生物技术主要包括基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程和发酵工程。其中,基因工程是生物技术的核心和关键,细胞工程是生物技术的基础,酶工程是生物技术的条件,蛋白质工程被称为第二代基因工程,发酵工程是生物技术获得最终产品的手段。随着现代生物技术的迅猛发展,生物技术的技术范畴也得到了相当程度的延伸,如抗体工程、糖链工程、海洋生物技术、生物转化技术等都属于生物技术的重要内容。这些生物技术并不是各自独立的,它们之间是相互联系、相互渗透的。
(一)基因工程
基因工程(gene engineering)又称为DNA重组技术,是指根据人们的科研或生产需要,在分子水平上,用人工方法提取或合成不同生物的遗传物质(DNA片段),在体外切割、拼接形成重组DNA,然后将重组DNA与载体的遗传物质重新组合,再将其引入没有该DNA的受体细胞中,进行复制和表达,生产出符合人类需要的产品或创造出生物的新性状,并使之稳定地遗传给下一代。在制药中,基因工程通过将目的基因转入工程菌中,使之产生有医疗价值的生物分泌物或包涵体,简化了一些复杂药物的生产过程,且药物一般纯度较高,提高了药物的质量。
基因工程的主要内容:①基因重组、克隆和表达的设计与构建;②基因工程菌的大规模培养;③外源基因表达产物的分离纯化。
(二)细胞工程
细胞工程(cell engineering)是指应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法,按照人们的需要和设计,在细胞水平上重组细胞结构和内含物,以改变生物的结构和功能,即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法,快速繁殖和培养出人们所需要的新物种,或获得某种有用的物质的过程。如利用细胞工程将骨髓瘤细胞与B细胞进行细胞融合来产生单克隆抗体,对肿瘤进行针对性杀伤,从而在疾病的治疗中发挥重要作用。此外,细胞工程还可用于生产抗生素和研发疫苗等。
细胞工程的主要内容:①动植物细胞与组织培养;②细胞融合与单克隆抗体技术;③细胞核移植;④染色体工程;⑤胚胎工程;⑥干细胞与组织工程;⑦转基因生物与生物反应器等。
(三)酶工程
酶工程(enzyme engineering)是指将酶或微生物细胞、动植物细胞、细胞器等置于一定的生物反应装置中,利用酶所具有的生物催化功能,借助工程手段将相应的原料转化成有用物质的技术。在当前的生物技术制药行业中,酶工程技术的应用能够大幅提高生产效率,降低生产成本,满足生产需求。
酶工程的主要内容:①酶制剂的制备;②酶、细胞和原生质体的固定化;③酶的修饰与改造;④酶反应的设计;⑤酶的非水相催化等。
(四)蛋白质工程
蛋白质工程(protein engineering)是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系为基础,通过化学、物理和分子生物学的手段进行基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行修饰、改造、拼接,或创造全新的蛋白质,以满足人们对生产和生活的需求的技术。
蛋白质工程的主要内容:①蛋白质的结构分析;②蛋白质结构、功能的设计及预测;③改造蛋白质;④创造全新的蛋白质等。(www.xing528.com)
(五)发酵工程
发酵工程(fermentation engineering)又称微生物工程,是指采用现代工程技术手段,利用微生物的某些特定功能,为人类生产有用的产品,或直接把微生物应用于工业生产过程的技术。现代发酵工程能够与计算机信息技术有效结合,与实时控制系统共同组成监测系统,能够实时把控微生物发酵过程,进一步优化生物制药工序。信息技术的应用提高了发酵工程的精密程度,从而提高了药物质量和生产效率。发酵工程在制药行业的引入,使生物制药的产业化得以实现,促进了生物制药行业的发展。
发酵工程的主要内容:①菌种的选育;②培养基的配制、灭菌;③菌种的扩大培养和接种;④发酵过程和产品的分离、提纯等。
(六)抗体工程
抗体工程(antibody engineering)是指利用DNA重组技术和蛋白质工程,对抗体的基因进行加工改造和重新装配,经转染至适当的受体细胞后表达抗体分子,或用细胞融合、化学修饰等方法改造抗体分子的一项技术。
(七)糖链工程
糖链工程(glycotechnology)是指在深入研究糖蛋白中糖链结构与功能关系的基础上,通过人为操作增加、删除或调整蛋白质上的寡聚链,使之产生合适的糖型,从而有目的地改变糖蛋白的生物学功能的一项技术。
(八)海洋生物技术
海洋生物技术(marine biotechnology)是指运用海洋生物学与工程学的原理和方法,利用海洋生物或其生物代谢过程生产有用的生物制品或定向改良海洋生物遗传特性的综合性科学技术。海洋生态系统中微生物的种类及数目繁多,被认为是微生物的巨大来源,有望成为生产生物技术药物的有前景的另一平台。
(九)生物转化
生物转化(biotransformation)又称生物催化(biocatalysis),是指利用酶或有机体(如细胞、细胞器)作为催化剂实现化学转化的过程,其本质就是用微生物自身产生的酶对外源性底物进行结构性修饰,从而将一种物质转化为另一种物质。
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