前世界上糖尿病患者有6000

万人，每人每年约需1

克胰岛素，这样总计需从4

5

亿公斤新鲜胰脏中提取，

这实际上办不到■利用基因工程的"工程菌"生产1

克胰岛素，只需20升

发酵液，它的价值不能用金钱来计算■已能在细菌中克隆人胰岛素基因并用于大规模生产■

重组胰岛素(recombinantinsulin)是作为商品于

1982

年最早投放市场的基因工程药物■基因工程已成功开发出一系列重组疫苗(recombinant

vaccines),这

是一

类更有效更

安全的新型疫苗。所谓重组疫苗是指利用重组DNA

技术，克隆并表达抗原基因的编码序列，并将表达产物用

作疫苗。■第一个被批准在人类中使用的重组疫苗是用酵母生产的乙肝表面抗原(

HBsAg),它是由乙肝病毒表面蛋白

抗原基因在酵母细胞中克隆和表达得到的HBsAg,实

际上是中空的病毒颗粒(只含表面抗原蛋白和磷脂),

经纯化后可作为乙型肝炎疫苗。■除用酵母外，昆虫细胞、哺乳动物细胞也被作为宿主，

甚至植物也能产生重组疫苗。现在世界上许多实验室正在试验制备HIV

的重组疫苗。■重组疫苗是目前最普遍使用的基因工程药物。2.生产菌种的选育■诱变育种■细胞融合技术(异种、异属间)■杂交育种■

3.

微生物培养技术■分批培养■连续培养■固定化培养■透析培养(可减少产物对微生物造成的毒

害

)4.微生物药物■抗生素、抗肿瘤、免疫调节剂、抗氧化剂、抗辐射、酶抑制剂、

蛋白分解酶抑制剂(消炎、肌肉痿缩)、氨肽酶抑制剂(抑制肿

瘤的转移)■在最近20

多年的微生物药物研究开发过程中，最令人兴奋的成果之一是从微生物次级代谢产物中发现抑制胆固醇合成过程的限

速步骤，即HMG-CoA

还原酶抑制剂洛伐他汀和普伐他汀，普

(洛、辛)伐他汀是胆固醇合成中限速酶(

HMG—CoA

还原酶)

的抑制剂，能使VLDL

(

极低密度脂蛋白)和LDLC(

低密度脂蛋白)降低，尤其是总胆固醇降低明显，且副作用小。■随后通过药物化学家的共同努力，很快应用化学合成的方法获得

了阿托伐他汀、氟伐他汀和得伐他汀等一系列他汀类降血脂药物。

由于这类药物的作用机制新颖和独特，取得了十分显著的临床治疗的效果。日本“生命科学与工业”杂志曾引述医药界权威的评

价：认为这种新颖药物对治疗高血脂症是一场革命，其深远影响就如青霉素治疗感染疾病一样。■另一个突出的例子环孢菌素A,首先是作为抗真菌药物

被发现的，但其作为免疫抑制剂用于临床抗器官移植排

斥反应，取得了惊人的效果，是临床免疫抑制疗法的一

场革命。■

环孢菌素A(cyclosporinA,CyA)

,

从半知菌Tolypocladium

inflatum的培养液中分离纯化而

得到，它是由11个氨基酸组成的环肽，分子量1202,CyA

针对抗器官移植的T

细胞，阻断其活力，但它不作用B

细胞，即不抑制机体抗感染的能力，极大地提高了

器官移植的成功率，是一种高效、低毒较理想的抗排异药物，在临床应用上效果很好。目前，从发表的文献资料来看，从微生物

代谢产物中筛选各种生物活性物质，除了抗耐药菌抗生素、酶抑制剂和免疫调节剂

等几个领域外，在受体拮抗剂、抗氧化剂、

细胞因子诱导剂等多个领域，都发现了很

多具有药物开发价值的候选化合物。可以

毫不夸张地说，在微生物的代谢产物中，

存在着各种人们目前还无法想象的极好药

物，它有待于我们去认识和开发。■

5.微生物农药、肥料和饲料5.1微生物农药■化学农药：环境污染，生态破坏，抗药性大增，人畜中毒■生阳物极农药：1992

年世界环境与发展大会的决议指出：要在全球范围内控制化学农药的销售和使用，到2000年生物农药的产量将占农药总量的60%。微生物农药：在生物农药中占有重要地位，它是利用微生物本身或其代谢产物防治病、虫、杂草的制剂。■已商品化的微生物农药主要包括抗生素(防治病、虫、杂草)、

细菌杀虫剂

(苏云金芽孢杆菌杀虫剂，简

称Bt杀

虫剂，使用最

多最广泛)、

真菌杀虫剂

(典型代表是白僵菌杀虫剂，白僵菌是

一

种广谱性寄生真菌，广泛地使昆虫致病)、病毒杀虫剂(许

多病毒能使害虫致病死亡，并且对人、畜和作物安全，杀虫作用

具有流行性和可持续性)、细菌与病毒

混合杀虫剂和微生物除

草剂

(杂草的病原体，我国”鲁保一号”是利用专性寄生于菟丝

子的半知菌类黑盘孢目盘长孢属的真菌制成)等。■5.2微生物肥料和饲料■微生物肥料是根据微生物在自然界物质循环中分解和合

成作用，所产生的促进植物生长和减少植物危害的作用，

精心选育菌种，生产而成的生物肥料。■

还有将固氮、解磷、转化矿物、抗病害的微生物混合培

养制成的复合微生物肥料。■使用微生物肥料，可以缓解长期大量施用化肥带来的破

坏土壤结构、污染环境等严重问题，而且生产工艺似微

生物农药，安全、简便、成本低、原料可因地制宜、来

源容易。■目前工业生产的一些微生物肥料如表

2表

2

一

些

微

生

物

肥

料

实

例肥料类别菌种主要作用主要用途固氮菌肥料固氮菌属(Azotobacter)固氮梭菌属(Closteridium)鱼腥藻属(Anabaesna)等的菌种固氮谷物、棉花、蔬菜的氮

肥，增加土壤中氮素含量根瘤菌肥料根瘤菌属(Rhizobium)弗兰克氏菌属(Frankia)等的菌种固氮豆科和木本非豆科植物共生固氮，增加土壤中

氮素含量磷细菌肥料解磷的巨大芽孢杆菌(B.megaterium)将土壤中不溶磷转

化为可溶磷各种农作物磷肥氧化硫硫杆菌(Thiobacillus

thiooxidans)钾细菌制剂胶冻样芽孢杆菌(B.mucilaginosus)分解长石

硅酸盐类

有效钾和云母矿物产等生各类农作物钾肥"5406"抗生菌肥细黄链霉菌(S.microflavus)产生抗生素抗病驱

虫，分泌刺激素，

促进植物生长，转

化矿物质促进各种作物生长、

抗病驱虫■微生物饲料包括青贮饲料、发酵饲料、单细胞蛋

白(