生物工程的发展简史

生物工程的发展简史

1 第一章 绪论 第一节 生物工程的发展简史 按照生物工程的定义.人类对生物工程的实践可迫溯到远古原始人类生活期间.为此， 可把生物工程的发展分成三个时期:①传统生物技术时期；②近代生物工程的形成和发展时 期;③现代生物工程时期。 一、传统生物技术时期 生物工程不是一门新学科，它是从传统生物技术发展来的。传统生物技术应该说从史前 时代起就一直为人们所开发和利用并造福于人类.在西方，苏美尔人和巴比伦人在公元前 6000 年就已开始啤酒发酵。古埃及人则在公元前4000 年就开始用经发酵的面团制作面包， 在公元前20 世纪时已掌握了用裸麦制作“啤酒”的技巧。公元前25 世纪古巴尔于人开始制 作酸奶;公元前20 世纪古亚述人已会用葡萄酿酒(葡萄实际上沾有酵母)。公元前17 世纪 古西班牙人曾用类似目前细菌浸取铜矿的方法获取铜。在石器时代后期，我国人民就会利用 谷物造酒，这是最早的发酵技术。 荷兰人詹生(Z. Janssen)于 1590 年制作了世界上最早的显微镜，其后 1665 年英国的 胡克(R. Hooke)也制作了显微镜，但都因放大倍数有限而无法观察到细菌和酵母。但胡 克却观察到了霉菌，还观察到了植物切片中存在胞粒状物质，因而把它称为细胞(cell),此 名称一直沿用至今。1676 年，荷兰人列文虎克(Leeuwen Hoe 幻用自磨的镜片制作显微镜， 其放大倍数可近300 倍，并观察和描绘了杆菌、球菌、螺旋菌等微生物的图像，为人类进一 步了解和研究微生物创造了条件.并为近代生物技术时期的降临做出了重大贡献。 1838 年德国的施莱登(M一J. Schlwiden)和施旺(T. Schwan)共同ON 明了细胞是动 植物的基本单位，因而成为细胞学的奠基人;1855 年微耳和R. Virchow 发现了新细胞是 从原有细胞分离而形成的，即新细胞来自老细胞的事实;1858 年托劳贝(Trauhe)提出了 发醉是靠酶的作用进行的概念;1859 年英国的达尔文《C. R. delvan)撰写了《物种起惊》 一书，提出了以自然选择为基础的进化学说，并指出生命的基础是物质。 自胡克从显微镜中观察到微生物到微生物学的诞生约经历了近200 年.受到人们思想观 念、习惯势力、经济实力、生产方式等因素的制约。产业革命的浪潮当时还没卷入到食品、 化工领域来。对发酵还习惯于作坊式生产。1866 年微生物学的莫基人，被称为微生物学之 父的法国人巴斯德(L. Pasteur)以实验结果有力地摧毁了微生物的“自行发生论”。他首 先证实了发酵是由微生物引起的，并建立了微生物的纯种培养技术，从而为发酵技术的发展 提供了理论基础，使发酵技术纳人了科学的轨道。他提出了一种防止葡萄酒变酸的消毒法 〔被称为巴斯德消毒法(Pasteurization),一般在 60℃ 时维持一段时间以杀死食品、牛奶和 饮料中的病原菌」;1857 年他明确地指出酒精是酵母细胞生命活动的产物，并在 1863 年进 一步指出所有的发酥都是微生物作用的结果，不同的微生物引起不同的发酵。1874 年丹麦 人汉森(Hansan)在牛胃中提取了凝乳酶，1879 年发现了醋酸杆菌;1876 年德国的库尼 (W. Kuhne)首创了\"enzyme\"一字，意即“在酵母中”;1881 年采用微生物生产乳酸; 1885 年开始用人工方法生产蘑菇;1897 年德国的毕希纳(E 一Buchner )发现被磨碎后的酵 母细胞仍可进行酒精的发醉，并认为这是酶的作用，并于 1907 年因此发现而获得诺贝尔化 学奖，19 世纪末德国和法国一些城市开始用微生物处理污水. 细菌学的莫基人，德国的科赫(R. Koch)首先用染色法观察了细菌的形态;1881 年他与他的助手们发明了加人琼脂的固体培养基并利用它在平皿中以接种针醚上混合菌液在固体培养基表面上划线培养以获得单抱子菌落的方法，此方法一直被沿用至今，他的另一个杰出贡献是发现了结核菌，并因此获1905 年的诺贝尔生理学及医学奖.1914 年开始建立作为食品和饲料的酵母生产线;1915 年德国开发了面包酵母的生产线;1915 年

德国为了第一次世界大战(1914 一1918 年)的需要建立了大型的丙酮一丁醇发酵以及甘油发酵生产线;到了20 世纪20 年代，工业生产中开始采用大规模的纯种培养技术发酵化工原料丙酮、丁醇。20 世纪 50 年代，在青霉素大规模发酵生产的带动下，发酵工业和酶制剂工业大量涌现，发酵技术和酶技术被广泛应用于医药、食品、化工，制革和农产品加工等部门。 2 20 世纪初，随着遗传学的建立及其应用，产生了遗传育种学，并于 60 年代取得了辉煌的成就，被誉为“第一次绿色革命”。细胞学的理论被应用于生产而产生了细胞工程。在今天看来，上述诸方面的发展，还只能被视为传统的生物技术，因为它们还不具备高技术的诸要素. 二、近代生物工程的形成和发展时期 1926 年美国的生化学家萨姆纳(J. B. Summer)证实了从刀豆中获得的结晶JR 酶是一种蛋白质，其后又分别与人合作在 1930 年和1937 年获得了胃蛋白酶和过氧化氢酶等晶体，说明酶是一类蛋白质，因而在1946 年和他的同事共获诺贝尔化学奖;1928 年英国的弗莱明(A.Fleming)发现青霉素;1937 年马摩里(Mamoli )和维赛龙(V. Hone)提出了微生物转化的方法。这一时期所生产的发酵产物都属微生物形成的初级代谢产物，这是指微生物处于对数生长期所形成的产物，主要是与细胞生长有关的产物，如氨基酸、核酸、蛋白质，碳水化合物以及与能量代谢有关的副产物，诸如乙醇、丙酮、丁醇等。此一时期生产的发酵产品以厌氧发酵的居多，诸如乙醇、丙酮、丁醉、乳酸和污水的厌氧处理生产甲烷等过程。此外，有的发酵过程开始时采用固体发酵方式进行生产。在农业微生物方面， 1887 年俄国的维诺格拉斯基发现了硝化细菌;1888 年德国的赫尔利格(H. Hellriegel)和赫韦尔法斯(H. Wilfarth)发现了固氮细菌等。主要产品有细菌肥料和苏云金杆茵制剂(1901 年发现，能产生伴胞晶体以杀死农业害虫)、赤霉素(1914 年发现)。此外，还出现了一些与微生物学相关的分支学科，如细菌学、工业微生物学、农业微生物学、医学微生物学等，并丰富了细胞学、生理学、生物化学、医学、药学等内容. 近代生物工程的起始标志是青霉素的工业开发获得成功，因为它带动了一批微生物次级 代谢物和新的初级代谢物产品的开发，并激发了原有生物技术产业的技术改造。此外，一批 以酶为催化剂的生物转化过程生产的产品问世，加上酶和细胞固定化技术的应用。使近代生 物工程产业达到了一个全盛时期。 1941 年因第二次世界大战(1939-1945 年)的爆发，前线和后方的不少伤员都希望能 有一种比当时磺胺类药物更为有效和安全的治疗外伤炎症及其继发性传染病的药物。英国当 局让病理学家弗洛里(H. W. Florey)和生化学家钱恩(E. 8. Chain)参加到弗莱明的研究队伍中，以加速对青霉素的研制开发。在积累了一定量的青霉素后，他们先对动物进行了实验，再对一患血液感染的病人进行临床试验，都证明了青霉素具有卓越的效能，且毒性很小，然而，因战事急剧发展，英国难以进行进一步的研究，其后青霉素的开发是在美国药厂中完成的。开始时是以大量的扁瓶为发酵容器.湿麦麸为主要培养基，用表面培养法生产青霉素，这个方法虽落后，并耗费大童劳动力，但终究能获得一定量的青霉素。发酵法生产青霉素虽获成功，但当时是由“瓶子工厂“中生产出来的，不能满足需求，于是决定请工程技术人员来共同改造原有生产线.不久新的生产线开始运转了.以大7M的带机械搅拌和无菌通气装置的发酵罐取代了瓶子，引用了当时新型的逆流离心萃取机作为发 R OF 掖的主要提取手段，以减少青霉素在PH 剧变时的破坏;上游研究人员RI 寻找到一株从发霉的甜瓜中选出的，适用于液体培养的产黄青霉菌株，使青霉素发酵的效价提高了几百倍，此外还发现以玉米浆(生产玉米淀粉时的副产品)和乳糖(生产干酪时的副产品)为主的培养基可使青霉素的发酵效价约提高10 倍。不久，辉瑞(Phizer)药厂就建立起一座具14 个约26rn 3 发酵罐的车间生产青霉素。1945 年，弗莱明、弗洛里和钱恩因发明和开发了青霉素被授予诺贝尔医学奖。 除了青霉素以外.其后发现和使用有各种抗生素、氮丛酸、核背酸、维生索、多糖、多 元醇、有机酸、酶制剂等。与此同时，一个新的交叉学科—生物化学工程(biochemical engineering)也就诞生了。 固定化酶或固定化细胞技术，以及生物转化或称微生物转化技术的建立和发展，大大地 推动了酶的应用。细胞固定化的实践可推溯至古时用刨花卷置于无

底木筒内淋酒为醋，以及 百余年前用内置石块的滴淋塔来处理污水。但科学的固定化酶以及固定化细胞的方法，是在 1953 年由格罗勃霍佛 (N. Gruhhofer)和希莱思(L. Schleith)提出的。其后日本的千烟 一郎在1969 年开始用固定化L-氨基酸酸化酶拆分IN 二氨基酸并获得成功。 在20 世纪30 年代中期，一种新的被称为生物转化或微生物转化的生产方式出现了。这种生产 3 过程中所进行的酶反应不采用从微生物中提取出来的酶作为催化剂，而是直接用产生相关酶的微生物细胞来作为催化剂，即把底物直接投人细胞培养液中或将底物溶液通过装有固定化细胞的柱中进行酶促反应。它的好处是可以省去复杂的从微生物细胞(指胞内酶)或培养物的滤液(指胞外酶)中提取酶的过程，并十分适合于多酶反应或需要辅酶、辅因子参与的催化过程。当然要从生物转化液中获得产物还是要通过一系列的分离纯化过程，但至少可省去一次对酶的分离纯化过程. 微生物转化法最简单的例子是将乙醇加入到醋酸杆菌的培养液中使其转化为乙酸，而不必先把乙醇氧化酶从醋酸杆菌中提取出来后再与乙醇去反应了。维生素C 现在也基本上是采用微生物二步转化的方法进行生产，其中第一步微生物转化是将山梨醉(葡萄糖在镍催化剂中加压催化取得)在醋酸杆菌培养液中转化为山梨糖，而第二步微生物转化是在葡萄糖杆菌和一种假单胞菌的共同作用下将山梨糖转化为 2 一酮基一 L-古龙酸口微生物转化的这一步是由我国微生物学家尹光琳等在 20 世纪 70 年代完成的，此技术在我国已普遍使用，并已转让至国外。 还有一项应用很广的微生物转化技术是甾体激素的生产。最初用化学合成法以去氧胆酸为原料研制的可的松化学合成路线，因共需 31 步反应而无法投产。1952 年美国的彼得逊(Peterson)和莫莱 (Murry)以黑根霉或其他根霉微生物转化法把化学合成法中原需9 步的反应，用1 步生物转化反应就解决了，因而使可的松的生产得以开始。其后发现了用豆甾醇、薯蓣皂苷元或番麻皂苷元等作为可的松生产的原料更经济，合成步骤也更简短，就不再用去氧胆酸为原料生产可的松了。 三、现代生物工程的形成和发展时期 多少年以来，关于生命的起源问题存在着以下一些解释。 ①创世说。19 世纪初期之前，人们从宗教和迷信的角度对人类的起源做了各种回答。例如，基督教认为是亚当和夏娃创造了人类，即上帝创造了世间一切和人类 ②进化论。1859 年，英国生物学家达尔文(C. R. Delvan)发表了“物种起源”，确立了进化论的观点，极大推动了人类思想的发展。 ③细胞学说。最早观测到活细胞的是 17 世纪的荷兰人列文虎克，与其同时代的英国人 Hooke 第一次用“细胞”这个词来形容他所观察到的软木的基本单元。19 世纪中叶，“细胞”的概念被科学界接受，成为19 世纪三大发现之一。按照细胞学说，动植物的基本单元是细胞，细胞包含有生命的全部特征，组织、器官和个体的生命现象实际上是细胞活动的总和。所以细胞可以而且应该成为生物学研究的首要对象，今天的细胞工程和分子生物学就是在此基础上发展起来的。 ④经典的生物化学和遗传学。进化论和细胞学说的发展，产生了实验科学之一—现代生物学，在现代生物学发展的荃础上，又产生了研究动植物遗传变异规律的遗传学和生物化学学科。生物化学以分离、纯化、鉴定细胞内含物质和研究这些物质与细胞内生命现象的联系为主要内容，19 世纪中叶至20 世纪初得到快速发展，是早期生物化学的大发展时期。在此期间，20 种氨基酸被发现，“肽键”被认识，细胞的其他成分，如脂类、糖类、核酸也相继在那一阶段被认知，但科学家还无法解释细胞内最重要的生命活动，即细胞是如何世代相传的。 1865 年，经典遗传学创始人奥地利人孟德尔(G. Mendel)发表了《植物杂交试验》一文，提出了遗传因子的统一律和独立分配率。孟德尔指出，生物的每一种性状都是由遗传因子控制的。这些遗传因子可以从亲代到子代，代代相传。在体细胞内，遗传因子是成对存在的，其中一个来自父本，一个来自母本，在形成配体时，遗传因子彼此分开，单独存在。他还认为，有些遗传因子是以显性形式存在的，而有些遗传因子是以隐性形式存在的。当时，孟德尔的工作并未引起很大的重视。 1900 年，荷兰科学家H. DeVries、德国科学家Correns、奥地利科学家Tsehermak 在完全不知道孟德尔以往工作的情况下，各自独立做了与孟德尔相似的试验，得到了与孟德尔相似的结论，他们三人将

孟德尔的名字列在了第一作者的位置上，以便让世人知晓孟德尔首创性的科学贡献。 1911 年，美国科学家 Morgan 和他的助手们第一次将代表某一特定性状的基团同某一特定的染色体联系了起来，创立了遗传的染色体理论。Morgan 特别指出:物质必须由某些独立的要素组成，人们将这些要素称为基因，也称为遗传因子。 4 1944 年Avery 等阐明了DNA 是遗传信息的携带者。1953 年沃森和克里克提出了DNA 的双螺旋结构模型，阐明了DNA 的半保留复制模式，从而开辟了分子生物学研究的新纪元。由于一切生命活动都是由包括酶和非酶蛋白质行使其功能的结果，所以遗传信息与蛋白质的关系就成了研究生命活动的关键问19, 1961 年M, Nirenberg 等破译了遗传密码。揭开了DNA 编码的遗传信息是如何传递给蛋白质的这一秘密。基于上述基础理论的发展，1972 年Berg 首先实现了DNA 体外91 组技术，标志着生物技术的核心技术—基因工程技术的开始。它向人们提供了一种全新的技术手段，使人们可以按照意愿在试管内切割DNA、分离基因并经重组后导人其他生物或细胞，借以改造农作物或畜牧品种;也可以导人细菌这种简单的生物体，由细蔺生产大量的有用的蛋白质，或作为药物，或作为疫苗;也可以直接导人人体内进行基因治疗。显然，这是一项技术上的革命。 现代生物工程是以 20 世纪70 年代DNA 重组技术的建立为标志的。现代生物工程时期 是以分子生物学的理论为先导，从基因工程的技术能作为生物工程新产品的一种开发手段或 关键技术后算起的。 近代科技史实表明.每一次重大的科学发现和技术创新，都使人们对客观世界的认识产生一次飞跃;每一次技术革命浪潮的兴起，都使人们改造自然的能力和推动社会发展的力贡提高到一个新的水平。生物工程的发展也不例外，它的发展将A 来越深刻地影响着世界经济、军和社会发展的进程。现代生物工w 为人类生活提供了多方面的便利，主要包括:①更加准确地诊断、预防或治愈传染病和遗传疾病;②有效地提高作物的产量，获得具有抗虫、抗真菌、抗病毒、抗逆境等优良性状的植物; ③开发生产药物、生物多聚体、氨基酸、酶类和各种食品添加剂的微生物;④创造带有更多优良性状的家畜和其他动物;⑤简化从环境中清除污染物和废弃物的程序，开发新能源及资源有效利用的新途径。 总而言之，现代生物工程技术己开始渗入到人们生活的多个方面，其中以在医药、农业和食品、资源利用与环境保护以及一 L 业催化等领域的应用技术最为成熟，具有一定商业规模，本书将分章论述。 第二节 生物工程的内容 一、生物工程的定义 “生物工程”一词是由生物技术演变而来的。早在1917 年，匈牙利农业经济学家艾里基(K. Ereky) 就提出“凡是以生物机体为原料，无论其用何种生产方法进行产品生产的技术”都属于生物技术。此一定义显然是太宽泛了，因此未被人们所重视。20 世纪70 年代末80 年代初，由于分子生物学、 DNA 重组技术的出现以及某些基因工程产品如重组胰岛素、重组人体生长激素等的问世，人们再次提出了“生物技术”这一名词的定义问题。由于当时似有另一种倾向，即必须是采用荃因工程等一类具有现代生物技术内涵或以分子生物学为基础的技术才称得上生物技术，而把原先已相当成熟的发酵技术、酶催化技术、生物转化技术、原生质体融合技术等排斥在外，因此此一定义也不为多数人所赞同。由国际经济合作与发展组织( IECDQ)在1982 年提出的对生物技术的定义似为多数人所赞同。此定义为:生物技术是“应用自然科学和工程学的原理，依靠生物作用剂的作用将物料进行加工以提供产品或用以为社会服务”的技术。 我国国家科学技术委员会制定《中国生物技术政策纲要》时，将生物技术定义为，以现 代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，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的新技术。改造生物体是指获得优良品质的动物、植物或微生物品系。生物原料则是指生物体的某一部分或生物生长过程中所能利用的物质.如淀粉、糖蜜、纤维素等有机物，也包括一些无机化合物，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，环境污染的检测与治理等。 根据《辞海》(2000 年版)的释义:“技术是泛指以生产实践知识和经验以及自然科学原则为基础

5 而发展起来的各种工艺操作方法和技能”；“工程是将自然科学的原理应用于工农业生产部门而形成的各种学科的总称”口从上述释义中也可以看出“技术”与“工程”都是自然科学因生产实践而派生出来的两个分支。只是看来“技术”的面更广泛些，如电子技术、信息技术、激光技术、航天技术、生物技术、纳米技术等;而“工程”的面似较小些，如生物工程又可分解为基因工程、细胞工程、蛋白质工程、发酵工程、酶工程、生物化学工程、生物医学工程等。此外，技术带有较强的自然科学的探索性和首创性，在学科归属中属理科范畴;而工程则重视过程的可实施性和经济上的合理性，在学科归属中属工科的范畴.在我国，除了在高校中生物技术专业属理科，生物工程专业属工科外，其他场合下两者就当作同义词看待了(本书也如此〕。当“生物工程”或“生物技术“译为英文时，一般都译为,\"biotechnology\";而当\"biotechnology\"译为中文时，则译为生物技术”或“生物工程”，但人们常更喜欢把它称为“生物工程”。 综合以上，本书将生物工程(生物技术)定义为:利用生物有机体(包括微生物和动植 物〕或其组成部分(包括器官、组织、细胞、细胞器)和组成成分(包括DIVA、RNA、蛋 白质、多糖，抗体等〕，形成新的技术手段来发展新产品和新工艺的一种技术体系;是采用 先进生物学和工程学技术，有目的、有计划、定向加工制造生物产品的一个新兴技术领域。 生物工程主要包含基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞工程和发酵工程，以及由此衍生发 展而来的新的技术领域。 二、生物工程的基本内容 生物工程已经应用了几个世纪。虽然这种技术体系的原始应用可以追溯到久远以前的瞻 品发酵，但最初人们并不知道其中的道理。传统的生物技术可以追溯到遥远的古代.早在石 器时代，人类的祖先就掌握了酿酒技术;公元前221 年.我国人民就能制作酱油、酿醋;乞 元前200 年.我国最早的诗集c 诗经》中就已提到用厌氧菌浸彼处理亚麻;古埃及石刻也压 示，古埃及人已能对枣椰树进行交叉授粉以改善果实的品质，该技术一直沿用至今.人类礁 意识地利用酵母进行大规模发酥生产是在 19 世纪。20 世纪上半叶，人类已能脱离生物的自 然繁殖过程，利用直接的方法改变生物的遗传物质。 今天.生物工程已以全新的面貌跻身于现代高科技行列，这完全要归功于近 30 年来生 命科学的飞速发展与辉煌成就，特别是微生物学、遗传学、生物化学、细胞生物学和分子生 物学等领域在理论与方法上的突飞猛进。此外.现代生物工程的形成与发 m 也与酿造工业， 制药工业和化学工业中的一系列工艺改革与装备更新息息相关。总之，当代较高水平的科学 技术背ZR}v 社会需求，推动、促进了生物工程从传统技术转化为高科技技术，并形成了现代 生物工程这一高科技领域。现代生物工程是以DNA 重组技术的建立为标志的，已成为一门 多学科纵横交叉的新兴和综合性技术。 现代生物工程主要包括基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞工程和发酵工 To 这些技 术并不是各自独立的，而是相互联系、相互渗透的(图1 一1)，其中基因工程技术是核心技 术，它能带动其他技术的发展，如通过基因工程对细菌或细胞改造后获得的工程菌或细胞， 必须通过发酵工程或细胞工程来生产有用物质。 近 20 年间，生物工程以前所未有的速度迅猛发展，新的技术不断涌现.研究成果的产 业化规模不断扩大，引起了世人的瞩目。生物工程的内容也随着技术的发展而不断扩展.无论何种生物工程，诸如医药生物工程、农业生物工程、环境生物工程、海洋生物工程等，其 主要的技术平台都是一样的，严格地讲，不能按应用领域来划分生物工程，只能说是生物工 程在不同领域的应用。在这方面，信息领域比较规范，未见有医药信息工i, .农业信息工程 及医药计算机、农业计算机之分。生物工程的主要技术平台简要地说，一般包括重组DNA 技术、单克隆抗体技术、细胞培养技术、克隆技术、蛋白质工程、生物反应器、生物传感器 技术、组织工程技术、微阵列技术等.上述平台技术在研究开发中的深入应用以及与其他技 术的交叉融合，又产生了一系列新的技术，如分子克隆技术、基因组技术、蛋白质组技术、 基因敲除技术、反义核酸技术、干细胞技术、动物克隆技术、生物信息学技术、过程工艺技 术(包括分离纯化和规模制备)、人源抗体技术以及高通量筛选技术等。 三、基因工程 所谓基因工JM (genetic engineering)是在分子水平上对基因进行操作的复杂技

术.是 将外a 基因 6 通过体外重组后导人受体细胞内，使这个荃因能在受体细胞内复制、转录、翻译 表达的操作。它是用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质-DNA 大分子提取 出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的 DNA 分子连接起来， 然后与载体一起导人某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源物质在其中“安家落户”， 进行正常的复制和表达.从而获得新物种的一种崭新技术。 从本质上讲，基因工程强调的是外源 DNA 分子的新组合被引人到一种新的宿主生物中 进行繁殖.这种DNA 分子的新组合是按照工程学的方法进行设计和操作的。这就赋予基因 工程跨越天然物种屏障的能力，克服了固有的生物物种间的限制，提高了定向创造新物种的 可能性。这是基因工程的最大特点。 基因工程问世以来，各种名称相继出现，在文献中常见的有遗传工程(genetic engi- neering)、基因工程(gene engineering)、9 因操作(gene manipulation)、重组DNA 技术 (recombinant DNA technique)、分子克隆(molecular cloning),基因克隆(gene cloning) 等，这些术语所代表的具体内容彼此相关，在许多场合下被混同使用，难以严格区分，不过 它们之间还是存在一定的区别. 遗传工程、基因工程、DNA 重组之间的差别在于:遗传工程是发生在遗传过程中的自 然界原本存在的导致变异的一种现象.即自然出现的不同DNA链断裂并连接成新的DNA 分子，新的DNA 分子含有不同于亲体的 DNA 片段.DNA 重组是人们根据遗传工程原理， 利用限制性内切酶在体外对 DNA 进行的人工操作，即采用酶法，将来源不同的DNA 进行 体外切割与连接，构成杂种 DNA 分子，在自然界一般不能自发实现;荃因工程是遗传重组 和DNA 重组的目的和结果，无论是利用自然的(遗传重组)还是人工的(DNA 重组)，最终目的是要实现垂因重组口从操作对象(DNA?来说. DNA 重组是本质和根本的。所以，DNA 重组在广义上包括遗传重组和基因重组。克隆(clone)一词当作为名词时，是指从同 一个祖先通过无性繁殖方式产生的后代，或具有相同遗传性状的 DNA 分子、细胞或个体所 组成的特殊的生命群体。当作为动词时，是指从同一祖先生产这类同一的 DNA 分子群或细 胞群的过程。在体外重组DNA 的过程中.以能够独立自主复制的载体为媒介，把外源 DNA(片段〕引人宿主细胞进行繁殖。克隆实质上是从一个DNA 片段增殖了结构和功能完 全相同的DNA 分子群的过程，也为遗传同一的生物品系(它们都带有重组DNA 分子〕成 批地繁殖和生长提供了有效的途径。因此，基因工程也称为基因克隆或DNA 分子克隆。 四、蛋白质工程 蛋白质工程( protein 二 gineerin 口是指在研究蛋白质分子结构及其与生物功能之间关 系的基础上，对编码该蛋白质的基因进行有目的的设计和改造，并通过基因工程等手段进行 表达和分离，最终获得性能比自然界中存在的蛋白质更优良、更加符合人类社会需耍的新型 蛋白质。 生命的主要物质基础是核酸和蛋白质，前者负责生命有机体的世代遗传变异，而后者是 生命有机体几乎所有重要活动的承担者。天然蛋白质都是在生命机体中进化和发展的，经自 然界的“精雕细刻”形成了优异结构与性能，但这一优异结构与性能常需要在特定的环境中 具有最佳的适应状态。而对于人类所需求的各类非生命和非自然的状态，蛋白质的性状需经 过改造才能达到最适状态。蛋白质工程通过定位的或有控制的基因修饰，提供了改变蛋白质 结构与性能的最有效的应用方法和技术途径，使天然蛋白质的改造成为可能。同时，结合对蛋白质结构与性能关系的研究以及蛋白质折叠机制的研究.通过基因合成及与基因工程有关 技术的紧密结合.可以利用蛋白质工程获得自然界中不存在的蛋白质。 基因工程与蛋白质工程紧密联系，基因工程是实现蛋白质工程的技术手段之一。但二者 在对生命现象的研究上又具有本质的不同。首先基因工程原则上只生产自然界中已经存在的 蛋白质.即通过 DNA 重组技术，人们可以分离出编码自然界中的任何蛋白质的基因，将其 在特定的宿主中进行表达，再纯化出可商品化的产品。但蛋白质工程能对现有蛋白质进行改 造，进而设计和创造出自然界所没有的而又具有优良性状的全新的蛋白质。因此可以说，蛋 白质工程是以改造现有蛋白质和制造新型蛋白质为目的的基因工程，是第二代基因工程。 7 蛋白质工程通过x 射线晶体衍射分析技术、蛋白质溶

液构象理论及计算机辅助设计 (CAPD)，研究蛋白质化学，蛋白质晶体学和蛋白质动力学来获取有关蛋白质分子结构及其 与生物功能之间关系的物理、化学方面的信息，再以DNA 技术为基础，在基因水平上进行 蛋白质改造。 目前，蛋白质工程主要集中在改造现有蛋白质这一领域。一般需要经过以下步骤:①分 离纯化需改造的目的蛋白;⑧对目的蛋白进行氮基酸测定、x 射线晶体衍射分析，核磁共振 分析等一系列侧试，获取有关目的蛋白的尽可能多的信息;③设计核酸引物或探针，从 DNA 文库或基因组文库中获取编码该蛋白的塞因序列;④设计对目的蛋白进行改造的方 案;⑤对基因序列进行改造，⑥将经过改造的基因片段插人适当的表达载体，并加以表达; ⑦分离、纯化表达产物并对其进行功能检侧。 显然，对目的蛋白的结构与功能的关系的认识程度是蛋白质工程进行的关键。最理想的 情况是能够准确知道氮基酸的改变可能会引起的蛋白质结构、功能上的变化.因而可以根据不同的目的进行氨丛酸的改造。但在大多数情况下，对目的蛋白的结构和功能不是很清楚. 因而对蛋白质的改造就有很大的困难。目前蛋白质工程的研究对象主要集中在酶蛋白分子. 五、酶工程 酶工程(enzyme engineering)是指酶的生产与应用的技术过程，即通过人工操作，获 得人们所需的酶，并通过各种方法使酶发挥其催化功能的技术过程。酶工程以实际应用的要 求为目的研究酶的特性，同时利用酶的催化特性进行酶催化的有用物质的生产或有害废物的 分解.酶工程是将酶学理论与化工生产相结合而形成的新技术。 酶工程的主要任务是:通过预先设计，经过人工操作控制而获得大量所需的酶，并通过 各种方法使酶发挥其最大的催化功能，即利用酶的特定功能，借助工程学手段为人们提供产 品或分解有害物质。 传统的酶工程包括酶的生产与制备、酶分子的修饰、酶分子的固定化、酶反应器等内 容。进人 20 世纪后，发酵工业的发展极大地促进了酶制剂工业的发展，一大批醉制剂迅速 获得了商业化应用，形成了庞大的酶制剂工业。随着现代生物工程的发展，酶工程涉及的内 容越来越广泛。1971 年美国召开的第一届国际酶工程会议提出，酶工程的内容主要是:酶 的生产、分离纯化，酶的固定化，酶及固定化酶反应器，酶与固定化酣的应用。随着科学的 发展，酶工程所涉及的面越来越广。 20 世纪 70 年代后，利用荃因工程的最新研究成果，可以将某类高效、特异性酶所具有 的基因转移到宿主细胞内进行表达，经筛选鉴定后，再借助于微生物发酵生产，获得大量具 有优良性能的酶制剂产品。20 世纪 80 年代之后，蛋白质工程的发展，又使得酶的定向改造 成为可能，从而使新型酶的开发成为可能.21 世纪酶工程的发展焦点是新酶的研究与开发 应用。 六、细胞工程 细胞工程(cell engineering)是在细胞水平上，按照人们预定的设计，有计划地改变细 胞的遗传特性和细胞培养技术以产生新的品种，或通过大规模细胞培养以获得人们所需物质 的技术过程。 细胞工程是以细胞融合技术为基础建立的。人们可以根据需要，经过科学设计，在细胞 水平上改造生物的遗传物质。细胞水平上的生命活动，是连接着分子水平上的各种生物大分 子和个体水平上的各种器官系统的综合生命活动。围绕着生命活动这个中心，分子水平上研 究的是 DNA 的复制与转录、RNA 的翻译、蛋白质执行各种生命活动;细胞水平上研究的 是细胞增殖、分化、死亡;而个体水平上则是遗传和发育.将细胞工程与基因工程比较，除 在被转移遗传物质的水平及遗传物质的转移方法方面细胞工程与基因工程有着明显差异外， 在选择、纯化、鉴定等方面，二者的步骤与方法基本类似，仅仅是针对不同的实验对象采用 不同的方法而已。但与基因工程相比，细胞工程所要求的技术条件、实验设备以及经费等均 比墓因工程要求低一些。利用细胞工程技术，可以大量培养细胞组织乃至完整个体。迄今为 止，人们从基因水平、细胞器水平以及细胞水平等多层次上开展了大研究工作，在细胞培 养、细胞融合、细胞代谢物的生产和克隆等方面取得了辉煌的成绩。 目前.细胞工程所涉及的主要技术有:动植物组织和细胞的培养技术、细胞融合技术、 细胞器移植和细胞重组技术、体外授精技术、染色体工程技术、DNA 重组技术和葵因转移技术等。这些技术 8 有些在细胞水平上.也有些在丛因水平上。在现代生物工程中，实际上两 大体系也相互交叉，密切联系。基因工程

技术不断渗透到现代细胞工程中来。如在细胞工程 中，利用细胞杂交方法来制备单克隆抗体;基因工程中利用单克隆抗体来选择转移基因表达 的阳性物质，极大地提高了选择的速度与效率，也常采用提取和转移DNA 或RNA 并直接 转入受体细胞的方法等。在人们对基因工程的安全性尚未给出确定的回答之前，细胞工程的 价值格外受到重视。 七、发酵工程 发酵工程{fermentation engineering}又称微生物工程，是在人工控制的条件下，通过 微生物的生命活动来获得人们所需物质的技术过程。发酵工程技术包括菌株筛选和工程菌的 构建、细胞大规模培养、发酵罐或生物反应器、菌体及产物收获等。它采用现代发酵设备， 使经优选的细胞或经现代技术改造的菌株进行扩大培养和控制性发酵，获得工业化生产预定 的产品。 发酵工程是一门具有悠久历史，又融合了现代科学的技术，是现代生物工程的重要组成 部分，是生物工程产业化的重要环节。发酵工程是将微生物学，生物化学和化学工程学的基 本原理有机地结合起来，利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。发 酵工程的内容随着科学技术的进步而不断扩展和充实。传统的发酵工程包括厌氧发酵(酿 酒、发酵调味品、酒精等)和通风发酵(如抗生素、氨墓酸，有机酸、酶制剂、单细胞蛋白 质、维生素、激素、疫菌等)。1944 年，青霉素液体深层发酵的成功，标志着现代发酵工程 时代的到来.发酵工程的主体为利用微生物，特别是经 DNA 重组技术改造的微生物来生产 有用物质。它不仅包括菌体生产和代谢产物的发酵生产，还包括微生物机能的利用，是给微 生物提供最适宜的发酵条件生产特定产品的工程技术，所以又称微生物工程。发酵工艺条件 的优化与代谢调控、生产菌种的选育、新 m 发酵设备〔反应器)的设计及产物的分离、提取 与精制工艺和设备，共同构成了发酥一程的主要内容。发酵工程离不开酶.酶工程是发酵工 程的组成部分，所以也有人将酶工程称为’‘分子水平的发醉工程”。 现代发酵工程研究的重点内容之一是微生物的代谢调节控制。以此为基础产生了一门新 的现代发酵工程技术—代谢工程‘基因工程技术是以基因作为操作对象的，因而基因改造 的直接产物只能是蛋白质(初级代谢产物〕。如果需要通过改造基因而提高抗生素、维生素、 氨基酸、糖、脂肪酸等的产量或获得具有新功能的次级代谢产物，就必须采用代谢工程技 术。代谢工程技术是操作生物〔首先是徽生物)的代谢途径，使之服从人类的意志，改变代 谢途径以满足人类的需要.人们通常从改造代谢途径各个环节的酶入手.以求改变代谢途 径，提高产量或获得新的产物。21 世纪发醉工程的发展策略是利用13N 八重组技术获得更加 符合人们需要的优良的微生物细胞，并进行全面的代谢调节控制。由于传统的从自然界直接 获得的微生物或者经过筛选、诱变得到的微生物已难以满足人们的需要，今后用于发醉工程 的微生物大多数将是经过基因重组、改造、转移而获得的具有优良特性的工程菌。利用这些 工程菌进行发醉，需要进行一系列的代谢调节控制，才能获得理想的发酵效果. 因此，21 世纪的发酵工程将根据代谢工程的理论对优良的工程菌进行全面的代谢调控，以获得人们需 要的各种代谢产物。 现代发酵工程需要两方面专家的通力合作.即分子生物学家负责分离、鉴定、改造，甚 至创造可在微生物内高效表达的基因，以应用于工业生产;而生化工程技术人员则要保证改造过的微生物能在最适条件下大且生产，以获得最大的产率。 第三节 生物工程对经济社会发展的影响 近代科技史实表明，每一次重大的科学发现和技术创新，都使人们对客观世界的认识产生一次飞跃;每一次技术革命浪潮的兴起，都是人们改造自然的能力和推动社会发 展的力量提高到一个新水平。生物工程的发展亦不例外，它的发展越来越深刻地影响着 世界经济、军事和社会发展的进程。 3. I 现代生物工程将根本性地改善农业生产、解决粮食短缺 通过现代农业生物技术的应用和发展，可极大地提高农作物产量及其品质，如通过转基因技术可培育出抗寒、抗旱、抗盐碱、抗病虫害等抗逆特性优良的作物新品系;通过转基因手段同样可增加作物氨基酸、蛋白质和维生素等含量，以提高作物 的品质和附加值;利用细胞工程技术对植物优良品 9 种进行大量的快速无性繁殖，实 现经济花卉、果树、蔬菜、药用植物和农作物的工业化生产;将固氮基因转入微生物中，施放在农作物根

部后可达到生物固氮的作用，以减少化肥使用量;亦可应用 转基因和动物体细胞克隆技术，实现动物的大量快速无性繁殖和培育优良的动物品 系，以促进畜牧业的发展。 3.2 现代生物工程在解决能源危机、洽疗环境污染方面亦有着重要的作用 含纤维素基因的微生物可利用农业废弃物如杂草、秸秆、稻草等纤维素或木质素等材料为原料，降解成单糖分子，再通过发酵过程获得乙醇作为能源使用;应用蓝藻在反应器中连续培养产生清洁能源—氢气;利用微生物分解蜡质使石油流动性增加而提高其开采率;利用转基因微生物降解海上溢油、治理废水、吸附重金属、清除有毒气体、 减少农作物农药用量等。 3.3 现代生物工程亦可应用于制造工业原料、生产贵重金属 利用微生物在生长过程中积累的代谢产物，可用来生产食品工业原料如氨基酸 类、酸味剂和甜味剂，化学工业原料如乙醇、乙烯、丙酮、丁醇以及葵二酸(制造 尼龙、香料)、丙烯酞胺(化学试剂)、粘康酸(制造电子材料)、衣康酸(制造合成 树脂、纤维、塑料等制品)、长链二致酸(制造工程塑料、树脂、尼龙).微生物浸 矿技术亦已应用于金、银、铜、铀、锰、钥、锌、钻、镍、钡、牡等10 多种贵重金 属和稀有金属的提炼中。 3 .4 现代生物工程在提高生命质量，延长人类寿命方面更是 有着其他技术无可替代的作用 3.4.1 基因工程药物和疫苗 20 世纪70 年代以来，以DNA 重组为核心的现代生物技术—基因工程技术，为 生命科学的研究带来了革命性的变化，并极大地推动了生物制药产业的发展。传统的生 物制药主要是指利用动物、植物、微生物等生物材料加工制成的含有某些或一组天然活 性成分的复合制剂，或利用生物化学和免疫学原理，应用近代分离、纯化技术从生物体 制取的具有针对性治疗作用的特异性单一活性成分。但由于生物材料的来源、成本以及 免疫原性等问题使生物药物和疫苗的制备和应用受到了限制。