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生物工程的种类及应用

本科课程论文

课程：

现代工业系统概论

题目：

生物工程的种类及应用

学院：

商学院

班级：

姓名：

学号：

生物工程的概念及应用

摘要：

先说明生物工程产生的背景，接着正文按总分的顺序先对生物工程作了简单的介绍，接着依次介绍了关于生物工程四大种类：

基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程的具体概念、内容、利用的原理、常用的技术手段、操作步骤、优点、发展、应用等，其中着重介绍基因工程，对其具体操作步骤进行了详细解释以及基因工程目前存在的问题和相应的解决办法，其余三部分作了简单的介绍，毕竟高科技的操作技术不是很好理解。

最后对生物工程寄托了自己对其发展的希望。

关键词：

生物工程；基因工程；细胞工程；酶工程；发酵工程

目录

一总述生物工程6

（一）生物工程的概念6

（二）生物工程的种类6

（三）生物工程的发展6

（四）生物工程的应用6

二基因工程7

（一）基因工程的概念7

（二）基因工程的操作步骤7

（三）因工程的优点9

（四）基因工程的作用9

（五）基因工程的应用9

1在动植物方面的应用9

2在环境保护方面的应用10

3在医药卫生方面的应用10

（六）基因工程存在的主要问题及对策10

1主要问题10

2对策及政策建议10

三细胞工程11

（一）细胞工程的概念11

（二）细胞工程的种类11

（三）动物细胞工程11

1常用的技术手段11

2动物细胞工程的大概操作过程11

3动物细胞工程的用途11

（四）植物细胞工程12

1理论基础12

2常用的技术手段12

（五）细胞工程的应用12

四酶工程12

（一）酶工程的概念12

（二）酶工程的分类13

（三）提高酶产量的策略13

1菌种选育13

2条件控制13

（四）优良产酶菌种应具备的条件13

（五）酶工程的应用14

五发酵工程14

（一）发酵工程的概念14

（二）发酵工程的内容14

（三）发酵工程的三个发展阶段14

（四）发酵工程的组成部分14

参考文献16

前言

随着人类社会的不断发展，许多问题日渐浮出水面。

当今世界人口过度膨胀，由此带来了诸多问题，比如：

粮食问题、资源问题。

任何一个指标，其总量再大，只要除以巨大的人口基数，就将变得微乎其微，而这就导致了对资源的不平等分配，也就可能引起战争，带来毁灭。

如果不是为了争夺资源，美国和它的盟友们会加入利比亚战争吗？

再往前追溯，美国会发动伊拉克战争吗？

这中间间隔的时间并不长，2003年到2011年，八年的时间美国打了至少两仗（据我所知的比较大型的），而且其最终目的都是为了石油。

战争带来的收益如果低于成本，战争也不会发生，由此可见，当前资源的稀缺性有多么严重，因为价格是由边际效用决定的，越稀缺的东西价值越高。

再如中国，总以地大物博著称，为什么很少提人均资源占有率呢？

虽然说人口膨胀带来了这些问题，但是当前要解决的不光是要解决人口增长问题，还有资源的开发与利用。

人要存活，吃饭是前提，因为人毕竟不同于神话中的神仙，可以不食人间烟火，由此带来了粥少吃僧多的严峻考验。

为了提高自身在国际中的地位，各国都在努力提高本国的GDP，科技飞速发展，但是在此过程中，人们一味追求物质生活水平的提高，以牺牲自身健康和破坏环境为代价，以致于还有人提出“先污染后治理”的错误方针，现在，大自然开始“回报”人类对它的所作所为了，人类开始意识到了自己当初的行为有多么愚蠢了，于是各种补救办法由此诞生。

以上所述，各种问题相继出现，问题出现了，必须要解决，怎么办呢？

人类开始动脑思考，在这种情况下，生物工程应运而生，当然这里的生物工程指现代生物工程而非传统的生物工程（酿造）。

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。

说到这里，曾问过问过很多人对生物工程的理解，有人说生物工程就是研究ET的，有人说生物工程就是研究基因变异的，还有人说是研究转基因动物的，更有人说是研究蜘蛛侠之类的，由此可见，大家对生物工程的了解是片面甚至错误的，为了对大家的看法做一个补充及纠正，使大家对生物工程有更为正确深入的了解，下面就讲讲生物工程概论吧！

一总述生物工程

（一）生物工程的概念

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。

（二）生物工程的种类

包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等。

（三）生物工程的发展

生物技术的发展可以划分为三个不同的阶段：

传统生物技术、近代生物技术、现代生物技术。

传统生物技术的技术特征是酿造技术，近代生物技术的技术特征是微生物发酵技术，现代生物技术的技术特征就是以基因工程为首要标志。

本文所说的生物技术，是指现代生物技术，也可称之为生物工程。

（四）生物工程的应用

生物技术的应用范围十分广泛，主要包括医药卫生、食品轻工、农牧渔业、能源工业、化学工业、冶金工业、环境保护等几个方面。

其中医药卫生领域是现代生物技术最先登上的舞台，也是目前应用最广泛、成效最显著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域。

生物技术在医药卫生领域的应用主要有以下三个方面：

1.解决了过去用常规方法不能生产或者生产成本特别高的药品的生产技术问题，开发出了一大批新的特效药物，如胰岛素、干扰素等，这些药品可以分别用以防治诸如肿瘤、心脑肺血管、遗传性、免疫性、内分泌等严重威胁人类健康的疑难病症，而且在避免毒副作用方面明显优于传统药品。

2．研制出了一些灵敏度高、性能专一、实用性强的临床诊断新设备，如体外诊断试剂、免疫诊断试剂盒等，并找到了某些疑难病症的发病原理和医治的崭新方法。

3.基因工程疫苗、菌苗的研制成功直至大规模生产为人类抵制传染病的侵袭，确保整个群体的优生优育展示了美好的前景。

我国开发重点是乙肝基因疫苗。

现代生物技术以再生的生物资源为原料生产生物药品，从而可获得过去难以得到的足够数量用于临床的研究与治疗。

二基因工程

（一）基因工程的概念

基因工程是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术，是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内进行复制、转录、翻译、表达的操作，从而获得新物种的一种崭新技术。

（二）基因工程的操作步骤：

第一步：

提取目的基因

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”。

鸟枪法的具体做法是：

用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段，将这些片段分别载入运载体，然后通过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞提供的DNA（即外源DNA）的所有片段分别在各个受体细胞中大量复制（在遗传学中叫做扩增），从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把带有目的基因的DNA片段分离出来，如许多抗虫抗病毒的基因都可以用上述方法获得。

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。

如人的血红蛋白基因胰岛素基因等就可以通过人工合成基因的方法获得。

第二步：

目的基因与运载体结合

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，首先碱基互补配对结合，两个黏性末端吻合在一起，碱基之间形成氢键，再加入适量DNA连接酶，催化两条DNA链之间形成磷酸二酯键，从而将相邻的脱氧核糖核酸连接起来，形成一个重组DNA分子。

如人的胰岛素基因就是通过这种方法与大肠杆菌中的质粒DNA分子结合，形成重组DNA分子（也叫重组质粒）的。

运载体必须具备三个条件：

a.具有能使外源DNA片段组入的克隆位点。

b.能携带外源DNA进入受体细胞，或游离在细胞质中进行自我复制，或整合到染色体DNA上随染色体DNA的复制而复制。

c.必须具有选择标记，承载外源DNA的载体进入受体细胞后，以便筛选克隆子。

第三步：

将DNA重组体导入受体细胞:

目的基因的片段与运载体在生物体外连接形成重组DNA分子后，下一步是将重组DNA分子引入受体细胞中进行扩增。

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。

例如，如果运载体是质粒，受体细胞是细菌，一般是将细菌用氯化钙处理，以增大细菌细胞壁的通透性，使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞。

目的基因导入受体细胞后，就可以随着受体细胞的繁殖而复制，由于细菌的繁殖速度非常快，在很短的时间内就能够获得大量的目的基因。

第四步：

目的基因的检测和表达

目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过检测与鉴定才能知道。

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。

检测的方法有很多种，例如，大肠杆菌的某种质粒具有青霉素抗性基因，当这种质粒与外源DNA组合在一起形成重组质粒，并被转入受体细胞后，就可以根据受体细胞是否具有青霉素抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因。

重组DNA分子进入受体细胞后，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达过程。

（三）基因工程的优点：

克服了远缘杂交不亲和的障碍

（四）基因工程的作用：

基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段

（五）基因工程的应用

1在动植物方面的应用

运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。

1.转基因鱼（生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼）

2.转基因牛（乳汁中含有人生长激素的转基因牛）

3.转黄瓜抗青枯病基因的甜椒

4.转鱼抗寒基因的番茄

5.转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯

6.不会引起过敏的转基因大豆

7.超级动物（导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠）

8.特殊动物（导入人基因具特殊用途的猪和小鼠）

9.抗虫棉（苏云金芽胞杆菌可合成毒蛋白杀死棉铃虫，把这部分基因导入棉花的离体细胞中，再组织培养就可获得抗虫棉）

2在环境保护方面的应用

基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。

利用基因工程培育的指示生物能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。

3在医药卫生方面的应用

1.基因工程药品的生产

（1）基因工程胰岛素

（2）基因工程干扰素

（3）其他基因工程药物

2.基因诊断与基因治疗

（六）基因工程存在的主要问题及对策

1主要问题

（1）同种产品生产厂家过多，造成市场恶性竞争，严重影响产业的健康发展

（2）融资渠道单一、产业发展资金不足：

（3）医药市场竞争无序，行业不正之风盛行：

（4）企业管理相对滞后，技术兼经营型人才匮乏

2对策及政策建议

（1）制定产业发展战略规划，强化财政税收优惠政策

（2）大力加强基因工程创新药物的研制和生产

（3）积极引导培育风险投资市场

三细胞工程

（一）细胞工程的概念

细胞工程是指以细胞为对象，应用生命科学理论，借助工程学原理与技术，有目的地利用或改造生物遗传特性，以获得特定的细胞、组织产品或新型物种的一门综合性科学技术。

（二）细胞工程的种类

根据细胞类型的不同，可以将细胞工程分为两类：

动物细胞工程和植物细胞工程

（三）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

2动物细胞工程的大概操作过程

动物细胞杂交或细胞融合是将两个不同种的亲本细胞A和B，以灭活的仙台病毒或聚乙二醇为融合诱导剂，使A和B两细胞融合成为一个具两个遗传性不同核的异核体（如遗传性相同的核融合在一起叫同核体）。

随后异核体经有丝分裂成为两个具有A和B两亲本的杂种融合核。

AB杂种经多次分裂，B亲本的染色体会逐渐减少到一个或完全消失

3动物细胞工程的用途

制备单克隆抗体

（四）植物细胞工程

1理论基础：

植物细胞的全能性

2常用的技术手段：

植物组织培养、植物体细胞杂交

植物体细胞杂交过程

①原生质体的分离

植物细胞之间有果胶质粘连，每个细胞之外还有一层纤维素组成的壁，因此，在分离原生质体时，首先要在一定浓度的酶液（果胶酶与纤维素酶）中保温，消去果胶质与纤维素后才能使原生质体分离出来。

②原生质体的融合。

不同种之间原生质体的融合，须选用一种融合诱导剂（聚乙二醇）诱导融合。

它们的诱导率可达20～50%。

③杂种细胞的选择与培养。

细胞融合后要把杂种细胞选择出来,一般都利用各种生化指标和遗传标记来选择和鉴定。

（五）细胞工程的应用

1.粮食与蔬菜生产

2.园林花卉

3.临床医学与药物

4.繁育优良品种

四酶工程

（一）酶工程的概念

酶工程就是将酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。

（二）酶工程的分类

包括酶制剂的制备，酶的固定化，酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。

（三）提高酶产量的策略

1菌种选育

（1）诱变育种

（2）基因工程育种

<1>改变细胞调节基因，使菌种由诱导性变为组成型

<2>增加结构基因的拷贝数，增加细胞专一性酶的生产。

2条件控制

（1）添加诱导物：

包括酶的作用底物、反应产物和底物类似物，其中酶的底物类似物最有效，不能被酶作用或很少作用。

（2）降低阻遏物浓度：

避免使用葡萄糖，采用较难利用的淀粉，避免培养基过于丰富，采用补料分批培养方式，分次流加碳源。

（3）添加表面活性剂：

采用诱导物或降低阻遏物浓度的方法解决成本问题和操作问题，有时采用添加表面活性剂来促进酶的分泌。

原理：

细胞内酶含量提高到一定程度，会被细胞内蛋白酶分解，加入表面活性剂可使胞内酶未被分解即被释放到胞外，因为表面活性剂有助于改善细胞通透性。

（4）添加产酶促进剂：

酶促进剂对不同细胞、不同酶的作用效果各不相同，需通过试验选用适当的产酶促进剂并确定最适浓度

（四）优良产酶菌种应具备的条件

（1）酶产量高

（2）易培养（生长速率高、营养要求低）

（3）遗传性能稳定，不易退化

（4）易分离提纯

（5）安全可靠（不是致病菌）

（五）酶工程的应用

集中于食品工业，轻工业以及医药工业

五发酵工程

（一）发酵工程的概念

发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。

（二）发酵工程的内容

包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等。

（三）发酵工程的三个发展阶段：

农产手工加工、近代发酵工程、现代发酵工程

（四）发酵工程的组成部分：

上游工程，中游工程和下游工程。

上游工程包括优良种株的选育、最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定、营养物的准备等。

中游工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。

根据不同的需要，发酵工艺上还分类批量发酵：

即一次投料发酵、流加批量发酵、连续发酵。

在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。

下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术：

包括固液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离等工艺），细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等），蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空干燥和冰冻干事燥等）。

总之，生物工程如果发展的好的话，人类将受益无穷，但是在发展的同时，也要注意GDP的绿色增长。

生物工程在将来的某一天，会治愈一些在现在看来是不治之症的顽疾，如癌症（在治疗癌症方面单克隆抗体诊断试剂有很大的潜力，单克隆抗体的作用过程类似于导弹，治癌症的药物放在弹身上，弹头控制方向，“发射”的单克隆抗体进入人体后，直奔目标细胞——癌细胞，命中率高），这样人类也可以在没有号称“妙手回春”的华佗的时代里延年益寿，提高人均寿命，当然这仅仅是一个很小的方面。

任何事物的发展都需经历一个长期的过程，本着物极必反的自然法则，在发展生物工程的同时把握好度的问题，因为欲速则不达，逐一剔除发展过程中的种种障碍，当今社会的大部分问题（如健康、环境、资源和能源问题等）会随着生物工程的发展慢慢解决，世界上战争会越来越少，人类社会会得以持续稳定地发展，人们的幸福指数会越来越高，期待明天会更好！

参考文献：

[1]梦中雨90.生物工程在生物领域中的发展［EB/OL］

[2]水云深浪.基因工程［EB/OL］

2011-03-19

[3]水云深浪.细胞工程［EB/OL］

2011-11-28

[4]zhangchem66.酶工程［EB/OL］

2011-06-15

[5]xiajiucheng.发酵工程［EB/OL］

2011-07-31