第一篇第二十六章生物工程——21世纪高技术革命的霸主
“生物工程”是由英文Biotechnology翻译而来，也有人把它译成“生物技术”。
顾名思义，“生物工程”就是生物学和工程学的有机结合。它利用生物学的现象，通过工程
学的方法来改造生物，加工材料，创造出有益于人类并服务于社会的各种产品。自20世纪70
年代至今，以重组DNA技术和杂交瘤技术为特点的生物工程研究到现在为止仅有30年的历史
，然而，它在世界范围内有着蓬勃的发展，无论在医药还是农业、轻工还是食品等方面都
取得了举世瞩目的成就，并展示着广阔的应用前景。
生物工程的发展由来
“生物工程”这个词虽然是20世纪70年代出现，但要追溯它的历史得从远古时候说起。古代
时人们就会采用微生物发酵法来制醋、做酱、酿酒等，例如，湖南出土文物中曾发现过豆豉
。但古代人并不知道微生物的存在，更不懂得什么是发酵，他们对微生物的利用完全依靠多
年的感知和摸索出来的经验。
19世纪中期，法国巴斯德发现了发酵现象，这可以说是生物工程(生物技术)的一个里程碑。
20世纪初、第一次世界大战期间，人们用发酵法生产原料，制造炸药，开创了发酵工业。20
世纪40年代，人们发现了青霉素，此后抗生素工业开始出现。到了60年代，日本人在制造氨
基酸产品时发明了固定化酶连续使用的新技术，这项技术使酶制剂、氨基酸、核酸、有机酸
发酵工业相继获得发展。
19世纪初，奥地利学者孟德尔发现了豌豆的遗传规律，提出“遗传
因子”概念(即现在所称的“基因”)。20世纪初，美国学者摩尔根证实了基因排列在染色体
上，并发表了关于基因论的著作。20世纪40年代，人们证明了遗传物质就是核酸。1953年沃
森和克里克提出了DNA(脱氧核糖核酸)双螺旋结构模型，阐明了遗传物质(基因)贮存
在DNA结构之中，由此开辟了现代分子生物学的新纪元。生命乃是蛋白质存在的一种形式，
而蛋白质是由基因来编码的。60年代初，尼伦伯格等一批科学家确定了遗传密码；1958年克
里克等一批科学家发现了遗传信息传递的中心法则［脱氧核糖核酸(DNA) 核酸(RNA) 蛋白质］；1956年～1966年美国微生物学家莱德伯格发现了细胞质粒；1968年梅塞尔松
和瑞士的阿尔伯从大肠杆菌中分离出了限制性核酸内切酶，基因工程技术应运而生。1975年
英国开创了细胞融合的杂交瘤技术，制成了单克隆抗体。在这种情况下逐渐出现了“生物工
程”。
生物工程的内容
前面讲述了生物工程的由来，那么生物工程研究的详细内容又是什么呢？科学家们一般认为
，生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程，它的外延还包括蛋白质工程、胚
胎工程和生化工程、糖工程等，也有人把医学工程、仿生学、膜技术也包括在内。下面简要
介绍一下四大工程的内容。
基因工程
基因工程是20世纪70年代初兴起的一门新技术。我们知道，小到病毒，大到高等生物，一切
生物的
遗传物质都是核酸。通常，遗传物质(核酸)传给后代是通过有性杂交、精卵结合的方法来产
生受精卵，这个受精卵不断地分裂、增生、特化而形成新的生命体。例如，瓜只有开花传粉
才能结出小瓜，小麦只有受粉后才能结实等。但是，要创造新品种，采用杂交方法是有局限
性的。只有亲缘关系比较近的才可以杂交，而亲缘关系比较远的就不能杂交。例如，玉米和
杂草就不能杂交，牛和猪也不能杂交，因为它们不是同一个种属。但基因工程技术可以解决
这个问题。
基因工程究竟是怎么一回事呢？它是用人工的方法，把不同生物的遗传物质(基因)分离出来
，在体外进行剪切、拼接后再重组在一起，然后把杂交的遗传物质(在学术上叫做重组体)放
回宿主细胞内(例如，放回大肠杆菌或酵母菌细胞内)进行大量复制，并使一种生物的遗传物
质(基因)在另一种生物中(宿主细胞或个体中)表现出来，最终获得人们所需要的代谢产物。
这就是人工重新设计生命，重新创造生物，并使新生物行使一种新的功能的过程。因此，基
因工程可以理解为是按照人们的预想，重新设计生命的过程。又因为它是遗传物质(基因)的
重组，所以也有人把基因工程叫做重组DNA技术。
细胞工程
什么叫细胞工程呢？现在对细胞工程的定义和范围还没有一个统一的看法，不过一般认为，
以细胞为基本单位，在离体条件下进行培养、繁殖或人为地使细胞的某些生物学特性按照人
们的意愿发生改变，从而改良生物品种和创造新品种，或加速繁殖动、植物个体，或获得有
用物质的过程，叫细胞工程。细胞工程包括动、植物的细胞和组织培养技术，细胞融合技术
(也称体细胞杂交)，染色体工程技术，细胞器移植技术。
酶工程
酶工程就是利用酶或者含酶的细胞所具有的某些特异催化功能，利用生物反应器(即发酵罐)
和整个的工艺过程来生产人类所需要的产品的一种技术。它包括固定化酶，固定化细胞技术
和设计生产酶的发酵罐等。
发酵工程
发酵工程就是给微生物提供最适宜的生长条件，利用微生物的某种特定功能，通过现代化工
程技术手段生产出人类需要的产品的过程，也有人称为微生物工程。
微生物本身能生产的产品有蛋白质(通常是单细胞蛋白和酶)；初级代谢产物(如氨基酸、核
苷酸、有机酸等)，次级代谢产物(如抗生素、维生素、生物碱、细菌毒素等)。同时利用微
生物还能浸提矿物，对某些化学物质进行改造，对有毒物质进行分解以达到保护环境的目的
。
现在，发酵工程不仅能用微生物，而且也可以用动、植物细胞来发酵生产有用的物质。
基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程不是孤立存在的，而是彼此之间相互渗透、互相结
合的(其关系见图1-16)。例如，用基因重组技术和细胞融合技术，可以创造出许多具有特殊
功能和多功能的“工程菌”和超级菌，再通过微生物发酵来产生新的有用物质。酶工程和发
酵工程相结合可以改革发酵工艺，这样不但能提高产量，同时也能增加经济效益。
生物工程产生的影响
生物工程正在引发一场新的农业科技革命，利用远缘杂交，细胞融合，快速试管繁殖技术，
可高速地、有效地选育出高产优质，抗病虫害，抗寒、抗旱、耐涝的新品种。目前已成功地
选育出抗除草剂的玉米细胞，抗旱马铃薯细胞，利用远缘杂交已获得普通烟草种与黄花烟草
种的杂交植株；我国已成功地将抗虫基因转移到水稻原生质中而培育出正常水稻幼苗。细胞
融合改变品种试验蓬勃开展，国内外均已成功地培育出了种内和种间的许多细胞杂种，快速
试管繁殖技术已在豆科、茄科、十字花科、菊料植物中获得成功。生物工程将在良种培育和
创新物种中大显身手。
生物工程的不断发展，将逐渐改变畜牧业传统的饲料结构，节约大量粮食。利用白薯，水解
泥炭，工业有机废水、废渣，农产品加工废水，城市垃圾等生产单细胞酵母或细菌作饲料，
用基因工程生产的牛羊猪的生长素，可使猪增加体重和提高瘦肉率，增加肉、奶产量。
在生态系统中，固氮微生物能固定空气中大量的氮，以提供植物营养，节约大量肥料。实际
上，在生物系统中豆料植物与根瘤菌共生固氮外，很多植物都无固氮菌，要靠施用大量化肥
足生长需要。目前科学工作者正设法把豆科植物的固氮遗传物质转移到非豆科植物中去，形
成高效固氮根瘤。我国用人工根瘤菌拌种的十多个实验点的水稻秧苗上结满了珍珠状根瘤，
获得了固氮技术的新突破。这一成果已先后在小麦、棉花蔬菜、果树等农作物中加以推广，
获得良好增产效益。
生物工程在医药领域也是突飞猛进。目前世界上70％的制药公司采用了生物技术，上百种细
胞因子、激素、受体、抗体以及近10种反义核酸或寡核苷酸药物经美国FDA批准进入临床试
验，其中20余种已投放市场，年产值百余亿美元。动植物生物反应器技术正掀起医药业的一
场革命，将目标基因在动物乳腺特异表达，可以生产稀有和昂贵的医用多肽或蛋白(胰岛素
、抗胰蛋白酶、人乳铁蛋白、红细胞生成素、干扰素、血清白蛋白等)。据专家估计，用细
胞培养方法生产1g药物蛋白，成本800～5 000美元，而乳腺生物反应器方法只需0
02～050美元；传统药物的研制生产周期是15～20年，乳腺生物反应器方法一般为5年。生
物反应器技术已成为当今生物工程技术的制高点和市场竞争热点。利用动物转基因技术作器
官异种移植也取得重要进展，此外，基因治
疗由遗传病扩展到肿瘤、心血管病和艾滋病等重大疾病的治疗，人类基因组计划的完成和某
些疾病的功能性基因的发现，将使生物工程技术在医疗和诊断上发挥越来越大的作用。
能源与环境是可持续发展的重大主题。化石能源的严重污染和日趋匮乏呼唤新的洁净能源的
替代。可再生和洁净的氢能中，生物质制氢储氢具有广阔前景；以淀粉生产的多种醇类可成
为替代性能源原料；经基因改良的油料作物，可以生产重要化工原料变性脂肪酸等；聚合乳
酸生产全生物降解塑料和利用基因改良作物生产PHA等，均可能替代和优于石化产品。微生
物重组的生物降解污染物技术将成为环保的支柱性产业，如现已发现多种微生物对土壤、水
体和空气中的多种污染物具有生物降解作用，美国生物能公司开发的高效专一性原油脱硫工
程菌远优于传统脱硫方法。通过微生物转化和降解可以使农业有机废弃物无污染和资源化。
生物工程的发展将越来越广泛和深刻地影响和改变着人类的生活，对世界经济、社会产生深
远的影响。