半合成青霉素、以及玉米淀粉生产果糖浆等工业生产中。如今,酶制剂已广泛应用在食品、医药、造纸、纺织、清洁等生产和生活领域。70年代,细胞工程兴起,用于进行大规模动植物细胞培养、农业育种和药品生产,口蹄疫苗、狂犬病疫苗、脊髓灰质炎等病毒疫苗的批量生产,使人类征服了几千年来深受其害的顽症但是以上还只能算是传统生物技术的范围。20世纪下半叶,基于基因工程,现代生物技术取得了突破性进展。50年代,DNA双螺旋结构模型的发现及后来中心法则的提出、遗传密码破译奠定了基因工程的理论基础。以20世纪70年代DNA重组技术为开端,基因工程在近20多年中迅速发展,并于1883年发展出蛋白质工程。 现代生物学的飞速发展使人类对生命活动规律的认识发生了质的飞跃,操作层次上,超越了细胞层次,深入分子水平;遗传育种上,打破了远缘不能杂交的规定,转向定向设计、改造和创造新物种。同时,生物产业也应运而生,迅速发展,正逐步解决人类面临的人口、粮食、健康、环境等重大难题,有望成为叫纪初全球新的经济增长点。 二、现代生物技术的主要内容(一)发酵工程微生物是生物的一大组成部分。利用微生物及其内含酶系的生理特性,应用现代工程技术手段生产或加工人类所需的产品的技术体系,就叫发酵工程,又称为微生物工程。发酵工程以传统发酵为核心,目前在整个生物产业中仍是最重要的组成部分。酒类、调味品、工业酒精、氨基酸类、核酸和核背酸、抗菌素及激素等都可以利用发酵得到生产,利用微生物的生理机能进行细菌冶金、生物净化等同样属于发酵工程。筛选和培育能产生特定生物活性物质的优良菌种,弄清微生物的生理代谢机理,提供微生物生产的最佳条件,则是发酵工程的关键环节。 传统发酵工程经过基因工程的改造和现代技术的武装,整个技术体系有了很大的不同。传统的工业菌株培育是利用自然界现有的菌种,而现在则可运用细胞融合技术和重组DNA技术,选育出人们所需要的类型。甚至连过去与发酵无关的产品,现在,经活性转化也能通过发酵工程生产了。这就使发酵工程的应用范围更加广泛,与人们的生活关系也更为密切。(二)酶工程 酶是一种具有特定生物催化功能的蛋白质。酶工程简单地说就是酶制剂在工业上的大规模生产及应用。它包括酶制剂的开发和生产、多酶反应器的研究和设计以及酶的分离提纯和应用的扩大。酶工程一般可分为两类:化学酶工程和生物酶工程。化学酶工程也称初级酶工程,通过对酶进行化学修饰、固定化处理、甚至化学合成等手段来改善酶的性质以提高催化效率及降低成本。这种酶制剂已广泛用于食品、制药、制革、酿造、纺织等工业领域。生物酶工程基于化学酶工程,是酶科学和以基因工程为主的现代分子生物技术相结合的产物,也称高级酶工程,它通过对酶基因的修饰改造或设计,产生自然界不曾有过的、性能稳定、催化效率更高的新酶。现代酶工程的关键技术是固定化酶技术。70年代以来,又迅速发展起固定细胞技术。采用这种技术,不必将酶从细胞中提取出来,而是直接把整个细胞固定化,使之处于细胞内的自然状态,参与催化反应,省却了酶的提取和强化工艺,制备和使用也较方便,并且能够催化一系列的反应。(三)细胞工程 细胞是除病毒外的所有生物体的基本结构和功能单位。现代细胞工程就是应用细胞生物学和分子生物学的理论、方法和技术,以细胞为基本单位进行离体培养、繁殖,或人为地使细胞某些生物学特性按照人们的意愿发生改变,从而改良生物品种和创造新品种,或加速动植物个体的繁殖,或获得有用物质。它主要包括细胞融合、细胞培养、细胞器移植、染色体工程等。 细胞融合技术也就是体细胞杂交。它打破了有性杂交方法的局限,使远缘杂交成为可能。目前,经细胞融合而成的杂交植物(如蕃茄薯、苹果梨等)已较普遍,在动物方面也已实现了鼠-猴、鼠一兔、骡一鼠、兔一鸡、牛一水箱等多种类型的细胞融合。细胞培养技术是将离体的细胞在特定条件下加以快速繁殖。用于细胞植物培养,一次可以获得大量植株,且不受季节、气候等自然条件的限制,遗传稳定性好,因而特别适用于商业规模生产名贵植物、药物和引种的珍稀植物。而1997年轰动全球的体细胞克隆羊多莉,则是细胞器官移植的成功一例。(四)基因工程 基因是具有遗传效应的DN-段,是遗传物质的功能单位和结构单位。基因工程就是在基因水平上对生物体进行操作,改变细胞遗传结构从而使细胞具有更强的某种性能或获得全新功能的技术。它实质上是生物体问遗传信息的转移技术。 DNA重组技术是基因工程的核心,也是现代生物技术的核心。该技术采用分子生物学方法分离具有遗传信息的DN-段,经过剪切、组合使之与适宜的载体连接,建成重组DNA,并将它转入到特定的宿主细胞或有机体内进行复制和传代,实现生物遗传特性的转移和改变。(五)蛋白质工程 蛋白质是组成生命体系的一类具有复杂结构和功能的生物大分子。定向地对蛋白质的结构进行人工设计和改造,获得一些具有优良特性的、甚至自然界本不存在的蛋白质分子,就叫蛋白质工程。蛋白质工程其实是基因工程深化发展的产物。它综合分子生物学、计算机辅助设计等多种技术和方法,突破了基因工程只能生产天然存在的蛋白质的局限,可以设计和生产天然生物体内不存在的新型蛋白质;或通过蛋白质的分子设计来提出修改的方案,应用基因工程技术方法,使蛋白质功能得到优化。 三、现代生物技术的应用及前景(一)现代生物技术的应用 随着现代科学技术的迅速发展,生物技术已经成为人类认识和改造自然界,克服所面临的人口膨胀、粮食短缺、环境污染、疾病危害、能源匮乏、生态失衡以及生物多样性消失等一系列重大问题的可靠手段和工具之一。特别是它在农业、医药卫生、环保、化工等领域的应用,将给这些领域带来革命性的变化,并对人类的未来产生不可估量的影响。1.现代生物技术是实现高效农业和可持续发展农业的重要手段 采用基因工程,可培育高产、优质、抗病虫和抗逆的农作物新品种,大幅度提高农作物产量和质量〈一般可增产10%左右),可生产具有特异优良性状的转基因动物;采用细胞工程,可大大提高常规育种的效率,实现定向育种。目前,已经培育出抗棉铃虫的棉花、抗花叶病的烟草和西红柿、抗除秀剂的大豆等100多种转基因植物,培养出快速生长的鱼、奶汁中含有大量有效药物的羊和牛等转基因动物,以及带有毒蛋白基因的可用作杀虫剂的工程菌和提高固氮能力的固氮工程菌等等。现代生物技术将从根本上改变农业生产的面貌,为彻底解决人类食物供应问题提供了可能。2·生物技术的发展给人类带来丁健康的福音 目前,生物技术在医药方面的应用占全部生物技术的60%以上,已形成产业化的新生物技术产品主要集中在医药上,包括新型疫苗、药物和诊断试剂的研制以及基因治疗等。基因诊冶使癌症、艾滋病、肝炎等重大疑难疾病的治疗产生重大突破。有选择地引进入体原来缺少的基因或像换零件一样调换不正常的基因,使-遗传病成为可能。应词DNA重组法,可利用细菌廉价生产出人体分泌的重要物质。利用基因工程菌,可生产出膜岛素基因、激素基因和干扰素等珍贵药品。现代生物技术在医药、医学领域已显示出其巨大潜力。3.进行生物治理是环境保护的根本出路、 目前,环境污染、能源短缺、生态失衡和物种消失已成为严重的全球问题,生物技术则为解决这方面的问题提供了一个大有希望的出路。采用基因技术,育成抗病、虫农作物将大大减少农药的使用；育成固氮农作物,大大节省化肥,从而减少对环境的污染。通过基因改造,可培养特种细菌,用于吞食工业废料,处理一些用化学方法难以分解的垃圾和塑料。微生物发电将是未来极具前景的能源项目。此外,克隆技术的发展,为保存和快速繁殖已濒于灭绝的动植物提供了可能。4、现代生物技术的渗透将使传统工业大大改观 随着生物产业的兴起,一些传统产业如化工、食品等同时面临着危机和机遇。比如利用动物乳房生物反应器,可代替传统的利用微生物发酵生产酶制剂的庞大工厂;把人体的产奶蛋白基因转移到奶牛中就可以生产出含有人奶成分的牛奶。应用蛋白质工程可大量生产一些人体所需而又不易得到的优质蛋白质,利用一些微生物嗜好某种金属的特性可进行生物选矿、开矿、富集稀有金属、石油钻探等等。(二〉生物技术发展的趋向和前景 21世纪将是生物学的世纪。展望未来,生物技术给人们昭示了美好的前景,但也让人不无忧虑。概括起来,它有以下发展趋向: 1.基因操作技术日新月异,不断完善,并将通过商业渠道,大力推广 目前,基因转移技术、基因扩增技术、基因克隆技术、基因修饰技术等正日渐成熟,并形成专项技术和全套试剂的买卖市场,进一步推广到基层。 2、生物治疗将突飞猛进 基因工程药物将成为竞相开发的领域,应用将日趋普及,基因治疗方法有望-现在一些人们对之束手无策的重大疾变和遗传病,人类的平均寿命将因之大大延长。 3·转基因植物和动物将有重大突破 转基因生物的种类和外源基因生物将进一步扩大,一些已经获得成功的转基因生物将逐渐进入实用化阶段并投放市场；采用新生物技术改造整个农业,估计到下个世纪上半叶之前就能全面展开,它将给人类的生活带来巨大的改变。 4.阐明生物体基因纽及其编码蛋白质的结构和功能是当今生命科学发展的一个主流方向 目前,人类基因图谱的合作研究正在加紧进行,已约有10万个基因序列将基本被阐明。这对于揭开人类许多疾病的奥秘、开发新的有效的治疗手段和药物无疑提供了美好的前景。 5.生物技术与其他科学技术的相互交叉融合,将带来科学技术协率和社会生活的全面改观比如生物材料和生物能源的开发将成为研究的热点,目前就已有科学家在研究"生物芯片",以代替硅芯片,以便造出性能更为优越的、有智能的新一代计算机。基因工程和医药学的结合,将革新医药学和整个医疗卫生领域。基因技术还有可能改变自然界优胜劣汰、自然选择的规律以及长期、缓慢的进化趋向,使人工干预生命、干预进化进程成为现实。它已经创造了许多人类为之瞠目的奇迹,还将创造更大的奇迹,甚至连人类自身也面临着基因改造成为新人类的可能。 但是,还必须看到,生物技术的发展也可能会带来人们目前还无法预料的不良后果,如转基因食品对人体是否有不良影响;转基因作物在种植过程中DNA是否会转至其他作物或杂草,从而引起环境及生态问题;克隆技术和转基因技术是否会被误用,制造出对人类生存造成危险的物种,等等。这就要求人们在保持乐观的同时,保持一种清醒、审慎、理性的态度,采取严密的技术防范措施和立法,防患于未然。 思考题1.现代生物技术主要包括哪儿大部分?2.什么是发酵工程?3.什么是酶工程?4.什么是细胞工程?细胞工程都包括哪几大部分?5.什么是基因工程?其核心技术是什么?6.什么是蛋白质工程?7.试举例说明现代生物技术的应用。
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