美国"罗斯福大草原工程"
苏联"斯大林改造大自然工程"
北非五国(摩洛哥,阿尔及利亚,突尼斯,利比亚,埃及)"绿色坝建设"
中国"三北防护林工程"
微生物工程(发酵)
微生物工程又叫发酵工程。发酵是微生物特有的作用,在几千年前就被人类认识了,并且用来制造酒和面包。微生物工程是大规模发酵生产工艺的总称,就是利用微生物发酵作用,通过现代工程技术手段来生产有用物质,或者是把微生物直接应用于生物反应器的技术。它是在发酵工艺基础上吸收基因工程、细胞工程和酶工程以及其他技术的成果而形成的。
发酵工程跟化学工业、医药、食品、能源、环境保护和农牧业等许多领域关系密切,它的开发具有很大的经济效益。DNA重组技术和生物反应器(装有固定化酶的容器,能进行生物化学合成),是生物工程中的两大支柱。从工业规模生产上看,生物反应器尤其重要。因为只有通过微生物发酵,才能形成新的产业。
发酵工业的产品在日常生活中随处可见,酒、酸奶、酱油、醋、味精,以及抗生素药、激素、疫苗等,都是利用微生物发酵制成的产品。
人类在史前时期已经能够利用各种不同的微生物了。公元前2000多年,埃及人已酿造出了葡萄酒。我国古代劳动人民,早在4000多年前就从实践中发现了发酵现象。我国用谷物酿酒大概开始于新石器时代。山东龙山文化晚期已有陶尊等饮酒器具。古书记载:“仪狄作酒,禹饮而甘之”。春秋战国时,我国已开始酿醋。周朝时(公元前1000年),我国的酱酒业已很发达。
中国的白酒中有一种曲酒,是用酒曲造酒的。它将糖化和酒化的过程统一起来,是一项重大的发明。曲是培养酵母和霉菌等微生物的谷物。曲的发明和制曲技术的不断改进,使用我国制酒工业取得了伟大成就。同时,曲在医学和发酵食品方面也十分重要的作用。公元前500多年间的《左传》中已有用麦曲治病的记载,到公元5世纪,北魏贾思勰著的《齐民要术》中就详细地记载了制曲和酿酒的技术。虽然我们的祖先并不知道酒是经过酵母发酵而成的,也不知道微生物的存在,但却能利用微生物的作用,制成酒、酱、醋和豆豉等发酵食品。
生物工程和技术被认为是21世纪的主导技术,作为新技术革命的标志之一,已受到世界各国的普遍重视。生物工程将为解决人类所面临的环境、资源、人口、能源、粮食等危机和压力提供最有希望的解决算途径,但生物工程真正能应用于工业化生产的,主要还是微生物工程(发酵工程)。基因工程、细胞工程、酶工程、单克隆抗体和生物能量转化等高科技成果,也往往通过微生物才能转化为生产力,其原因何在呢?
在生物界中,微生物的表面积与体积之比、转化能力、繁殖速度、变异与适应能力等都高于其他生物。在适宜的条件下,细菌20分钟即可繁殖一代,24小时后,一个细胞可繁殖成4万亿亿个细胞,比植物和动物的繁殖速度快得多。
与传统化学工业相比,微生物工程有节能、不污染环境等多种优点,因而具有极大的发展前景。
微生物工程的特点
1微生物工程不完全依赖地球上的有限资源,而着眼于再生资源的利用,不受原料的限制。
2生物反应比化学合成反应所需的温度要低得多,同时可以简化生产步骤,实行生产过程的连续性,大大节约能源,缩短生产周期,降低成本,减少对环境的污染。
3可开辟一条安全有效、生产价格低廉、纯净的生物制品的新途径。
4能解决传统技术或常规方法所不能解决的许多重大难题,如遗传疾病的诊治,并为肿瘤、能源、环境保护提供新的解决办法。
5可定向创造新品种,新物种,适应多方面的需要,造福于人类。
6投资小,收益大,见效快。
微生物工程正逐渐形成一股引起工业调整和社会结构改革的力量。因此,世界各国政府,纷纷把微生物发酵工程列入本国科学技术优先开发的项目。
细胞工程
所谓“细胞工程”,是指通过细胞融合、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的技术。细胞工程开辟了基因重组的新途径,它不需要经过分离、提纯、剪切、拼接等基因操作,只需将细胞遗传物质直接转移到受体细胞中,就能够形成杂交细胞,因而提高了基因转移的效率。细胞工程克服了常规杂交的局限性,使远缘杂交有了新的途径。它不仅可以在植物与植物之间,动物与动物之间,微生物与微生物之间进行远缘杂交,甚至可以在动物与植物、动物与微生物之间进行细胞融合,形成杂交物种。现在,从科学家们的实验室里,已经出现了诸如:土豆-番茄、山绵羊、大豆-烟草、芹菜-胡萝卜等等许多前所未有的生物品种。
细胞工程是一种在细胞水平上运用细胞生物学和分子生物学的方法,改变生物遗传性状的生物工程。细胞工程包括细胞融合、细胞核移植、细胞器移植、染色体添加、外源DNA导入、胚胎移植和组织培养等技术内容。一般来说,用细胞工程的技术来改造和创造新生物,比起用基因工程技术来稍为容易些,它毕竟是细胞水平的技术(基因工程是分子水平的技术)。细胞工程的生物学基础与细胞融合现象的发现密切相关。1838年马勒发现了脊椎动物肿瘤细胞中存在多核现象,当时人们按传统生物学知识认为一个细胞只有一个细胞核,因而以为这不过是一个偶然的特例。后来,又有不少科学家也发现了多核细胞,并逐渐了解到多核细胞是由单个细胞彼此融合形成的。
1960年,英国生物学家科金发明了用酶脱除细胞壁的方法,给植物细胞融合技术扫清了第一道障碍。许多研究人员成功地进行了不同植物的细胞融合,并培养出了再生植株。许多人开始尝试培育了不同种属的超级杂交植物。
1907年,德国植物学家哈伯兰特发明了动物细胞的组织培养方法,人们才有可能发现在细胞培养中发生的细胞融合成多核胞体的现象,并且知道了可以用诱导的方法,人工合成不同来源的两种细胞,使之形成一种新的杂交细胞,从而为培养新的生命类型的细胞工程奠定了技术基础。
动物的复制 植物细胞的全能性得到了证实,那么动物细胞是否也具有复制个体的全能性呢?研究结果说明,动物体细胞中的细胞核,只要有合适的条件(在这些核移植试验中的合适条件就是卵的细胞质),原来只执行某一种功能的细胞(分化细胞)核照样也能长成一个完整的个体,这就是说动物的细胞核也是全能的。决定生物体性状的基因绝大多数都在细胞核中,所以换核卵子长成的个体与提供核的生物体长得很像。
酶工程
早期的酶工程技术主要是从动物、植物、微生物材料中提取、分离、纯化制造各种酶制剂,并将其应用于化工、食品和医药等工业领域。70年代后,酶的固定化技术取得了突破,使固定化酶、固定化细胞、生物反应器与生物传感器等酶工程技术迅速获得应用。随着第三代酶制剂的诞生,应用各种酶工程技术制造精细化工产品和医药用品,及其在化学检测、环境保护等各个领域的有效应用,使酶工程技术的产业化水平在现代生物技术领域中名列前茅,并正在与基因工程、细胞工程和微生物工程融为一本,形成一个具有很大经济效益与社会效益的新型工业门类。
酶存在于动物的脏器和植物的茎、叶、果等各器官中。但以这些动植物为原料去提取人们所需要的酶,所得却微乎其微。
生物学家们在微生物中发现了存在于动植物细胞中的酶。微生物繁殖非常迅速,细菌每隔20分钟即能繁殖一代,24小时内能繁殖72代,要是一个也不死,重量可达4722吨。利用微生物的繁殖速度,可以实施酶生产的工厂化。微生物培养易于控制,微生物本身也容易改造。基因工程的崛起,不仅能使微生物产生酶的产量大幅度提高,而且还能使经过基因改造的微生物生产出动物和植物的酶。例如有一种α-淀粉酶,本是地衣芽孢杆菌生产的,而通过基因工程的办法就可使枯草杆菌生产α-淀粉酶,这使淀粉酶的产量提高了2500倍。又如有一种人尿激酶,本来只存在于人的肾脏中,无法提取,但从人的肾脏中分离出人尿激酶基因,将这种基因与质粒PBR322进行重组后,就能使大肠杆菌生产人的尿激酶。
以微生物酶为主体的酶制剂工业形成于20世纪50年代。其中工业用酶50-60种,治疗和诊断用酶120多种,酶试剂300多种,已涉及食品、医药、发酵、日用化工、轻纺、制革、水产、木材、造纸、能源、农业、环保等经济部门。因此,人们把酶制剂工业称为工业领域中的“金矿”。
国际上酶制剂的年产量已超过10万吨,其来源动物、植物与微生物。微生物酶制剂是工业酶制剂的主体。由于酶制剂主要作为催化剂与添加剂使用,它带动了许多产业的发展。在实际使用中,酶的消费很少,而由它辐射出的实际经济收益却很大。
重新组装生命的基因工程
随着DNA的内部结构和遗传机制的秘密一点一滴地呈现在人们眼前,特别是了解到遗传密码是由信使RNA转录表达以后,生物学家不再仅仅满足于探索、揭示生物遗传的秘密,而开始跃跃谷试,想人分子的水平去干预生物的遗传。如果在将一种生物的DNA中的某个遗传密码片段连接到另一种生物的DNA链上去,将DNA重新组织一下,不就可以按照人类的愿望,设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型吗?这与过去培育生物、繁殖后代的传统做法完全不同,它很像技术科学的工程设计,按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物折那个“基因”重新“施工”、“组装”成新的基因组合,创造出新的生物。这种完全按照人的意愿,由重新组装基因到新生物产生的科学技术就叫“基因工程”,或者叫“遗传工程”。
四大生物工程:
1,细胞工程
2,基因工程
3,酶工程
4,蛋白质工程