辽宁工程技术大学 生物技术概论课程知识点总结.docx

1、辽宁工程技术大学 生物技术概论课程知识点总结第一章 生物技术概述第一节生物技术的定义一、生物技术生物技术英文为Biotechnology，有时也被人们称为生物工程它作为一门应用学科与一些基础学科。如微生物学、遗传学、分子生物学、细胞生物学、生物化学、化学、物理学、数学等都有密切的关系。广义地讲，（定义） “生物技术就是人们运用现代生物科学、工程学和其他基础学科的知识，按 照预先的设计，对生物进行控制和改造或模拟生物及其功能，用来发展商业性加工、产品生 产和社会服务的新兴技术领域。二、生物技术的内容在我国， 年国家科委制定枟中国生物技术政策纲要枠时，经专家们共同讨论认定，生物技术共包括基因工程、

2、细胞工程、酶工程、发酵工程四个方面一般认为，生物技术包括四个方面： （）基因工程：主要涉及一切生物类型所共有的遗传物质核酸的分离、提取、体外 剪切、拼接重组以及扩增与表达等技术。 （）细胞工程：包括一切生物类型的基本单位细胞（有时也包括器官或组织）的离 体培养、繁殖、再生、融合以及细胞核、细胞质乃至染色体与细胞器（如线粒体、叶绿 体 等）的移植与改建等操作技术。 （）酶工程：指的是利用生物体内酶所具有的特异催化功能，借助固定化技术，生物反 应器和生物传感器等新技术、新装置，高效、优质地生产特定产品的一种技术。 （）发酵工程：也有人称为微生物工程，就是给微生物提供最适宜的发酵条件生产特定 产品的

3、一种技术。第二节生物技术的发展史一、生物技术的发展经历了三个阶段，即： 发酵原理的创建； 深层通气培养法的建立；基因重组技术的发明。二、发酵原理的创建1.巴 斯 德 灭 菌 法2.维尔赫尔特开发了霉的纯种培养技术三、深层通气培养法的建立生物技术的第一次飞跃以青霉素工业生产为标志的深层通气培养法的建立代表了生物技术发展的第一次飞跃。时间是年。（弗莱明）四、基因重组技术的发明生物技术的第二次飞跃第三节生物技术的优越性（大题）一、不可取代性生物技术能完成一般常规技术所不能完成的任务，能生产出其他方法所无法生产或难以生产的产品。人类第一次分离得到它是在年，经过了次的努力，用了万个羊脑，得到m g样 品

4、，后来也用化学法合成，但是m g价格仍在多美元。基因工程方法成功以后， 畅 L大肠杆菌发酵就可得m g，成本仅几十美分，类似这样的例子十分多。二、快速、精确单克隆抗体检查妇女妊娠比用血清法检查进一步提高了灵敏度，三、低耗、高效比如从猪的垂体中 提 取生 长 激素。如果 使 用 经典 方法，提取畅 g的 生 长 素需 要 大 约头猪的垂体，而畅 g生长素仅能满足一头猪的需要。如果采用生物技术， 年已可 以从每升细菌培养液中提取畅 g生长素。四、副产物少、副作用小、安全性好第四节生物技术在各个领域的应用（大题）一、生物技术与农业（一）生物技术与种植业 生物技术在品种改良中的应用 常规育种工作在改善

5、品种和增强抗逆性等品种改良方面已经作出了很大的贡献，但育种 周期长，工作量大，特别是存在提高产量、改善品质和增强抗逆性难以兼得等问题，而生物 技术在这方面已经取得了举世瞩目的成功，展现出了非常诱人的前景。 （）细胞技术 细胞技术应用于植物育种工作的理论基础是植物细胞的“全能性” 。所谓“全能性”即 把植物体的某个器官，甚至是单个细胞分离出来后单独培养都分化再生出完整植株，而且在 植物细胞培养中发生变异的频率要比植物自然生长中发生变异的频率高上万倍，因而获得有 用变异的机会也就大得多。这项技术与传统育种技术相比还具有利用空间小、育种周期短的优点；与基因技术相比 又显示出设备简单、耗资低廉和操作方

6、便等优点。我国的作物育种细胞技术一直处于世界先进行列，在生产上已取得明显效益的有以下几种花粉培养。这是育种学家利用单倍体的有效手段。我国在这方面的成就已被世界 公 认。在世界上培育成功的余种花药培养再生植株中，我国占种以上，而且由于技术 配套，小麦、水稻、烟草等作物新品种种植面积已达数百万亩。 细胞和原生质体培养。由于发生变异的频率高，变异类型丰富多样，这一方法已被育 种学家作为获得有益变异的重要手段之一。有益变异可以用特殊的生化指标进行筛选，也可 以与一些病原物共同培养或施加选择压力进行筛选。由于处理的群体大，且可以在实验室中 进行，所以周期短、效率高。用这种方法目前已在抗盐、抗病和抗除草剂

7、的突变体方面取得 显著成绩。 脱除植物病毒。植物病毒病是一类重要的植物病害。病毒危害植物的一个重要特点，就是在植物营养器官中是系统分布的，许多用无性繁殖的植物一旦感染病毒后，就会世世代 代传下去，对产量影响极大。生物技术专家用显微手术从感染病毒的植株上把茎尖部分极微 小的一团组织切下去，经组织培养以后的再生植株就成为所谓的“脱毒苗” 。实践证明，经 脱毒处理的土豆、草莓、大蒜、百合、甘蔗等作物的产量都可以成倍增加。 细胞融合技术。细胞融合技术是世纪年代发展起来的，遗传学家正在用这一技 术来排除远缘杂交时的不亲和障碍。科学家们已成功地进行了大豆与水稻细胞的融合、黑麦 草与小麦细胞的融合、白菜与甘

8、蓝的融合，为进一步培育农作物新品种打下了基础。 （）基因技术 作物品种改良中的基因技术，也可以称作植物基因的“移花接木” 。基因技术对于作物 育种的最重要意义是它完全打破了物种的界限。国内外生物技术专家已成功地在数十种植物 上完成了上百项试验，许多转基因植物已经育成。 植物抗病毒基因工程。目前已在抗病毒植物基因工程中取得成功。采用目的基因包括 病毒外壳蛋白基因、卫星RN A、DN A和病毒的反义R N A等。我国科学工作者培育的优质 香料烟品种已于世纪年代末期进入大田试验，抗病性、产量和品质等各项指标均为优 良，超过引进品种和进口烟草。我国在世纪年代后期也获得了转基因黄瓜、烟草和番 茄，对病毒

9、复制有明显的抑制作用。 植物抗病虫基因工程。可望在今后几年进入大规模试验的作物有烟草、番茄、棉花、马铃薯、玉米、大豆、油菜、苜蓿等。我国的抗病虫转基因植株已经获得，但在表达上还在 进一步改进。 植物抗除草剂基因工程。这是一项比较成功的基因工程。目前至少已培养出镇草宁等种以上抗除草剂的转基因植物，这将给农业上带来很多方便，可以促进除草剂的大面积使 用，而不必担心作物本身受害。 改变作物蛋白质含量和组成的基因工程。人们希望提高植物的蛋白质含量，也希望改 善蛋白质中氨基酸的组成。目前，科学家已经可以用基因工程技术将谷物种子的蛋白质总量 提高 左右。 生物技术在良种繁育中的应用（）快速繁殖。又称微体繁

10、殖，是用组织培养方法将小块植物组织在室内迅速、大规模 繁殖的技术。它对于生长缓慢的名贵花卉、林木果树和濒临灭绝的珍稀植物具有特殊意义。现在的植物快速繁殖已经可以用工业化方式经营和生产。 （）人造种子。科学家从植物细胞具有“全能性”这个基本理论出发，在组织培养技术 的基础上发明了人造种子技术。与天然种子相比，人造种子有许多优点，如解决了有些作物 品种繁殖能力差、结籽困难或发芽率低等问题，人造种子可以工业化生产，从而提高农业的 自动化程度等等。 生物固氮（）研究固氮机制。从机制研究中找出提高固氮微生物固氮能力的方法。美国科学家用 基因工程技术 改 造 了 大 豆 和 苜 蓿 根 瘤 菌 的 固 氮

11、 酶 基 因，最 终 使 这 两 种 作 物 的 产 量 提 高 了 。我国科学家由于把一种快速生长因子导入到大豆根瘤菌，提高结瘤量，也明显增加了 大豆的产量。 （）使非豆科植物固氮。在这方面，我国的科学家作出了一定成绩，有科技人员分离培 养了株固氮能力较强的固氮细菌，制成菌肥后拌种，使小麦增产 ，而且提高 了小麦的蛋白质含量。 （）固氮的植物基因工程。生物技术学家希望把微生物的固氮基因转移到非豆科植物中 去，从而使这些作物本身具有固氮能力，这是一项难度很大的课题，全世界的科学家都为此 倾注了大量的心血。 （二）生物技术与养殖业 生物技术在畜禽疾病防治中的应用 当前，影响畜牧业发展的最大问题，

12、仍然是疾病问题，包括传染性和非传染性疾病。近年来，分子生物学研究在畜禽疾病防治方面取得了重大进展。兽医科学家已经分离、克 隆和研究了在免疫学上发生作用的许多基因，从而向控制和消灭畜禽疾病的目标迈出了一大 步。 （）核酸探针技术。这是世纪年代发展起来的一项全新的疾病诊断技术，正越来 越多地用于兽医微生物学的基础研究和重要的兽医传染病的诊断，如从临床样品中准确地检 测出微量病原的D N A或R N A，鉴别强弱毒株或疫苗株与野毒株，微生物的分型，病原基 因图谱分析，检测潜伏感染或带菌动物，流行病学调查和食品安全性检验等。我国研制的核 酸探针多处于实验室研究阶段，但已充分显示出具有实际应用价值的光明

13、前景。 （）单克隆抗体。直接用于农牧业实践和研究的单克隆抗体试剂已形成了一个强大的产 业。 “六五”和“七五”以来，我国在农牧业方面单克隆抗体的研究发展很快，取得了多项 研究成果，有的已在较大范围推广应用，获得了显著的经济效益和社会效益。 （）基因工程疫苗。通过基因组分析和分子克隆化的方法，已经能够对许多传染性病原 体在免疫学上起作用的基因进行鉴定和分离，并将这种具有特定性质的基因转入到经人工改 造已无危害的微生物表达系统中。兽医生物制品学领域一直是基因工程产品的最早受益者，如细菌基因工程疫苗、病毒基因工程疫苗、寄生虫基因工程疫苗、真菌基因工程疫苗等。 应用生物技术改良畜禽品种 地球上的人口突

14、破了亿大关，每年需要大量的蛋、奶及肉类食品，现有的常规手段 很难满足这种迅速增长的人口需要。目前，世界上许多发达国家和发展中国家都在研究和探 索应用生物技术大幅度提高畜禽生产力。 （）激素基因工程。目前，已知可利用基因工程方法生产的人和动物的激素至少有几十 种，尤为突出的是生长激素的开发，它对人和动物的生长发育和成熟起调控作用，可提高动物对饲料的利用率，减少脂肪。现在利用基因工程技术已获得了大量的人、牛、猪、鸭及鱼 类的生长激素。 （）基因工程育良种。为了增加畜禽对疾病和内外寄生虫的遗传抵抗力，利用基因工程 的方法将一种家畜的抗病基因插入到另一种家畜的遗传物质中去，培育出对某种疾病具有遗 传抵

15、抗力的转基因动物。目前在养禽业方面，已能够应用分子生物学方法鉴别出与疾病抵抗 力有关的染色体区段以及其他性状的部位，并能够把区段基因分离出来，然后再整合到鸡的 染色体中去，培育出抵抗某种疾病的转基因鸡。在哺乳动物中则将这类基因导入精子中，通 过人工受精，培育出转基因动物。此外，为了提高畜禽的生产品质，人们利用基因工程技术 与胚胎移植技术结合，将一种家畜的有益基因经过显微注射，借助逆转录病毒感染胚胎，或 胚胎干细胞导入另一家畜遗传物质中，培育出理想的畜禽品种，这是常规选择交配法所办不 到的。 （）试管动物。将体外受精后的受精卵移植到受体动物后所产生的后代称为试管动物。体外受精技术能充分利用优良种

16、畜，利用屠宰母畜的卵巢，生产大量廉价的良种胚胎，提高 畜牧业生产，促进品种改良。世界上已有第一家公司采用体外受精技术生产牛胚胎。我国在 技术和设备上也已具备在实验室生产牛胚胎条件，并已试行开发。 （）胚胎分割。这是使用显微操作将胚胎分割开来的一种技术。胚胎分割可以成倍地增 加胚胎数量，有利于良种扩群，可培育出相同遗传性的同卵孪生动物，为药物学、医学、生 物学研究生产理想的动物；便于深入研究胚胎单个卵裂的发育能力及全能性，间接控制性 别；对进行后裔测定、诱导母牛产双犊有重要意义。到目前为止，胚胎分割技术已在绵羊、牛、兔、马、山羊、小鼠、猪等动物上获得成功，在发达国家，胚胎分割技术已用于畜牧业生产

17、。第二章 发酵工程 第一节发酵工程的概述发酵工程（Fermentation engineering）又称为微生物工程，是利用微生物制造工业原料 与工业产品并为人类提供服务的技术。发酵工程基本上可以分为发酵和提取两大部分实践证明，发酵工程不仅是开发微生物资源的一项关键技术，同时也是生物技术产业化 的重要环节。现代发酵工业已经形成完整的工业体系，包括抗生素、氨基酸、维生素、有机 酸、有机溶媒、多糖、酶制剂、单细胞蛋白、基因工程药物、核酸类物质及其他生物活性物 质等。二、发酵工程发展的四大阶段第一阶段， 世纪以前时期，人类利用传统的微生物发酵过程来生产葡萄酒、醋、酱、奶酪等食品，我们的祖先甚至可以凭

18、借经验将这些过程控制和完善到惊人的程度，但还谈不（补齐）第二阶段，到了世纪初，人们发现某些梭菌能够引起丙酮丁醇（代表物）的发酵。（无氧发酵）。第三阶段，发酵工业大发展时期，青霉素工业化成功推动了发酵工业的发展。 年，弗莱明发明青霉素，从 此 生 产 产 品 中 增 加 了 一 大 类 新 的 产 品抗 生 素。年终于正式实现了青霉素的工业化生产。 克服技术难题：大量无菌空气的制备技术、中间无菌取样技术、设备的设计技术，等。 第四阶段，基因工程等高新技术应用阶段。三、发酵工程的研究内容酿酒业（啤酒、葡萄酒、白酒 ） 厌氧发酵 调味品（酱油、醋）酵母工业自然发酵 氨基酸发酵典型的代谢控制发酵 抗菌

19、素发酵次级代谢控制发酵 酶制剂工业具有重要的意义，是工业发展的基础、科学研究基础 好氧发酵 有机酸工业柠檬酸、葡萄酸、乳酸、琥珀酸等 石油发酵降低石油熔点（石油脱蜡）有机溶剂工业乙醇、丙醇等 维生素发酵Vc、VB环境工业废水的生物处理，废弃物的生物降解 发酵工程的生产可归纳为三大类： （）细胞的生产。如酵母、细菌、霉菌和真菌（包括食用菌）的生产等。 （）酶类的生产。如各个酶种、（）代谢 产 品。如 工 业 溶 剂（酒 精、丙 酮、丁 醇 等） 、有 机 酸（乙 酸、乳 酸、柠 檬 酸 等） 、氨基酸（谷氨酸、赖氨酸、丙氨酸等） 、维生素（B族维生素、维生素C等） 、核苷和 核苷酸（A T P、

20、A M P、肌苷等） 。近年来，一些激素、胰岛素、干扰素、抗体、疫苗等也可 用发酵法生产。四、发酵工程反应过程的特点 图2唱1发酵工程的应用与化学工程相比，发酵工程反应过程具有以下特点： （）作为生物化学反应，通常是在温和的条件（如常温、常 压、弱酸、弱碱等）下 进 行。 （）原料来源广泛，通常以糖、淀粉等碳水化合物为主。 （）反应以生命体的自动调节方式进行，若干个反应过程能够像单一反应一样，在单一 反应器内很容易地进行。 （）发酵产品多数为小分子产品，但也能很容易地生产出复杂的高分子化合物，如酶、核苷酸的生产等。 （）生产发酵产物的微生物菌体本身也是发酵产物，富含维生素、蛋白质、酶等有用物

21、质。除特殊情况外，发酵液一般对生物体无害。 （）由于生命体特有的反应机制，能高度选择性地进行复杂化合物在特定部位的氧化、还原官能团导入等反应。 （）要特别注意防止发酵生产操作中的杂菌污染，一旦发生杂菌污染，一般都会遭受损 失。 （）通过微生物菌种的改良，能够利用原有设备较大幅度地提高生产水平。注意：发酵过程中也有一些问题应引起注意，如： （）底物不可能完全转化为目标产物，副产物的产生不可避免，因而造成提取和精制的 困难。 （）微生物反应是活细胞的反应，产物除受环境因素影响外，还受细胞内因素的影响，并且容易发生变异，影响反应物的生成率，实际控制也相当困难。 （）生产前准备工作量大，花费高。相对化

22、学的反应而言，反应器效率较低。 （）发酵中，因底物浓度不能过高，从而导致要使用较大体积的反应器。 （）发酵废水常具有较高的COD和BOD，需要进行处理方可排放。 第二节微生物工业菌种与培养基微生物：个体微小、构造简单、必须借助显微镜才能 看清它们的外形的一群微小生物。其中细菌、放线菌、酵母和霉菌等已广泛应用于发酵工业。微生物具有种类多、繁殖快、分布广、易培养、代谢能力强和容易变异等特点，并且在 生产中不易受时间、季节、地区的限制。一、发酵工业对菌种的要求选择菌种应遵循以下原则： （）能在廉价原料制成的培养基上迅速生长，并生成所需的代谢产物，产量高。 （）可以在易于控制的培养条件下（糖浓度、温度

23、、pH、溶氧量、渗透压等）迅速生 长和发酵，且所需酶活力高。 （）生长速度和反应速度较快，发酵周期短。 （）根据代谢控制要求，选择单产高的营养缺陷型突变菌株、调节突变菌株或野生 菌 株。 （）选择抗噬菌体能力强的菌株，使其不易感染噬菌体。 （）菌株性状稳定，不易变异退化，以保证发酵生产和产品质量的稳定性。 （）菌种不是病原菌，不产生任何有害的生物活性物质和毒素（包括抗生素、激素、毒素）。二、工业常用的微生物菌种 细菌 细菌是自然界中分布最广、数量最大，与人类关系极为密切的一类微生物。属单细胞原 核生物，具有典型的核分裂或二分裂繁殖。一般体形微小，通常在倍的光学显微镜或 电子显微镜下才能看到。

24、（）形态和大小 细菌种类繁多，但外形不外乎以下种，即球状、杆状和螺旋状。（）细菌的结构 细菌的细胞结构分为基本结构和特殊结构。其中基本结构指一般细菌都有的结构，如细 胞壁、细胞膜、细胞质、核质体和内含物等。由于细菌属于原核生物，细胞内没 有一个结构完善的核，所以只有一个核质体，它的主要成分是脱氧核糖核酸（D N A） ，功能 是传递遗传特性。细菌还有一些特殊结构，如鞭毛、菌毛、荚膜、芽孢等（）细菌的繁殖方式 细菌以分裂方式进行繁殖，即一个细胞分裂为二个子细胞。一般的湿热灭菌，是在 下灭菌min，以杀死在自然界 中抗热性最强的热脂肪芽孢杆菌的芽孢为灭菌标准。（考填空）（）发酵工业上常用的细菌 发

25、酵工业生产中常用的细菌有枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、醋酸杆菌、大肠杆菌、棒状杆 菌、丙酮丁醇梭状芽孢杆菌和短杆菌等。 放线菌（）放线菌的形态和构造 放线菌的菌体由菌丝体构成。菌丝体有两型：一型为基内菌丝体，又称营养菌丝体，长 在培养基内或表面，其主要功能是吸收水分和营养物质。另一型为气生菌丝体，这是由基内 菌丝分枝向培养基上空伸展的二级菌丝，气生菌丝体发育到一定阶段，在它上面形成孢子 丝，然后形成孢子。放线菌虽然有良好的菌丝体，但无横隔，为单细胞。菌丝和孢子内不具有完整的核，没 有核膜、核仁、线粒体等。因此，放线菌属于原核微生物。 （）放线菌的繁殖 放线菌以无性方式繁殖，主要是形成孢子，也可通过菌

26、丝断裂繁殖。放线菌生长到一定 阶段，一部分气生菌丝分化为孢子丝，孢子丝成熟便形成许多孢子。 （）发酵工业中常用的放线菌发酵工业中常用的放线菌主要用于生产抗生素。如龟裂链霉菌产土霉素；金霉素链霉菌 产四环素；灰色链霉菌产链霉素；红霉素链霉菌产红霉素。 酵母菌 酵母菌（Yeast）是一类单细胞微生物，属于真菌类。在自然界分布很广，用于各种酒类生产，面包制造，甘油发酵，饲料、药用及食用单细胞蛋白生产，从酵母菌体提取核酸、麦角甾醇、辅酶A、细胞色素C、凝血质和维生素等生化药物。（1）酵母菌的形状与大小 （）酵母菌的细胞结构 酵母菌具有典型的细胞结构，有细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核、液泡、线粒体以及

27、各种贮藏物。酵母菌为真核生物，细胞中有明显的细胞核，有核膜、核仁和染色体。 （）酵母的繁殖方式 酵母菌的繁殖分有性和无性两种方式，以无性繁殖为主。无性繁殖分为芽殖和裂殖两种方式。（）发酵工业常用的酵母菌1啤酒酵母2卡尔斯伯酵母3汉逊氏酵母能利用酒精为碳源，因而是酒精发酵工业的有害。4假丝酵母属5红酵母属6毕赤氏酵母属该属酵母也是饮料酒类的污染菌，常在酒的表面生成白色、干燥的菌醭。 霉菌 工业应用：柠檬酸、葡萄糖酸 等多种有机酸，淀粉酶、蛋白酶和纤维素酶等多种酶制剂，青霉素和头孢霉素等抗生素，核 黄素等维生素，麦角碱等生物碱，真菌多糖和植物生长刺激素（赤霉素）等产品的生产；食品酿造：酿酒、制酱及

28、酱油等； 基础理论研究 危害：霉菌能引起粮食、水果、蔬菜等农副产品及各种工业原料、产 品、电器和光学设备的发霉或变质。 （）工业常用的霉菌 工业上常用的霉菌，有藻状菌纲的根霉、毛霉、犁头霉；子囊菌纲的红曲霉；半知菌类 的曲霉及青霉等。三、培养基的制备（大题）培养基是提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的，按一定比例配制的多 种营养物质的混合物。它的组成对于微生物生长繁殖、酶的活性及产量都有直接的影响。 培养基的营养成分及来源 微生物为了生长、繁殖需要从外界不断地吸收营养物质，加以利用，从中获得能量并合 成新的细胞物质，同时排出废物。我们研究微生物的营养，主要是为了解微生物的营养特性

29、和培养条件，以便进一步控制和利用它们，更好地为工业生产服务。微生物的营养活动，是依靠向外界分泌大量的酶，将周围环境中大分子的蛋白质、糖类、脂肪等营养物质分解成小 分子化合物，再借助细胞膜的渗透作用，吸收这些小分子营养来实现的。因此，微生物所需 要的营养物质主要是碳源、氮源、无机元素、生长因子及水、能源。它们在微生物生命活动 中的主要功能是： （）水 （）碳源碳在细胞的干物质中约占 ，所以微生物对碳的需求最大。凡是作为微生物细胞结 构或代谢产物中碳架来源的营养物质，称为碳源。大多数微生物是异养型，以有机化合物为碳源。能够利用的碳源种类很多，其中糖类是最好的碳源。（）氮源（）无机盐 无机盐也是微生物生长所不可缺少的营养物质。其主要功能是：构成细胞的组成成分。（）生长因子：某些微生物本身不能从普通的碳源、氮源合成，需要额外少量加入 才能满足需要的有机物质，包括氨基酸、维生素、嘌呤、嘧啶及其衍生物，有时也包括一些 脂肪酸及其他膜成分。（）能源 能源是指为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。微生物的能源谱如 下：有机物：化能异养型微生物的能源（与碳源相同）化学物质 能源谱 无机物：化能自养型微生物的能源（不同于碳源）辐射能光能自养和光能异养型微生物的能源 培养基的类型 （要考的）培养基的种类很多，可根据不同的依据来进行划分。 （）根据培养基的营养来源划分天然培养基：采用天然