生物工程在生物领域中的发展

摘要: 现代生物技术(生物工程)是指对生物有机体在分子、细胞或个体水平上通过一定的技术手段进行设计操作，为达到目的和需要，以改良物种质量和生命大分子特性或生产特殊用途的生命大分子物质等。包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程，其中基因工程为核心技术。由于生物技术将会为解决人类面临的重大问题如粮食、健康、环境、能源等开辟广阔的前景，它与计算器微电子技术、新材料、新能源、航天技术等被列为高科技，被认为是21世纪科学技术的核心。世界各大医药企业瞄准目标，纷纷投入巨额资金，开发生物技术，展开了面向21世纪的空前激烈竞争。本文介绍有关生物工程的四大工程，即基因工程、细胞工程、蛋白质工程和发酵工程的概念和发展。

关键词：基因工程 ， 细胞工程 ， 发酵工程 ，蛋白质工程 。

正文：

1 基因工程

1.1 基因工程的概念

遗传工程，又称基因工程，是利用DNA 重组技术，将目的基因与载体DNA 在体外进行重组，然后把这种重组DNA 分子引入受体细胞，并使之增殖和表达的技术[1]。遗传工程与传统培育方式不同之处，在于物种在传统培育方式中透过间接的形式变更，而遗传工程是直接变更其基因。遗传工程透过分子选殖和转化来直接改变基因的构造与特性。现时，遗传工程已在多项应用里取得成果。当中有不少例子都应用于改良农作物，又或为医学研究提供实验品。

1.2 基因工程的基本操作步骤

1.2.1 取得符合人们要求的DNA 片段

要从浩瀚的“基因海洋”中获得特定的目的基因，是十分不易的。科学家们经过不懈地探索，想出了许多办法，其中主要有两条途径：一条是从供体细胞的DNA 中直接分离基因；另一条是人工合成基因。 直接分离基因最常用的方法是“鸟枪法”，又叫“散弹射击法”。用鸟枪法获得目的基因的优点是操作简便，缺点是工作量大，具有一定的盲目性。又由于真核细胞的基因含有不表达的DNA 片段，一般使用人工合成的方法。 目前人工合成基因的方法主要有两条。一条途径是以目的基因转录成的信使RNA 为模版，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需要的基因。另一条途径是根据已知的蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA 序列，然后按照碱基互补配对的原则，推测出它的基因的核苷酸序列，再通过化学方法，以单核苷酸为原料合成目的基因。

1.2.2 目的基因与运载体结合

这是基因工程的核心。将目的基因与运载体结合的过程，实际上是不同来源的DNA 重新组合的过程。如果以质粒作为运载体，首先要用一定的限制酶切割质粒，使质粒出现一个缺口，露出黏性末端。然后用同一种限制酶切断目的基因，使其产生相同的黏性末端。将切下的目的基因的片段插入质粒的切口处，再加入适量DNA 连接酶，质粒的黏性末端与目的基因DNA 片段的黏性末端就会因碱基互补配对而结合，形成一个重组DNA 分子。

1.2.3 将目的基因导入受体细胞

基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌，枯草杆菌，土壤农杆菌，酵母菌和动植物细胞等。 用人工方法使体外重组的DNA 分子转移到受体细胞，主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。

1.2.4 目的基因的检测与鉴定

以上步骤完成后，在全部的受体细胞中，真正能够摄入重组DNA 分子的受体细胞是很少的。因此，必须通过一定的手段对受体细胞中是否导入了目的基因进行检测。

1.3 基因工程的新发展

信息技术的发展改 变了人类的生活方式，而基因工程的突破将帮 助人类延年益寿。目前，一些国家人口的平均寿命已突破80 岁，中国也突破了70 岁。有科学家预言，随着癌症、心脑血管 疾病等顽症的有效攻克 ，在 2020 至2030 年间，可能出现人口平均寿命突破 100 岁的国家。到 2050 年，人类的平均寿命将达到 90 至95 岁。随着人类基因组研究工作的进一步深入 ，生命科学和生物技术将随着新的世纪进入新的纪元。

2 细胞工程

2.1 细胞工程的概念

细胞工程是指应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法，按照人们的需要和 设计，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞的结构和内含物，以改变生物的结构和功 能，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的生物工程技术。

2.2 细胞工程的种类

根据细胞类型的不同，可以把细胞工程分 为植物细胞工程和动物细胞工程两大类。

2.21 植物细胞工程

（1）常用技术手段：植物组织培养，植物体细胞杂交。

（2）理论基础：植物细胞的全能性。

（3）植物组织培养

（4）植物体细胞杂交

2.2.2 动物细胞工程

（1）常用的技术手段：动物细胞培养、动物细胞融合、单克隆抗体、胚胎移植、核移植等（动物细 胞培养技术是其他动物 细胞工程技术的基础）

（2）动物细胞培养

动物细胞能够分泌蛋白质，如抗体等。但是单个细胞分泌的蛋白质的量是很少的，要借助于大规模的 动物细胞培养获得大量 的分泌蛋白。

（3）动物细胞培养技术的应用

生产许多有重要价值的蛋白质生物制品，如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等。

（4）动物细胞融合

动物细胞融合技术最重要的用途，是制备单克隆抗体。

（5）单克隆抗体

要想获得大量的单一抗体，必须用单个B 淋巴细胞进行无性繁殖，也就是通过克隆，形成细胞群，这样的细胞群就有可能产生出化学性质单一、特异性强的抗体——单克隆抗体。

（6）单克隆抗体的应用

“生物导弹”，将药物定向带到癌细胞所在部位，消灭了癌细胞不伤害健康细胞。

2.3 细胞工程的应用

2.3.1 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。我国在这一领域已达到世界先 进水平，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。其中河南省农科院培育的小麦新品种，具有抗倒伏、抗锈病、抗白粉病等优良性 状。

2.3.2 临床医学与药物

近年来，应用单克隆抗体可以检查出某些还尚无临床表现的极小肿瘤病灶，检测心肌梗死的部位和面积，这为有效的治疗提供方便。单克隆抗体并已成功地应用于临床治疗，主要是针对一些还没有特效药的病毒性疾病，尤其适用于抵抗力差的儿童。。

生物药品主要有各种疫苗、菌苗、抗生素、生物活性物质，抗体等，是生物体内代谢的中间产物或 分泌物。过去制备疫苗是从动物组织中提取，得到的产量低而且很费时。现在，通过培养、诱变等细胞工程或细胞融合途径，不仅大大提高了效率，还能制备出多价菌苗 ，可以同时抵御两种以 上的病原菌的侵害。

2.3.3 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。精液和胚胎的液氮超低温（-196 摄氏度）保存技术的综合使用，使优良公畜、禽的交配数与交配范围大为扩展，并且突破了动物交配的季节限制。另外，可以从优良母畜或公畜中分离出卵细胞与精子，在体外受精，然后再将人工控制的新型受精卵种植到种质较差的母畜子宫内，繁殖优良新个体。综合利用各项技术，如胚胎分割技术、核移植细胞融合技术、显微操作技术等，在细胞水平改造卵细胞，有可能创造出高产奶牛、瘦肉型猪等新品种。特别是干细胞的建立，更展现了美好的前景。

2.4 细胞工程的发展

细胞工程已经渗透到人类生活的许多领域，取得了许多具有开发性的研究成果，有的在生产中推广，收到了明显的经济和社会效益。随细胞工程技术研究的不断深入，它的前景和产生的影响将会日益地显示出来。 动物细胞培养工程发展的总方向是:大型化、自动化、精巧化、低成本、高细胞密度、高目的产品产量。

3 蛋白质工程

3.1 蛋白质工程的概论

所谓蛋白质工程，就是利用基因工程手段，包括基因的定点突变和基因表达对蛋白质进行改造，以期获 得性质和功能更加完善的蛋白质分子。

3.2 蛋白质工程的基本途径

从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的核糖核苷 酸序列（RNA）→找到相对应的脱氧核糖核苷 酸序列（DNA）

3.3 蛋白质工程的核心内容

3.3.1 蛋白质结构分析

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。三维空间结构的测定是验证蛋白质设计的假设即证明是新结构改变了原有生物功能的必需手段。晶体学的技术在确定蛋白质结构方面有了很大发展，但是最明显的不足是需要分离出足够量的 纯蛋白质（几毫克～几 十毫克），制备出单晶体，然后再进行繁杂的数据收集、计算和分析。

3.3.2 结构、功能的设计和预测

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。虽然这方面的工作尚在起步阶段，但可 预见将来能建立一套完 整的理论来解释结构与 功能之间的关系，用以设计、预测蛋 白质的结构和功能。

3.3.3 创造和改造

蛋白质的改造，从简单的物理、化学法到复杂的基因重组等等有多种方法。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。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。

蛋白质融合将编码一种蛋白质的部分基因移植到另一种蛋白质基因上或将不同蛋白质基因的片段组合 在一起，经基因克隆和表达，产生出新的融合蛋 白质。这种方法可以将不同蛋白质的 特性集中在一种蛋白质 上，显著地改变蛋白质 的特性。现在研究的较多的所谓“嵌合抗体”和“人缘化抗体”等，就是采用的这种方法。

3.4 蛋白质工程的实际应用

3.4.1 提高蛋白质的稳定性

葡萄糖异构酶在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，朱国萍等人在确定第138位甘氨酸为目标氨 基酸后，用双引物法对葡萄糖异构酶基因进行体外定点诱变，以脯氨酸替代目标氨基酸，含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达，结果突变型葡萄糖异构酶比野生型的热半衰期长一倍；最适反应温度提高10～12℃；酶比活相同。据分析，脯氨酸替代目标氨基酸后，可能由于引入了一个吡咯环，该侧链刚好能够填充于目标氨基酸附近的空洞，使蛋白质空间结构更具刚性，从而提高了酶的热稳定性。

3.4.2 融合蛋白质

脑啡肽)N 端5 肽线形结构是与 δ型受体结合的基本功能区域，干扰素）是一种广谱抗病毒抗肿瘤的细胞因子。黎孟枫等人化学合成了脑啡肽 N 端5 肽编码区，通过一连接3肽编码区与人α1 型干扰素基因连接 ，在大肠杆菌中表达了这一融合蛋白。以体外人结肠腺癌细胞和多形胶质瘤细胞 为模型，采用 3H－胸腺嘧啶核苷掺入法证明该融合蛋白抑制肿瘤细胞生长的活性显著高于单纯的干扰素，通过Naloxone 竞争阻断实验证明，抑制活性的增高确由脑啡肽导向区介导。

3.4.3 蛋白质活性的改变

通常饭后 30～60min，人血液中胰岛素的含量达到高峰，120～180min 内恢复到基础水平。而目前 临床上使用的胰岛素制 剂注射后120min 后才出现高峰且持续180～240min，与人生理状况不符。实验表明，胰岛素在高浓度（大于10－5mol/L）时以二聚体形式存 在，低浓度时（小于 10－9mol/L）时主要以单体形式存在。设计速效胰岛素原则就 是避免胰岛素形成聚合体。

3.4.4 治癌酶的改造

3.4.5 嵌合抗体和人缘化抗体

免疫球蛋白呈 Y 型，由二条重链和二条轻链通过二硫键相互连接而构成。每条链可分为可变区（N 端）和恒定区（C 端），抗原的吸附位点在可变区，细胞毒素或其他功能因子的吸附 位点在恒定区。每个可变区中有三个部分在氨基 酸序列上是高度变化，在三维结构上是处在β折叠端头的松散结构（CDR），是抗原的结合位点，其余部分为松散结构的支持结构。不同种属的松散结构是保守的，这样就可以通过蛋白质工程对抗体进行改造。

3.4.6 蛋白质工程进展

当前，蛋白质工程是发展较好、较快的分子工程。这是因为在进行蛋白质分子设计后，已可应用高效的基因工程来进行蛋白的合成。最早的蛋白工程是福什特（Forsht）等在1982—1985 年间对酪氨酰—t—RNA 合成酶的分子改造工作 。1预测结构的模型法，在奠定分子生物学基础时起过重大作用。蛋白的一级结构，包含着关于高级结构的信息这一点 已日益明确。结合模型法，通过分子工程来预测 高级结构，已成为人们所瞩目的问题了。

4.结论和展望

蛋白质工程取得的进展 向人们展示出诱人的前 景。例如，科学家通过 对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。如今，生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面 。用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点，因此有极为广阔的发展前景 。

　 蛋白质是生命的物质基础，没有蛋白质就没有生命。因此，它是与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一起的物质。机体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与。最近几年各国的管理人员更加重视对蛋白质的研究和探索。

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