生物工程技術:學科專業-中文百科頻道

概況

生物工程包括五大工程，即遺傳工程(基因工程)、細胞工程、微生物工程(發酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反應器工程。在這五大領域中，前兩者作用是将常規菌(或動植物細胞株)作為特定遺傳物質受體，使它們獲得外來基因，成為能表達超遠緣性狀的新物種——“工程菌”或“工程細胞株”。後三者的作用則是這一有巨大潛在價值的新物種創造良好的生長與繁殖條件，進行大規模的培養，以充分發揮其内在潛力，為人們提供巨大的經濟效益和社會效益。

基因工程

基因工程是指在基因水平上，按照人類的需要進行設計，然後按設計方案創建出具有某種新的性狀的

生物新品系，并能使之穩定地遺傳給後代。基因工程采用與工程設計十分類似的方法，明顯地既具有理學的特點，同時也具有工程學的特點。

生物學家在了解遺傳密碼是RNA轉錄表達以後，還想從分子的水平去幹預生物的遺傳。1973年，美國斯坦福大學的科恩教授，把兩種質粒上不同的抗藥基因"裁剪"下來，"拼接"在同一個質粒中。當這種雜合質粒進入大腸杆菌後，這種大腸杆菌就能抵抗兩種藥物，且其後代都具有雙重抗菌性，科恩的重組實驗拉開了基因工程的大幕。

DNA重組技術是基因工程的核心技術。重組，顧名思義，就是重新組合，即利用供體生物的遺傳物質，或人工合成的基因，經過體外切割後與适當的載體連接起來，形成重組DNA分子，然後将重組DNA分子導入到受體細胞或受體生物構建轉基因生物，該種生物就可以按人類事先設計好的藍圖表現出另外一種生物的某種性狀。

DNA重組技術的物質基礎

（1）目的基因

基因工程是一種有預期目的的創造性工作，它的原料就是目的基因。所謂目的基因，是指通過人工方法獲得的符合設計者要求的DNA片段。在适當條件下，目的基因将會以蛋白質的形式表達，從而實現設計者改造生物性狀的目标。

（2）載體

目的基因一般都不能直接進入另一種生物細胞，它需要與特定的載體結合,才能安全地進入到受體細胞中。目前常用的載體有質粒、噬菌體和病毒。

質粒是在大多數細菌和某些真核生物的細胞中發現的一種環狀DNA分子，它位于細胞質中。許多質粒含有在某種環境下可能是必不可少的基因。

噬菌體是專門感染細菌的一類病毒，由蛋白質外殼和中心的核酸組成。在感染細菌時，噬菌體把DNA注入到細菌裡，以此DNA為模闆，複制DNA分子，并合成蛋白質，最後組裝成新的噬菌體。當細菌死亡破裂後，大量的噬菌體被釋放出來，去感染下一個目标。

質粒、噬菌體和病毒的相似之處在于，它們都能把自己的DNA分子注入到宿主細胞中并保持DNA分子的完整，因而，它們成為運載目的基因的合适載體。因此，基因工程中的載體實質上是一些特殊的DNA分子。

（3）工具酶

基因工程需要有一套工具，以便從生物體中分離目的基因，然後選擇适合的載體，将目的基因與載體連接起來。DNA分子很小，其直徑隻有20埃（10-10米）。基因工程實際上是一種“超級顯微工程”，對DNA的切割、縫合與轉運，必須有特殊的工具。

1968年，科學家第一次從大腸杆菌中提取出了限制性内切酶。限制性内切酶最大的特點是專一性強，能夠在DNA上識别特定的核苷酸序列，并在特定切點上切割DNA分子。70年代以來，人們已經分離提取了400多種限制性内切酶。有了它，人們就可以随心所欲地進行DNA分子長鍊切割了。表4-3是一些限制性内切酶的識别位點

1976年，5個實驗室的科學家幾乎同時發現并提取出一種酶，作DNA連接酶。從此，DNA連接酶就成了“粘合”基因的“分子粘合劑”。

DNA重組技術的一般操作步驟

一個典型的DNA重組包括五個步驟：

（1）目的基因的獲取

目前，獲取目的基因的方法主要有三種：反向轉錄法、從細胞基因組直接分離法和人工合成法。

反向轉錄法是利用mRNA反轉錄獲得目的基因的方法。現在用這種方法人們已先後合成了家兔、鴨和人的珠蛋白基因、羽毛角蛋白基因等。

從細胞基因組中直接分離目的基因常用"鳥槍法"，因為這種方法猶如用散彈打鳥,所以又稱"散彈槍法"。用"鳥槍法"分離目的基因，具有簡單、方便和經濟等優點。許多病毒和原核生物、一些真核生物的基因，都用這種方法獲得了成功的分離。

化學合成目的基因是20世紀70年代以來發展起來的一項新技術。應用化學合成法，可在短時間内合成目的基因。科學家們已相繼合成了人的生長激素釋放抑制素、胰島素、幹擾素等蛋白質的編碼基因。

（2）DNA分子的體外重組

體外重組是把載體與目的基因進行連接。例如，以質粒作為載體時，首先要選擇出合适的限制性内切酶，對目的基因和載體進行切割，再以DNA連接酶使切口兩端的脫氧核苷酸連接。于是目的基因被鑲嵌進質粒DNA，重組形成了一個新的環狀DNA分子（雜種DNA分子）。

（3）DNA重組體的導入

把目的基因裝在載體上後，就需要把它引入到受體細胞中。導入的方式有多種，主要包括轉化、轉導、顯微注射、微粒轟擊和電擊穿孔等方式。轉化和轉導主要适用于細菌一類的原核生物細胞和酵母這樣的低等真核生物細胞，其他方式主要應用于高等動植物的細胞。

（4）受體細胞的篩選

由于DNA重組體的轉化成功率不是太高，因而，需要在衆多的細胞中把成功轉入DNA重組體的細胞挑選出來。應事先找到特定的标志，證明導入是否成功。例如，我們常用抗生素來證明證明導入的成功。

（5）基因表達

目的基因在成功導入受體細胞後，它所攜帶的遺傳信息必須要通過合成新的蛋白質才能表現出來，從而改變受體細胞的遺傳性狀。目的基因在受體細胞中要表達，需要滿足一些條件。例如，目的基因是利用受體細胞的核糖體來合成蛋白質，因此目的基因上必須含有能啟動受體細胞核糖體工作的功能片段。

這五個步驟代表了基因工程的一般操作流程。

人們掌握基因工程技術的時間并不長，但已經獲得了許多具有實際應用價值的成果。基因工程作為現代生物技術的核心，将在社會生産和實踐中發揮越來越重要的作用。

細胞工程

關于細胞工程的定義和範圍還沒有一個統一的說法，一般認為，細胞工程是根據細胞生物學和分子生物學原理，采用細胞培養技術，在細胞水平進行的遺傳操作。細胞工程大體可分染色體工程、細胞質工程和細胞融合工程。

1、細胞培養技術

細胞培養技術是細胞工程的基礎技術。所謂細胞培養，就是将生物有機體的某一部分組織取出一小塊，進行培養，使之生長、分裂的技術。細胞培養又叫組織培養。近二十年來細胞生物學的一些重要理論研究的進展，例如細胞全能性的揭示，細胞周期及其調控，癌變機理與細胞衰老的研究，基因表達與調控等，都是與細胞培養技術分不開的。

體外細胞培養中，供給離開整體的動植物細胞所需營養的是培養基，培養基中除了含有豐富的營養物質外，一般還含有刺激細胞生長和發育的一些微量物質。培養基一般有固态和液态兩種，它必須經滅菌處理後才可使用。此外，溫度、光照、振蕩頻率等也都是影響培養的重要條件。

植物細胞與組織培養的基本過程包括如下幾個步驟：

第一步，從健康植株的特定部位或組織，如根、莖、葉、花、果實、花粉等，選擇用于培養的起始材料（外植體）。

第二步，用一定的化學藥劑（最常用的有次氯酸鈉、升汞和酒精等）對外植體表面消毒，建立無菌培養體系。

第三步，形成愈傷組織和器官，由愈傷組織再分化出芽并可進一步誘導形成小植株。

動物細胞培養有兩種方式。一種叫非貼壁培養：也就是細胞在培養過程中不貼壁，條件較為複雜，難度也大一些，但是容易同時獲得大量的培養細胞。這種方法一般用于淋巴細胞、腫瘤細胞和一些轉化細胞的培養。另一種培養方式是貼壁培養：也稱為細胞貼壁，貼壁後的細胞呈單層生長，所以此法又叫單層細胞培養。大多數哺乳動物細胞的培養必須采用這種方法。

動物細胞不能采用離體培養，以人的皮膚細胞培養為例，動物細胞培養的主要步驟如下：

第一步，在無菌條件下，從健康動物體内取出适量組織，剪切成小薄片。

第二步，加入适宜濃度的酶與輔助物質進行消化作用使細胞分散。

第三步，将分散的細胞進行洗滌并純化後，以适宜的濃度加在培養基中，37℃下培養，并适時進行傳代。（圖4-31）

在細胞培養中，我們經常使用一個詞——克隆。克隆一詞是由英文clone音譯而來，指無性繁殖以及由無性繁殖而得到的細胞群體或生物群體。細胞克隆是指細胞的一個無性繁殖系。自然界早已存在天然的克隆，例如，同卵雙胞胎實際上就是一種克隆。

基因工程中，還有稱為分子克隆(molecularcloning)的，是科恩等在1973年提出的。分子克隆發生在DNA分子水平上，是指從一種細胞中把某種基因提取出來作為外源基因，在體外與載體連接，再将其引入另一受體細胞自主複制而得到的DNA分子無性系。

2、細胞核移植技術

由于克隆是無性繁殖，所以同一克隆内所有成員的遺傳構成是完全相同的，這樣有利于忠實地保持原有品種的優良特性。人們開始探索用人工的方法來進行高等動物克隆。哺乳動物克隆的方法主要有胚胎分割和細胞核移植兩種。其中，細胞核移植是發展較晚但富有潛力的一門新技術。

細胞核移植技術屬于細胞質工程。所謂細胞核移植技術，是指用機械的辦法把一個被稱為“供體細胞”的細胞核（含遺傳物質）移入另一個除去了細胞核被稱為“受體”的細胞中，然後這一重組細胞進一步發育、分化。核移植的原理是基于動物細胞的細胞核的全能性。

采用細胞核移植技術克隆動物的設想，最初由一位德國胚胎學家在1938年提出。從1952年起，科學家們首先采用兩栖類動物開展細胞核移植克隆實驗，先後獲得了蝌蚪和成體蛙。1963年，我國童第周教授領導的科研組，以金魚等為材料，研究了魚類胚胎細胞核移植技術，獲得成功。到1995年為止，在主要的哺乳動物中，胚胎細胞核移植都獲得成功，但成體動物已分化細胞的核移植一直未能取得成功。

1996年，英國愛丁堡羅斯林研究所，伊恩·維爾穆特研究小組成功地利用細胞核移植的方法培養出一隻克隆羊——多利，這是世界上首次利用成年哺乳動物的體細胞進行細胞核移植而培養出的克隆動物。圖4-33克隆羊示意圖。

在核移植中，并不是所有的細胞都可以作為核供體。作為供體的細胞有兩種：一種是胚胎細胞，一種是某些體細胞。

研究表明，卵細胞、卵母細胞和受精卵細胞都是合适的受體細胞。

2000年6月，我國西北農林科技大學利用成年山羊體細胞克隆出兩隻“克隆羊”，這表明我國科學家也掌握了哺乳動物體細胞核移植的尖端技術。

核移植的研究，不僅在探明動物細胞核的全能性、細胞核與細胞質關系等重要理論問題方面具有重要的科學價值，而且在畜牧業生産中有着非常重要的經濟價值和應用前景。

3、細胞融合技術

細胞融合技術屬于細胞融合工程。細胞融合技術是一種新的獲得雜交細胞以改變細胞性能的技術，它是指在離體條件下，利用融合誘導劑，把同種或不同物種的體細胞人為地融合，形成雜合細胞的過程。細胞融合術是細胞遺傳學、細胞免疫學、病毒學、腫瘤學等研究的一種重要手段

動物細胞融合的主要步驟是：

第一步，獲取親本細胞。将取樣的組織用胰蛋白酶或機械方法分離細胞，分别進行貼壁培養或懸浮培養。

第二步，誘導融合。把兩種親本細胞置于同一培養液中，進行細胞融合。動物細胞的融合過程一般是：兩個細胞緊密接觸→細胞膜合并→細胞間出現通道或細胞橋→細胞橋數增加擴大通道面積→兩細胞融合為一體。

植物細胞融合的主要步驟是：

第一步，制備親本原生質體。

第二步，誘導融合。

微生物細胞的融合步驟與植物細胞融合基本相同。

從20世紀70年代開始，已經有許多種細胞融合成功，有植物間、動物間、動植物間甚至人體細胞與動植物間的成功融合的新的雜交植物，如“西紅柿馬鈴薯”、“拟南芥油菜”和“蘑菇白菜”等。（圖4-36是利用細胞融合培育雜交植物）從目前的技術水平來看，人們還不能把許多遠緣的細胞融合後培養成雜種個體，尤其是動物細胞難度更大。

發酵工程

現代的發酵工程。又叫微生物工程，指采用現代生物工程技術手段，利用微生物的某些特定的功能，為人類生産有用的産品，或直接把微生物應用于工業生産過程。

發酵是微生物特有的作用，幾千年前就已被人類認識并且用來制造酒、面包等食品。20世紀20年代主要是以酒精發酵、甘油發酵和丙醇發酵等為主。20世紀40年代中期美國抗菌素工業興起，大規模生産青黴素以及日本谷氨酸鹽(味精)發酵成功，大大推動了發酵工業的發展。

20世紀70年代，基因重組技術、細胞融合等生物工程技術的飛速發展，發酵工業進入現代發酵工程的階段。不但生産酒精類飲料、醋酸和面包，而且生産胰島素、幹擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫療保健藥物，生産天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農用生産資料，在化學工業上生産氨基酸、香料、生物高分子、酶、維生素和單細胞蛋白等。

從廣義上講，發酵工程由三部分組成：上遊工程，發酵工程和下遊工程。其中上遊工程包括優良種株的選育，最适發酵條件（pH、溫度、溶解氧和營養組成）的确定，營養物的準備等。發酵工程主要指在最适發酵條件下，發酵罐中大量培養細胞和生産代謝産物的工藝技術。下遊工程指從發酵液中分離和純化産品的技術。

發酵工程的步驟一般包括：

第一步，菌種的選育。

第二步，培養基的制備和滅菌。

第三步，擴大培養和接種。

第四步，發酵過程。

第五步，分離提純。

發酵工程在醫藥工業、食品工業、農業、冶金工業、環境保護等許多領域得到廣泛應用。