现代生物技术

现代生物技术

摘要：现代生物技术，主要包括五项技术：基因工程，细胞工程，酶工程，蛋白质工程，发酵工程。五项技术的应用十分广泛，在人们的生产生活中占有重要地位。

关键词：基因工程 细胞工程 酶工程 蛋白质工程 发酵工程 应用

随着时代的发展，现代生物技术在人们的生活中也越来越重要了。现代生物技术对解决人类面临的重大问题如：粮食、健康、环境和能源等将开辟广阔的前景，因此越来越为各国政府和企业界所关注，现代生物技术已经与信息、新材料和新能源技术并列成为影响国计民生的四大科学技术支柱，是21世纪高新技术产业的先导。

生物技术(biotechnology),也称生物工程(bioengineering)，指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品的技术。

生物技术是由多个学科综合而成的一门新学科。主要包括以下5项技术：1.基因工程（gene engineering）2.细胞工程（cell engineering）3.酶工程（enzyme engineering）4.发酵工程（fermentation engineering）5.蛋白质工程（protein engineering ）。

一、基因工程

基因工程原称遗传工程。从狭义上讲，基因工程是指将一种或多种生物体（供体）的基因与载体在体外进行拼接重组，然后转入另一种生物体（受体）内，使之按照人们的意愿遗传并表达出新的性状。广义的基因工程定义为DNA重组技术的产业化设计与应用，

包括上游技术和下游技术两大组成部分。上游技术指的是外源基因重组、克隆和表达的设计与构建；而下游技术则涉及到含有重组外源基因的生物细胞的大规模培养以及外源基因表达产物的分离纯化过程。

基因工程之所以能够实现，主要有六个原因：1.不同基因具有相同的物质基础；2. 基因是可切割的；3. 基因是可以转移的；4. 多肽和基因之间存在对应关系；5. 遗传密码是通用的；6. 基因可以通过复制把遗传信息传给下一代。

基因工程的实现主要分为三个步骤：第一步：目的基因的分离或制备：人工分离生物基因组群中目的基因及内切酶定位切割或人工酶促合成。二步：重组DNA：选择载体及目的基因与载体基因重组。第三步：导入与表达：重组DNA导入受体细胞，目的基因表达出目的效应和性状

基因工程的主要过程是先从供体细胞中分离出基因组DNA，用限制性核酸内切酶分别将外源DNA（包括外源基因或目的基因）和载体分子切开，在用DNA连接酶将含有外源基因的DNA片断接到载体上，形成DNA重组分子，然后借助于细胞转化手段将DNA重组分子导入受体细胞中。短时间培养转化细胞，以扩增DNA重组分子或使其整合到受体细胞的基因组中。然后在培养的细胞中筛选和鉴定转化细胞，获得使外源基因高效表达的基因工程菌或细胞。

二、细胞工程

细胞工程是应用细胞生物学方法，借助工程学的试验方法或技术，在细胞水平上研究改造生物遗传特性和生物学特性，以获得特定的细胞、细胞产品或新生物体的有关理论和技术方法的学科。

广义的细胞工程包括所有的生物组织、器官及细胞离体操作和培养技术，狭义的细胞工程则是指细胞融合和细胞培养技术。

根据研究对象不同，细胞工程可分为动物细胞工程和植物细胞工程。动物细胞工程包括：细胞培养技术（包括组织培养、器官培养）；细胞融合技术；胚胎工程技术 （核移植、胚胎分割等）；克隆技术（单细胞系克隆、器官克隆、个体克隆）。植物细胞工程包括：植物组织、器官培养技术；细胞培养技术；原生质体融合与培养技术；亚细胞水平的操作技术等。

细胞工程基础是因为细胞是细胞具有全能型。细胞的全能性简单地讲，就是一个生活细胞所具有的产生完整生物个体的潜在能力。

植物细胞培养是将离体的植物器官、组织或细胞，在培养了一段时间后，会通过细胞分裂，形成愈伤组织。由高度分化的植物器官、组织或细胞产生愈伤组织的过程，称为植物细胞的脱分化，或者叫做去分化。脱分化产生的愈伤组织继续进行培养，又可以重新分化成根或芽等器官，这个过程叫做再分化。再分化形成的试管苗，移栽到地里，可以发育成完整的植物体。

动物细胞培养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，让这些细胞生长和增殖。动物细胞培养的基本过程：取动物胚胎或幼龄动物器官、组织。将材料剪碎，并用胰蛋白酶处理（消化），处理形成单个细胞，将单个的细胞放入培养基中配成一定浓度的细胞悬浮液。悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上，成为细胞贴壁。当贴壁细胞分裂生长到互相接触时，细胞就会停止分裂增殖，出现接触抑制。此时需要将出现接触抑制的细胞重新使用胰蛋白酶处理。再配成一定浓度的细胞悬浮液。

三、酶工程

酶工程即利用酶的催化作用，在一定的生物反应器中，将相应的原料转化成所需的产品。酶工程是现代酶学理论与化工技术的交叉技术，它的应用主要集中于食品工业、轻工业和医药工业等领域。

酶工程的应用范围（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（酶和细胞固定化）；（4）酶反应器的研制和应用；（5）与其他生物技术领域的交叉和渗透。

其中固定化酶技术是酶工程的核心。实际上有了酶的固定化技术，酶在工业生产中的利用价值才真正得以体现。

微生物酶的开发

微生物酶开发的一般程序

(一) 样品的采集：采样的目的、采样地点、采样方法及采样的数（二) 菌种的分离：培养基的确定、培养条件的确定。(三) 菌种的初筛：(1)用简单的定性反应进行初筛； (2)在最初分离阶段就给予特殊的培养基或培养条件，进而让目的菌株得以繁殖，尽可能地把只成为目的菌的菌株或只将其最适菌株的一株纯化分离。(四) 菌种的复筛：初筛之后，还要进行复筛。复筛的目的是在初筛的基础上，筛选产酶量高、性能更符合生产要求的菌种复筛。酶活的测定方法的建立尤其重要。(五) 对复筛获得菌株的要求： (1)不是致病菌； (2)菌株不易退化； (3)不易感染噬菌体； (4)微生物产酶量高； (5)酶的性质符合应用的需要，而且最好是胞外酶；(6)产生的酶便于分离和提取，得率高；(7)微生物培养营养要求低。

(六) 最佳产酶条件的初步确定： (1)培养方式的确定；(2)最佳培养条件组合；(3)微生物产酶的特性(胞内酶、胞外酶)；(4)微生物酶收集的时间顺序；(七) 微生物产酶性能的进一步提高：(1)获得高产菌种的突变体；(2)利用代谢工程和代谢调节机理来提高微生物的酶产量。(3)运用遗传工程、基因工程的手段将原有菌株中的目的基因转移到另外一些对生产环境更适应的微生物细胞之内，使其高效表达；(八) 微生物酶的提取方法：(1)酶的粗提； (2)酶的精制。(九) 微生物产酶菌种的保藏：(1)斜面；(2)沙土管；(3)冷冻。

四、发酵工程

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

发酵过程1、发酵原料的选择及预处理2、微生物菌种的选育及扩大培养3、发酵设备选择及工艺条件控制：常温、常压。种子扩大培养和发酵采用不同的工艺。4、发酵产物的分离提取5、发酵废物的回收和利用

工业发酵步骤和工艺流程：(1) 用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制(2) 培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌(3) 将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发 酵罐中(4) 将接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生长并形成代谢产物(5) 将产物抽提并进行精制，以得到合格的产品(6) 回收或处理发酵过程中产生的废物和废水

六、 蛋白质工程

蛋白质工程的概念:蛋白质工程是以蛋白质结构功能关系的知识为基础，通过周密的分子设计，把蛋白质改造为合乎人类需要的新的突变蛋白质。

蛋白质工程的目的是改变蛋白质的生物活性，改变蛋白质的稳定性，改变蛋白质的特性和用于蛋白质与功能研究。

蛋白质工程程序：蛋白质工程是根据已知蛋白质结构的知识创新的过程。首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，然后提出对蛋白质的加工和改造的设想，通过基因定位突变和其它方法获得需要的新蛋白质的基因，进而进行蛋白质合成。这一过程不是一次就能完成的，需要反复尝试，才能得到所需要得蛋白质。

现代生物技术在生产生活中应用广泛。生物技术可以应用在在农业中。基因工程在植物遗传改良中的应用：制作培育抗病虫害、耐旱、耐盐、耐低/高温的新品种，培育高产、优质新品种，控制生长发育细胞工程技术在农业上的应用：1.将常规植物育种技术与植物组织培养技术相结合，可以获得常规技术难以或无法获得的种质材料，缩短育种周期，提高育种效率；2.快速获得特殊倍性材料；3.克服远缘杂交的困难；4.细胞突变体筛选获得新的种质材料；5.原生质体融合选育新品种;6.种苗脱病毒与快速繁殖；7.种质资源保存。转基因技术在动物生产上的应用：转人生长激素基因的鱼;转牛生长激素基因的鸡;转人血红蛋白基因的猪;动物胚胎工程及克隆技术的应用：胚胎移植；胚胎冷冻保存；体外胚胎生产；胚胎分割；性别控制；用克隆技术获得更多的优良动物个体用于生产,挽救濒危动物。

生物技术也可以用于食品生产方面。人们可以利用基因工程技术改良食品加工的原料；如利用基因工程技术重组牛和猪生长素基因，提高牛奶的产量，生产瘦肉型猪等。利用基因工程菌生产食品原辅料

还可以利用基因工程改良微生物菌种性能

细胞工程在食品工业中的应用，如动物细胞培养生产保健品、植物细胞培养生产原辅料

酶工程在食品工业中的应用:酶在食品原料加工中的应用，如利用凝乳酶生产奶酪，目前已通过酵母发酵获得凝乳酶.酶制剂用于改善食品质量：蛋白酶嫩化肉、果胶酶澄清果汁等。酶在食品保鲜和贮藏中的作用。如葡萄糖氧化酶的保鲜作用、溶菌酶的保鲜作用

微生物工程在食品工业中的应用：1、利用微生物发酵作用生产各种食品2. 利用微生物的代谢产物作为食品添加剂或生产原料。如酸味剂、增稠剂、调味剂、色素、抗菌素等。 3. 生产单细胞蛋白：

生物技术在人类健康方面可用于生产疫苗与药品、诊断治疗疾病

生产免疫制剂、抗生素酵生产技术等。在环境方面，生物技术可用于净化空气，处理垃圾，在能源方面，可以用生物技术生产能源，以代替石油等不可再生能源。

现代生物技术有这非常重要和广泛的作用应用，受到各界的关注与支持，必定会在将来有的快速的发展与突破。