生物工程与生物技术专业英语课文翻译完整版

因此，有机体保持其生化机能进行不停的运作是关键的，它们通过许多方法来达到这个目的，这些方法依赖于有机体所处的主要状态：通过阻遏新的厌氧代谢酶，有机体将含碳底物进行任意一种次级代谢；可产生大量的储备化合物如多聚-β-羟基丁酸、脂肪、糖原和其它多糖。如果处于“饥饿”状态，没有外来碳源供应，有机体便将降解这些储备物质，与细胞维持代谢途径相比，生成什么产物来说就显得不那么重要了。

在正常的情况下，如果所有的必需养分都能供应，则微生物就能生长。 在分批式培养中，细胞在关闭的系统中繁殖（一旦培养开始，就不会添减发酵罐中的物质），直到某些养分被耗尽或积累的某些产物抑制了有机体的生长，或者细胞的数量达到了不能再有任何空间容纳新生细胞的水平，这个时候，细胞增值才会停止。在细胞生长过程中，各种化合物的相对含量发生变化，由于细胞在核糖体中合成越来越多的蛋白质，RNA的量就会迅速增高，而如图2.23所示，DNA的量就会减少，尽管减少的程度取决于细胞进行DNA复制的速率。

细胞生长速率以倍增时间（td）表示细胞从一个变为2个所需要的时间，以及比生长速率（μ）表示单位重量的已有细胞物质合成新物质的速率。这两个量按下式关联：。。。。。。。。

在分批式培养中，由于营养物质含量的持续下降，μ值一直是变化的；在好氧有机体的许多实际情况中，氧气供应的速率最终控制它们生长的速率。只有在连续培养中，通过不断地加入新鲜养分，具体生长速率才会保持恒定。一个生物能够获得最大生长速率是由谁来控制的依不同生物而异，而且对大部分有机体来说都不得而知。可能是DNA合成的最终速度，或者是细胞吸收某一特定养分的速度，或者是细胞的某部分如细胞壁的装配速度。倍增时间可以从Behakea natriegens的10分钟到酵母菌与真菌的几小时，大部分细菌的倍增时间为30分钟或更长，而某些则需要几天。表2.3例出了例子。 2.8.3 细胞周期与DNA复制

细胞分裂过程在原核与真核生物中是不同的，尽管它们采用相似的机制来控制基因的表达和调控基因产物（酶蛋白）的活性。在一个快速增长的细胞中，DNA合成或多或少的是连续进行的，但在一个真核细胞中，它只在部分细胞周期中形成。细菌的基因是双螺旋结构中的2分子DNA。它们头尾相连形成环状

染色体，真核生物细胞含有多条独立的染色体。

在真核生物细胞中，细胞周期可分为几个阶段，每段持续的时间取决于生长条件。随着所有染色体的复制，周期达到最高潮，然后通过有丝分裂两套染色体在母细胞和子细胞之间分配。当生物体进化到更高级的微生物领域将进行有性生殖而不是细菌体的简单的二次分裂或者是酵母的芽殖，这时有丝分裂过程将变得更为复杂。染色体分配的过程将通过减数分裂来进行，经过DNA的复制，染色体将分配到生殖细胞中。

在所有的微生物中，DNA都以相似的机制进行复制，双链DNA解旋，每条链形成互补新链，这个过程如图2.24所示。每个复制叉作双向运动，也就是说，解链与互补新链的合成发生在同一个分离末端。

在细菌中，同一时刻有多个复制叉发挥作用，所以基因可以极快的速度进行复制。当DNA完全复制的时间比细胞分裂的时间长的时候，这个情况就会发生，而且在这样的条件下，每个细胞将含有多个染色体上被复制的部分的拷贝。这样使细胞分裂与染色体的完全复制同步进行，以使每个配体细胞在分裂隔膜形成前就获得自身的DNA。显然，当DNA复制过程完成时，一种“终端蛋白”被合成，就是这个蛋白引发隔膜的形成和细胞分裂。

真核细胞中，细胞成倍复制过程被复杂化，在细胞周期过程中，细胞器要进行分裂，线粒体和叶绿体有自身的DNA并各自独立的分裂为细胞核子，这样，根据周围环境条件，线粒体与叶绿体的数量就会发生变化。例如，在厌氧条件下生长的酵母，不依赖线粒体提供ATP从而线粒体的数量就比较少。

尽管载有遗传信息的DNA能够精确复制从而使子细胞带有与它们父母相同的染色体图谱，但仍会出现错误。这样的错误导致突变体的形成，突变体可自发的生成，通常以很低的频率（大约每108-1010细胞分裂中有一个突变体），或者被诱导生成，通过将生物体暴露于DNA突变剂中。具有可变化的酶功能的突变体在发酵过程中对于提高产量来说是很有益的，尽管这样 ，从成千上万个不需要的突变体中寻找我们想要的那个突变体是一个漫长的过程。

在大多数情况下，突变体不能进行某些活动；许多情况下，这种作用将是致死性的从而细胞就不能生长。一般很少数量的突变体能够存活下来 ，但由于在实验中应用了大量的微生物，因此0.001%的存活就代表着10000个生物。

2.8.4 微生物生长速率

微生物生长的速率常常以每消耗单位重量的底物所生成的细胞数量的形式来表示。摩尔生长率是细胞量（干重）与每摩尔底物的比值，而碳转化系数是细胞量与每克含碳底物的比值，这个对于不同分子大小的底物之间的比较更有意义。表2.4列举了这两种表达方式的一些典型数据，都是最大值，因为在某些特定情况下（尤其是处于低生长率情况下），用于细胞生长的底物的利用是不完全的。

表2.4显示了一个典型特点，参考前面的讨论是很容易理解的，即当兼性有机体从好氧状态转为厌氧状态时，生长率降低，这个现象明显的与厌氧过程中能量降低的流向和ATP产量的减少相关。

经验上，实际的生长率取决于很多因素： （1） 碳源的性质 （2） 底物分解代谢途径

（3） 任何复杂底物的供应（排除某些合成途径）

（4） 同化其他养分的能量需求，特别是氮（如果供应的是氨基酸，那么它比

利用NH3所需要的能量少，而比以氮作为氮源所需要的能量多）。 （5） ATP生成反应的速率

（6） 抑制剂，不利离子的平衡，或者其他培养基组分，需要转运体系的参与。 （7） 生物体的生理状态；几乎所有的微生物都是根据外界环境来改变它们的

发展，常常是大量的而且不同的发展过程必须要保持不同质量与能量的平衡。

在连续培养系统中 ，细胞的生长速度和营养状态时可以进行控制的，进一步的影响因素有：

（8） 限制性底物的性质；限制性碳源比限制性氮源的生长效率高；在这个过

程中，对过量含碳底物的分解代谢将进入耗能代谢途径。 （9） 所允许的生长速率

作为最终控制微生物活动各个方面的因素，必须要补充：

（10） 微生物的倾向与微生物学家的能力

第一章 应用遗传学

生物工程发展的第一步通常是寻找合适的有机体。这种有机体期望能够创造一种产品或者服务从而给其工业带来商业回报。实际中，遗传学家必须选择一个有机体，这个有机体能够生产出想要的产品。一旦找到合适的有机体，在可能发生诱导遗传变化的地方利用传统育种和诱变方法就可以生产出更多的想要的产品。对改造过的有机体的选择工作是乏味而耗时的，并且直到最近遗传学家能够采用的大部分方法都还涉及试验和错误。然而，新的基因技术，例如原生质体融合和重组DNA技术的使用使得通过采用新方法就能将有用的遗传特征直接插入到所选择的有机体中。这样，就能够设计建造出完全新的性能（capabilities），而且尤其是微生物以及小部分植物和动物细胞就超越了它们天生所赋予的遗传能力而生产物质。

当应用遗传学家对一个潜在的工业有机体进行操作的时候，生产能力的提高并不是唯一的目标。因此，对病毒的防御能力和提高的遗传稳定性可以被引入到有机体内，从而缺少它们，就能减少或消除有害的副产品的形成并且可以除去令人不快的味道、颜色或者粘质物。

一个成功的工业化培养物应该最终具有大部分或者全部下列特点：这个培养必须是纯培养物，遗传稳定；容易繁殖；具有快速生长的特点；具有良好的产品形成速度；不产生有毒的副产品；并且能够行基因操作。

工业上所用的培养物通常有三种应用：（1）作为一种研究培养物——对它进行研究已寻找一种有用的产品；（2）作为一种发展培养物——一个研究培养物获得了重要性；和（3）作为一种生产培养物——一个研究培养物现在实际上用来进行工业化生产。

最终的培养物可以与原始的研究培养物相同，但更常见的是，将它经过一系列的处理，以提高产率。这个最终的工业有机体将被进行遗传设计，从而使它的代谢功能远超过野生型的代谢功能。这个只能通过在生产过程中对有机体的生长进行最大的控制得以实现。从一个野生型发展到工业有机体需要改变它的遗传信息，消除不要的特点或者甚至是引入整个新的遗传信息。

寻找所要的有机体并且提高它的性能（capabilities）是目前大部分生物工程过程的最基本的方面（图3.1菌株改造流程图）

3.1 选择与筛选

在生物技术的所有方面中，最主要的精力都用在了筛选程序（progaramme）上, 以通过突变或者杂交程序（progaramme）包括遗传设计的途径，从天然资源或者已经建立的培养物中生产出新的有机体。这些有机体必须经过筛选来获得有用的产品并且可以进行足够大规模的生长以生产和提取所期望的产品，然后对这个产品进行鉴定评估（evaluation）。筛选可以定义为利用高效选择程序从庞大的微生物与代谢物中只检测和分离那些有益的微生物与代谢产物。对分离物进一步的改进包括对培养物的改造与保存。然而，对充分利用这个能力来说最大的障碍是适宜的筛选程序的可行性，这个筛选程序能鉴别所必需的产物，尤其在存在培养基组分的情况下。

现在生物工程中利用的主要的生物群体是微生物。所述的筛选方法也主要集中于这类群体。

在从环境中为生物工程寻找新的微生物的过程中，一般有三种可行性的选择；它们包括取样点的选择，分离出想要的微生物的物理分离过程以及实现选择的方法的选用，这个过程大多数情况下要进行富集培养（表3.1生产微生物的创造）。

尽管许多新的生产微生物是野生型而且已经从自然环境中分离出来，但是通过实验操作从现存的基因组制造新的基因组同样花费了大部分的精力。通过突变、重组、转化、转导和基因克隆的单一处理过程或者联合处理过程可以对有机体进行改造（表3.1生产微生物的创造）。。

通过自然选择，尤其更多的是基因操作，所有工业重要的微生物都将经过某些形式的筛选。筛选程序的设计对实现最大程度的认知新基因性来说是很重要的。筛选可分为两个基本形式：

（1） 无选择的随机筛选 对所有分离物进行单独检测，以获得所要的性质 （2） 比率筛选 在这个过程中，会进行某些方面的预筛选。

随机筛选将是非常耗时的，因为每个分离物都要进行仔细的研究。在抗生素生产的研究中，成千上万的摇瓶培养的单一孢子分离物进行有规律的使用。Agar disc琼脂板 技术加快了这个过程，但这个方法最好是用作在使用摇瓶之前作为一种最初的筛选。大量的分离物或者突变体现在就可以平铺开来，暴露于广泛

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