2生物技术

生物技术概论何为生物技术？•生物技术——应用生物科学及工程学原理，依靠生物体系作反应器，将物料进行加工改造，获得人类所需产品的技术。生物技术1.基因工程——用“剪刀+糨糊”创造新物种的工程2.细胞工程——微观水平的嫁接技术3.酶工程——让工厂高效、安静、美丽如画的工程4.发酵工程——把微生物或细胞造就成无数微型工厂，将神话变为现实的桥梁5.蛋白质工程——巧夺天工的技术基因工程•基因工程——利用DNA重组技术在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞，进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生人类需要的基因产物，达到定向地改变生物遗传特性或创造新物种的目的。基因•基因——具有遗传效应的DNA片段，也称遗传因子（部分病毒如烟草花叶病毒、HIV的遗传物质是RNA）。基因的复制•基因复制——DNA双链在细胞分裂以前进行的复制过程，复制的结果是一条双链变成两条一样的双链（如果复制过程正常的话），每条双链都与原来的双链一样。这个过程是通过名为半保留复制的机制来得以顺利完成的。基因的表达•基因表达——基因表达(geneexpression)是指细胞在生命过程中，把储存在DNA顺序中遗传信息经过转录和翻译，转变成具有生物活性的蛋白质分子。基因克隆•基因克隆——是70年代发展起来的一项具有革命性的研究技术，可概括为∶分、切、连、转、选。最终目的在于通过相应技术手段，将目的基因导入寄主细胞，在宿主细胞内目的基因被大量的复制。基因工程原理•基因工程（geneticengineering）——又称基因拼接技术和DNA重组技术，是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。基因工程的应用•农牧业、食品工业——运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。•环境保护——基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染，基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。•医药卫生——基因工程药品的生产、基因诊断与基因治疗。细胞工程•细胞工程——按照人们的设计蓝图，进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养。•细胞工程所涉及的主要技术领域有细胞培养、细胞融合（杂交）、细胞拆合、染色体操作及基因转移等方面。细胞融合•细胞膜的主体成分是脂质,脂质分子有顺序排列,在受到外界的刺激（离心,震动,电击,病毒等等）时,脂质分子的有序性被破坏,当脂质分子回复有序性时,可诱导与周围的细胞融合在一起,形成同一个细胞.细胞拆合•细胞拆合——把细胞核与细胞质分离开来，然后把不同来源的细胞质和细胞核相互结合，形成核质杂交细胞。•细胞拆合可以分为物理法和化学法两种类型。物理法就是用机械方法或短波光把细胞核去掉或失活，然后用微吸管吸取其它细胞的核，注入去核的细胞质中，组成新的杂交细胞。化学法就是用松胞素B（cytochalasinB）处理细胞，细胞出现排核现象，再结合离心技术，将细胞分拆为核体（karyoplast）和胞质体（cytoplast）两部分。由于核体外表包有一层细胞膜和少量胞浆，因而在PEG或仙台病毒的介导下，核体可同另一胞质体融合，形成重组细胞。染色体操作•染色体操作(Chromosomemanipulation)——人为改变有性生殖生物原有的染色体组的技术，主要包括人工诱导多倍体(Polyploidyinduction)、雌核发育(Gynogenesis)、雄核发育(Androgenesis)。减数分裂与有丝分裂细胞的全能性•细胞的全能性——细胞经分裂和分化后仍具有形成完整有机体的潜能或特性。细胞工程的应用•粮食与蔬菜生产：利用细胞工程技术进行作物育种，是迄今人类受益最多的一个方面，以花药单倍体育种途径，培育出的水稻品种或品系有近百个，小麦有30个左右；微繁殖技术。•园林花卉：在果树、林木生产实践中应用细胞工程技术主要是微繁殖和去病毒技术。•临床医学与药物：自1975年英国剑桥大学的科学家利用动物细胞融合技术首次获得单克隆抗体以来，许多人类无能为力的病毒性疾病遇到了克星。•繁育优良品种：目前，人工受精、胚胎移植等技术已广泛应用于畜牧业生产。酶工程•酶工程——将酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。•酶工程包括酶制剂的制备，酶的固定化，酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶制剂•酶制剂(enzyme)——从生物中提取的具有酶特性的一类物质，主要作用是催化食品加工过程中各种化学反应，改进食品加工方法。我国已批准的有木瓜蛋白酶、α—淀粉酶制剂、精制果胶酶、β—葡萄糖酶等54种。酶制剂来源于生物，一般地说较为安全，可按生产需要适量使用。•基因工程酶制剂酶的固定化•酶的固定化——通过将酶包埋于凝胶、微囊体内，或通过共价键、离子键或吸附连接至固相载体上，或通过交联剂使酶分子互相交联等方法使酶不溶或局限在一个有限的空间内的过程。•可使酶反复使用，便于酶与产物分离。酶的修饰（改造）•酶分子修饰——通过对蛋白酶主链的剪接切割和侧链的化学修饰对酶分子进行改造，改造的目的在于改变酶的一些性质，创造出天然酶不具备的某些优良性状，扩大酶的应用已达到较高的经济效益。常用的化学修饰方法包括磷酸化和去磷酸化等。•酶的基因工程修饰•杂交酶——在酶的蛋白质基础上利用基因工程将两种或两种以上的酶的不同结构片段构成新的酶，使酶具有多种生产需要的功能特点。蛋白酶的结构蛋白酶的作用原理使底物分子产生应力使底物分子电荷变化使底物靠拢酶反应器•酶反应器是根据酶的催化特性而设计的反应设备。其设计的目标就是生产效率高、成本低、耗能少、污染少，以获得最好的经济效益和社会效益。•酶反应器的种类有常用于饮料和食品加工工业的搅拌罐型反应器，使用最广泛的固定化酶反应器的固定床型反应器，适合于生化反应的膜式反应器等。每种类型的反应器各有优缺点，应根据不同需要进行选择。酶工程的应用•食品加工中的应用：酶在食品工业中最大的用途是淀粉加工，其次是乳品加工、果汁加工、烘烤食品及啤酒发酵•轻化工业中的应用•医药上的应用•能源开发：利用微生物或酶工程技术从生物体中生产燃料•环境工程：工业废水和生活污水的净化，生物传感器发酵工程•发酵工程——采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术，又称微生物工程。•发酵工程解决了发酵工艺的工业生产环境、设备和过程控制的工程学问题，实现了工业化生产。•发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。菌种选育•自然选育的步骤主要是：采样，增长培养（富集培养），培养分离和筛选等。•诱变育种：利用各种诱变剂（物理诱变剂如紫外线、X射线、γ射线和快中子等；化学诱变剂种类极多，主要有烷化剂、碱基类似物和吖啶类化合物）处理微生物细胞，提高基因的随机突变频率，扩大变异幅度，通过一定的筛选方法，获得所需要优良菌株的过程，称为诱变育种。•杂交育种。•基因工程育种。培养基的配制和灭菌•配制溶液•调节PH值•过滤•分装•封口•灭菌：一般培养基用0.1MPa，121.3℃15～30min可达到彻底灭菌的目的。扩大培养和接种•菌种的扩大培养又称种子制备，不仅要使菌体数量增加，更重要的是，要培养出高质量的种子供发酵生产使用。如何提供发酵产量高、生产性能稳定、数量足够而且不被其他杂菌污染的生产菌种是关键。•种子制备：细菌、酵母菌的种子制备就是一个细胞数量增加的过程。霉菌、放线菌的种子制备包括在固体培养基上生产大量孢子的孢子制备和在液体培养基中生产大量菌丝的种子制备过程。•种子培养：分为静置培养和通气培养两大类型，包括表面培养法、固体培养法和液体深层培养法。发酵过程•发酵过程指在活细胞催化剂(主要是微生物细胞)作用下，所进行的系列串联生物反应过程，以生产生物化工产品。包括菌体生长和产物形成两个阶段，历时较长，鉴于微生物易变异及易受杂菌污染等原因，因此一般都采用分批操作的方式。•发酵过程的控制为了能使细菌的生长和产物的形成能沿着人们所要求的方向进行，必须对发酵过程中的生物、化学和物理变量（表3），即有关发酵参数进行检测和控制。产品的分离提纯•指从发酵液中分离纯化目的产物并加工成成品的过程，包括：•1.发酵液的预处理：重力法、热处理法、等电点法、絮凝法。•2.固液分离：过滤、离心。此外还有膜分离、双水相萃取和扩张床吸附等。•3.细胞破碎：物理破碎法（高压匀浆法、挤压法、高速珠磨法、超声波法）、化学破碎法（渗透冲击法、增溶法）、生物破碎法（酶溶法）。•产物的初分离：沉淀、萃取、膜分离法、吸附法、离子交换法。•3.产物的高度纯化：液相层析、结晶法•4.成品加工：产物干燥发酵工程的应用•在医药工业上的应用：基于发酵工程技术，开发了种类繁多的药品，如人类生长激素、重组乙肝疫苗、某些种类的单克隆抗体、白细胞介素－2、抗血友病因子等。•在食品工业上的应用：主要有三大类产品，一是生产传统的发酵产品，如啤酒、果酒、食醋等；二是生产食品添加剂；三是帮助解决粮食问题。•在环境科学领域的应用：污水处理中微生物的强化。蛋白质工程•以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过化学、物理和分子生物学的手段进行基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类对生产和生活的需求。•蛋白质工程包括蛋白质的分离纯化，蛋白质结构和功能的分析、设计和预测，通过基因重组或其它手段改造或创造蛋白质。蛋白质的分离纯化•蛋白质分离纯化——用生物工程下游技术从混合物中分离纯化出所需要得目的蛋白质的方法。技术难度、成本均高，例如一个生物药品的成本75%都花在下游蛋白质分离纯化当中。常用技术有:•1、沉淀;•2、电泳;•3、透析;•4、层析a.离子交换层析b.分子筛；•5、超速离心。蛋白质结构与功能分析•蛋白质工程的核心内容之一就是收集大量的蛋白质分子结构的信息，以便建立结构与功能之间关系的数据库，为蛋白质结构与功能之间关系的理论研究奠定基础。•晶体学的技术•核磁共振技术蛋白质结构设计和功能预测•根据对天然蛋白质结构与功能分析建立起来的数据库里的数据，可以预测一定氨基酸序列肽链空间结构和生物功能；反之也可以根据特定的生物功能，设计蛋白质的氨基酸序列和空间结构。•通过基因重组等实验可以直接考察分析结构与功能之间的关系；•也可以通过分子动力学、分子热力学等，根据能量最低、同一位置不能同时存在两个原子等基本原则分析计算蛋白质分子的立体结构和生物功能。•这方面的工作尚在起步阶段改造或创造蛋白质•物理、化学法：对蛋白质进行变性、复性处理，修饰蛋白质侧链官能团，分割肽链，改变表面电荷分布促进蛋白质形成一定的立体构像等等；•生物化学法：使用蛋白酶选择性地分割蛋白质，利用转糖苷酶、酯酶、酰酶等去除或连接不同化学基团，利用转酰胺酶使蛋白质发生胶连等等。以上方法只能对相同或相似的基团或化学键发生作用，缺乏特异性，不能针对特定的部位起作用。•基因重组技术：采用基因重组技术或人工合成DNA，不但可以改造蛋白质而且可以实现从头合成全新的蛋白质。蛋白质工程的应用进展•提高蛋白质的稳定性：（1）延长酶的半寿期；（2）提高酶的热稳定性；（3）延长药用蛋白的保存期；（4）抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失。•融合蛋白质：提高生物活性。•蛋白质活性的改变•治癌酶的改造•嵌合抗体和人缘化抗体蛋白质工程的应用•在医药、工业、农业、环保等方面应用前景广泛•对揭示生命现象的本质和生命活动的规律具有重要意义•是蛋白质结构形成和功能表达的关系研究中不可替代的手段•基础研究、应用开发