生物技术biotechnology
以生命科学为基础,利用生物体系和工程原理生产生物制品和创造新物种的综合性科学技术,又称生物工程。主要包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四个领域。
传统的生物技术如微生物发酵技术,已在食品、制药和轻工业等部门广泛应用,并形成了庞大的产业,取得了巨大的经济效益和社会效益。70年代以来,随着基因重组、细胞(包括原生质体)和组织培养,酶的固定化,动植物细胞大规模培养,现代化生物反应器和计算机的应用以及产品分离、纯化等技术的迅速发展,生物技术进入了新的发展阶段,为解决人类所面临的食品与营养、物资与能源、环境与健康等重大问题开辟了新途径,逐渐形成一批新兴产业,并将对传统技术的改造和产业结构的调整产生深远的影响,具有巨大的经济潜力。
发酵工程 是传统的、古老的生物技术,酿酒、制醋以及酱油和豆腐乳的酿造,在中国已有几千年历史,但发酵科学理论的建立,只不过100多年。19世纪中期,法国伟大的微生物学家巴斯德(L. Pasteur)首先揭露了发酵作用的实质是由微生物引起的,由此奠定了发酵工程的科学基础。此后人们可以有意识地利用纯种微生物在特定的发酵器中生产有用的微生物产品。20世纪40年代抗生素的发现,不但引起了医药的革命性变化,使不少过去难以治疗的传染病,能有效地加以控制,而且也将传统的厌气发酵技术发展成为现代化的深层通气搅拌培养,包括菌种的分离、选育、发酵器设计、空气净化、发酵条件以及产品分离、提纯等技术。人们可以利用这套技术大规模生产人类必需的氨基酸和维生素,用于食品和化工原料的有机酸和有机溶剂,刺激植物生长的赤霉素,促进肉用牛和羊增重的玉米赤霉醇、杀灭线虫和螨类的驱虫素以及甾体物质的转化、疫苗、酶制剂和饲料用单细胞蛋白等,从而形成了一个庞大的发酵工业,同时也展示出微生物确是一个庞大的资源宝库,有待人们进一步开发和利用。
80年代又将微生物发酵技术移植到大规模培养植物细胞,用以产生有特殊价值的植物次生代谢产物(如中草药的有效成分)。新的生物反应器、和传感器以及电子计算机应用于发酵工业,实现了生产自动化控制,大大提高了发酵的效率。当前,也有人将生物反应器单列为生物技术内容之一。
酶工程 将生物体内具有特定催化作用的酶类分离出来,在体外进行催化反应。酶反应特点是在常温、常压下,专一性地快速进行催化反应; 但酶不稳定,容易失活,为了提高酶的稳定性和适于连续作业,发展了酶的固定化技术,将酶固定在特定的载体上,当反应物通过固定化酶时,即可快速催化生成相应的产物。
当前酶制剂的生产,主要依靠微生物发酵技术,自微生物发酵液或细胞中提取有用的酶类,如α-淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、脂酶、果胶酶、纤维素酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖异构酶以及用于重组DNA技术的各种工具酶等。这些酶类已被广泛用于食品加工、纺织、制革、医药、加酶洗涤剂生产和基因工程中。
从动、植物中提取的酶类尚不多,但也有巨大潜力,如从木瓜中可提取木瓜蛋白酶,用作肉的嫩化和啤酒的防浊; 从牛胃中提取的凝乳酶,可用以制作奶酪; 从尿或蚯蚓中提取的尿激酶或蚯蚓酶,可用以治疗脑血栓等。人们已开始研究来源于动、植物的酶基因,将其引入微生物体进行表达,企图快速大量地生产廉价的酶。
被称为第二代生物技术的蛋白质工程的一个重要任务,是将酶分子定向地加以化学修饰和改造,使之成为更有效的酶分子。
细胞工程 将生物细胞或去壁的原生质体在离体条件下进行培养、繁殖和精细的人工操作,使其特性按照人们的意志发生改变,从而达到改良生物品种或创造新物种的目的。
中国在细胞工程方面的研究已进入世界先进行列。不少植物的细胞原生质体都已再生成为完整的植株。最近,突破了水稻、小麦、玉米、棉花和大豆的原生质体再生成株的难关,这就为利用原生质体融合产生杂种以及向原生质体引入外源基因,从而为达到改良性状,创建新物种的目的打下了基础。此外,用花粉培养技术已培育出小麦、水稻等的优良品种,并大面积进行了推广; 利用组织培养技术生产试管苗木,可大大加快繁殖速度,有些已进入工厂化生产。当前正在研究将组织培养的胚包上外衣,制成人工种子,播种后可发育成植株。
在动物方面,人和家畜的体外受精和胚胎移植技术,已产生了试管婴儿、试管牛、羊等: 利用胚胎分割技术,已将牛、羊等的受精卵一分为二或四,并各自发育成完整的动物,加速了繁殖的速度。此外,向受精卵中注入特定的外源基因,可获得转基因动物,如在老鼠受精卵中注入人的生长素基因,可发育成巨大的超级老鼠。
杂交瘤技术的建立,可以产生单克隆抗体,高度专一性地作用于相应的抗原,不但可以精确快速地诊断病原,而且也有可能发展成为定向导弹药物,治疗某些癌症。当前针对动植物病原,已研制成上百种单克隆抗体,并制成了诊断试剂盒,作为商品出售。
基因工程 现代生物技术的核心。以类似工程设计的方法,按照人们的意志,通过一定程序,将具有遗传信息的基因(DNA片断),在离体条件下,用工具酶加以剪切、组合和拼接,再将人工重组的基因,引入适当的受体中进行复制和表达,使受体获得产生该基因产物的新性状。基因工程的突破(1973年),使某些物种的基因可以超越种间的障碍,引入其他物种的细胞中进行表达,产生原本不能产生的物质和性状。人们已将人的干扰素基因和猪的生长素基因引入大肠杆菌中进行高效表达,从而可以利用大肠杆菌,快速、大量地生产人的干扰素和猪的生长素。此外,原本是细菌的基因也可以引入动、植物细胞中进行表达,使动植物能产生细菌的产物,例如将苏云金杆菌的毒素蛋白(可杀死多种为害作物的鳞翅目幼虫)基因引入植物细胞中,由此发育的植物也能产生这种毒素蛋白,当害虫吃这种植物时就中毒死亡。
现代生物技术是在已有的传统生物技术基础上发展起来的,传统的生物技术要用现代生物技术加以改造,才能发挥更大的经济效益和社会效益。
现代生物技术是多学科综合性的高技术,它的理论基础是分子生物学,同时结合微电子、电子计算机和化工等技术。
生物技术
又称生物工程。以生命科学的研究成果为基础,利用生物体系,以工程学手段生产现代生物制品,创造新物种。现代生物技术主要包括四个领域: 基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程。蛋白质工程被称为第二代生物技术。
传统的生物技术,如酿酒、面包发酵、制药、制革等,利用微生物转化有机物质,促进了化学工业、医药工业、食品工业等的发展。而现代生物技术则将现代生命科学的最新成果与工程学手段结合,制备各种新型生物制品和药物,培养高产优质抗逆的新品种,为解决当前人类所面临的物资和能源、环境与健康、食品和营养等一系列重大问题提出了新的思路,逐渐形成了一批新兴产业。同时,从世界范围来看,现代生物技术的发展对于传统生产技术的改造和产业结构的调整,都会产生深远的影响。一批生物技术公司正在世界各地尤其是发达国家兴起。
现代生物技术主要包含以下几个方面的内容。
基因工程: 现代生物技术的核心技术。它将为优良性状编码的DNA片断(基因),经剪切和重新组合后,导入到无此优良性状的生物体内,而使该生物获得此新性状。由于基因工程可以对生命过程进行安排和重新设计,使原属于某些物种的基因能够跨越物种障碍,导入到原本不含此基因的物种体内,使受体获得全新的性状。这在以前是难以想象的。糖尿病人需要利用胰岛素进行治疗,利用原来的常规手段生产胰岛素,代价极高,现在将胰岛素基因导入到基因工程菌——大肠杆菌体内,大肠杆菌就具有了生产胰岛素的能力,从而大大降低了生产成本,也促进了糖尿病的治疗。
细胞工程: 采用细胞融合或核移植等方法,将外来基因直接导入受体细胞内,从而产生出具有新性状的细胞,培养出生物新物种。在动物育种方面,利用人和家畜的体外受精技术和胚胎移植技术,已成功地培育了试管婴儿,试管牛、羊等。向老鼠的受精卵中注入人的生长素基因,可刺激其生长,使之发育成超级老鼠。在医药领域,单克隆抗体技术的诞生也是细胞工程的产物。单抗体在生物和医学基础研究以及疾病的诊断和治疗中已经成为有力的工具。在植物方面,利用原生质体融合产生杂种,以及向原生质体中引入外源基因,都可以达到改良性状,培养新品种和新物种的目的,这在主要经济作物和粮食作物如棉花、大豆、水稻、小麦、玉米等都已取得了成功。