現(xiàn)代生物技術(shù)

現(xiàn)代生物技術(shù)摘要：現(xiàn)代生物技術(shù)，主要包括五項技術(shù)：基因工程，細(xì)胞工程，酶工程，蛋白質(zhì)工程，發(fā)酵工程。五項技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，在人們的生產(chǎn)生活中占有重要地位。關(guān)鍵詞：基因工程細(xì)胞工程酶工程蛋白質(zhì)工程發(fā)酵工程應(yīng)用隨著時代的發(fā)展，現(xiàn)代生物技術(shù)在人們的生活中也越來越重要了?，F(xiàn)代生物技術(shù)對解決人類面臨的重大問題如：糧食、健康、環(huán)境和能源等將開辟廣闊的前景，因此越來越為各國政府和企業(yè)界所關(guān)注，現(xiàn)代生物技術(shù)已經(jīng)與信息、新材料和新能源技術(shù)并列成為影響國計民生的四大科學(xué)技術(shù)支柱，是21世紀(jì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的先導(dǎo)。生物技術(shù)(biotechnology),也稱生物工程(bioengineering)，指人們以現(xiàn)代生命科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)的工程技術(shù)手段，按照預(yù)先的設(shè)計改造生物體或加工生物原料，為人類生產(chǎn)出所需產(chǎn)品的技術(shù)。生物技術(shù)是由多個學(xué)科綜合而成的一門新學(xué)科。主要包括以下5項技術(shù)：1.基因工程（geneengineering）2.細(xì)胞工程（cellengineering）3.酶工程（enzymeengineering）4.發(fā)酵工程（fermentationengineering）5.蛋白質(zhì)工程（proteinengineering）。一、基因工程基因工程原稱遺傳工程。從狹義上講，基因工程是指將一種或多種生物體（供體）的基因與載體在體外進(jìn)行拼接重組，然后轉(zhuǎn)入另一種生物體（受體）內(nèi)，使之按照人們的意愿遺傳并表達(dá)出新的性狀。廣義的基因工程定義為DNA重組技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化設(shè)計與應(yīng)用，包括上游技術(shù)和下游技術(shù)兩大組成部分。上游技術(shù)指的是外源基因重組、克隆和表達(dá)的設(shè)計與構(gòu)建；而下游技術(shù)則涉及到含有重組外源基因的生物細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)以及外源基因表達(dá)產(chǎn)物的分離純化過程。基因工程之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，主要有六個原因：1.不同基因具有相同的物質(zhì)基礎(chǔ)；2.基因是可切割的；3.基因是可以轉(zhuǎn)移的；4.多肽和基因之間存在對應(yīng)關(guān)系；5.遺傳密碼是通用的；6.基因可以通過復(fù)制把遺傳信息傳給下一代?；蚬こ痰膶崿F(xiàn)主要分為三個步驟：第一步：目的基因的分離或制備：人工分離生物基因組群中目的基因及內(nèi)切酶定位切割或人工酶促合成。二步：重組DNA：選擇載體及目的基因與載體基因重組。第三步：導(dǎo)入與表達(dá)：重組DNA導(dǎo)入受體細(xì)胞，目的基因表達(dá)出目的效應(yīng)和性狀基因工程的主要過程是先從供體細(xì)胞中分離出基因組DNA，用限制性核酸內(nèi)切酶分別將外源DNA（包括外源基因或目的基因）和載體分子切開，在用DNA連接酶將含有外源基因的DNA片斷接到載體上，形成DNA重組分子，然后借助于細(xì)胞轉(zhuǎn)化手段將DNA重組分子導(dǎo)入受體細(xì)胞中。短時間培養(yǎng)轉(zhuǎn)化細(xì)胞，以擴(kuò)增DNA重組分子或使其整合到受體細(xì)胞的基因組中。然后在培養(yǎng)的細(xì)胞中篩選和鑒定轉(zhuǎn)化細(xì)胞，獲得使外源基因高效表達(dá)的基因工程菌或細(xì)胞。二、細(xì)胞工程細(xì)胞工程是應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)方法，借助工程學(xué)的試驗方法或技術(shù)，在細(xì)胞水平上研究改造生物遺傳特性和生物學(xué)特性，以獲得特定的細(xì)胞、細(xì)胞產(chǎn)品或新生物體的有關(guān)理論和技術(shù)方法的學(xué)科。廣義的細(xì)胞工程包括所有的生物組織、器官及細(xì)胞離體操作和培養(yǎng)技術(shù)，狹義的細(xì)胞工程則是指細(xì)胞融合和細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)。根據(jù)研究對象不同，細(xì)胞工程可分為動物細(xì)胞工程和植物細(xì)胞工程。動物細(xì)胞工程包括：細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)（包括組織培養(yǎng)、器官培養(yǎng)）；細(xì)胞融合技術(shù)；胚胎工程技術(shù)（核移植、胚胎分割等）；克隆技術(shù)（單細(xì)胞系克隆、器官克隆、個體克?。Ｖ参锛?xì)胞工程包括：植物組織、器官培養(yǎng)技術(shù)；細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)；原生質(zhì)體融合與培養(yǎng)技術(shù)；亞細(xì)胞水平的操作技術(shù)等。細(xì)胞工程基礎(chǔ)是因為細(xì)胞是細(xì)胞具有全能型。細(xì)胞的全能性簡單地講，就是一個生活細(xì)胞所具有的產(chǎn)生完整生物個體的潛在能力。植物細(xì)胞培養(yǎng)是將離體的植物器官、組織或細(xì)胞，在培養(yǎng)了一段時間后，會通過細(xì)胞分裂，形成愈傷組織。由高度分化的植物器官、組織或細(xì)胞產(chǎn)生愈傷組織的過程，稱為植物細(xì)胞的脫分化，或者叫做去分化。脫分化產(chǎn)生的愈傷組織繼續(xù)進(jìn)行培養(yǎng)，又可以重新分化成根或芽等器官，這個過程叫做再分化。再分化形成的試管苗，移栽到地里，可以發(fā)育成完整的植物體。動物細(xì)胞培養(yǎng)是從動物機(jī)體中取出相關(guān)的組織，將它分散成單個細(xì)胞，然后放在適宜的培養(yǎng)基中，讓這些細(xì)胞生長和增殖。動物細(xì)胞培養(yǎng)的基本過程：取動物胚胎或幼齡動物器官、組織。將材料剪碎，并用胰蛋白酶處理（消化），處理形成單個細(xì)胞，將單個的細(xì)胞放入培養(yǎng)基中配成一定濃度的細(xì)胞懸浮液。懸液中分散的細(xì)胞很快就貼附在瓶壁上，成為細(xì)胞貼壁。當(dāng)貼壁細(xì)胞分裂生長到互相接觸時，細(xì)胞就會停止分裂增殖，出現(xiàn)接觸抑制。此時需要將出現(xiàn)接觸抑制的細(xì)胞重新使用胰蛋白酶處理。再配成一定濃度的細(xì)胞懸浮液。三、酶工程酶工程即利用酶的催化作用，在一定的生物反應(yīng)器中，將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化成所需的產(chǎn)品。酶工程是現(xiàn)代酶學(xué)理論與化工技術(shù)的交叉技術(shù)，它的應(yīng)用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域。酶工程的應(yīng)用范圍（1）對生物寶庫中存在天然酶的開發(fā)和生產(chǎn)；（2）自然酶的分離純化及鑒定技術(shù)；（3）酶的固定化技術(shù)（酶和細(xì)胞固定化）；（4）酶反應(yīng)器的研制和應(yīng)用；（5）與其他生物技術(shù)領(lǐng)域的交叉和滲透。其中固定化酶技術(shù)是酶工程的核心。實際上有了酶的固定化技術(shù)，酶在工業(yè)生產(chǎn)中的利用價值才真正得以體現(xiàn)。

微生物酶的開發(fā)微生物酶開發(fā)的一般程序(一)樣品的采集：采樣的目的、采樣地點、采樣方法及采樣的數(shù)（二)菌種的分離：培養(yǎng)基的確定、培養(yǎng)條件的確定。(三)菌種的初篩：(1)用簡單的定性反應(yīng)進(jìn)行初篩；(2)在最初分離階段就給予特殊的培養(yǎng)基或培養(yǎng)條件，進(jìn)而讓目的菌株得以繁殖，盡可能地把只成為目的菌的菌株或只將其最適菌株的一株純化分離。(四)菌種的復(fù)篩：初篩之后，還要進(jìn)行復(fù)篩。復(fù)篩的目的是在初篩的基礎(chǔ)上，篩選產(chǎn)酶量高、性能更符合生產(chǎn)要求的菌種復(fù)篩。酶活的測定方法的建立尤其重要。(五)對復(fù)篩獲得菌株的要求：(1)不是致病菌；(2)菌株不易退化；(3)不易感染噬菌體；(4)微生物產(chǎn)酶量高；(5)酶的性質(zhì)符合應(yīng)用的需要，而且最好是胞外酶；(6)產(chǎn)生的酶便于分離和提取，得率高；(7)微生物培養(yǎng)營養(yǎng)要求低。(六)最佳產(chǎn)酶條件的初步確定：(1)培養(yǎng)方式的確定；(2)最佳培養(yǎng)條件組合；(3)微生物產(chǎn)酶的特性(胞內(nèi)酶、胞外酶)；(4)微生物酶收集的時間順序；(七)微生物產(chǎn)酶性能的進(jìn)一步提高：(1)獲得高產(chǎn)菌種的突變體；(2)利用代謝工程和代謝調(diào)節(jié)機(jī)理來提高微生物的酶產(chǎn)量。(3)運(yùn)用遺傳工程、基因工程的手段將原有菌株中的目的基因轉(zhuǎn)移到另外一些對生產(chǎn)環(huán)境更適應(yīng)的微生物細(xì)胞之內(nèi)，使其高效表達(dá)；(八)微生物酶的提取方法：(1)酶的粗提；(2)酶的精制。(九)微生物產(chǎn)酶菌種的保藏：(1)斜面；(2)沙土管；(3)冷凍。四、發(fā)酵工程發(fā)酵工程主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)發(fā)酵過程1、發(fā)酵原料的選擇及預(yù)處理2、微生物菌種的選育及擴(kuò)大培養(yǎng)3、發(fā)酵設(shè)備選擇及工藝條件控制：常溫、常壓。種子擴(kuò)大培養(yǎng)和發(fā)酵采用不同的工藝。4、發(fā)酵產(chǎn)物的分離提取5、發(fā)酵廢物的回收和利用工業(yè)發(fā)酵步驟和工藝流程：(1)用作培養(yǎng)菌種及擴(kuò)大生產(chǎn)的發(fā)酵罐的培養(yǎng)基的配制(2)培養(yǎng)基、發(fā)酵罐以及輔助設(shè)備的消毒滅菌(3)將已培養(yǎng)好的有活性的純菌株以一定量轉(zhuǎn)接到發(fā)酵罐中(4)將接種到發(fā)酵罐中的菌株控制在最適條件下生長并形成代謝產(chǎn)物(5)將產(chǎn)物抽提并進(jìn)行精制，以得到合格的產(chǎn)品(6)回收或處理發(fā)酵過程中產(chǎn)生的廢物和廢水蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程的概念:蛋白質(zhì)工程是以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能關(guān)系的知識為基礎(chǔ)，通過周密的分子設(shè)計，把蛋白質(zhì)改造為合乎人類需要的新的突變蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程的目的是改變蛋白質(zhì)的生物活性，改變蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，改變蛋白質(zhì)的特性和用于蛋白質(zhì)與功能研究。蛋白質(zhì)工程程序：蛋白質(zhì)工程是根據(jù)已知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識創(chuàng)新的過程。首先要測定蛋白質(zhì)中氨基酸的順序，測定和預(yù)測蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，建立蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)模型，然后提出對蛋白質(zhì)的加工和改造的設(shè)想，通過基因定位突變和其它方法獲得需要的新蛋白質(zhì)的基因，進(jìn)而進(jìn)行蛋白質(zhì)合成。這一過程不是一次就能完成的，需要反復(fù)嘗試，才能得到所需要得蛋白質(zhì)?，F(xiàn)代生物技術(shù)在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛。生物技術(shù)可以應(yīng)用在在農(nóng)業(yè)中?；蚬こ淘谥参镞z傳改良中的應(yīng)用：制作培育抗病蟲害、耐旱、耐鹽、耐低/高溫的新品種，培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)新品種，控制生長發(fā)育細(xì)胞工程技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用：1.將常規(guī)植物育種技術(shù)與植物組織培養(yǎng)技術(shù)相結(jié)合，可以獲得常規(guī)技術(shù)難以或無法獲得的種質(zhì)材料，縮短育種周期，提高育種效率；2.快速獲得特殊倍性材料；3.克服遠(yuǎn)緣雜交的困難；4.細(xì)胞突變體篩選獲得新的種質(zhì)材料；5.原生質(zhì)體融合選育新品種;6.種苗脫病毒與快速繁殖；7.種質(zhì)資源保存。轉(zhuǎn)基因技術(shù)在動物生產(chǎn)上的應(yīng)用：轉(zhuǎn)人生長激素基因的魚;轉(zhuǎn)牛生長激素基因的雞;轉(zhuǎn)人血紅蛋白基因的豬;動物胚胎工程及克隆技術(shù)的應(yīng)用：胚胎移植；胚胎冷凍保存；體外胚胎生產(chǎn)；胚胎分割；性別控制；用克隆技術(shù)獲得更多的優(yōu)良動物個體用于生產(chǎn),挽救瀕危動物。生物技術(shù)也可以用于食品生產(chǎn)方面。人們可以利用基因工程技術(shù)改良食品加工的原料；如利用基因工程技術(shù)重組牛和豬生長素基因，提高牛奶的產(chǎn)量，生產(chǎn)瘦肉型豬等。利用基因工程菌生產(chǎn)食品原輔料還可以利用基因工程改良微生物菌種性能細(xì)胞工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用，如動物細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)保健品、植物細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)原輔料酶工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用:酶在食品原料加工中的應(yīng)用，如利用凝乳酶生產(chǎn)奶酪，目前已通過酵母發(fā)酵獲得凝乳酶.酶制劑用于改善食品質(zhì)量：蛋白酶嫩化肉、果膠酶澄清果汁等。酶在食品保鮮和貯藏中的作用。如葡萄糖氧化酶的保鮮作用、溶菌酶的保鮮作用微生物工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用：1、利用微生物發(fā)酵作用生產(chǎn)各種食