生物技術(shù)與石油工程

/生物技術(shù)與石油工程一、生物技術(shù)的概念生物技術(shù)（Biotechnology）的定義是：應(yīng)用生命科學(xué)研究成果，以人們意志設(shè)計(jì)，對(duì)生物或生物的成分進(jìn)行改造和利用的技術(shù)。生物技術(shù)有時(shí)也被稱為生物工程?，F(xiàn)代生物技術(shù)綜合基因工程、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、胚胎學(xué)、免疫學(xué)、有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、物理學(xué)、信息學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科技術(shù)，可用于研究生命活動(dòng)的規(guī)律和提供產(chǎn)品為社會(huì)服務(wù)等。生物技術(shù)是人們利用微生物、動(dòng)植物體對(duì)物質(zhì)原料進(jìn)行加工，以提供產(chǎn)品來為社會(huì)服務(wù)的技術(shù)。它主要包括發(fā)酵技術(shù)和現(xiàn)代生物技術(shù)。因此，生物技術(shù)是一門新興的，綜合性的學(xué)科。現(xiàn)代生物技術(shù)以基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程為代表生物工程包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程、生物電子工程、生物反應(yīng)器、滅菌技術(shù)以及新興的蛋白質(zhì)工程等，其中，基因工程是現(xiàn)代生物工程的核心。基因工程（或稱遺傳工程、基因重組技術(shù)）就是將不同生物的基因在體外剪切組合，并和載體（質(zhì)粒、噬菌體、病毒）的DNA連接，然后轉(zhuǎn)入微生物或細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)行克隆，并使轉(zhuǎn)入的基因在細(xì)胞或微生物內(nèi)表達(dá)，產(chǎn)生所需要的蛋白質(zhì)。有60%以上的生物技術(shù)成果集中應(yīng)用于醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)代生物技術(shù)一般包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程和蛋白質(zhì)工程。20世紀(jì)未，隨著計(jì)算生物學(xué)、化學(xué)生物學(xué)與合成生物學(xué)的興起，發(fā)展了系統(tǒng)生物學(xué)的生物技術(shù)-即系統(tǒng)生物技術(shù)（systemsbiotechnology），包括生物信息技術(shù)、納米生物技術(shù)與合成生物技術(shù)等。二、生物技術(shù)的的主要技術(shù)基因工程基因工程是指在基因水平上，按照人類的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后按設(shè)計(jì)方案創(chuàng)建出具有某種新的性狀的生物新品系，并能使之穩(wěn)定地遺傳給后代?；蚬こ滩捎门c工程設(shè)計(jì)十分類似的方法，明顯地既具有理學(xué)的特點(diǎn)，同時(shí)也具有工程學(xué)的特點(diǎn)。生物學(xué)家在了解遺傳密碼是RNA轉(zhuǎn)錄表達(dá)以后，還想從分子的水平去干預(yù)生物的遺傳。1973年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的科恩教授，把兩種質(zhì)粒上不同的抗藥基因"裁剪"下來，"拼接"在同一個(gè)質(zhì)粒中。當(dāng)這種雜合質(zhì)粒進(jìn)入大腸桿菌后，這種大腸桿菌就能抵抗兩種藥物，且其后代都具有雙重抗菌性，科恩的重組實(shí)驗(yàn)拉開了基因工程的大幕。DNA重組技術(shù)是基因工程的核心技術(shù)。重組，顧名思義，就是重新組合，即利用供體生物的遺傳物質(zhì)，或人工合成的基因，經(jīng)過體外切割后與適當(dāng)?shù)妮d體連接起來，形成重組DNA分子，然后將重組DNA分子導(dǎo)入到受體細(xì)胞或受體生物構(gòu)建轉(zhuǎn)基因生物，該種生物就可以按人類事先設(shè)計(jì)好的藍(lán)圖表現(xiàn)出另外一種生物的某種性狀。1、DNA重組技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)（1）目的基因基因工程是一種有預(yù)期目的的創(chuàng)造性工作，它的原料就是目的基因。所謂目的基因，是指通過人工方法獲得的符合設(shè)計(jì)者要求的DNA片段，在適當(dāng)條件下，目的基因?qū)?huì)以蛋白質(zhì)的形式表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者改造生物性狀的目標(biāo)。（2）載體目的基因一般都不能直接進(jìn)入另一種生物細(xì)胞，它需要與特定的載體結(jié)合,才能安全地進(jìn)入到受體細(xì)胞中。目前常用的載體有質(zhì)粒、噬菌體和病毒。質(zhì)粒是在大多數(shù)細(xì)菌和某些真核生物的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的一種環(huán)狀DNA分子，它位于細(xì)胞質(zhì)中。許多質(zhì)粒含有在某種環(huán)境下可能是必不可少的基因。噬菌體是專門感染細(xì)菌的一類病毒，由蛋白質(zhì)外殼和中心的核酸組成。在感染細(xì)菌時(shí)，噬菌體把DNA注入到細(xì)菌里，以此DNA為模板，復(fù)制DNA分子，并合成蛋白質(zhì)，最后組裝成新的噬菌體。當(dāng)細(xì)菌死亡破裂后，大量的噬菌體被釋放出來，去感染下一個(gè)目標(biāo)。。質(zhì)粒、噬菌體和病毒的相似之處在于，它們都能把自己的DNA分子注入到宿主細(xì)胞中并保持DNA分子的完整，因而，它們成為運(yùn)載目的基因的合適載體。因此，基因工程中的載體實(shí)質(zhì)上是一些特殊的DNA分子。（3）工具酶基因工程需要有一套工具，以便從生物體中分離目的基因，然后選擇適合的載體，將目的基因與載體連接起來。DNA分子很小，其直徑只有20埃（10-10米），基因工程實(shí)際上是一種“超級(jí)顯微工程”，對(duì)DNA的切割、縫合與轉(zhuǎn)運(yùn)，必須有特殊的工具。1968年，科學(xué)家第一次從大腸桿菌中提取出了限制性內(nèi)切酶。限制性內(nèi)切酶最大的特點(diǎn)是專一性強(qiáng)，能夠在DNA上識(shí)別特定的核苷酸序列，并在特定切點(diǎn)上切割DNA分子。70年代以來，人們已經(jīng)分離提取了400多種限制性內(nèi)切酶。有了它，人們就可以隨心所欲地進(jìn)行DNA分子長(zhǎng)鏈切割了。1976年，5個(gè)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)現(xiàn)并提取出一種酶，叫作DNA連接酶。從此，DNA連接酶就成了“粘合”基因的“分子粘合劑”。1、DNA重組技術(shù)的一般操作步驟一個(gè)典型的DNA重組包括五個(gè)步驟：（1）目的基因的獲取目前，獲取目的基因的方法主要有三種：反向轉(zhuǎn)錄法、從細(xì)胞基因組直接分離法和人工合成法。反向轉(zhuǎn)錄法是利用mRNA反轉(zhuǎn)錄獲得目的基因的方法。現(xiàn)在用這種方法人們已先后合成了家兔、鴨和人的珠蛋白基因、羽毛角蛋白基因等。從細(xì)胞基因組中直接分離目的基因常用"鳥槍法"，因?yàn)檫@種方法猶如用散彈打鳥,所以又稱"散彈槍法"。用"鳥槍法"分離目的基因，具有簡(jiǎn)單、方便和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。許多病毒和原核生物、一些真核生物的基因，都用這種方法獲得了成功的分離。化學(xué)合成目的基因是20世紀(jì)70年代以來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。應(yīng)用化學(xué)合成法，可在短時(shí)間內(nèi)合成目的基因?？茖W(xué)家們已相繼合成了人的生長(zhǎng)激素釋放抑制素、胰島素、干擾素等蛋白質(zhì)的編碼基因。（2）DNA分子的體外重組體外重組是把載體與目的基因進(jìn)行連接。例如，以質(zhì)粒作為載體時(shí)，首先要選擇出合適的限制性內(nèi)切酶，對(duì)目的基因和載體進(jìn)行切割，再以DNA連接酶使切口兩端的脫氧核苷酸連接，于是目的基因被鑲嵌進(jìn)質(zhì)粒DNA，重組形成了一個(gè)新的環(huán)狀DNA分子（雜種DNA分子）。（3）DNA重組體的導(dǎo)入把目的基因裝在載體上后，就需要把它引入到受體細(xì)胞中。導(dǎo)入的方式有多種，主要包括轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、顯微注射、微粒轟擊和電擊穿孔等方式。轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)導(dǎo)主要適用于細(xì)菌一類的原核生物細(xì)胞和酵母這樣的低等真核生物細(xì)胞，其他方式主要應(yīng)用于高等動(dòng)植物的細(xì)胞。（4）受體細(xì)胞的篩選由于DNA重組體的轉(zhuǎn)化成功率不是太高，因而，需要在眾多的細(xì)胞中把成功轉(zhuǎn)入DNA重組體的細(xì)胞挑選出來。應(yīng)事先找到特定的標(biāo)志，證明導(dǎo)入是否成功。例如，我們常用抗生素來證明證明導(dǎo)入的成功。（5）基因表達(dá)目的基因在成功導(dǎo)入受體細(xì)胞后，它所攜帶的遺傳信息必須要通過合成新的蛋白質(zhì)才能表現(xiàn)出來，從而改變受體細(xì)胞的遺傳性狀。目的基因在受體細(xì)胞中要表達(dá)，需要滿足一些條件。例如，目的基因是利用受體細(xì)胞的核糖體來合成蛋白質(zhì)，因此目的基因上必須含有能啟動(dòng)受體細(xì)胞核糖體工作的功能片段。這五個(gè)步驟代表了基因工程的一般操作流程。人們掌握基因工程技術(shù)的時(shí)間并不長(zhǎng)，但已經(jīng)獲得了許多具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的成果，基因工程作為現(xiàn)代生物技術(shù)的核心，將在社會(huì)生產(chǎn)和實(shí)踐中發(fā)揮越來越重要的作用。細(xì)胞工程關(guān)于細(xì)胞工程的定義和范圍還沒有一個(gè)統(tǒng)一的說法，一般認(rèn)為，細(xì)胞工程是根據(jù)細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)原理，采用細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，在細(xì)胞水平進(jìn)行的遺傳操作。細(xì)胞工程大體可分染色體工程、細(xì)胞質(zhì)工程和細(xì)胞融合工程。1、細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是細(xì)胞工程的基礎(chǔ)技術(shù)。所謂細(xì)胞培養(yǎng)，就是將生物有機(jī)體的某一部分組織取出一小塊，進(jìn)行培養(yǎng)，使之生長(zhǎng)、分裂的技術(shù)。細(xì)胞培養(yǎng)又叫組織培養(yǎng)。近二十年來細(xì)胞生物學(xué)的一些重要理論研究的進(jìn)展，例如細(xì)胞全能性的揭示，細(xì)胞周期及其調(diào)控，癌變機(jī)理與細(xì)胞衰老的研究，基因表達(dá)與調(diào)控等，都是與細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)分不開的。體外細(xì)胞培養(yǎng)中，供給離開整體的動(dòng)植物細(xì)胞所需營(yíng)養(yǎng)的是培養(yǎng)基，培養(yǎng)基中除了含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外，一般還含有刺激細(xì)胞生長(zhǎng)和發(fā)育的一些微量物質(zhì)。培養(yǎng)基一般有固態(tài)和液態(tài)兩種，它必須經(jīng)滅菌處理后才可使用。此外，溫度、光照、振蕩頻率等也都是影響培養(yǎng)的重要條件。植物細(xì)胞與組織培養(yǎng)的基本過程包括如下幾個(gè)步驟：第一步，從健康植株的特定部位或組織，如根、莖、葉、花、果實(shí)、花粉等，選擇用于培養(yǎng)的起始材料（外植體）。第二步，用一定的化學(xué)藥劑（最常用的有次氯酸鈉、升汞和酒精等）對(duì)外植體表面消毒，建立無菌培養(yǎng)體系。第三步，形成愈傷組織和器官，由愈傷組織再分化出芽并可進(jìn)一步誘導(dǎo)形成小植株。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)有兩種方式。一種叫非貼壁培養(yǎng)：也就是細(xì)胞在培養(yǎng)過程中不貼壁，條件較為復(fù)雜，難度也大一些，但是容易同時(shí)獲得大量的培養(yǎng)細(xì)胞。這種方法一般用于淋巴細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞和一些轉(zhuǎn)化細(xì)胞的培養(yǎng)。另一種培養(yǎng)方式是貼壁培養(yǎng)：也稱為細(xì)胞貼壁，貼壁后的細(xì)胞呈單層生長(zhǎng)，所以此法又叫單層細(xì)胞培養(yǎng)。大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)必須采用這種方法。動(dòng)物細(xì)胞不能采用離體培養(yǎng)，以人的皮膚細(xì)胞培養(yǎng)為例，動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的主要步驟如下：第一步，在無菌條件下，從健康動(dòng)物體內(nèi)取出適量組織，剪切成小薄片。第二步，加入適宜濃度的酶與輔助物質(zhì)進(jìn)行消化作用使細(xì)胞分散。第三步，將分散的細(xì)胞進(jìn)行洗滌并純化后，以適宜的濃度加在培養(yǎng)基中，37℃下培養(yǎng)，并適時(shí)進(jìn)行傳代。在細(xì)胞培養(yǎng)中，我們經(jīng)常使用一個(gè)詞——克隆?？寺∫辉~是由英文clone音譯而來，指無性繁殖以及由無性繁殖而得到的細(xì)胞群體或生物群體。細(xì)胞克隆是指細(xì)胞的一個(gè)無性繁殖系。自然界早已存在天然的克隆，例如，同卵雙胞胎實(shí)際上就是一種克隆?；蚬こ讨?，還有稱為分子克隆（molecularcloning）的，是科恩等在1973年提出的。分子克隆發(fā)生在DNA分子水平上，是指從一種細(xì)胞中把某種基因提取出來作為外源基因，在體外與載體連接，再將其引入另一受體細(xì)胞自主復(fù)制而得到的DNA分子無性系。2、細(xì)胞核移植技術(shù)由于克隆是無性繁殖，所以同一克隆內(nèi)所有成員的遺傳構(gòu)成是完全相同的，這樣有利于忠實(shí)地保持原有品種的優(yōu)良特性。人們開始探索用人工的方法來進(jìn)行高等動(dòng)物克隆。哺乳動(dòng)物克隆的方法主要有胚胎分割和細(xì)胞核移植兩種。其中，細(xì)胞核移植是發(fā)展較晚但富有潛力的一門新技術(shù)。細(xì)胞核移植技術(shù)屬于細(xì)胞質(zhì)工程。所謂細(xì)胞核移植技術(shù)，是指用機(jī)械的辦法把一個(gè)被稱為“供體細(xì)胞”的細(xì)胞核（含遺傳物質(zhì)）移入另一個(gè)除去了細(xì)胞核被稱為“受體”的細(xì)胞中，然后這一重組細(xì)胞進(jìn)一步發(fā)育、分化。核移植的原理是基于動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞核的全能性。采用細(xì)胞核移植技術(shù)克隆動(dòng)物的設(shè)想，最初由一位德國(guó)胚胎學(xué)家在1938年提出。從1952年起，科學(xué)家們首先采用兩棲類動(dòng)物開展細(xì)胞核移植克隆實(shí)驗(yàn)，先后獲得了蝌蚪和成體蛙。1963年，我國(guó)童第周教授領(lǐng)導(dǎo)的科研組，以金魚等為材料，研究了魚類胚胎細(xì)胞核移植技術(shù)，獲得成功。到1995年為止，在主要的哺乳動(dòng)物中，胚胎細(xì)胞核移植都獲得成功，但成體動(dòng)物已分化細(xì)胞的核移植一直未能取得成功。1996年，英國(guó)愛丁堡羅斯林研究所，伊恩?維爾穆特研究小組成功地利用細(xì)胞核移植的方法培養(yǎng)出一只克隆羊——多利，這是世界上首次利用成年哺乳動(dòng)物的體細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞核移植而培養(yǎng)出的克隆動(dòng)物。。在核移植中，并不是所有的細(xì)胞都可以作為核供體。作為供體的細(xì)胞有兩種：一種是胚胎細(xì)胞，一種是某些體細(xì)胞。研究表明，卵細(xì)胞、卵母細(xì)胞和受精卵細(xì)胞都是合適的受體細(xì)胞。2000年6月，我國(guó)西北農(nóng)林科技大學(xué)利用成年山羊體細(xì)胞克隆出兩只“克隆羊”，這表明我國(guó)科學(xué)家也掌握了哺乳動(dòng)物體細(xì)胞核移植的尖端技術(shù)。核移植的研究，不僅在探明動(dòng)物細(xì)胞核的全能性、細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)關(guān)系等重要理論問題方面具有重要的科學(xué)價(jià)值，而且在畜牧業(yè)生產(chǎn)中有著非常重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。3、細(xì)胞融合技術(shù)細(xì)胞融合技術(shù)屬于細(xì)胞融合工程。細(xì)胞融合技術(shù)是一種新的獲得雜交細(xì)胞以改變細(xì)胞性能的技術(shù)，它是指在離體條件下，利用融合誘導(dǎo)劑，把同種或不同物種的體細(xì)胞人為地融合，形成雜合細(xì)胞的過程。細(xì)胞融合術(shù)是細(xì)胞遺傳學(xué)、細(xì)胞免疫學(xué)、病毒學(xué)、腫瘤學(xué)等研究的一種重要手段動(dòng)物細(xì)胞融合的主要步驟是：第一步，獲取親本細(xì)胞。將取樣的組織用胰蛋白酶或機(jī)械方法分離細(xì)胞，分別進(jìn)行貼壁培養(yǎng)或懸浮培養(yǎng)。第二步，誘導(dǎo)融合。把兩種親本細(xì)胞置于同一培養(yǎng)液中，進(jìn)行細(xì)胞融合。動(dòng)物細(xì)胞的融合過程一般是：兩個(gè)細(xì)胞緊密接觸→細(xì)胞膜合并→細(xì)胞間出現(xiàn)通道或細(xì)胞橋→細(xì)胞橋數(shù)增加擴(kuò)大通道面積→兩細(xì)胞融合為一體。植物細(xì)胞融合的主要步驟是：第一步，制備親本原生質(zhì)體。第二步，誘導(dǎo)融合。微生物細(xì)胞的融合步驟與植物細(xì)胞融合基本相同。從20世紀(jì)70年代開始，已經(jīng)有許多種細(xì)胞融合成功，有植物間、動(dòng)物間、動(dòng)植物間甚至人體細(xì)胞與動(dòng)植物間的成功融合的新的雜交植物，如“西紅柿馬鈴薯”、“擬南芥油菜”和“蘑菇白菜”等。（圖4-36是利用細(xì)胞融合培育雜交植物）從目前的技術(shù)水平來看，人們還不能把許多遠(yuǎn)緣的細(xì)胞融合后培養(yǎng)成雜種個(gè)體，尤其是動(dòng)物細(xì)胞難度更大。酶工程、發(fā)酵工程與蛋白質(zhì)工程酶工程酶工程是指利用酶、細(xì)胞或細(xì)胞器等具有的特異催化功能，借助生物反應(yīng)裝置和通過一定的工藝手段生產(chǎn)出人類所需要的產(chǎn)品。它是酶學(xué)理論與化工技術(shù)相結(jié)合而形成的一種新技術(shù)。酶工程，可以分為兩部分。一部分是如何生產(chǎn)酶，一部分是如何應(yīng)用酶。酶的生產(chǎn)大致經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段。最初從動(dòng)物內(nèi)臟中提取酶，隨著酶工程的進(jìn)展，人們利用大量培養(yǎng)微生物來獲取酶，基因基因工程誕生后，通過基因重組來改造產(chǎn)酶的微生物，近些年來，酶工程又出現(xiàn)了一個(gè)新的熱門課題，那就是人工合成新酶，也就是人工酶。酶在使用中也存在著一些缺點(diǎn)。如遇到高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿時(shí)就會(huì)失去活性，成本高，價(jià)錢貴。實(shí)際應(yīng)用中酶只能使用一次等。利用酶的固定化可以解決這些問題，它被稱為是酶工程的中心。60年代初，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，許多酶經(jīng)過固定化以后，活性絲毫未減，穩(wěn)定性反而有了提高。這一發(fā)現(xiàn)是酶的推廣應(yīng)用的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也是酶工程發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。如今，酶的固定化技術(shù)日新月異。它表現(xiàn)在兩方面：一是固定的方法。目前固定的方法有四大類：吸附法、共價(jià)鍵合法、交聯(lián)法和包埋法。二是被固定下來的酶，具有多種酶，能催化一系列的反應(yīng)。與自然酶相比，固定化酶和固定化細(xì)胞具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：1、可以做成各種形狀，如顆粒狀、管狀、膜狀，裝在反應(yīng)槽中，便于取出，便于連續(xù)、反復(fù)使用；2、穩(wěn)定性提高，不易失去活性，使用壽命延長(zhǎng)；3、便于自動(dòng)化操作，實(shí)現(xiàn)用電腦控制的連續(xù)生產(chǎn)。如今已有數(shù)十個(gè)國(guó)家采用固定化酶和固定化細(xì)胞進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)品包括酒精、啤酒、各種氨基酸、各種有機(jī)酸以及藥品等等。2、發(fā)酵工程現(xiàn)代的發(fā)酵工程。又叫微生物工程，指采用現(xiàn)代生物工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定的功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程。發(fā)酵是微生物特有的作用，幾千年前就已被人類認(rèn)識(shí)并且用來制造酒、面包等食品。20世紀(jì)20年代主要是以酒精發(fā)酵、甘油發(fā)酵和丙醇發(fā)酵等為主。20世紀(jì)40年代中期美國(guó)抗菌素工業(yè)興起，大規(guī)模生產(chǎn)青霉素以及日本谷氨酸鹽（味精）發(fā)酵成功，大大推動(dòng)了發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展。20世紀(jì)70年代，基因重組技術(shù)、細(xì)胞融合等生物工程技術(shù)的飛速發(fā)展，發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入現(xiàn)代發(fā)酵工程的階段。不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長(zhǎng)激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學(xué)工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶、維生素和單細(xì)胞蛋白等。從廣義上講，發(fā)酵工程由三部分組成：上游工程，發(fā)酵工程和下游工程。其中上游工程包括優(yōu)良種株的選育，最適發(fā)酵條件（pH、溫度、溶解氧和營(yíng)養(yǎng)組成）的確定，營(yíng)養(yǎng)物的準(zhǔn)備等。發(fā)酵工程主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)。下游工程指從發(fā)酵液中分離和純化產(chǎn)品的技術(shù)。發(fā)酵工程的步驟一般包括：第一步，菌種的選育。第二步，培養(yǎng)基的制備和滅菌。第三步，擴(kuò)大培養(yǎng)和接種。第四步，發(fā)酵過程。第五步，分離提純。發(fā)酵工程在醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)、冶金工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。3、蛋白質(zhì)工程在現(xiàn)代生物技術(shù)中，蛋白質(zhì)工程是在20世紀(jì)80年代初期出現(xiàn)的。蛋白質(zhì)工程是指在深入了解蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，并在掌握基因操作技術(shù)的基礎(chǔ)上，用人工合成生產(chǎn)自然界原來沒有的、具有新的結(jié)構(gòu)與功能的、對(duì)人類生活有用的蛋白質(zhì)分子。蛋白質(zhì)工程的類型主要有兩種：一是從頭設(shè)計(jì)，即完全按照人的意志設(shè)計(jì)合成蛋白質(zhì)。從頭設(shè)計(jì)是蛋白質(zhì)工程中最有意義也是最困難的操作類型，目前技術(shù)尚不成熟，已經(jīng)合成的蛋白質(zhì)只是一些很小的短肽。二是定位突變與局部修飾，即在已有的蛋白質(zhì)基礎(chǔ)上，只進(jìn)行局部的修飾。這種通過造成一個(gè)或幾個(gè)堿基定位突變，以達(dá)到修飾蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)目的的技術(shù)，稱為基因定位突變技術(shù)。蛋白質(zhì)工程的基本程序是：首先要測(cè)定蛋白質(zhì)中氨基酸的順序，測(cè)定和預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，建立蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)模型，然后提出對(duì)蛋白質(zhì)的加工和改造的設(shè)想，通過基因定位突變和其它方法獲得需要的新蛋白質(zhì)的基因，進(jìn)而進(jìn)行蛋白質(zhì)合成。（圖4-37）由于蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在技術(shù)方面有很多同基因工程技術(shù)相似的地方，因此蛋白質(zhì)工程也被稱為第二代基因工程。蛋白質(zhì)工程為改造蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能找到了新途徑，而且還預(yù)示人類能設(shè)計(jì)和創(chuàng)造自然界不存在的優(yōu)良蛋白質(zhì)的可能性，從而具有潛在的巨大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。三、生物技術(shù)的應(yīng)用和前景伴隨著生命科學(xué)的新突破，現(xiàn)代生物技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等眾多領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。工業(yè)方面食品方面首先，生物技術(shù)被用來提高生產(chǎn)效率，從而提高食品產(chǎn)量。其次，生物技術(shù)可以提高食品質(zhì)量。例如，以淀粉為原料采用固定化酶（或含酶菌體）生產(chǎn)高果糖漿來代替蔗糖，這是食糖工業(yè)的一場(chǎng)革命。第三，生物技術(shù)還用于開拓食品種類。利用生物技術(shù)生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白為解決蛋白質(zhì)缺乏問題提供了一條可行之路。目前，全世界單細(xì)胞蛋白的產(chǎn)量已經(jīng)超過3000萬噸，質(zhì)量也有了重大突破，從主要用作飼料發(fā)展到走上人們的餐桌。材料方面通過生物技術(shù)構(gòu)建新型生物材料，是現(xiàn)代新材料發(fā)展的重要途徑之一。首先，生物技術(shù)使一些廢棄的生物材料變廢為寶。例如，利用生物技術(shù)可以從蝦、蟹等甲殼類動(dòng)物的甲殼中獲取甲殼素。甲殼素是制造手術(shù)縫合線的極好材料，它柔軟，可加速傷口愈合，還可被人體吸收而免于拆線。其次，生物技術(shù)為大規(guī)模生產(chǎn)一些稀缺生物材料提供了可能。例如，蜘蛛絲是一種特殊的蛋白質(zhì)，其強(qiáng)度大，可塑性高，可用于生產(chǎn)防彈背心、降落傘等用品。利用生物技術(shù)可以生產(chǎn)蛛絲蛋白，得到與蜘蛛絲媲美的纖維。第三，利用生物技術(shù)可開發(fā)出新的材料類型。例如，一些微生物能產(chǎn)出可降解的生物塑料，避免了“白色污染”。能源方面生物技術(shù)一方面能提高不可再生能源的開采率，另一方面能開發(fā)更多可再生能源。首先，生物技術(shù)提高了石油開采的效率。其次，生物技術(shù)為新能源的利用開辟了道路。農(nóng)業(yè)方面現(xiàn)代生物技術(shù)越來越多地運(yùn)用于農(nóng)業(yè)中，使農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)達(dá)到高產(chǎn)、高質(zhì)、高效的目的。農(nóng)作物和花卉生產(chǎn)生物技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)作物和花卉生產(chǎn)的目標(biāo)，主要是提高產(chǎn)量、改良品質(zhì)和獲得抗逆植物。首先，生物技術(shù)既能提高作物產(chǎn)量，還能快速繁殖。其次，生物技術(shù)既能改良作物品質(zhì)，還能延緩植物的成熟，從而延長(zhǎng)了植物食品的保藏期。第三，生物技術(shù)在培育抗逆作物中發(fā)揮了重要作用。例如，用基因工程方法培育出的抗蟲害作物，不需施用農(nóng)藥，既提高了種植的經(jīng)濟(jì)效益，又保護(hù)了我們的環(huán)境。我國(guó)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種，1999年已經(jīng)推廣200多萬畝，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。畜禽生產(chǎn)利用生物技術(shù)以獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的畜禽產(chǎn)品和提高畜禽的抗病能力。首先，生物技術(shù)不僅能加快畜禽的繁殖和生長(zhǎng)速度，而且能改良畜禽的品質(zhì)，提供優(yōu)質(zhì)的肉、奶、蛋產(chǎn)品。其次，生物技術(shù)可以培育抗病的畜禽品種，減少飼養(yǎng)業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。如利用轉(zhuǎn)基因的方法，培育抗病動(dòng)物，可以大大減少牲畜瘟疫的發(fā)生，保證牲畜健康，也保證人類健康。農(nóng)業(yè)新領(lǐng)域基因工程不僅提高了農(nóng)牧產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)疫苗是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)?？蒲腥藛T希望能用食用植物表達(dá)疫苗，人們通過食用這些轉(zhuǎn)基因植物就能達(dá)到接種疫苗的目的。目前已經(jīng)在轉(zhuǎn)基因煙草中表達(dá)出了乙型肝炎疫苗。利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥用蛋白同樣是目前的研究熱點(diǎn)。科學(xué)家已經(jīng)培育出多種轉(zhuǎn)基因動(dòng)物，它們的乳腺能特異性地表達(dá)外源目的基因，因此從它們產(chǎn)的奶中能獲得所需的蛋白質(zhì)藥物，由于這種轉(zhuǎn)基因?；蜓虺缘氖遣荩瑪D出的奶中含有珍貴的藥用蛋白，生產(chǎn)成本低，可以獲得巨額的經(jīng)濟(jì)效益。醫(yī)藥方面醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域是現(xiàn)代生物技術(shù)應(yīng)用得最廣泛、成績(jī)最顯著、發(fā)展最迅速、潛力也最大的一個(gè)領(lǐng)域。疾病預(yù)防利用疫苗對(duì)人體進(jìn)行主動(dòng)免疫是預(yù)防傳染性疾病的最有效手段之一。注射或口服疫苗可以激活體內(nèi)的免疫系統(tǒng)，產(chǎn)生專門針對(duì)病原體的特異性抗體。20世紀(jì)70年代以后，人們開始利用基因工程技術(shù)來生產(chǎn)疫