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一、生物技术的定义生物技术（biotechnology），有时也称生物工程（bioengineering），是指人们以现代生命科学为基础,结合其他基础学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，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。因此，生物技术是一门新兴的、综合性的学科。先进的工程技术手段是指基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程等新技术。改造生物体是指获得优良品质的动物、植物或微生物品系。生物原料则指生物体的某一部分或生物生长过程所能利用的物质，如淀粉、糖蜜、纤维素等有机物，也包括一些无机化学品，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、环境污染的检测和治理等。二、生物技术的研究内容根据生物技术操作的对象及操作技术的不同，生物技术主要包括以下5项技术（工程）。（1）基因工程基因工程（geneengineering）是应用人工方法把生物的遗传物质（DNA）分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组了的DNA导入某种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品性;有时还使新的遗传信息（基因）在新的宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物（多肽或蛋白质）。这种创造新生物并给予新生物以特殊功能的过程就称为基因工程，也称为DNA重组技术。（2）细胞工程细胞工程（cellengineering）是指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖，或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种，加速繁育动、植物个体，或获得某种有用的物质的过程。细胞工程应包括动、植物细胞的体外培养技术、细胞融合技术（也称细胞杂交技术)、细胞器移植技术等。（3）发酵工程发酵工程（fermentationengineering）是利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程,有时也称微生物工程。（4）酶工程酶工程（enzymeengineering）是利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。（5）蛋白质工程蛋白质工程（proteinengineering）是指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质。一、改善农业生产、解决食品短缺（1）提高农作物产量及其品质1、培育抗逆的作物优良品系通过基因工程技术对生物进行基因转移，使生物体获得新的优良品性，称之为转基因技术。利用转基因技术可以培育出具有抗寒、抗旱、抗盐、抗病虫害等抗逆特性及品质优良的作物新品系，如转苏云金芽胞杆菌（Bacillusthuringiensis，Bt）毒蛋白基因的抗虫棉花。2、植物种苗的工厂化生产利用细胞工程技术对优良品种进行大量的快速无性繁殖，实现工业化生产，即植物微繁殖技术，又称植物微繁殖技术。利用这种无性繁殖技术，可在短时间内得到遗传稳定的、大量的小苗（试管苗），并可实现工厂化生产。利用植物微繁殖技术还可培育出不带病毒的脱毒苗。植物的微繁殖技术已广泛地应用于花卉、果树、蔬菜、药用植物和农作物的快速繁殖。3、提高粮食品质生物技术除了可培育高产、抗逆、抗病虫害的新品系外，还可培育品质好、营养价值高的作物新品系。例如，科学家将水仙花和玉米合成β-胡萝卜素的基因导入水稻培育出高β-胡萝卜素含量的水稻（GoldenRice，黄金稻）（图1-1）。图1-1黄金稻a：普通水稻；b：转水仙花β-胡萝卜素合成基因水稻；c：转玉米β-胡萝卜素合成基因水稻4、生物固氮，减少化肥使用量现代农业均以化学肥料，如尿素、硫酸铵作为氮肥的主要来源。化肥的使用不可避免地带来了土地的板结，肥力的下降；化肥的生产又将导致环境的污染。科学家们正努力将具有固氮能力的细菌的固氮基因转移到作物根际周围的微生物体内，希望由这些微生物进行生物固氮，减少化肥的使用量。5、生物农药，生产绿色食品近年来，人们越来越注意农业生产的可持续发展及人与环境的协调，特别是由于化学农药的毒性作用及筛选新农药的艰难，企业和研究人员开始把注意力转向生物农药的研究开发与使用。因其不污染环境，对人和动植物安全，不伤害天敌，所以发展生物农药已成为保障人类健康和农业可持续发展的重要趋势。（2）发展畜牧业生产1、动物的大量快速无性繁殖1997年2月英国Roslin研究所的Wilmut等在《Nature》杂志上刊登了用绵羊乳腺细胞培育出“多莉”（图1-2）。证明动物体细胞也具有全能性，同样有可能进行动物的大量、快速无性繁殖。图1-2“多莉”及其代孕母亲（苏格兰黑面绵羊）二、培育动物的优良品系利用转基因技术，将与动物优良品质有关的基因转移到动物体内，使动物获得新的品质。1983年美国学者将大鼠的生长激素基因导入小鼠获得转基因小鼠。除了小鼠外，科学家们已成功地培育了转基因羊、转基因兔、转基因猪、转基因鱼等多种动物新品系。2、提高生命质量，延长人类寿命（1）开发制造奇特而又贵重的新型药品1977年，美国首先采用大肠杆菌生产了人类第一个基因工程药物—人生长激素释放抑制激素。利用基因工程生产的药物，除了人生长激素释放抑制激素外，还有人胰岛素、人生长激素、人干扰素等。（2）疾病的预防和诊断传统的疫苗生产方法对某些疫苗的生产和使用，存在着免疫效果不够理想、被免疫者有被感染的风险等不足。利用基因工程生产重组疫苗可以达到安全、高效的目的。如已经上市或已进入临床试验的病毒性肝炎疫苗；肠道传染病疫苗（包括霍乱、痢疾等）等。利用细胞工程技术可以生产单克隆抗体。单克隆抗体既可用于疾病治疗，又可用于疾病的诊断。利用基因工程技术还可生产诊断用的DNA试剂。（3）基因治疗导入正常的基因来治疗由于基因缺陷而引起的疾病，一直是人们长期以来追求的目标。1990年，美国FDA批准了用ADA(腺苷脱氨酶基因)基因治疗严重联合型免疫缺陷病，并取得了较满意的结果。三、解决能源危机、治理环境污染（1）解决能源危机生物能源将是最有希望的新能源之一，而其中又以乙醇最有希望成为新的替代能源。科学家们希望找到一种可以利用大量的农业废弃物如杂草、木屑、植物的秸杆等纤维素或木质素类物质或其他工业废弃物作的微生物。通过微生物发酵或固定化酶技术，将农业或工业的废弃物变成沼气或氢气。（2）环境保护传统的化学工业生产过程大多在高温高压下进行，是一个典型的耗能过程并带来环境的严重恶化。如果改用生物技术方法来生产，不仅可以节约能源还可以避免环境污染。例如用化学方法生产农药，不仅耗能而且严重污染环境，如改用苏云金杆菌生产毒性蛋白，即可节约能源而且该蛋白质对人体无毒。四、制造工业原料、生产贵重金属（1）制造工业原料利用微生物在生长过程中积累的代谢产物，生产食品工业原料，种类繁多。概括起来，主要有以下几个大类：①氨基酸类，主要有谷氨酸(即味精)、赖氨酸、异亮氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、缬氨酸等；②酸味剂，主要有柠檬酸、乳酸、苹果酸、维生素C等；③甜味剂，主要有高果糖浆、天冬甜精、氯化砂糖。发酵技术还可用来生产化学工业原料。主要有传统的通用型化工原料如乙醇、丙酮、丁醇等产品。（2）生产贵重金属一、基因工程的定义在漫长的生物进化过程中，基因重组从来没有停止过。在自然力量及人类干扰下，通过基因重组、基因突变和基因转移等途径，生物界无止境地进化,，不断使物种趋向完善,出现了今天各具特性的繁多物种。有的能忍耐高温，有的不怕严寒，有的能适应干旱的沙漠，有的可在高盐度的海滩上或海水中生繁，有的能固定大气中的氮素⋯⋯种种生物的特殊性状成为今天定向改造生物、创造新物种的丰富遗传资源。但是没有一种生物是完美无缺的，因此，有待科技工作者有目的地去进一步改造。按照人们的愿望，进行严密的设计，通过体外DNA重组和转移等技术，有目的地改造生物特性，在较短的时间内使现有物种的性能得到改善，创造出更符合人们需要的新的生物类型，或者利用这种技术对人类疾病进行基因治疗，这就是基因工程。基因工程最突出的优点是打破常规育种难以突破的物种之间的界限，可以使原核生物与真核生物之间，动物与植物之间，甚至人与其他生物之间的遗传信息进行相互重组和转移。在冶金工业方面，面对数量庞大的废渣矿、贫矿、尾矿、废矿，采用一般的采矿技术已无能为力，惟有利用细菌的浸矿技术才能对这类矿石进行提炼。可浸提的金属包括金、银、铜、铀、锰、钼、锌、钴、镍、钡、铊等10多种贵重金属和稀有金属。1、基因工程研究的理论依据（1）不同基因具有相同的物质基础地球上几乎所有的生物，从细菌到高等动物和植物直至人类，它们的基因都是一个具有遗传信息的DNA片段。所有生物的DNA的组成和基本结构都是一样的。因此，不同生物的基因（DNA片段）原则上是可以重组互换的。虽然有些病毒的基因是RNA，但这些病毒的RNA仍可以通过反转录产生cDNA（complementaryDNA，互补DNA），并不影响不同基因之间的重组。（2）基因是可以切割的基因直线排列在DNA上。除少数基因重叠排列外，大多数基因彼此之间存在着间隔序列。因此，作为DNA分子上一个特定核苷酸序列的基因，允许从DNA分子上一个一个完整地切割下来。（3）基因是可以转移的基因不仅是可以切割下来的，而且携带基因的DNA分子可以在不同生物之间转移，或者在生物体内的染色体上迁移，甚至可以在不同染色体间跳跃，插入到靶DNA分子中。由此表明，基因是可以转移的，而且是可以重组的。转移后的基因一般仍有功能。（4）多肽与基因之间存在对应关系普遍认为，一种多肽就有一个相对应的基因。因此，基因的转移或重组最终可以根据其表达产物多肽的性质来考察。（5）遗传密码是通用的所有生物从低等的病毒直至人类，蛋白质合成都使用同一套遗传密码，只有少数例外，也就是说遗传密码是通用的。重组的DNA分子不管导入什么样的生物细胞中，只要具备转录翻译的条件，其上面的遗传密码均能转录翻译出相应的氨基酸。即使人工合成的DNA分子（基因），其上面的遗传密码同样可以转录翻译出相应的氨基酸。（6）基因可以通过复制把遗传信息传给下一代经重组的基因在合适条件下是能传代的，可以获得相对稳定的转基因生物。3、基因工程操作的基本技术路线基因工程是一项比较复杂的技术，如果抛开细节问题，基因工程操作的基本技术路线如图2-1所示。图2-1基因工程的基本技术路线以上技术路线概括为4个步骤：①获得目的基因；②构建克隆载体；③目的基因与克隆载体重组后导入受体细胞；③获得克隆子；④对克隆子中目的基因进行检测和鉴定。一、DNA的组成与结构（1）DNA的组成DNA是一类由4种脱氧核苷酸按照一定的顺序聚合而成的大分子。脱氧核苷酸分子由脱氧核糖、磷酸和碱基组成。脱氧核糖的第一位碳原子(1')上连接一个碱基，第5位碳原子(5')上连接一个磷酸基团，组成一个脱氧核苷酸。一个脱氧核苷酸的脱氧核糖的5'磷酸基团和另一个脱氧核苷酸的脱氧核糖的3'羟基结合形成磷酸二酯键,把两个脱氧核苷酸连接在一起。多个脱氧核苷酸按此方式连接成多聚脱氧核苷酸,其一端为游离的5'磷酸基团（5'-P），称为5'端，而另一端为游离的3'羟基（3'-OH），称为3'端（图2-1）。如果连接成的多聚脱氧核苷酸是环状的，则无游离的'端和3'端。图2-1DNA的一段多聚脱氧核苷酸链组成DNA的碱基有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）4种，分别含有这4种碱基的脱氧核苷酸依次称为腺嘌呤脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸。多聚脱氧核苷酸链中，各种脱氧核苷酸的脱氧和糖和磷酸的结构和位置是一致的，不同的只是碱基，因此多聚脱氧核苷酸链（DNA链）中的脱氧核苷酸可以用碱基来表示。例如5'端开始依次由脱氧