图解生物技术

生物工程,图解

生物技术是21世纪的一项核心技术，也是一门应用学科。《图解生物技术》旨在使读者对现代生物技术全貌与核心概念快速有概要性的理解。它是在早期版本《生物技术与基因工程图解小百科》的基础上进行了更新和补充而成，同时也加入了一些新的主题，反映了当今生物技术的发展和趋势。《图解生物技术》首先对现代生物所涉及的众多学科领域进行了简明扼要的阐述，主要包括：微生物学、生物化学、基因工程、细胞生物学和生物工艺学等。其次集中介绍了生物技术在各个领域的应用，包括食品和食品添加剂、工业产品、酶技术、医学领域和医学技术，以及农业和环境保护。再次总览当前应用生命科学的大趋势，包括基因组学和后基因组学、生物信息学、细胞技术和基因治疗，以及新出现的生物经济学。*后主要涉及安全和伦理的各个方面，同时包括专利和注册相关的话题。

目录
译者序
前言
早期版本前言
导论 1
早期进展 2
今日生物技术 4
微生物学 6
病毒 6
噬菌体 8
微生物 10
细菌 12
酵母 14
真菌 16
藻类 18
生物技术中用到的一些重要细菌 20
微生物：分离，保存，安全性 22
微生物：菌株改良 24
生物化学 26
生物化学 26
氨基酸、多肽、蛋白质 28
酶：结构、功能、动力学 30
糖、糖苷、寡糖、多糖 32
脂类、膜、膜蛋白 34
代谢 36
基因工程 38
DNA：结构 38
DNA：功能 40
RNA 42
基因工程：常规步骤 44
DNA的制备 46
DNA操作中其他的工具酶 48
PCR：常规方法 50
PCR：实验室方法 52
DNA：合成和长度测定 54
DNA测序 56
将外源DNA转入到活细胞内(转化) 58
基因克隆与鉴定 60
基因表达 62
基因沉默 64
表观遗传学 66
基因文库和基因图谱 68
原核生物的遗传图谱 70
真核生物的遗传图谱 72
宏基因组学 74
细胞生物学 76
细胞生物学 76
干细胞 78
血细胞与免疫系统 80
抗体 82
报告基团 84
固态发酵 86
微生物的生长 88
生长动力学和产物形成 90
分批补料发酵、连续发酵和高细胞密度
发酵 92
发酵技术 94
发酵技术：规模放大 96
哺乳动物细胞的培养 98
哺乳动物细胞生物反应器 100
酶和细胞反应器 102
生物产品的回收 104
蛋白质回收：层析 106
工业工艺的经济因素 108
食品和食品添加剂 110
酒精饮料 110
啤酒 112
发酵食品 114
食品和乳酸发酵 116
益生元和益生菌 118
面包酵母和饲料酵母 120
石油来源的饲料酵母和单细胞油 122
氨基酸 124
L-谷氨酸 126
D，L-甲硫氨酸、L-赖氨酸和L-苏氨酸 128
阿斯巴甜、L-苯丙氨酸和L-天冬氨酸 130
通过酶转化的氨基酸 132
维生素 134
核苷和核苷酸 136
工业产品 138
生物乙醇 138
正丁醇 140
高级醇和烯烃 142
乙酸/醋 144
柠檬酸 146
乳酸，3-羟基丙酸(3-HP) 148
葡萄糖酸和“绿色”糖化学 150
二元羧酸 152
生物聚合物：聚酯 154
生物聚合物：聚酰胺 156
多糖 158
生物表面活性剂 160
脂肪酸与脂肪酸酯 162
酶技术 164
生物转化 164
工业用酶 166
酶催化应用 168
区域酶和手性酶的合成 170
添加剂用酶 172
洗涤剂酶 174
淀粉水解酶 176
淀粉的酶水解 178
酶和甜味剂 180
纤维素和聚糖水解酶 182
木浆和纸加工用酶 184
果胶酶 186
酶和乳制品 188
烘焙食品和肉品加工用酶 190
食品生产与动物饲料酶制剂 192
皮革和纺织处理用酶 194
获得新工业用酶的方法 196
蛋白质设计 198
抗生素 200
抗生素：来源、应用和作用机制 200
抗生素：筛选、工业生产和作用机制 202
抗生素抗性 204
β-内酰胺类抗生素：结构、生物合成和
作用机制 206
β-内酰胺类抗生素：生产 208
氨基酸和肽类抗生素 210
糖肽类、脂肽类、聚醚类和核苷类抗
生素 212
氨基糖苷类抗生素 214
四环素类、醌类、喹诺酮类和其他
芳香族抗生素 216
大环内酯类抗生素 218
抗生素筛选的新途径 220
医药生物技术 222
胰岛素 222
生长激素和其他激素 224
血红蛋白、血清白蛋白和乳铁蛋白 226
血凝剂 228
抗凝血剂和血栓溶解剂 230
酶抑制剂 232
干扰素 234
白细胞介素和抗白细胞介素 236
促红细胞生成素和其他生长因子 238
其他治疗用蛋白 240
单克隆抗体和催化抗体 242
重组抗体 244
治疗性抗体 246
疫苗 248
重组疫苗 250
类固醇生物转化 252
诊断酶 254
酶检验 256
生物传感器 258
免疫分析 260
糖生物学 262
农业和环境 264
动物育种 264
胚胎移植、克隆动物 266
基因图谱 268
转基因动物 270
育种、基因制药和异种移植 272
植物育种 274
植物组织表面培养 276
植物细胞悬浮培养 278
转基因植物：方法 280
转基因植物：抗性 282
转基因植物：产品 284
需氧废水处理 286
厌氧废水处理和污泥处理 288
废气的生物学处理 290
土壤生物处理 292
微生物浸矿、生物膜和生物腐蚀 294
大趋势 296
人类基因组 296
人类基因组的功能分析 298
药物基因组学和营养基因组学 300
DNA分析 302
基因治疗 304
诱导多能干细胞(iPS) 306
组织工程 308
药物筛选 310
高通量测序 312
蛋白质组学 314
DNA和蛋白质芯片 316
代谢工程 318
合成生物学 320
系统生物学 322
生物信息学：序列和结构数据库 324
生物信息学：功能分析 326
碳资源 328
生物炼制 330
基因工程的安全性 332
生物技术产品的法规 334
道德考虑和公众认可 336
生物技术专利 338
生物技术的国际情况 340
延伸阅读 342
专业名词与索引 376

导论
　　早期进展
　　历史
　　我们今天所称的生物技术可能和农业一并起源，可以追溯到很久以前。食物由于微生物酸败而损失，通过干燥、盐渍和糖化来保存，通过发酵生产酒精饮料等，大概从一开始，人们就从上述情形中得到了许多经验。沿着*初的城市文化发展轨迹，我们找到了用生物技术原理生产面包、啤酒、葡萄酒和奶酪及兽皮制革的文字记载和绘画。在亚洲，数千年前就有许多发酵的产品出现，如中国酸菜、韩国泡菜、印度尼西亚腌姜等。在欧洲，从公元6世纪开始，修道院和与其组织良好的各个部门研制出酿造、酿酒和烘焙技艺的具体方法。我们应该把富含酒精的烈性啤酒归功于僧侣们对“Liquida non fragunt ieiunum”(酒不影响工作)的虔诚理解。然而，现代生物技术只不过是微生物学的一个孩子，微生物学在19世纪后期迅速发展。随后在20世纪上半叶，**次和第二次世界大战可能为微生物学家、化学家和工程师们提供了前所未有的机遇来建立现代工业生物技术，以生产有机溶剂和抗生素等产品。在此时和之后的一段时间内，生物化学家、遗传学家和细胞生物学家取得了许多突破性的发现和进展，并诞生了分子生物学。基于遗传学和细胞工程学的现代生物技术在这个阶段被提出，并于20世纪70年代和80年代诞生。随着信息技术的出现，现代生物技术*终促进了基因组学、蛋白质组学和细胞组学的形成，这些都将成为21世纪的主要生物技术，并将在医学、食品和农业、化学和环境保护方面得到广泛的应用。
　　早期的先驱者和产品
　　生物技术是一门应用科学，其许多成就都是受到经济的驱动。1864年，法国化学家巴斯德首次使用显微镜来观察葡萄酒和乳酸的发酵。他使用无菌培养基(巴氏消毒)，得到了微生物的纯培养物，为应用微生物的诞生奠定了基础，并将本领域扩展到病原微生物的控制上。20世纪初，德国化学家Otto Roehm和日本科学家Jokichi Takamine突然想到，在工业加工中，从动物废弃物和霉菌培养物中分离的酶会是有用的催化剂。Otto Roehm的想法使制革工业发生了革命性的变化，因为直至那个时期，还是用狗的粪便来制革。在公共卫生领域，1900年前后生物污水处理的应用是流行病预防的一个里程碑。**次世界大战期间，德国的Carl Neuberg和从俄罗斯移民到巴西的犹太人Chaim Weizmann研制了用于生产弹药的化工产品(生产硝酸甘油的甘油和生产线状无烟火药的丙酮)的大规模发酵工艺。贝尔福宣言和随后以色列国家的成立(Weizmann成为其**任总统)都直接与生物技术的早期成功相关。在战后时期，正丁醇——Weizmann 基于梭菌发酵工艺的第二个产品，作为汽车油漆的溶剂在美国非常重要。1922年，Alexander Fleming偶然发现了青霉素，很久之后Howard Florey 将其作为药用，这使青霉素和其他抗生素在第二次世界大战期间被大规模地生产。早在1950年，已有1000多种不同的抗生素被分离，并广泛应用于医药、动物育种和植物保护方面。伴随而来的是抗生素耐药性趋势的增加，进而引起了微生物防御机制的研究。自1950年以后，对酶及其后的抗体的分析使用，开辟了现代生物技术另一个重要的领域。1954年，Leland C. Clark引进了**个葡萄糖生物传感器，开启了血糖监测的观念，如今的市场需求已经达到数十亿美元。在20世纪60年代石油危机和意识到人口过剩的阴影下，人们开发了将生物质转化为能源(如生物乙醇)和利用石油或甲醇制备单细胞蛋白的技术。如今，在2014年，“生物炼制”正活跃发展。
　　今日生物技术
　　基因工程和细胞技术
　　1973年，旧金山的Stanley Cohen和Frederick Boyer首次将设计的外源基因在宿主菌中表达。大约10年后，**种重组药物——人类生长激素被注册了。自此以后，50多种基因工程蛋白被注册作为治疗药物，包括胰岛素(用于糖尿病)、促红细胞生成素(用于贫血患者)、第八因子(用于血友病患者)、β干扰素(用于多发性硬化症患者)，重组抗体和疫苗，还有数百种正在研发。尽管新技术首先应用在医药上，但其在农业和食品生产方面的创新潜力很快就开始显露出来。因此，人们培育了转基因作物以抵抗除草剂、昆虫或病毒。如今，这些作物主要生长在北美。通过基因修饰，花朵可以展现出新的颜色，蔬菜和水果的营养成分更高，木材的木质素含量降低以改善纸的生产。在化学工业方面，生物质(如淀粉或纤维素等)来源的化学品如生物聚合物开始替代石油产品，并且利用生物质制备生物燃料和化学品的“生物炼制”技术也开始出现。这些技术正在改变农业的面貌。高通量基因测序仪和超级计算机使得人类基因组测序更加廉价和常规，基于基因组的信息现在正被广泛应用于分析疾病的分子基础和通过靶向筛选的方法来开发新药。一些新的方法，如蛋白质组学和结构生物学，使我们对生命和疾病的化学基础有一个基本的理解。应用基因治疗方法，我们尝试用正常功能的基因去替换异常基因，这些进展与细胞生物学的巨大进步相一致，这些进步集中在多细胞生物中细胞间复杂的相互作用。人类已分化的细胞如心肌细胞和神经元，如今可以从胚胎干细胞获得，甚至可以通过诱导多能干细胞对成人的体细胞遗传改造来获得。组织工程已经成为修复创伤组织(如皮肤、骨骼或软骨)的一种外科方法。
　　公众认可
　　1998年诞生的多莉羊是**个从体细胞克隆的动物，因此与其母亲完全相同。胚胎操作和个体遗传指纹等成就的轰动和可能造成的后果已经引发公众激烈的讨论。典型的问题有：人的生命是从什么阶段开始的？什么时候需要被保护？我们能接受克隆人吗？对于个人健康风险的决定性观点，如来自雇主或保险公司的观点，我们能接受到什么程度？分子遗传学和基因治疗将如何影响社会的年龄分布？随意对植物和动物进行遗传修饰道德吗？这些操作与生态系统和其自然多样性能协调到什么程度？新的生物技术将如何影响工业化经济体和发展中经济体之间的关系？目前还没有一个问题得到完全的解决。随着我们开始了解和干预人类大脑的机能，在全球范围内解答这些问题将变得越来越紧迫。
　　微生物学
　　病毒
　　概述
　　病毒是一种没有自身完整代谢能力的感染性颗粒，其遗传信息储存在DNA或RNA内，并依赖于活的宿主细胞的帮助来复制。病毒通过其宿主产生的蛋白质外壳(衣壳)与其核酸(病毒颗粒、核衣壳)装配来完成复制。病毒可以感染大多数的生物，但大多数具有宿主特异性，甚至有组织或细胞特异性。病毒可根据其宿主范围、形态、核酸(DNA/RNA)及衣壳分类。在医学和兽医学领域，人类和动物病毒在早期诊断、预防和治疗起着至关重要的作用，例如，AIDS(HIV)、病毒性出血热(埃博拉病毒)、禽流感(H5N1，H7N9病毒)或肝炎(多种病毒家族)是人类病毒疾病中的重要案例；正如家畜兽医疾病中的牛瘟(麻疹病毒)或传染性鲑鱼贫血(ISA 病毒)一样。在生物技术中，病毒可用来研制外壳特异性疫苗或成分疫苗，也可用来获得基因载体和启动子元件，并在动物细胞培养和基因治疗等方面进行应用。
　　动物实验病毒
　　1979年，科学家利用猿猴病毒40(SV40)的载体完成了**个动物细胞克隆实验。这种病毒能够感染各种哺乳动物，在裂解周期或溶原周期(宿主细胞的裂解和缓慢裂解)进行繁殖，其基因组约为5.2 kb，含有DNA复制所需的早期基因和衣壳合成所需的晚期基因。基于SV40的表达载体包含复制起点(ori)，通常还含有来源于病毒DNA的启动子和转录终止序列(polyA)。在进行鼠细胞转染时，一般**牛乳头瘤病毒的DNA构建体(BPV)；在被感染的细胞内，DNA构建体变成多拷贝质粒，并在细胞分裂时传递给子代细胞。在基因治疗方面，毒性弱化的反转录病毒、腺病毒和疱疹病毒等正被研究作为基因的穿梭载体，以期在疾病的治疗中进行应用。反转录病毒(如HIV)含有RNA基因组，他们通常只感染正在分裂的细胞，并且编码一种反转录酶，该酶能在宿主细胞内将RNA反转录成cDNA；随后，HIV-cDNA整合到宿主的基因组上，通过强启动子指导合成病毒核酸和衣壳蛋白。目前，采用复制缺陷的反转录病毒作为载体用于基因治疗已进行了大量的研究。反转录病毒载体的一个缺点在于其可容纳的外源DNA(插入片段)较小，而利用腺病毒作为载体则能够容纳大到28 kb的外源DNA。与反转录病毒不同，腺病毒可以感染非分裂期正在的细胞，但其DNA不能整合到宿主的染色体DNA上。基因治疗中如果以神经细胞为靶细胞时，如阿尔茨海默病或帕金森病，常使用单纯疱疹病毒的衍生载体，其152 kb的大基因组能容纳大于20 kb的外源DNA序列的插入。此外，牛痘病毒也能容纳类似大小片段的插入并感染许多类型的细胞。
　　植物实验病毒
　　大多数的植物病毒具有RNA基因组，目前已知的能感染高等植物的DNA病毒只有两种，分别是花椰菜病毒和双子星病毒。花椰菜病毒的宿主范围很窄，其较小的基因组使其容纳外源DNA的能力较弱，因此只能感染十字花科植物，如甜菜和一些甘蓝品种。双子星病毒可以感染玉米和小麦等重要的农作物，因而其应用具有很高的风险。此外，在感染过程中，植物基因组会发生各种重排和缺失，导致外源插入的DNA很难正确的表达。
　　杆状病毒
　　杆状病毒可以感染昆虫，但不感染哺乳动物。感染后的宿主细胞会形成一种晶体蛋白(多角体蛋白)，其含量可占昆虫细胞的50%以上。因此，在细胞培养叶蛾(一种蝴蝶)时，使用多角体蛋白启动子来表达外源蛋白是很有用的。这种系统的优点是其翻译后的糖基化修饰与哺乳动物细胞相类似。然而，该系统的规模有限，使其更多的是在实验室研究中被采用。在日本，蚕(家蚕)是*令人关注的外源蛋白表达系统，科研人员正在研究利用核多角体病毒BmNPV进行转染。