生物技术

健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。

从广义上讲，发酵工程由三部分组成：上游工程，发酵工程和下游工程。其中上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶解氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。发酵工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术。

发酵工程的步骤一般包括：

第一步，菌种的选育。

第二步，培养基的制备和灭菌。

第三步，扩大培养和接种。

第四步，发酵过程。

第五步，分离提纯。

发酵工程在医药工业、食品工业、农业、冶金工业、环境保护等许多领域得到广泛应用。

3、蛋白质工程

在现代生物技术中，蛋白质工程是在20世纪80年代初期出现的。蛋白质工程是指在深入了解蛋白质空间结构以及结构与功能的关系，并在掌握基因操作技术的基础上，用人工合成生产自然界原来没有的、具有新的结构与功能的、对人类生活有用的蛋白质分子。

蛋白质工程的类型主要有两种：

一是从头设计，即完全按照人的意志设计合成蛋白质。从头设计是蛋白质工程中最有意义也是最困难的操作类型，目前技术尚不成熟，已经合成的蛋白质只是一些很小的短肽。

二是定位突变与局部修饰，即在已有的蛋白质基础上，只进行局部的修饰。这种通过造成一个或几个碱基定位突变，以达到修饰蛋白质分子结构目的的技术，称为基因定位突变技术。

蛋白质工程的基本程序是：首先要测定蛋白质中氨基酸的顺序，测定和预测蛋白质的空间结构，建立蛋白质的空间结构模型，然后提出对蛋白质的加工和改造的设想，通过基因定位突变和其它方法获得需要的新蛋白质的基因，进而进行蛋白质合成。（图4-37）由于蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，在技术方面有很多同基因工程技术相似的地方，因此蛋白质工程也被称为第二代基因工程。

蛋白质工程为改造蛋白质的结构和功能找到了新途径，而且还预示人类能设计和创造自然界不存在的优良蛋白质的可能性，从而具有潜在的巨大社会效益和经济效益。

四、生物技术的应用和前景

伴随着生命科学的新突破，现代生物技术已经广泛地应用于工业、农牧业、医药、环保等众多领域，产生了巨大的经济和社会效益。

（一）生物技术的应用

1、生物技术在工业方面的应用

食品方面

首先，生物技术被用来提高生产效率，从而提高食品产量。

其次，生物技术可以提高食品质量。例如，以淀粉为原料采用固定化酶(或含酶菌体)生产高果糖浆来代替蔗糖，这是食糖工业的一场革命。

第三，生物技术还用于开拓食品种类。利用生物技术生产单细胞蛋白为解决蛋白质缺乏问题提供了一条可行之路。目前，全世界单细胞蛋白的产量已经超过3000万吨，质量也有了重大突破，从主要用作饲料发展到走上人们的餐桌。

材料方面

通过生物技术构建新型生物材料，是现代新材料发展的重要途径之一。

首先，生物技术使一些废弃的生物材料变废为宝。例如，利用生物技术可以从虾、蟹等甲壳类动物的甲壳中获取甲壳素。甲壳素是制造手术缝合线的极好材料，它柔软，可加速伤口愈合，还可被人体吸收而免于拆线。

其次，生物技术为大规模生产一些稀缺生物材料提供了可能。例如，蜘蛛丝是一种特殊的蛋白质，其强度大，可塑性高，可用于生产防弹背心、降落伞等用品。利用生物技术可以生产蛛丝蛋白，得到与蜘蛛丝媲美的纤维。

第三，利用生物技术可开发出新的材料类型。例如，一些微生物能产出可降解的生物塑料，避免了“白色污染”。

能源方面

生物技术一方面能提高不可再生能源的开采率，另一方面能开发更多可再生能源。

首先，生物技术提高了石油开采的效率。

其次，生物技术为新能源的利用开辟了道路。

1、生物技术在农业方面的应用

现代生物技术越来越多地运用于农业中，使农业经济达到高产、高质、高效的目的。

农作物和花卉生产

生物技术应用于农作物和花卉生产的目标，主要是提高产量、改良品质和获得抗逆植物。

首先，生物技术既能提高作物产量，还能快速繁殖。

其次，生物技术既能改良作物品质，还能延缓植物的成熟，从而延长了植物食品的保藏期。

第三，生物技术在培育抗逆作物中发挥了重要作用。例如，用基因工程方法培育出的抗虫害作物，不需施用农药，既提高了种植的经济效益，又保护了我们的环境。我国的转基因抗虫棉品种，1999年已经推广200多万亩，创造了巨大的经济效益。

畜禽生产

利用生物技术以获得高产优质的畜禽产品和提高畜禽的抗病能力。

首先，生物技术不仅能加快畜禽的繁殖和生长速度，而且能改良畜禽的品质，提供优质的肉、奶、蛋产品。

其次，生物技术可以培育抗病的畜禽品种，减少饲养业的风险。如利用转基因的方法，培育抗病动物，可以大大减少牲畜瘟疫的发生，保证牲畜健康，也保证人类健康。

农业新领域

基因工程不仅提高了农牧产品的产量和质量。

利用转基因植物生产疫苗是目前的一个研究热点。科研人员希望能用食用植物表达疫苗，人们通过食用这些转基因植物就能达到接种疫苗的目的。目前已经在转基因烟草中表达出了乙型肝炎疫苗。

利用转基因动物生产药用蛋白同样是目前的研究热点。科学家已经培育出多种转基因动物，它们的乳腺能特异性地表达外源目的基因，因此从它们产的奶中能获得所需的蛋白质药物，由于这种转基因牛或羊吃的是草，挤出的奶中含有珍贵的药用蛋白，生产成本低，可以获得巨额的经济效益。

2、生物技术在医药方面的应用

目前，医药卫生领域是现代生物技术应用得最广泛、成绩最显著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域。

疾病预防

利用疫苗对人体进行主动免疫是预防传染性疾病的最有效手段之一。注射或口服疫苗可以激活体内的免疫系统，产生专门针对病原体的特异性抗体。

20世纪70年代以后，人们开始利用基因工程技术来生产疫苗。基因工程疫苗是将病原

体的某种蛋白基因重组到细菌或真核细胞内，利用细菌或真核细胞来大量生产病原体的蛋白，把这种蛋白作为疫苗。例如用基因工程制造乙肝疫苗用于乙型肝炎的预防。我国目前生产的基因工程乙肝疫苗，主要采用酵母表达系统产生疫苗。

疾病诊断

生物技术的开发应用，提供了新的诊断技术，特别是单克隆抗体诊断试剂和DNA诊断技术的应用，使许多疾病特别是肿瘤、传染病在早期就能得到准确诊断。

图4-40是单克隆抗体的制备。单克隆抗体以它明显的优越性得到迅速的发展，全世界研制成功的单克隆抗体有上万种，主要用于临床诊断、治疗试剂、特异性杀伤肿瘤细胞等。有的单克隆抗体能与放射性同位素、毒素和化学药品联结在一起，用于癌症治疗，它准确地找到癌变部位，杀死癌细胞，有“生物导弹”、“肿瘤克星”之称。

DNA诊断技术是利用重组DNA技术，直接从DNA水平作出人类遗传性疾病、肿瘤、传染性疾病等多种疾病的诊断。它具有专一性强、灵敏度高、操作简便等优点。

疾病治疗

生物技术在疾病治疗方面主要包括提供药物、基因治疗和器官移植等方面。

利用基因工程能大量生产一些来源稀少价格昂贵的药物，减轻患者的负担。这些珍贵药物包括生长抑素、胰岛素、干扰素等等。

基因治疗是一种应用基因工程技术和分子遗传学原理对人类疾病进行治疗的新疗法。

世界上第一例成功的基因治疗是对一位4岁的美国女孩进行的，她由于体内缺乏腺苷脱氨酶而完全丧失免疫功能，治疗前只能在无菌室生活，否则会由于感染而死亡。经治疗，这个女孩可进入普通小学上学。截至1997年6月，全世界已批准的临床基因治疗方案有218项，接受基因治疗和基因转移的患者总数已有2557名患者。

1990年，人类基因组计划在美国正式启动，2003年4月14日，中美英日法德六国科学家宣布：人类基因组序列图绘制成功。人类基因组计划的完成，有助于人类认识许多遗传疾病以及癌症的致病机理，将为基因治疗提供更多的理论依据。

器官移植技术向异种移植方向发展，即利用现代生物技术，将人的基因转移到另一个物种上，再将此物种的器官取出来置入人体，代替人的生病的“零件”。另外，还可以利用克隆技术，制造出完全适合于人体的器官，来替代人体“病危”的器官。

3、生物技术在环保方面的应用

污染监测

现代生物技术建立了一类新的快速准确监测与评价环境的有效方法，主要包括利用新的指示生物、利用核酸探针和利用生物传感器。

人们分别用细菌、原生动物、藻类、高等植物和鱼类等作为指示生物，监测它们对环境的反应，便能对环境质量作出评价。

核酸探针技术的出现也为环境监测和评价提供了一条有效途径。例如，用杆菌的核酸探针监测水环境中的大肠杆菌。

近年来，生物传感器在环境监测中的应用发展很快。生物传感器是以微生物、细胞、酶、抗体等具有生物活性的物质作为污染物的识别元件，具有成本低、易制作、使用方便、测定快速等优点。

污染治理

现代生物治理采用纯培养的微生物菌株来降解污染物。

例如科学家利用基因工程技术，将一种昆虫的耐DDT基因转移到细菌体内，培育一种专门“吃”DDT的细菌，大量培养，放到土壤中，土壤中的DDT就会被“吃”得一干二净。

植物生物技术植物生物技术是一门研究植物遗传规律、探索植物生长发育机理，应用现代生物技术改良遗传性状、培育新品种、创造新种质的学科。

植物生物技术专业培养具备用生物技术手段揭示和阐明植物高产、优质、高效的生产基础理论知识和实践能力，能在科研机构、高等学校及企事业单位从事与植物生物技术相关的创新研究和管理工作的高级复合型科学技术人才。