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，（

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， １９８６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、细胞工程、酶工程、发酵工程四个方面

一般认为，

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

生物技术包括四个方面：

（１）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。

（２）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。

（３）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。

（４）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： ①发酵原理的创建； ②深层通气培养法的建立；

③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１９４２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１７９３年，经过了２１次的努力，用了５０万个羊脑，得到５m g样 品，后来也用化学法合成，但是５m g价格仍在３００多美元。基因工程方法成功以后， ７畅 ５L大肠杆菌发酵就可得５m 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１畅 ５g的 生 长 素需 要 大 约４０００头猪的垂体，而１畅 ５g生长素仅能满足一头猪的需要。如果采用生物技术， １９８３年已可 以从每升细菌培养液中提取１畅 ５g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 １ ．生物技术在品种改良中的应用

常规育种工作在改善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。

（１）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

①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２００余种花药培养再生植株中，我国占４０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。

②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、抗病和抗除草剂的突变体方面取得 显著成绩。

③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。

④细胞融合技术。细胞融合技术是２０世纪６０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、白菜与甘蓝的融合，为进一步培育农作物新品种打下了基础。

（２）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。

①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２０世纪８０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２０世纪８０年代后期也获得了转基因黄瓜、烟草和番 茄，对病毒复制有明显的抑制作用。

②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。

③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 ４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。

④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１ ％左右。

２ ．生物技术在良种繁育中的应用

（１）快速繁殖。又称微体繁殖，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。

（２）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。

３ ．生物固氮

（１）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 酶 基 因，最 终 使 这 两 种 作 物 的 产 量 提 高 了

１５ ％ 。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。

（２）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３株固氮能力较强的固氮细菌，制成菌肥后拌种，使小麦增产１０ ％ ～ ２０ ％ ，而且提高 了小麦的蛋白质含量。

（３）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

１ ．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，仍然是疾病问题，包括传染性和非传染性疾病。近 ２０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。

（１）核酸探针技术。这是２０世纪８０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前景。

（２）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。

（３）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。

２ ．应用生物技术改良畜禽品种

地球上的人口突破了６０亿大关，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。

（１）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。

（２）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。

（３）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。

（４）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。

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， ２０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２０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。 １９２９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。

１９４２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… … ） 调味品（酱油、醋） 厌酵母工业———自然发酵 氧氨基酸发酵———典型的代谢控制发酵 发

抗菌素发酵———次级代谢控制发酵

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、VB２

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：

（１）细胞的生产。如酵母、细菌、霉菌和真菌（包括食用菌）的生产等。 （２）酶类的生产。如各个酶种、

（３）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、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

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