我的課件食品生物技術(shù)第二章基因工程與食品產(chǎn)業(yè)詳解

我的課件食品生物技術(shù)第二章基因工程與食品產(chǎn)業(yè)詳解演示文稿當(dāng)前第1頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)（優(yōu)選）我的課件食品生物技術(shù)第二章基因工程與食品產(chǎn)業(yè)當(dāng)前第2頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)第一節(jié)基因工程概述第二節(jié)DNA分子的提取技術(shù)第三節(jié)工具酶和基因載體第四節(jié)基因工程的基本技術(shù)第五節(jié)基因工程在食品產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用當(dāng)前第3頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)70年代初，伯格與他的同事們利用限制性內(nèi)切酶將細(xì)菌與病毒的基因連接在一起，首次實(shí)現(xiàn)用兩個(gè)不同物種重組DNA，為基因工程奠定了基礎(chǔ)。第一節(jié)基因工程概述當(dāng)前第4頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)1973年，科恩（S.Cohen）等把含有四環(huán)素和鏈霉素的質(zhì)粒拼接起來，構(gòu)成一個(gè)重組質(zhì)粒，并將該重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)入大腸桿菌，第一次完整地建立起了基因克隆體系。當(dāng)前第5頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)基因工程的概念基因工程的發(fā)展史當(dāng)前第6頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)基因工程的概念按照人們的意愿，進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過體外DNA重組技術(shù)和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，有目的的改造生物種性，表達(dá)出人類需要的產(chǎn)品或性狀或產(chǎn)生新的物種。當(dāng)前第7頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)基因工程的理論基礎(chǔ)不同基因具有相同的物質(zhì)基礎(chǔ)基因可切割基因可轉(zhuǎn)移多肽與基因之間存在對應(yīng)關(guān)系遺傳密碼是通用的基因可以通過復(fù)制把遺傳信息傳遞給下一代當(dāng)前第8頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)基因工程的研究內(nèi)容在分子水平上，提取或合成不同生物的遺傳物質(zhì)，在體外進(jìn)行切割、再和某一載體進(jìn)行拼接重組，然后再將重組的DNA導(dǎo)入宿主細(xì)胞內(nèi)，最后實(shí)現(xiàn)目的基因穩(wěn)定復(fù)制和表達(dá)的過程。

當(dāng)前第9頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)MendelG.J.(1822-1884).1856-1864豌豆雜交實(shí)驗(yàn)。Mendel的遺傳因子階段

基因工程的發(fā)展歷程當(dāng)前第10頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)1866年發(fā)表論文，提出分離規(guī)律和獨(dú)立分配規(guī)律1900年Mendel遺傳規(guī)律被重新發(fā)現(xiàn)遺傳學(xué)的元年Mendel提出：生物的某種性狀是由遺傳因子負(fù)責(zé)傳遞的，是顆粒性的，體細(xì)胞內(nèi)成雙存在，生殖細(xì)胞內(nèi)成單存在。遺傳因子是決定性狀的抽象符號。當(dāng)前第11頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)1909年丹麥遺傳學(xué)家—約翰遜首先提出了“基因”的概念，代替了Mendel“遺傳因子”的概念。但沒有提出基因的物質(zhì)概念。當(dāng)前第12頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)1910年以后，Morgan等提出了基因的連鎖遺傳規(guī)律。說明了基因是在染色體上占有一定空間的實(shí)體?；虿辉偈浅橄蠓枺毁x予物質(zhì)內(nèi)涵。連鎖遺傳規(guī)律的提出當(dāng)前第13頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)順反子階段1957年，本澤爾（SeymourBenzer）以T4噬菌體為材料，在DNA分子水平上研究基因內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，提出了順反子（cistron）概念。順反子是1個(gè)遺傳功能單位，1個(gè)順反子決定1條多肽鏈。當(dāng)前第14頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)現(xiàn)代基因階段

1操縱子

（啟動子＋操縱基因＋結(jié)構(gòu)基因）--原核基因當(dāng)前第15頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)現(xiàn)代基因階段2．?dāng)嗔鸦?/p>

1個(gè)基因被間隔區(qū)分成不連續(xù)的若干區(qū)段，這種編碼序列不連續(xù)的間斷基因被稱為斷裂基因。--真核基因3．假基因

不能合成出功能蛋白質(zhì)的失活基因

。4．重疊基因

不同基因的核苷酸序列有時(shí)是可以共用的即重疊的當(dāng)前第16頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)

DNA分子中含有特定遺傳信息的能夠自我復(fù)制的一段核苷酸序列，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。

基因的概念當(dāng)前第17頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)一、基因工程的研究發(fā)展史一般認(rèn)為1973年是基因工程誕生的元年（S.Cohen等獲得了卡那霉素和四環(huán)素雙抗性的轉(zhuǎn)化子菌落)

理論上的三大發(fā)現(xiàn)和技術(shù)上的三大發(fā)現(xiàn)對于基因工程的誕生起到了決定性的作用當(dāng)前第18頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第19頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第20頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第21頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第22頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第23頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第24頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)技術(shù)上的三大發(fā)現(xiàn)當(dāng)前第25頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)1、工具酶的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用當(dāng)前第26頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第27頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)2、DNA連接酶的發(fā)現(xiàn)T4噬菌體連接酶的發(fā)現(xiàn)當(dāng)前第28頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)3、載體的發(fā)現(xiàn)及其應(yīng)用當(dāng)前第29頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第30頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)基因工程的成就和研究進(jìn)展成就：在醫(yī)藥領(lǐng)域在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域在工業(yè)領(lǐng)域研究進(jìn)展當(dāng)前第31頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第32頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第33頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第34頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第35頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)第二節(jié)DNA分子的提取技術(shù)當(dāng)前第36頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)Shotgun：將某種生物體的全基因組或單一染色體切成大小適宜的DNA片段，分別連接到載體DNA上轉(zhuǎn)化受體細(xì)胞，形成一套重組克隆，從中篩選含有目的基因的期望重組子，進(jìn)而獲得目的基因，也叫做散彈射擊法。當(dāng)前第37頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)鳥槍法克隆目的基因的局限性隨機(jī)性強(qiáng)，工作量較大，需要了解目的基因的背景知識不能獲得最小長度的目的基因不能除去真核生物目的基因的內(nèi)含子結(jié)構(gòu)當(dāng)前第38頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)什么叫做cDNA文庫？定義：以mRNA為模板，在體外經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄酶催化反轉(zhuǎn)錄生成cDNA，與適當(dāng)載體連接后轉(zhuǎn)化受體菌并繁殖擴(kuò)增，這樣包含著細(xì)胞全部mRNA信息的cDNA克隆集合稱為該組織細(xì)胞的cDNA文庫。可認(rèn)為是：不包含內(nèi)含子的基因組文庫。當(dāng)前第39頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)構(gòu)建cDNA文庫的基本步驟：①制備mRNA；②第一鏈cDNA合成；③第二鏈cDNA的合成；④雙鏈cDNA的修飾及克??；⑤對構(gòu)建的cDNA文庫進(jìn)行鑒定，測定文庫的代表性以及重組cDNA片段的序列完整性。當(dāng)前第40頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)cDNA文庫的特點(diǎn)（1）不含內(nèi)含子序列。（2）可以在細(xì)菌中直接表達(dá)。（3）包含了同一時(shí)期所有編碼蛋白質(zhì)的基因。（4）比基因文庫小的多，復(fù)雜性低，容易構(gòu)建。當(dāng)前第41頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)定義：PCR技術(shù)又稱聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（polymerasechainreaction)，是通過模擬體內(nèi)DNA復(fù)制的方式，在體外選擇性地將DNA某個(gè)特殊區(qū)域擴(kuò)增出來的技術(shù)。PCR技術(shù):當(dāng)前第42頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)PCR概念的提出1983，KaryMullis當(dāng)前第43頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)1、PCR技術(shù)的基本原理在微量離心管中,加入適量的緩沖液,微量的模板DNA,四種脫氧單核苷酸,耐熱性多聚酶,一對合成DNA的引物,通過高溫變性、低溫退火和中溫延伸三個(gè)階段為一個(gè)循環(huán)的反應(yīng)過程,每一次循環(huán)使特異區(qū)段的基因拷貝數(shù)放大一倍,一般樣品是經(jīng)過30次循環(huán),最終使基因放大了數(shù)百萬倍;擴(kuò)增了特異區(qū)段的DNA帶。

一、PCR技術(shù)的基本原理和工作方式當(dāng)前第44頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)①94℃變性②

50-65℃退火③72℃延伸2.PCR反應(yīng)過程：20-40個(gè)PCR循環(huán)當(dāng)前第45頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第46頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)PCR用途廣泛生命學(xué)科醫(yī)學(xué)工程遺傳工程疾病診斷法醫(yī)學(xué)考古學(xué)當(dāng)前第47頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第48頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)定義：某種生物基因組的全部遺傳信息通過克隆載體儲存于某一受體菌的群體中，這個(gè)群體就稱為該生物基因組的文庫(genomiclibrary)。目的：a）分離有用的目的基因

b）保存某種生物的全部基因當(dāng)前第49頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)一般流程當(dāng)前第50頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)基因組DNA文庫構(gòu)建的程序①載體DNA的制備；②基因組DNA的提??；③基因組DNA的部分酶切、分離與回收；④載體與外源片段的連接與轉(zhuǎn)化或侵染宿主細(xì)胞；⑤重組克隆的挑選和保存。當(dāng)前第51頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)食品中DNA的提取主要用于轉(zhuǎn)基因食品檢測提取方法主要有SDS法和CTAB法，但提取前必須進(jìn)行樣品的前處理，減少雜質(zhì)。CTAB法的全稱是十六烷基三甲基溴化銨法，主要用于提取生物DNA。當(dāng)前第52頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)第三節(jié)工具酶和基因工程載體當(dāng)前第53頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)基因工程的四大要素工具酶toolenzymes目的基因interestedgene載體vector受體細(xì)胞receiptcells3-54當(dāng)前第54頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)重組DNA技術(shù)中常用的工具酶工具酶功能限制性核酸內(nèi)切酶識別特異序列，切割DNADNA連接酶催化DNA中相鄰的5′磷酸基和3′羥基末端之間形成磷酸二酯鍵，使DNA切口封合或使兩個(gè)DNA分子或片段連接DNA聚合酶Ⅰ①合成雙鏈cDNA分子或片段連接Klenow片段又名DNA聚合酶I大片段，具有完整DNA聚合酶I的53聚合、35外切活性，而無53外切活性。常用于cDNA第二鏈合成，雙鏈DNA3末端標(biāo)記等反轉(zhuǎn)錄酶合成cDNATaqDNA聚合酶PCR合成DNA片段3-55當(dāng)前第55頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)基因工程實(shí)驗(yàn)中常用的工具酶內(nèi)切酶連接酶聚合酶修飾酶3-56當(dāng)前第56頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)第一個(gè)字母取自產(chǎn)生該酶的細(xì)菌屬名，用大寫；第二、第三個(gè)字母是該細(xì)菌的種名，用小寫；第四個(gè)字母代表株；用羅馬數(shù)字表示發(fā)現(xiàn)的先后次序。命名HindⅢ屬

系

株序Haemophilusinfluenzaed株流感嗜血桿菌d株的第三種酶限制內(nèi)切酶的命名EcoRI：EscherichiacoliRIHindIII：Haemophilus

influensaedIIISacI：Streptomyces

achromagenesI3-57當(dāng)前第57頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)II限制性內(nèi)切核酸酶在DNA上有其特定的識別序列即，回文結(jié)構(gòu)，通常為4-8bp，在特定識別位點(diǎn)處切割DNA。是基因工程中主要使用的酶類。3-58當(dāng)前第58頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)限制酶特點(diǎn)：1.識別４-8個(gè)相連的核苷酸，以6個(gè)多見；限制性內(nèi)切酶的識別序列

BamHI5’-GGATCC-3’3’-CCTAGG-5’NotI5’-GCGGCCGC-3’

3’-CGCCGGCG-5’2.呈回文結(jié)構(gòu)(palindrome)；3.旋轉(zhuǎn)對稱性；EcoRI5’-GAATTC-3’3’-CTTAAG-5’

4.切點(diǎn)大多數(shù)在識別順序之內(nèi)，也有例外。FokI5’-GGATGNN

-3’3’-CCTAC

NN-5’外側(cè)，產(chǎn)生3’-端突起5.識別序列嚴(yán)格，少數(shù)有變動，序列中的核苷酸被甲基化后，不能被切割。3-59當(dāng)前第59頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)限制性內(nèi)切酶的切割方式內(nèi)切酶切割后產(chǎn)生的三種末端a)5’突出的粘性末端如,EcoRI5’-GAATTC-3’3’-CTTAAG-5’b)3’突出的粘性末端如,PstI5’-CTGCAG-3’3’-GACGTC-5’c)平末端

如,SmaI5’-CCCGGG-3’3’-GGGCCC-5’3-60當(dāng)前第60頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)DNA連接酶（Ligase）

DNA連接酶能利用ATP或NAD+提供的能量催化DNA片段的3’-OH和5’-P基團(tuán)之間形成3’5’-磷酸二酯鍵，把兩個(gè)DNA片段連接在一起。OHPOHPHOPHOPPPOHHO連接酶3-61當(dāng)前第61頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)（1）大腸桿菌連接酶1.兩種DNA連接酶只能連接粘性末端。（2）T4噬菌體的連接酶不但能連接粘性末端，還能連接齊平末端。DNA連接酶的分類3-62當(dāng)前第62頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)（1）必須是兩條雙鏈DNA。（2）DNA3’端有游離的-OH，

5’端有一個(gè)磷酸基團(tuán)（P）（3）需要能量動物或噬菌體中：ATP大腸桿菌中：NAD+2.連接條件3-63當(dāng)前第63頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)DNA聚合酶（Polymerase）基因工程中常用的DNA聚合酶大腸桿菌DNA聚合酶I2.Klenowfragment3.T7DNA聚合酶4.T4DNA聚合酶5.修飾過的T7DNA聚合酶6.逆轉(zhuǎn)錄酶3-64當(dāng)前第64頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)DNA聚合酶3’5’外切酶活性5’3’外切酶活性聚合速率持續(xù)能力大腸桿菌DNA聚合酶低有中低Klenowfragment低無中低T4DNA聚合酶高無中低T7DNA聚合酶高無快高化學(xué)修飾T7DNA聚合酶低無快高遺傳修飾T7DNA聚合酶無無快高逆轉(zhuǎn)錄酶無無低中TaqDNA聚合酶無有快高3.常用DNA聚合酶的特性比較3-65當(dāng)前第65頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)在基因工程中，通常是把外源DNA片斷利用運(yùn)載工具送入生物細(xì)胞。攜帶外源基因進(jìn)入受體細(xì)胞的這種工具叫做載體(Vector)。載體的本質(zhì)是DNA。經(jīng)過人工構(gòu)建的載體，不但能與外源基因相連接，導(dǎo)入受體細(xì)胞，還能利用本身的調(diào)控系統(tǒng)，使外源基因在新細(xì)胞中復(fù)制以致功能的表達(dá)。載體(Vector)當(dāng)前第66頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第67頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)基因工程中常用的主要載體質(zhì)粒(Plasmid)噬菌體載體動物病毒植物病毒當(dāng)前第68頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)載體的功能及特征載體的功能運(yùn)送外源基因高效轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞為外源基因提供復(fù)制能力或整合能力為外源基因的擴(kuò)增或表達(dá)提供必要的條件當(dāng)前第69頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)載體應(yīng)具備的條件具有針對受體細(xì)胞的親緣性或親和性（可轉(zhuǎn)移性）

具有合適的篩選標(biāo)記

具有較高的外源DNA的載裝能力具有多種單一的核酸內(nèi)切酶識別切割位點(diǎn)具有與特定受體細(xì)胞相適應(yīng)的復(fù)制位點(diǎn)或整合位點(diǎn)當(dāng)前第70頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)pBR3224363bp當(dāng)前第71頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)質(zhì)粒（Plasmid）質(zhì)粒是一種獨(dú)立于染色體外的小分子環(huán)狀DNA，一般大小約106~108D，可自主復(fù)制和表達(dá)。當(dāng)前第72頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第73頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)基因克隆載體的質(zhì)粒DNA分子，必定包括：復(fù)制基因、選擇性標(biāo)記、克隆位點(diǎn)。

當(dāng)前第74頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第75頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)pBR322質(zhì)粒的三個(gè)不同來源的組成部分②

pBR322質(zhì)粒載體的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)：（1）氨芐青霉素抗性基因（ampr或Apr）

3種限制酶單一識別位點(diǎn)。（2）四環(huán)素抗性基因（tetr或Tcr）（3）DNA復(fù)制起點(diǎn)（ori）當(dāng)前第76頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第77頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)病毒（virus）質(zhì)粒載體攜帶的外源基因限于以下構(gòu)建基因組文庫時(shí)，目的DNA>>10kb，應(yīng)采用病毒載體。病毒是一類非細(xì)胞微生物，能高效率高特異性地侵染宿主細(xì)胞（轉(zhuǎn)導(dǎo)）,然后或自主復(fù)制繁殖，或整合入宿主基因組中潛伏起來，而且在一定的條件下上述兩種狀態(tài)還會相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)前第78頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)病毒的上述特性使得它們的DNA能被開發(fā)成為基因工程的有用載體，因?yàn)椋焊咝实母腥拘阅苁雇庠椿蚋咝?dǎo)入受體細(xì)胞。自主復(fù)制繁殖性能使外源基因在受體細(xì)胞中高效擴(kuò)增。當(dāng)前第79頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)λ噬菌體l噬菌體的生物學(xué)特性：生物結(jié)構(gòu)l噬菌體是大腸桿菌的溫和型噬菌體l噬菌體由外殼包裝蛋白和l-DNA組成

l-DNA全長48502個(gè)核苷酸l-DNA上至少有50個(gè)基因當(dāng)前第80頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)

l噬菌體基因組結(jié)構(gòu)當(dāng)前第81頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)第四節(jié)基因工程的基本技術(shù)當(dāng)前第82頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)基因工程研究的基本技術(shù)路線1、從生物體中分離得到目的基因（或DNA片段）。2、在體外，將目的基因插入能自我復(fù)制的載體中得到重組DNA分子。3、將重組DNA分子導(dǎo)入受體細(xì)胞中，并進(jìn)行繁殖。4、選擇得到含有重組DNA分子的細(xì)胞克隆，并進(jìn)行大量繁殖，從而使得目的基因得到擴(kuò)增。5、進(jìn)一步對獲得的目的基因進(jìn)行研究和利用。比如，序列分析、表達(dá)載體構(gòu)建、原核表達(dá)以及轉(zhuǎn)基因研究和利用等。當(dāng)前第83頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)切—接—轉(zhuǎn)—增—檢當(dāng)前第84頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)重組體分子導(dǎo)入受體細(xì)胞的途徑將外源重組體分子導(dǎo)入受體細(xì)胞的途包括轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)染、轉(zhuǎn)導(dǎo)、顯微注射、電穿孔等多種方式。這些途徑將隨載體種類和受體系統(tǒng)的不同而異。轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)導(dǎo)主要適應(yīng)于細(xì)菌原核細(xì)胞和酵母低等真核細(xì)胞，而顯微注射和電穿孔主要應(yīng)用于高等動植物的真核細(xì)胞。當(dāng)前第85頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)把帶有目的基因的重組質(zhì)粒DNA引入受體細(xì)胞的過程稱為轉(zhuǎn)化（transformation）。將重組噬菌體DNA直接引入受體細(xì)胞的過程稱為轉(zhuǎn)染（transfection）。若重組噬菌體DNA被包裝到噬菌體頭部成為有感染力的噬菌體顆粒，再以此噬菌體為運(yùn)載體，將頭部重組DNA導(dǎo)入受體細(xì)胞中，這一過程稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）。當(dāng)前第86頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)基因工程的基本流程基因分離酶切載體酶切基因和載體連接導(dǎo)入細(xì)菌重組質(zhì)粒繁殖重組克隆的選擇序列分析和基因表達(dá)等研究導(dǎo)入植物細(xì)胞當(dāng)前第87頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)第五節(jié)基因工程在食品產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用當(dāng)前第88頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)一、利用基因工程改造食品微生物二、利用基因工程改善食品原料的品質(zhì)三、利用基因工程改進(jìn)食品生產(chǎn)工藝四、利用基因工程生產(chǎn)食品添加劑及功能性食品當(dāng)前第89頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)一、

利用基因工程改造食品微生物（一）

改良微生物菌種（二）

改良乳酸菌遺傳特性

（三）

酶制劑的生產(chǎn)

當(dāng)前第90頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)（一）

改良微生物菌種

最早成功應(yīng)用的基因工程菌(采用基因工程改造的微生物)是面包酵母菌。啤酒生產(chǎn)中要使用啤酒酵母，但由于普通啤酒酵母菌種中不含α-淀粉酶，所以需要利用大麥芽產(chǎn)生的α-淀粉酶使谷物淀粉液化成糊精，生產(chǎn)過程比較復(fù)雜。當(dāng)前第91頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)

采用基因工程技術(shù)，將大麥中α-淀粉酶基因轉(zhuǎn)入啤酒酵母中并實(shí)現(xiàn)高速表達(dá)。這種酵母便可直接利用淀粉進(jìn)行發(fā)酵，無需麥芽生產(chǎn)α-淀粉酶的過程，可縮短生產(chǎn)流程，簡化工序，推動啤酒生產(chǎn)的技術(shù)革新。

利用基因工程技術(shù)還可將霉菌的淀粉酶基因轉(zhuǎn)入大腸桿菌，并將此基因進(jìn)一步轉(zhuǎn)入單細(xì)胞酵母中，使之直接利用淀粉生產(chǎn)酒精。這樣，可以省掉酒精生產(chǎn)中的高壓蒸煮工序，可節(jié)約能源60％，并且生產(chǎn)周期大大縮短。當(dāng)前第92頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)面包酵母啤酒酵母當(dāng)前第93頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第94頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)

此外，食品生產(chǎn)中所應(yīng)用的食品添加劑或加工助劑，如氨基酸、有機(jī)酸、維生素、增稠劑、乳化劑、表面活性劑、食用色素，食用香精及調(diào)味料等，也可以采用基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)而得到，基因工程對微生物菌種改良前景廣闊。

當(dāng)前第95頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)當(dāng)前第96頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)（二）

改良乳酸菌遺傳特性

1、抗藥基因

目前，利用乳酸菌發(fā)酵得到的產(chǎn)品很多，如酸奶、干酪、酸奶油、酸乳酒等，已應(yīng)用的乳酸菌基本上為野生菌株。有的野生菌株本身就抗多種抗生素，因而在其使用過程中，抗藥基因?qū)⒂锌赡芤越Y(jié)合、轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)化等形式在微生物菌群之間相互傳遞而發(fā)生擴(kuò)散。

利用基因工程技術(shù)可選育無耐藥基因的菌株，當(dāng)然也可去除生產(chǎn)中已應(yīng)用菌株中含有的耐藥質(zhì)粒，從而保證食品用乳酸菌和活菌制劑中菌株的安全性。當(dāng)前第97頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)

2、風(fēng)味物質(zhì)基因

乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)物中與風(fēng)味有關(guān)的物質(zhì)主要有乳酸、乙醛、丁二酮、3-羥基-2-丁酮、丙酮和丁酮等?？梢酝ㄟ^基因工程選育風(fēng)味物質(zhì)含量高的乳酸菌菌株。當(dāng)前第98頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)3、產(chǎn)酶基因

乳酸菌不僅具有一般微生物所產(chǎn)生的酶系，而且還可以產(chǎn)生一些特殊的酶系，如產(chǎn)生有機(jī)酸的酶系、合成多糖的酶系、降低膽固醇的酶系、控制內(nèi)毒素的酶系、分解脂肪的酶系、合成各種維生素的酶系和分解膽酸的酶系等，從而賦予乳酸菌特殊的生理功能。

若通過基因工程克隆這些酶系，然后導(dǎo)入到生產(chǎn)干酪、酸奶等發(fā)酵乳制品生產(chǎn)用乳酸菌菌株中，將會促進(jìn)和加速這些產(chǎn)品的成熟。另外，把膽固醇氧化酶基因轉(zhuǎn)到乳酸桿菌中，可降低乳中膽固醇含量。當(dāng)前第99頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)4、耐氧相關(guān)基因

乳酸菌大多數(shù)屬于厭氧菌，這給實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)帶來諸多不便。從遺傳學(xué)和生化角度看，厭氧菌或兼性厭氧菌幾乎沒有超氧化物歧化酶基因和過氧化氫酶基因或者說其活性很小。若通過生物工程改變超氧化物歧化酶的調(diào)控基因則有可能提高其耐氧活性。當(dāng)然將外源SOD基因和過氧化氫酶基因轉(zhuǎn)入?yún)捬蹙?，也可以起到提高厭氧菌和兼性厭氧菌對氧的抵抗能力。?dāng)前第100頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)5、產(chǎn)細(xì)菌素基因

乳酸菌代謝不僅可以產(chǎn)生有機(jī)酸等產(chǎn)物，還可以產(chǎn)生多種細(xì)菌素，然而并不是所有的乳酸菌都產(chǎn)生細(xì)菌素，若通過生物工程技術(shù)將細(xì)菌素的結(jié)構(gòu)基因克隆到生產(chǎn)用菌株中，不僅可以使不產(chǎn)細(xì)菌素的菌株獲得產(chǎn)細(xì)菌素的能力，而且為人工合成大量的細(xì)菌素提供了可能。當(dāng)前第101頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)（三）

酶制劑的生產(chǎn)

利用基因工程技術(shù)不但可以成倍地提高酶的活力，而且還可以將生物酶基因克隆到微生物中，構(gòu)建基因工程菌來生產(chǎn)酶。據(jù)1995年統(tǒng)計(jì)，已有50％的工業(yè)用酶是用轉(zhuǎn)基因微生物生產(chǎn)的。轉(zhuǎn)基因微生物生產(chǎn)酶的優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)量高、品質(zhì)均一、穩(wěn)定性好、價(jià)格低等。當(dāng)前第102頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)

凝乳酶是第一個(gè)應(yīng)用基因工程技術(shù)把小牛胃中的凝乳酶基因轉(zhuǎn)移至細(xì)菌或真核微生物生產(chǎn)的一種酶。1990年美國FDA已批準(zhǔn)在干酪生產(chǎn)中使用。

重組DNA技術(shù)生產(chǎn)小牛凝乳酶，首先從小牛胃中分離出對凝乳酶原專一的mRNA(內(nèi)含子已被切除)，然后借助反轉(zhuǎn)錄酶、DNA聚合酶和St核苷酸酶的作用獲得編碼該酶原的雙鏈DNA，再以質(zhì)?；蚴删w為運(yùn)載體導(dǎo)入大腸桿菌。當(dāng)前第103頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)

近20年來用基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)的食品酶制劑主要有：凝乳酶、α－淀粉酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖異構(gòu)酶、轉(zhuǎn)化酶、脂肪酶、α－半乳糖苷酶、β－半乳糖苷酶、α－乙酰乳酸脫羧酶、溶菌酶、堿性蛋白酶等。

當(dāng)前第104頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)

例如，蛋白酶可以改善蛋白質(zhì)的溶解性；轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶可以使蛋白質(zhì)分子間發(fā)生交聯(lián)，可用于增加大豆蛋白的膠凝性能，使肉制品等添加大豆蛋白后具有更好的品質(zhì)。

酶制劑的作用當(dāng)前第105頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)

在食品加工過程中，通過添加一些酶類，可以改善產(chǎn)品的色澤、風(fēng)味和質(zhì)構(gòu)。如用葡萄糖氧化酶可以去除蛋液中的葡萄糖，改善蛋制品的色澤；用脂酶和蛋白酶可加速奶酪的成熟；葡萄糖苷酶可用于果汁和果酒的增香；木瓜蛋白酶可分解膠原蛋白，用于肉的嫩化。對于含有難消化成分的食品，可以通過添加一些酶類，改善這些食品的營養(yǎng)和消化利用性能。

酶制劑的作用

當(dāng)前第106頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)二、利用基因工程改善食品原料的品質(zhì)（一）改良動物食品性狀

（二）改造植物性食品原料當(dāng)前第107頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)（一）改良動物食品性狀

為了提高乳牛的產(chǎn)奶量，可將采用基因工程技術(shù)生產(chǎn)的牛生長激素(BST)注射到母牛體內(nèi)，既可達(dá)到提高母牛產(chǎn)奶量的目的，又不影響奶的質(zhì)量。同樣，為了提高豬的瘦肉含量或降低豬脂肪含量，可將采用基因重組技術(shù)生產(chǎn)的豬生長激素，注射至豬體內(nèi)，便可使豬瘦肉型化，有利于改善肉食品質(zhì)。

當(dāng)前第108頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)（二）

改造植物性食品原料

1、提高植物性食品氨基酸含量

例如，可以對賴氨酸代謝途徑中的各種酶進(jìn)行修飾或加工，從而使細(xì)胞積累更大量的Lys。還可針對性地將富含某種特異性的氨基酸的蛋白基因轉(zhuǎn)入目的植物，以提高相應(yīng)植物中的特定氨基酸的含量。當(dāng)前第109頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)2、增加食品的甜味

非洲有一種植物叫應(yīng)樂果，研究人員在其果實(shí)中發(fā)現(xiàn)了一種叫做應(yīng)樂果蛋白的蛋白質(zhì)，咀嚼時(shí)比蔗糖大約甜1.0萬倍，而它所含的蛋白質(zhì)卻又不會在新陳代謝中具有與蔗糖相同的作用，它的這種特性使之成為蔗糖的理想替代品。

當(dāng)前第110頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)3、改造油料作物

最易用基因工程方法進(jìn)行改造的油料作物是油菜，迄今為止，在世界范圍內(nèi)種植的良種油菜有31％是轉(zhuǎn)基因品種。用基因工程技術(shù)可以提高油脂中抗氧化劑的含量。當(dāng)前第111頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)4、改良植物食品的蛋白質(zhì)品質(zhì)

如秘魯“國際馬鈴薯培育中心”培育出一種蛋白質(zhì)含量與肉類相當(dāng)?shù)氖眍?；轉(zhuǎn)移扁豆蛋白基因可獲得具有較高貯存蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)基因向日葵。我國在此方面也培育出了一批作物新品種，有的已經(jīng)在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用。如山東農(nóng)業(yè)大學(xué)將小牛胸腺DNA導(dǎo)入小麥系814527，在第二代出現(xiàn)了蛋白質(zhì)含量高達(dá)16.51％的小麥變異株；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所將大米草DNA引入水稻品種早豐，出現(xiàn)了籽粒蛋白質(zhì)含量高達(dá)12.74％的受體變異類型。當(dāng)前第112頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)

基因工程在改善農(nóng)作物種子蛋白質(zhì)質(zhì)量方面發(fā)揮著重要作用。如小麥、玉米等谷物種子缺乏賴氨酸，豆類作物種子缺乏蛋氨酸，將富含賴氨酸和蛋氨酸的種子基因進(jìn)行分離鑒定，并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的作物中，可得到營養(yǎng)品質(zhì)較為完全的蛋白質(zhì)。如將巴西堅(jiān)果或豌豆蛋白基因轉(zhuǎn)入大豆中，獲得含有較高含硫氨基酸的轉(zhuǎn)基因大豆。4、改良植物食品的蛋白質(zhì)品質(zhì)

當(dāng)前第113頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)三、

利用基因工程改進(jìn)食品生產(chǎn)工藝（一）利用DNA重組技術(shù)改進(jìn)果糖和乙醇生產(chǎn)方法（二）改良啤酒大麥的加工工藝

（三）

改良小麥種子貯藏蛋白的烘烤特性（四）

改善牛乳加工特性

當(dāng)前第114頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)三、

利用基因工程改進(jìn)食品生產(chǎn)工藝（一）利用DNA重組技術(shù)改進(jìn)果糖和乙醇生產(chǎn)方法

1、利用微生物培養(yǎng)技術(shù)，大量生產(chǎn)所需的酶

2、利用α-淀粉酶的高溫突變體進(jìn)行“高溫”生產(chǎn)這種突變體可在80～90℃時(shí)起作用，在這種高溫下進(jìn)行液化淀粉，加速淀粉的水解，同時(shí)節(jié)約正常淀粉酶水解的冷卻降溫所消耗的能量。

當(dāng)前第115頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)3、改變編碼α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的基因使它們具有同樣的最適溫度和最適pH值，使液化、糖化在同一條件下進(jìn)行，減少生產(chǎn)步驟，降低生產(chǎn)成本。4、利用DNA重組技術(shù)獲得能夠直接分解粗淀粉的酶可降低能量消耗，提高效率，降低成本。

5、尋找或人工“創(chuàng)造”一種分泌葡萄糖淀粉酶發(fā)酵微生物葡萄糖淀粉酶能將淀粉全部水解成葡萄糖。在發(fā)酵過程中可不再添加淀粉酶，直接生產(chǎn)果糖或乙醇。當(dāng)前第116頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)（二）改良啤酒大麥的加工工藝

啤酒制造對大麥醇溶蛋白含量有一定要求，如果醇溶蛋白含量過高會影響發(fā)酵，使啤酒易產(chǎn)生混濁，也會增加過濾的難度。采用基因工程技術(shù)，使另一蛋白基因克隆至大麥中，便可相應(yīng)地降低大麥中的醇溶蛋白含量，以適應(yīng)生產(chǎn)的要求。當(dāng)前第117頁\共有127頁\編于星期四\17點(diǎn)（三）

改良小麥種子貯藏蛋白的烘烤特性

小麥種子貯藏蛋白對面包烘烤質(zhì)量有很大影響，特別是高分子谷蛋白5(x)和10(y)的亞基有助于面包質(zhì)量的改善，同時(shí)谷蛋白的N—端和C端含有Cys殘基，可形成分子間的二硫鍵，產(chǎn)生高分子量的聚合物，從而使面團(tuán)具有較好的彈性。利用基因工程技術(shù)，通過增加谷物蛋白的5(x)和10(y)的亞基的拷貝數(shù)、引入Cys殘基以及改變交聯(lián)特性等手段，可使小麥具有更理想的加工特性。