•生物技术及其应用前景•一、酶工程与发酵工程酶工程与发酵工程是生物技术中有着悠久历史的两门技术。

近20年来，随着与生物技术相关的诸多基础理论和技术以及实验手段的发展，这两门传统的生物技术逐步走出被动、低效的状态，而发展成为主动、高效的当代生物技术，被列入到高技术领域。

（一）酶工程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。

催化剂即指能化学变化加速而翻身不变的物质。

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。

酶工作技术的应用X围大致有：（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。

但是对于像用葡萄糖生产果糖行业来说，需要用酶，而酶又不能留在产品中，否则会影响产品纯度。

再说，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吸附作用将酶固定到载体表面，叫作吸附法；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。

与固定化酶技术相配套的是酶生物反应器。

一个安装有固定化酶材料的容器就是酶生物反应器，它是把反应物质变成产品的重要生产车间，葡萄糖溶液缓缓流进装有葡萄糖异构酶的生物反应器，出来的就是比原来溶液甜的多的新液体。

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。

从广义上讲，发酵工程由三部分组成：是上游工程，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）。

二、基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。

1968年，沃纳钒⒍┦俊⒌つ岫内森斯博士和汉密尔肥访芩共┦康谝淮未哟蟪Ω司刑崛〕隽讼拗菩阅谇忻改芄辉贒NA上寻找特定的“切点”，认准后将DNA分子的双链交错地切断。

他们于1978年获诺贝尔生理和医学奖。

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：①从生物基因组中分离。

一种办法是用“分子剪刀”剪切供体ＤＮＡ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ＤＮＡ片段。

到目前为止，人们用这种方法已分离出４０种大肠杆菌蛋白质的基因和鸡的组蛋白基因等。

②逆转录合成。

通常以RNA为模板，在逆转酶下合成DNA，称其为ｃDNA。

③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ＤＮＡ“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ＤＮＡ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”。

在这种情况下，生物工程们就只好采用ＤＮＡ重组技术。

理想的基因运载工具是病毒、噬菌体和质粒。

质粒能自由进出细菌细胞，当用“分子剪刀”把它切开，再给它安装上一段外来的DNA片段后，它依然如故地能自我复制。

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ＤＮＡ）重新组合起来形成重组ＤＮＡ。

重组ＤＮＡ就是在质粒（或病毒ＤＮＡ）的“带领”下进入受体的过程叫“转化”，得到重组ＤＮＡ的细胞叫“转化细胞”。

①直接导入法有电击、显微注射、直接吸收、基因枪等方法。

（1）电击法：借助电击仪高压脉冲把目的基因打入宿主细胞。

（2）显微注射法：利用微量注射器在显微镜下直接把目的基因注入宿主细胞。

（3）直接吸收法：把目的基因和宿主细胞混在一起，让其吸收。

（4）基因枪法：在金属微粒上涂一层目的基因，然后发射到宿主细胞中。

②间接导入法常用的载体是质粒、λ噬菌体、科斯质粒。

（1）质粒是细菌染色体DNA以外的环状双链DNA分子，它能自我复制，也可整合到细胞染色体DNA中与其一起表达。

质粒通常还含有标记基因，这可以从细胞的表型特征来识别。

（2）λ噬菌体是一种细菌病毒，其环状双链DNA可以作为目的基因的载体。

（3）科斯质粒是一种杂种质粒，含有质粒和λ噬菌体的部分顺序，很适合用作真核生物基因的载体。

3、目的基因表达及表达产物分离目的基因进入宿主细胞后，可以与宿主细胞DNA整合在一起，并一起表达。

表达后所产生的蛋白质可以用一般分离蛋白质的方法分离和纯化。

把目的基因装在运载体上后，就看运载体能否将目的基因运到受体细胞了。

这是基因工程的最后一步。

一般情况下，转化成功率为百分之一。

这样低的转化率实在难以满足遗传工程师们的要求。

为此，遗传工程师们创造了在低温条件下用氯化钙处理受体细胞和增加重组ＤＮＡ浓度的办法来提高转化率。

采用氯化钙处理事，能增大受体细胞的细胞壁透性，从而使杂种ＤＮＡ分子更容易进入。

目的基因的导入过程是我们肉眼看不到的。

因此，要知道导入是否成功，事先应找到特定的标志。

例如我们用一种经过改造的抗四环素质粒PSC１００作载体，将一种基因移入自身无抗性的大肠杆菌时，如果基因移入后，大肠杆菌不能被四环素杀死，说明导入成功了三、生物技术在农业方面的应用植物基因工程是指植物学领域的基因工程，其研究对象是植物。

利用植物基因工程技术，改良作物蛋白质成分，提高作物中必需的氨基酸含量，培育抗病毒、抗虫害、抗除草剂的工程植株以及抗盐、抗旱等逆境植株，在当前农业生产中已显示出巨大的经济效益，并展示了植物基因工程在未来农业生产中的广阔前景。

（一）品质育种高产作物：最早运用基因克隆技术的基因是植物种子、块茎等贮藏器官中的贮藏蛋白基因。

菲律宾马尼拉的国际水稻研究所已经培育出超级水稻，1.5万斤/公倾。

非洲培育出超级木薯增产10倍。

我国袁隆平被誉为“杂交水稻之父”现在培育出的高光效水稻2.25万公斤/公倾。

高光效玉米6万公斤/公倾。

促进健康的食品：杜邦和孟山都公司即将推出多种可榨取有益心脏的食用油的大豆。

两大公司还将联手推出味道更鲜美且更容易消化的强化大豆新品种。

一般情况下，玉米、小麦、水稻等谷类蛋白中缺乏赖氨酸。

现在已培育出高赖氨酸的玉米、小麦和水稻。

生物改良新饲料：不久人们可以给家禽和奶牛喂食生物改良饲料，以便为人类提供更优良的蛋白质并帮助动物吸收磷。

生物改良饲料可以产生两项效益，即既能降低饲料成本，又能减少动物粪便中磷含量，因而有益于保护生态环境。

含抗疾病物质农作物：艾尔姆公司与其它公司合作，正在研究高含量抗癌物质的西红柿，以及可用于生产血红蛋白的玉米和大豆。