生物技术概论

一、生物技术的定义 生物技术（biotechnology），有时也称生物工程（ bioengineering）,是指人们 以现代生命科学为基础， 结合其他基础学科的科学原理，采用先进的工程技术 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或达 到某种目的。因此，生物技术是一门新兴的、综合性的学科. 先进的工程技术手段是指基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程 等新技术。改造生物体是指获得优良品质的动物、植物或微生物品系。生物原料 则指生物体的某一部分或生物生长过程所能利用的物质，如淀粉、糖蜜、纤维素 等有机物，也包括一些无机化学品，甚至某些矿石.为人类生产出所需的产品包 括粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等各种产品。达到某种目的则包括 疾病的预防、诊断与治疗、环境污染的检测和治理等。 二、生物技术的研究内容 根据生物技术操作的对象及操作技术的不同,生物技术主要包括以下 5 项技术 （工程）。 （1）基因工程 基因工程gene engineering）是应用人工方法把生物的遗传物质 （DNA）分离 出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组了的 DNA 导入某种宿主细胞 或个体，从而改变它们的遗传品性； 有时还使新的遗传信息基因）在新的宿主 细胞或个体中大量表达，以获得基因产物多肽或蛋白质）。这种创造新生物并 给予新生物以特殊功能的过程就称为基因工程，也称为 DNA 重组技术。 （2）细胞工程 细胞工程（cell engineering）是指以细胞为基本单位,在体外条件下进行培养、 繁殖， 或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生 物品种和创造新品种，加速繁育动、植物个体，或获得某种 有用的物质的过程。细胞工程应包括动、植物细胞的体外培养技术、细胞融合技 术（也称细胞杂交技术）、细胞器移植技术等. （3）发酵工程 发酵工程（fermentation engineering是利用微生物生长速度快、生长条件简 单以及代谢过程特殊等特点,在合适条件下通过现代化工程技术手段，由微生物 的某种特定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程,有时也称微生物工程。 （4酶工程 酶工程（enzyme engineering是利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能， 或对酶进行修饰改造， 并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项 技术。它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技 术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术. （5）蛋白质工程 蛋白质工程protein engineering）是指在基因工程的基础上,结合蛋白质结晶 学、 计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对基因的人工定向 改造等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的 新型蛋白质。 一、改善农业生产、解决食品短缺 （1）提高农作物产量及其品质 1、培育抗逆的作物优良品系 通过基因工程技术对生物进行基因转移，使生物体获得新的优良品性，称之为转 基因技术。利用转基因技术可以培育出具有抗寒、抗旱、抗盐、抗病虫害等抗逆 特性及品质优良的作物新品系，如转苏云金芽胞杆菌 Bacillusthuringiensis,Bt）毒蛋白基因的抗虫棉花. 2、植物种苗的工厂化生产 利用细胞工程技术对优良品种进行大量的快速无性繁殖，实现工业化生产，即植 物微繁殖技术，又称植物微繁殖技术。利用这种无性繁殖技术，可在短时间内得 到遗传稳定的、大量的小苗（试管苗）,并可实现工厂化生产。利用植物微繁殖 技术还可培育出不带病毒的脱毒苗。 植物的微繁殖技术已广泛地应用于花卉、果树、蔬菜、药用植物和农作物的快速 繁殖。 3、提高粮食品质 生物技术除了可培育高产、抗逆、抗病虫害的新品系外，还可培育品质好、营养 价值高的作物新品系。例如,科学家将水仙花和玉米合成 β-胡萝卜素的基因导 入水稻培育出高 β-胡萝卜素含量的水稻（GoldenRice，黄金稻）（图 1-1）。 图 11 黄金稻 a普通水稻;b转水仙花 β-胡萝卜素合成基因水稻；c转玉米 β-胡萝卜素合 成基因水稻 4、生物固氮,减少化肥使用量 现代农业均以化学肥料，如尿素、硫酸铵作为氮肥的主要来源。化肥的使用不可 避免地带来了土地的板结,肥力的下降；化肥的生产又将导致环境的污染。科学 家们正努力将具有固氮能力的细菌的固氮基因转移到作物根际周围的微生物体 内，希望由这些微生物进行生物固氮，减少化肥的使用量。 5、生物农药，生产绿色食品 近年来， 人们越来越注意农业生产的可持续发展及人与环境的协调，特别是由于 化学农药的毒性作用及筛选新农药的艰难， 企业和研究人员开始把注意力转向生 物农药的研究开发与使用。因其不污染环境，对人和动植物安全，不伤害天敌， 所以发展生物农药已成为保障人类健康和农业可持续发展的重要趋势。 （2）发展畜牧业生产 1、动物的大量快速无性繁殖 1997 年 2 月英国 Roslin 研究所的 Wilmut 等在Nature杂志上刊登了用绵羊 乳腺细胞培育出“多莉”（图 1-2）。证明动物体细胞也具有全能性，同样有可 能进行动物的大量、快速无性繁殖. 图 12“多莉”及其代孕母亲（苏格兰黑面绵羊） 二、培育动物的优良品系 利用转基因技术，将与动物优良品质有关的基因转移到动物体内，使动物获得新 的品质。1983 年美国学者将大鼠的生长激素基因导入小鼠获得转基因小鼠.除了 小鼠外，科学家们已成功地培育了转基因羊、转基因兔、转基因猪、转基因鱼等 多种动物新品系。 2、提高生命质量，延长人类寿命 （1）开发制造奇特而又贵重的新型药品 1977 年,美国首先采用大肠杆菌生产了人类第一个基因工程药物人生长激素 释放抑制激素.利用基因工程生产的药物， 除了人生长激素释放抑制激素外,还有 人胰岛素、人生长激素、人干扰素等. （2）疾病的预防和诊断 传统的疫苗生产方法对某些疫苗的生产和使用，存在着免疫效果不够理想、被免 疫者有被感染的风险等不足。利用基因工程生产重组疫苗可以达到安全、高效的 目的。如已经上市或已进入临床试验的病毒性肝炎疫苗；肠道传染病疫苗（包括 霍乱、痢疾等）等。 利用细胞工程技术可以生产单克隆抗体.单克隆抗体既可用于疾病治疗，又可用 于疾病的诊断.利用基因工程技术还可生产诊断用的 DNA 试剂。 （3）基因治疗 导入正常的基因来治疗由于基因缺陷而引起的疾病,一直是人们长期以来追求的 目标。1990 年，美国FDA 批准了用 ADA（腺苷脱氨酶基因）基因治疗严重联合型 免疫缺陷病，并取得了较满意的结果。 三、解决能源危机、治理环境污染 （1解决能源危机 生物能源将是最有希望的新能源之一， 而其中又以乙醇最有希望成为新的替代能 源。科学家们希望找到一种可以利用大量的农业废弃物如杂草、木 屑、 植物的秸杆等纤维素或木质素类物质或其他工业废弃物作的微生物。通过微 生物发酵或固定化酶技术，将农业或工业的废弃物变成沼气或氢气。 （2环境保护 传统的化学工业生产过程大多在高温高压下进行， 是一个典型的耗能过程并带来 环境的严重恶化。如果改用生物技术方法来生产,不仅可以节约能源还可以避免