05-5生物工程个分支领域之间的关系

生物工程个分支领域之间的关系在生物工程的研究、开发和产业化过程中，生物工程的个分支领域——基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程之间有着错综负责的关系，通常是彼此合作来实现的。(一)生物工程原理：1.基因工程：是利用DNA(基因)的特异性控制合成特异蛋白，即能从分子水平上2.细胞工程：是以细胞这个生命活动的基本单位为基础的，但是归根结底也是实现了基因的改变，能集中某些远缘杂交不亲和的生物的特点，进行细胞培养，然后生产产品，如单克隆抗体；3.发酵工程：是利用微生物繁殖快，生产(初级或次级)产物产量高的特点；4.酶工程：是利用上述其它三项生物工程技术生产酶产品。基因工程和细胞工程的研究结果，目前大多需要通过发酵工程和酶工程来实现产业化。因此，人们通常将基因工程和细胞工程看做生物工程的上游处理技术，将发酵工程和酶工程看做生物工程技术的下游处理技术。基因工程、细胞工程和发酵工程中所需要的酶，往往是通过酶工程来获得；酶工程中酶的生产，一般要通过微生物发酵的方法来进行。由此可见，生物工程个分支之间存在着交叉渗透的现象。(二)生物工程的关系及其比较：生物工程工具酶主要操作对象工程目的与其它工程的关系基因工程限制性内切酶、DNA连接酶、基因及动物细胞、植物细胞、微生物改造物种通过细胞工程、发酵工程使目的基因得以表达细胞工程纤维素酶、果胶酶、胰蛋白酶动物细胞、植物细胞、微生物细胞改造物种可以为发酵工程提供菌种、使基因工程得以实现发酵工程微生物获得菌体及各种代谢产物为酶工程提供酶的来源酶工程微生物获得酶制剂或固定化酶为其它生物工程提供酶制剂微生物工程(发酵)微生物工程又叫发酵工程。发酵是微生物特有的作用，在几千年前就被人类认识了，并且用来制造酒和面包。微生物工程是大规模发酵生产工艺的总称，就是利用微生物发酵作用，通过现代工程技术手段来生产有用物质，或者是把微生物直接应用于生物反应器的技术。它是在发酵工艺基础上吸收基因工程、细胞工程和酶工程以及其他技术的成果而形成的。发酵工程跟化学工业、医药、食品、能源、环境保护和农牧业等许多领域关系密切，它的开发具有很大的经济效益。ＤＮＡ重组技术和生物反应器(装有固定化酶的容器，能进行生物化学合成)，是生物工程中的两大支柱。从工业规模生产上看，生物反应器尤其重要。因为只有通过微生物发酵，才能形成新的产业。发酵工业的产品在日常生活中随处可见，酒、酸奶、酱油、醋、味精，以及抗生素药、激素、疫苗等，都是利用微生物发酵制成的产品。人类在史前时期已经能够利用各种不同的微生物了。公元前２０００多年，埃及人已酿造出了葡萄酒。我国古代劳动人民，早在４０００多年前就从实践中发现了发酵现象。我国用谷物酿酒大概开始于新石器时代。山东龙山文化晚期已有陶尊等饮酒器具。古书记载：“仪狄作酒，禹饮而甘之”。春秋战国时，我国已开始酿醋。周朝时(公元前１０００年)，我国的酱酒业已很发达。中国的白酒中有一种曲酒，是用酒曲造酒的。它将糖化和酒化的过程统一起来，是一项重大的发明。曲是培养酵母和霉菌等微生物的谷物。曲的发明和制曲技术的不断改进，使用我国制酒工业取得了伟大成就。同时，曲在医学和发酵食品方面也十分重要的作用。公元前５００多年间的《左传》中已有用麦曲治病的记载，到公元５世纪，北魏贾思勰著的《齐民要术》中就详细地记载了制曲和酿酒的技术。虽然我们的祖先并不知道酒是经过酵母发酵而成的，也不知道微生物的存在，但却能利用微生物的作用，制成酒、酱、醋和豆豉等发酵食品。生物工程和技术被认为是２１世纪的主导技术，作为新技术革命的标志之一，已受到世界各国的普遍重视。生物工程将为解决人类所面临的环境、资源、人口、能源、粮食等危机和压力提供最有希望的解决算途径，但生物工程真正能应用于工业化生产的，主要还是微生物工程(发酵工程)。基因工程、细胞工程、酶工程、单克隆抗体和生物能量转化等高科技成果，也往往通过微生物才能转化为生产力，其原因何在呢？4 在生物界中，微生物的表面积与体积之比、转化能力、繁殖速度、变异与适应能力等都高于其他生物。在适宜的条件下，细菌２０分钟即可繁殖一代，２４小时后，一个细胞可繁殖成４万亿亿个细胞，比植物和动物的繁殖速度快得多。与传统化学工业相比，微生物工程有节能、不污染环境等多种优点，因而具有极大的发展前景。微生物工程的特点1.微生物工程不完全依赖地球上的有限资源，而着眼于再生资源的利用，不受原料的限制。2.生物反应比化学合成反应所需的温度要低得多，同时可以简化生产步骤，实行生产过程的连续性，大大节约能源，缩短生产周期，降低成本，减少对环境的污染。3.可开辟一条安全有效、生产价格低廉、纯净的生物制品的新途径。4.能解决传统技术或常规方法所不能解决的许多重大难题，如遗传疾病的诊治，并为肿瘤、能源、环境保护提供新的解决办法。5.可定向创造新品种，新物种，适应多方面的需要，造福于人类。6.投资小，收益大，见效快。微生物工程正逐渐形成一股引起工业调整和社会结构改革的力量。因此，世界各国政府，纷纷把微生物发酵工程列入本国科学技术优先开发的项目。细胞工程所谓“细胞工程”，是指通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的技术。细胞工程开辟了基因重组的新途径，它不需要经过分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将细胞遗传物质直接转移到受体细胞中，就能够形成杂交细胞，因而提高了基因转移的效率。细胞工程克服了常规杂交的局限性，使远缘杂交有了新的途径。它不仅可以在植物与植物之间，动物与动物之间，微生物与微生物之间进行远缘杂交，甚至可以在动物与植物、动物与微生物之间进行细胞融合，形成杂交物种。现在，从科学家们的实验室里，已经出现了诸如：土豆－番茄、山绵羊、大豆－烟草、芹菜－胡萝卜等等许多前所未有的生物品种。细胞工程是一种在细胞水平上运用细胞生物学和分子生物学的方法，改变生物遗传性状的生物工程。细胞工程包括细胞融合、细胞核移植、细胞器移植、染色体添加、外源ＤＮＡ导入、胚胎移植和组织培养等技术内容。一般来说，用细胞工程的技术来改造和创造新生物，比起用基因工程技术来稍为容易些，它毕竟是细胞水平的技术(基因工程是分子水平的技术)。细胞工程的生物学基础与细胞融合现象的发现密切相关。１８３８年马勒发现了脊椎动物肿瘤细胞中存在多核现象，当时人们按传统生物学知识认为一个细胞只有一个细胞核，因而以为这不过是一个偶然的特例。后来，又有不少科学家也发现了多核细胞，并逐渐了解到多核细胞是由单个细胞彼此融合形成的。1960年，英国生物学家科金发明了用酶脱除细胞壁的方法，给植物细胞融合技术扫清了第一道障碍。许多研究人员成功地进行了不同植物的细胞融合，并培养出了再生植株。许多人开始尝试培育了不同种属的超级杂交植物。1907年，德国植物学家哈伯兰特发明了动物细胞的组织培养方法，人们才有可能发现在细胞培养中发生的细胞融合成多核胞体的现象，并且知道了可以用诱导的方法，人工合成不同来源的两种细胞，使之形成一种新的杂交细胞，从而为培养新的生命类型的细胞工程奠定了技术基础。动物的复制植物细胞的全能性得到了证实，那么动物细胞是否也具有复制个体的全能性呢？研究结果说明，动物体细胞中的细胞核，只要有合适的条件(在这些核移植试验中的合适条件就是卵的细胞质)，原来只执行某一种功能的细胞(分化细胞)核照样也能长成一个完整的个体，这就是说动物的细胞核也是全能的。决定生物体性状的基因绝大多数都在细胞核中，所以换核卵子长成的个体与提供核的生物体长得很像。酶工程早期的酶工程技术主要是从动物、植物、微生物材料中提取、分离、纯化制造各种酶制剂，并将其应用于化工、食品和医药等工业领域。７０年代后，酶的固定化技术取得了突破，使固定化酶、固定化细胞、生物反应器与生物传感器等酶工程技术迅速获得应用。随着第三代酶制剂的诞生，应用各种酶工程技术制造精细化工产品和医药用品，及其在化学检测、环境保护等各个领域的有效应用，使酶工程技术的产业化水平在现代生物技术领域中名列前茅，并正在与基因工程、细胞工程和微生物工程融为一本，形成一个具有很大经济效益与社会效益的新型工业门类。酶存在于动物的脏器和植物的茎、叶、果等各器官中。但以这些动植物为原料去提取人们所需要的酶，所得却微乎其微。生物学家们在微生物中发现了存在于动植物细胞中的酶。微生物繁殖非常迅速，细菌每隔２０分钟即能繁殖一代，２４小时内能繁殖７２代，要是一个也不死，重量可达４７２２吨。利用微生物的繁殖速度，可以实施酶生产的工厂化。微生物培养易于控制，微生物本身也容易改造。基因工程的崛起，不仅能使微生物产生酶的产量大幅度提高，而且还能使经过基因改造的微生物生产出动物和植物的酶。例如有一种α－淀粉酶，本是地衣芽孢杆菌生产的，而通过基因工程的办法就可使枯草杆菌生产α－淀粉酶，这使淀粉酶的产量提高了２５００倍。又如有一种人尿激酶，本来只存在于人的肾脏中，无法提取，但从人的肾脏中分离出人尿激酶基因，将这种基因与质粒ＰＢＲ３２２进行重组后，就能使大肠杆菌生产人的尿激酶。4 以微生物酶为主体的酶制剂工业形成于２０世纪５０年代。其中工业用酶５０－６０种，治疗和诊断用酶１２０多种，酶试剂３００多种，已涉及食品、医药、发酵、日用化工、轻纺、制革、水产、木材、造纸、能源、农业、环保等经济部门。因此，人们把酶制剂工业称为工业领域中的“金矿”。国际上酶制剂的年产量已超过１０万吨，其来源动物、植物与微生物。微生物酶制剂是工业酶制剂的主体。由于酶制剂主要作为催化剂与添加剂使用，它带动了许多产业的发展。在实际使用中，酶的消费很少，而由它辐射出的实际经济收益却很大。重新组装生命的基因工程随着ＤＮＡ的内部结构和遗传机制的秘密一点一滴地呈现在人们眼前，特别是了解到遗传密码是由信使ＲＮＡ转录表达以后，生物学家不再仅仅满足于探索、揭示生物遗传的秘密，而开始跃跃谷试，想人分子的水平去干预生物的遗传。如果在将一种生物的ＤＮＡ中的某个遗传密码片段连接到另一种生物的ＤＮＡ链上去，将ＤＮＡ重新组织一下，不就可以按照人类的愿望，设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型吗？这与过去培育生物、繁殖后代的传统做法完全不同，它很像技术科学的工程设计，按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物折那个“基因”重新“施工”、“组装”成新的基因组合，创造出新的生物。这种完全按照人的意愿，由重新组装基因到新生物产生的科学技术就叫“基因工程”，或者叫“遗传工程”。基因工程的四个步骤　　基因工程，至少包括四方面的内容：一个取得符合人们要求的ＤＮＡ片段，这种ＤＮＡ片段就叫“目的基因”；二是将目的基因与质粒或病毒ＤＮＡ连接的成重组ＤＮＡ(质粒和病毒ＤＮＡ称做载体)；三是把重组ＤＮＡ引入某种细胞(这种得到目的基因的细胞称受体细胞)；四是把目的基因能表达的受人本细胞挑选出来。制备目的基因基因工程的第一个步骤是要获取目的基因，即你所需要的基因。生物界的基因有成万上亿个，多数存在于染色体上，少数存在于细胞质中，在这样的基因“海洋”中取得目的基因犹如大海捞针。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。还有另一种获得目的基因的办法是人工合成。随着科学技术的进步，测定ＤＮＡ的顺序日益简便，已有专门的仪器用于自动测定ＤＮＡ顺序。同时也有了自动合成ＤＮＡ的仪器。人们还想到了另一种基因合成方法－模板合成法。我们知道，基因工作指令的传递是按照“ＤＮＡ－ＲＮＡ－蛋白质”这一方向进行的。可一些研究证明相反的信息传递即由ＲＮＡ－ＤＮＡ也存在。所谓的基因模板合成法，就是无以信使ＲＮＡ为模板，反向转录出一条ＤＮＡ单链，再以互补的方式加倍成ＤＮＡ双链。用这种方法人们已先后合成了家兔、鸭和人的珠蛋白基因、羽毛角蛋白基因等。目的基因怎样装在载体上有了目的基因，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”。因此，目的基因的直接导入难免有“全军覆没”的厄运。在这种情况下，生物工程们就只好采用ＤＮＡ重组技术。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”。目的基因导入体细胞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。基因工程的每一步都是非常复杂和困难的，看起来平淡而且枯燥，但其中的任何一点进展，都是轰动全球的新闻。第二代基因工程－蛋白质工程蛋白质是一切生命的基础。蛋白质和核酸一样，是对生命至关重要的生物大分子，几乎在一切生物学过程中都起着关键的作用。１９８３年，美国生物学家厄尔默首先提出了“蛋白质工程”的概念，随即被广泛接受和采用。蛋白4 质工程是以蛋白质结构与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蛋白质。人们利用分子遗传学的知识和对蛋白质结构的了解，在实验室条件下，设计出全新的优良蛋白质。利用基因工程生产的胰岛素就是蛋白质工程的第一个成功范例。天然存在的蛋白质，有时不尽人意，需要改造。蛋白质是在ＤＮＡ指导下合成的，由按一定顺序排列的链状的氨基酸组成，然后按一定的规律折叠起来，成为特定的空间结构，由此表现出特定的生物功能。改造原有的蛋白质和设计新的蛋白质，一个办法是多肽合成，即从组成蛋白质的第一个氨基酸合成起，设计一种全新的蛋白质。另一个办法是采用基因工程手段。蛋白质的空间结构是由它的氨基酸排列顺序决定的，而氨基酸的排列顺序又是由这个蛋白质编码基因的核苷酸顺序决定的。因此，可根据人类的需要，对负责编码某种蛋白质的基因进行重新设计，之后通过基因合成仪合成该基因，并克隆和表达该基因，合成出更符合人们要求的蛋白质。由于蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，在技术方面有许多同基因工程技术相似的地方，因此人们也把蛋白质工程称为第二代基因工程。4