第二章生物技术

第二章生物技术

教学目的要求：能理解生物工程的主要内容即基因工程、细胞工程、发酵工程和蛋白质（酶）工程四方面内容。重点掌握基因工程、克隆羊技术。

教学重点：基因和克隆技术

教学难点：基因工程

课时分配：4课时

教学内容：现代生物技术

生物技术是人类历史上发展最早的技术门类之一。传统生物技术有很多分支广泛地服务于人类的生产和生活，例如农业生物技术、医疗生物技术、发酵技术等等。现代生物技术主要是指以现代生物学为理论基础的新技术，特别是20世纪70年代以来蓬勃兴起的生物技术，也称为生物工程。

一、生物工程

1．生物工程的特点

（1）高技术：生物工程往往表现为精细和密集的复杂技术而摆脱了近代以前的经验型的研究模式。

（2）高效能：生物工程能够突破自然的生殖隔离，可以按人类的需要设计和改造生物的结构和功能，定向地组建具有特定性状的新物种和新品系。因此能制造生产能力强大和满足特殊需要的优良的动物、植物和微生物品种，生物物种也有可能量身订做。其效能是传统技术难以相比的。

（3）高投入和高利润：生物工程需借助于实验室大量复杂的基础研究工作，前期科研投入往往非常高，而其成果的收益也非常大。建立在实验室研究基础上的生物技术的发展已经为人类带来了巨大的利益和财富。

（4）高挑战性：生物工程可以人为地制造自然界前所未有的生物产品或生物物种，这些产品的安全性对现代技术是一种挑战，对人类的伦理、人性的尊严也都是一种挑战

2．生物工程的主要内容

一般认为生物工程主要包括基因工程、细胞工程、发酵工程和蛋白质（酶）工程4个方面内容。其中，以克隆和重组DNA为核心技术的基因工程发展最快，也带动或促进了细胞工程、发酵工程和蛋白质工程的发展。

基因工程又叫DNA 重组技术，也叫遗传工程，就是将DNA在体内或者体外进行重新组合，然后通过载体把新的DNA分子输入另一种生物的细胞中，来改造这种生物的遗传性，这叫做分子水平的杂交。这是在基因水平上对生命体进行操作，而这种操作的结果是可以传递给后代的，所以基因工程具有深刻的意义，成为生物工程的核心。

细胞工程是以细胞为基本单位，把一种生物细胞中携带的全套遗传信息的基因或染色体整个地转入另一种生物细胞，从而改变这一生物细胞的遗传性，改良了品种或者创造了新的生物类型。

细胞工程里最重要的是细胞融合技术，即用不同种类的细胞通过化学的、生物学的、物理学的等方法，使它们按照人们的需要融合在一起，从而是产生兼有两类以上细胞特征的新的细胞。这是在细胞水平上杂交的生物技术。把不同种类的动物细胞，不同种类的植物细胞，甚至不同种类的动、植物细胞融合在一起，创造出生物物种，这又是人在创造物种，是一个壮举。

细胞融合技术与基因工程一样都是转移基因，只是操作对象、水平不同。应用细胞融合技术可以打破只有同种生物才能杂交的限制。

酶工程就是利用酶的特殊催化功能，通过生物反应器和工艺方法工业化地生产人类所需的产品或达到某一特殊的目的，它是酶学理论与化工技术相结合的产物，是一门快速、高效生产产品的技术。酶工程目前最引人注目的是微生物发电，即巧妙地运用生物催化剂进行能量转换。微生物电池和酶电池也引起人们极大的关注。在能源危机、资源匮乏的今天，这无疑是一个福音。

二、基因工程及其应用

1．生命的核心——基因

基因是DNA分子上具有遗传功能的片段，它能控制生物的发育和代谢，并把遗传信息传递给下一代。一种生物的所有基因称为它的基因组。自摩尔根以来，遗传学家一直在探寻基因的概念。随着遗传学的发展，答案在不断地丰富和发生变化。基因的染色体学说将基因看作染色体上线性排列的单位：基因是最小的结构单位，不能由交换分开，即染色体交换只能发生在基因之间，而不能发生在同一个基因之内；基因是最小的突变单位，基因可以由一种等位形式突变为另一种等位形式，但基因内部没有可以再突变的更小的单位；基因是最小的作用单位，能够产生特定的表现型效应，基因的一部分不能产生表现型效应；染色体是基因的载体，正由于染

色体的存在，等位基因才会表现出有规律的分离，非等位基因表现出重组。

2．基因工程的基本原理与方法

基因工程（gene engineering）是指按照人类的需要，用现代遗传学及分子生物学的理论与方法，特别是用DNA重组技术，将生物基因组的结构或组成在体内或者体外进行人为修饰、改造或重新组合，然后通过载体把新的DNA分子输入另一种生物的细胞中，从而改变生物的结构和功能，改造这种生物的遗传性。基因工程是把一个生物体中有用的目的DNA遗传信息转入另一个生物体中，使后者获得新的需要的遗传性状或表达所需要的产物。基因工程的目的是更经济、更有效地生产人类所需要的物质和产品的技术，最终实现商业价值。基因工程是在基因水平上对生命体进行操作，而这种操作的结果是可以传递给后代的，所以基因工程具有深刻的意义，成为生物工程的核心。

这种以重组DNA操作为核心技术的过程，其目的、原理和步骤等类似于现代工程学科中的设计与施工过程，因此被称为基因工程。实施基因工程，就好比在微观的细胞中设计并构建了一栋新的“建筑”。

这一过程包括了一系列的分子生物学操作步骤，一般有以下五步：

第一步：提取供体生物的目的基因或称外源基因；

第二步：在限制性内切酶和连接酶作用下将目的基因与克隆载体相连接，形成新的重组DNA分子。这一步往往需要对重组DNA分子进行克隆和筛选。

第三步：将这一重组的DNA分子导入受体细胞中，用重组DNA分子转化受体细胞，在受体细胞中复制和遗传

第四步：对那些吸收了重组DNA的受体细胞即获得了外源基因的受体细胞（即转化子）进行筛选和鉴定；

第五步：对含有重组DNA的细胞或生物体进行大量培养，检测外源基因是否表达，并通过发酵、细胞培养、养殖或栽培等，最终获得所需要的遗传性状或表达出所需要的产物。

3．基因工程的应用

基因工程是按照人们的意愿，有意识地把一个生物体中有用的目的基因转入另一个生物体中，从而创造新物种。这种分子水平的操作不受物种生隔离的限制，能按人类的需要对有利经济的性状的基因进行组合，因此具有潜在的巨大生产力和经济价值。自1973年美国专家在实验室的试管里成功地进行了第一例细菌不同DNA的