生物工程综述

生物工程的现状发展及展望

杨昌成

（西北民族大学生命科学与工程学院甘肃兰州 730030）[摘要]生物工程20世纪70年代初开始兴起的一门新兴的综合性应用学科，90年代诞生了基于系统论的生物工程，即系统生物工程的概念所谓生物工程，一般认为是以生物（特别是其中的微生物学、遗传学、生物化学和细胞学）的理论和技术为基础。生物工程的应用领域非常广泛，包括农业、工业、医学、药物学、能源、环保、冶金、化工原料、动植物、净化等。它必将对人类社会的政治、经济、军事和生活等方面产生巨大的影响，为世界面临的资源、环境和人类健康等问题的解决提供美好的前景。

[关键词]生物工程；现状；发展；前景

前言

生物工程是运用现代生物科学的理论与方法，按照人类的需要改造和设计生物的结构和功能，以便更经济、更有效、更大规模地生产人类所需的物质和产品的技术。20世纪后半叶，分子生物学领域一系列突破性成就，使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的变化。分子生物学是在分子水平上认识生命。对生物大分子DNA的结构、功能以及生物的遗传和生长发育的机制和规律的认识，为人类改造生命、控制生命、操作生命提供了理论基础。生物工程不仅直接建立在分子生物学和细胞生物学的原理之上，而且是涉及面广泛的综合技术，是分子生物学、微生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、化学工程学、医药学、材料科学等多学科交叉的综合性技术学科，是运用现代生物学方法和手段建立起来的一个现代技术体系。建立在工业革命基础上的人类现代物质文明是以大量、高速而又低效地消耗地球上已有的资源为前提的，其结果是地球环境的破坏和大量机械与化工产品充斥，资源枯竭又将使传统产业难以为继。生物技术不仅是21世纪发展最快的学科，也是人类操作生命的社会活动。科学界广泛地认识到：生物技术将是未来经济发展的新动力，它们将在农业、动物饲养、能源、生物法处理环境污染、纤维和包装材料、药物和医学等领域形成巨大的产业。从以开发利用石油和金属为主的传统工业经济过渡到开发利用基因的经济将从根本改变我们的文明。事实上，在分子生物学诞生即DNA结构发现仅十几年后，科学家就准备了在生命体上施工的工具。进入70年代施工便大规模开始了，生物技术以强进的势头发展起来了。生物技术被称为继蒸汽机技术革命、电子和信息技术革命之后的第三次技术革命，科学家们预言，生物技术是人类历史上生命的复制和改造将极大地提高人类生活的质量，这一次革命

更重大的意义在于，人类不但可以改造客观世界，还可以改造自身[1]。生物工程所涉及的主要技术及其相互关系[2]。

图1 生物工程所涉及的主要技术及其相互关系如图所示

1 生物工程的发展

1.1 传统生物工程技术

传统生物工程技术应该说从史前时代起就一直为人们所开发和利用，以造福人类。在石器时代后期，我国人民就会利用谷物造酒，这是最早的发酵技术。

1.2 现代生物工程技术

现代生物工程技术是以20世纪70年代DNA 重组技术的建立为标志的。

1944 年Avery 等阐明了DNA是遗传信息的携带者

1953年Watson &Crick发现DNA双螺旋结构（开创分子生物学）

1961年H.G.Khorana & M.W.Nirenberg破译了遗传密码,揭开了DNA 编码的遗传信息是如何传递给蛋白质这一秘密。

1.3 基因工程（gene engineering）

基因工程就是用人工的方法,巧妙地把一种生物的个别基因的分子基础分离出来的人工合成, 并把它转移到另一种生物的细胞里且使其遗传给后代。具体说来,基因工程( 主要是基因重组技术,又称DNA重组技术)是指在体外,将不同生物的遗传物质(基因)进行人工“剪切”、“组合”和“拼接”,使遗传物质得以重新组合,然后通过载体(微生物质粒、噬菌体、病毒等) 转入受体(微生物或动植物)细胞,进行无性繁殖( 即克隆Clone),并使新的基因在受体细胞内表达,产生出人类所需要的物质,或组建出新的生物类型。DNA重组技术最先是在1973年由美国斯坦福大学的(为hen和Boyer共同实现的, 他们成功地使体外组建的重组质粒在细菌中繁殖, 开创了DNA重组技术，自1981年以来,正式投入市场的基因工程产品有人

生长激素、人胰岛素、干扰素等,在将基因工程技术应用于氦基酸、抗生素、酶制剂、单细胞蛋白等的生产以及农作物和家畜品种改良方面, 也取得了可喜成果[3]。

1.4 细胞工程（cell engineering）

细胞工程是指利用细胞融合等细胞生物学方法.按照人们预定的设计,改变和创造细胞遗传物质的技术。主要包括植物组织细胞的培养和细胞融合。前者是指把植物的花粉、胚、分生组织离体培养成小植株,后者是指把小到几微米的肉眼难以见到的细胞,从生物体上分离下来,在人工控制的条件下,使它象性细胞受精那样.完成全面的融合过程,然后把融合细胞人工培一育成新的生物体[4]。细胞工程主要研究的内容：动植物细胞与组织培养、细胞融合（新的物种或品系、单克隆抗体）、细胞核移植（无性繁殖、克隆动物）、染色体工程（多倍体育种，例：八倍体小黑麦）、胚胎工程（优良品种、试管婴儿）、干细胞与组织工程（胚胎干细胞、组织干细胞）和转基因生物与生物反应器（转基因动物、转基因植物）。

1.5 酶工程（enzyme engineering）

又可以说是蛋白质工程学，利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能, 或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术[5]。

酶工程主要包括酶的研制与生产, 酶固定化技术以及酶分子的改造和修饰技术。酶工程不仅可以解决当今世界上存在的许多大难题, 如食品生产、能源短缺和贮存、环境保护问题等,此外, 随着酶制剂的不断开发研究, 必将对精细化学、医药品、香料、生物转化及其它领域起到更重要的作用。已知酶的种类约有8000种,至少有2500种有可能被利用, 目前国际上研究用的酶已超过360种, 其中工业用的已达50多种, 酶制剂主要用于洗涤剂、淀粉加工、甜味剂乳制品、啤酒、果汁、葡萄酒、酒精、糖果、面包、皮革、造纸及纺织等工业。

1.6 发酵工程（fermentation engineering）

利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程，也称微生物工程。现代意义上的发酵工程是一个由多学科交叉、融合而形成的技术性和应用性较强的开放性的学科。发酵工程经历了“农产手工加工——近代发酵工程——现代发酵工程”三个发展阶段。从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然