现代生物技术的主要技术范畴-生物技术与工程概论

很多学者认为，现代生物技术包含的主要技术范畴有：基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、生物分离工程（生化工程），以及由此衍生出来的蛋白质工程（proteinengineering）、抗体工程（antibody engineering）、糖链工程（polysaccharose engineering）、胚胎工程（embryo engineering）及海洋生物技术等。随着生命科学与生物技术的纵深发展，不断有一些新的内容出现，尤其是人类和生物的基因组学、蛋白质组学、生物芯片、生物信息学等重大技术的出现，已经大大扩展了现代生物技术的内涵，并且其深度与广度还会得到不断拓展。

（一）基因工程

基因工程（gene engineering）是按照人们的愿望对携带遗传信息的分子（DNA）进行设计和改造，通过体外基因重组、克隆、表达和转基因等技术，将一种生物体的遗传信息转入另一种生物体，有目的地改造生物或创造出更符合人们需要的新生物类型，或获得对人类有用的产品（如多肽或蛋白）的分子工程。基因工程可用来表示一个特定的基因施工项目，也可泛指它所涉及的技术体系，其核心是构建重组体DNA的技术，因而基因工程和DNA重组技术有时成为同义词。基因工程是当前生物技术中影响最大、发展最为迅速、最具突破性的领域。它的突出的优点之一就是打破了常规育种中难以突破的物种之间的界限，使原核生物与真核生物之间、动物与植物之间，甚至人与其他生物之间的遗传信息可以进行相互重组和转移。

蛋白质工程指的是通过对蛋白质已知结构和功能的认识，结合蛋白质结晶学和蛋白质化学知识，借助计算机辅助设计，利用基因定位诱变等技术改造蛋白质某些性能，并通过基因工程手段进行表达，从而获得性状更为优良的新型蛋白质的技术体系。基因工程和蛋白质工程的发展既反映了基础研究的最新成果，又体现了工程学科开拓出来的新技术和新工艺。基因工程与蛋白质工程的兴起标志着人类已经进入一个可以设计和创造新基因、新蛋白质和生物新性状的时代。由于改变蛋白质氨基酸序列需要通过基因工程来实现，是基因工程的深化和发展，故蛋白质工程仍包含于基因工程范畴，也被称为第二代基因工程。

随着基因工程技术的发展，绘制人类基因组图谱已经成为可能。1986年3月，美国生物学家、诺贝尔奖获得者Dulbecco提出了“人类基因组计划（human genome project，HGP）”。经过长达3年的争议与讨论，美国国会（1990）批准了这一研究项目，美国政府决定用15年（1990—2005）左右的时间、投资30亿美元来完成这一计划，由美国国立卫生研究院（NIH）和能源部（DOE）从1990年10月1日起组织实施。各国科学家纷纷响应美国科学家的倡议，包括美、英、日、德、法和中国的科学家相继参与到这项宏伟浩大的科学工程之中。在HGP的影响下，人们的研究目标从传统的单个基因的研究转向对生物整个基因组结构与功能的研究。生命科学正从全新的角度研究和探讨生长与发育、遗传与变异、结构与功能以及健康与疾病等生物学与医学基本问题的分子机制，并形成了一门新的学科分支——基因组学。基因组（genome）是指生物具有的携带遗传信息的遗传物质的总和，基因组学（genomics）就是以分子生物学技术、计算机技术和信息网络技术等为研究手段，以生物体内全部基因为研究对象，在全基因背景下和整体水平上探讨生命活动的内在规律及其与内外环境关系的一门科学。

2001年，HGP序列测定结果提供的DNA数据揭示了基因组的精细结构，同时人们也认识到基因的数量是有限的，结构是相对稳定的，这与生命活动的复杂性和多样性存在巨大的反差。科学家也认识到，基因只是携带遗传信息的载体，基因组学虽然在基因活性和疾病相关性等方面为人类提供了有力的根据，但由于基因表达的方式错综复杂，同样一个基因在不同条件、不同时期起到完全不同的作用，并且具有相同基因组的个体形态差异非常之大。因此，要研究生命现象、阐明生命活动规律仅仅了解基因组是不够的，还必须对基因的产物——蛋白质的数量、结构、性质、相互关系和生物学功能进行全面深入的研究，才能进一步了解这些基因的功能是什么，它们是如何发挥这些功能的，才能建立基因遗传信息与生命活动之间直接的联系。Wilkins和Williams率先将蛋白质组（proteome）定义为“基因组所表达的全部蛋白质及其存在的方式”，这个概念的提出标志着一个新的科学——蛋白质组学（proteomics）的诞生，即定量检测蛋白质水平上的基因表达，从而揭示生物学行为（如疾病过程、药物效应等）和基因表达调控机制的学科。于是，一个以“蛋白质组”为研究对象的生命科学新时代到来了。

（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等学科的理论与方法，按照人们的需要和设计，在细胞、亚细胞或组织水平上进行遗传操作，获得重组细胞、组织、器官或生物个体，从而达到改良生物的结构和功能，或创造新的生物物种，或加速繁育动植物个体，或获得某些有用产品的综合性生物工程。在现代生物技术取得的诸多成就之中，细胞工程做出了不可磨灭的贡献，单克隆抗体、克隆动物、干细胞利用、转基因生物等就是细胞工程的典型结晶。细胞是生命活动的基本单位，基因工程中基因的表达、工程菌的构建，酶工程、蛋白质工程中的新型蛋白质合成等都需要细胞工程的加盟。从某种意义上来说，基因工程是现代生物技术的核心，而细胞工程则是它的基础和公用平台，基因工程与细胞工程的完美结合决定着现代生物技术的发展。(www.xing528.com)

细胞工程涉及的范围非常广。按实验操作对象的不同可以分为细胞与组织培养、细胞融合、细胞核移植、体外受精、胚胎移植、染色体操作、转基因生物等；按生物类型的不同又可分为动物细胞工程、植物细胞工程、微生物细胞工程。随着细胞工程研究的不断深入，在其基础之上发展衍生出了不少新的领域，如组织工程、胚胎工程、染色体工程等。

（三）发酵工程

发酵工程（fermentation engineering）是生物技术的桥梁工程，是现代生物技术产业化的重要环节。其主体是利用微生物（特别是经过DNA重组改造过的微生物）以及动植物细胞大规模生产商业产品。发酵工程是最早实现产业化的生物技术，利用微生物可生产对人类有用的许多产品，如抗生素、氨基酸、维生素、核苷酸、酶制剂、蛋白质、食品饮料等。现代发酵工程主要内容包括优良菌株筛选与工程菌（细胞）构建、细胞大规模培养、发酵罐或生物反应器设计优化、菌体（细胞）及产物收获等。此外，发酵工程还在开发可再生资源、生物废料再生和生物净化等方面有着广阔的用途。

（四）酶工程

酶（enzyme）是一类生物催化剂，多数酶的本质是蛋白质，此外还有核糖核酸。酶具有作用专一性强、催化效率高等特点，能在常温常压和低浓度条件下进行复杂的生物化学反应。没有酶，生物体的生命活动就难以进行。酶工程（enzyme engineering）是指研究酶的生产、酶分子改造和应用的一门技术性学科，它包括酶的发酵生产与分离纯化、酶的固定化、酶的化学修饰与人工模拟、对酶基因进行修饰或设计新基因改造酶蛋白或合成新型酶，以及酶的应用和理论研究等方面的内容。酶工程是1971年在第一届国际酶工程会议上才得以命名的一项新技术。目前，酶工程应用范围已遍及工业、医药、农业、化学分析、环境保护、能源开发和生命科学理论研究等各个方面，而酶工程产业也正在快速发展，业已成为现代生物技术的重要组成部分。

（五）生物分离工程

生物分离工程（bio-separation engineering）就是从微生物发酵液、酶促反应液或动植物细胞培养液中将需要的目标产物提取、浓缩、纯化及成品化的一门工程学科，是现代生物技术产业化必不可少的技术环节。生物产品可以通过微生物发酵过程、酶促反应过程或动植物细胞大量培养过程获得，包括传统的生物技术产品（如氨基酸、有机酸、抗生素、维生素等）和现代生物技术产品（如重组医用多肽或蛋白）。生物反应的产物通常由细胞、游离的细胞外代谢产物、细胞内代谢产物、残存的培养基成分和其他一些惰性成分组成的混合物。这些产物并不能直接应用，必须通过一系列提取、分离和纯化等后续加工才能得到可用的最终产品。因此，生物分离工程是现代生物技术的重要领域之一，又与基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程等有密切关联。由于生物产物的特殊性（如具有生物活性、不稳定、发酵液中目标产物含量低等）、复杂性（从小分子到大分子）和产品要求严格性（如纯度、活性、特定杂质含量），其结果导致分离过程往往占整个生物生产成本的大部分（70%～90%，甚至更高）。因此，生物分离工程的质量往往决定整个生物加工过程的成败，设计合理的生物分离工程可大大降低产品的生产成本，实现商业化生产。生物分离工程的进步程度对于保持和提高各国在生物技术领域内的经济竞争力至关重要。