生物工程在生物领域中的发展
摘要：本文介绍有关生物工程的四大工程，即基因工程、细胞工程、蛋白质工程和发酵工程，
的概念和发展。
关键词：基因工程 细胞工程 发酵工程 蛋白质工程
1 基因工程
1.1 基因工程的概念
遗传工程，又称基因工程，是利用DNA 重组技术，将目的基因与载体DNA 在体外进行
[1]
重组，然后把这种重组 DNA 分子引入受体细胞，并使之增殖和表达的技术 。遗传工程与
传统培育方式不同之处，在于物种在传统培育方式中透过间接的形式变更，而遗传工程是直
接变更其基因。遗传工程透过分子选殖和转化来直接改变基因的构造与特性。现时，遗传工
程已在多项应用里取得成果。当中有不少例子都应用于改良农作物，又或为医学研究提供实
验品。
1.2 基因工程的基本操作步骤
1.2.1 取得符合人们要求的DNA 片段
如植物的抗病（抗病毒抗细菌）基因，种子的贮藏蛋白的基因，以及人的胰岛素基因干扰
素基因等，都是目的基因。
要从浩瀚的“基因海洋”中获得特定的目的基因，是十分不易的。科学家们经过不懈地探索，
想出了许多办法，其中主要有两条途径：一条是从供体细胞的DNA 中直接分离基因；另一
条是人工合成基因。
直接分离基因最常用的方法是“鸟枪法”，又叫“散弹射击法”。鸟枪法的具体做法是：用限制
酶将供体细胞中的DNA 切成许多片段，将这些片段分别载入运载体，然后通过运载体分别
转入不同的受体细胞，让供体细胞提供的DNA （即外源DNA）的所有片段分别在各个受体
细胞中大量复制（在遗传学中叫做扩增），从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法
把带有目的基因的DNA 片段分离出来。如许多抗虫抗病毒的基因都可以用上述方法获得。
用鸟枪法获得目的基因的优点是操作简便，缺点是工作量大，具有一定的盲目性。又由于真
核细胞的基因含有不表达的DNA 片段，一般使用人工合成的方法。
目前人工合成基因的方法主要有两条。一条途径是以目的基因转录成的信使RNA 为模版，
反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需要的基因。另
一条途径是根据已知的蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA 序列，然后按照碱基
互补配对的原则，推测出它的基因的核苷酸序列，再通过化学方法，以单核苷酸为原料合成
目的基因。如人的血红蛋白基因胰岛素基因等就可以通过人工合成基因的方法获得。
1.2.2 目的基因与运载体结合
基因表达载体的构建是实施基因工程的第二步，也是基因工程的核心。将目的基因与运载体
结合的过程，实际上是不同来源的DNA 重新组合的过程。如果以质粒作为运载体，首先要
用一定的限制酶切割质粒，使质粒出现一个缺口，露出黏性末端。然后用同一种限制酶切断
目的基因，使其产生相同的黏性末端。将切下的目的基因的片段插入质粒的切口处，再加入
适量DNA 连接酶，质粒的黏性末端与目的基因DNA 片段的黏性末端就会因碱基互补配对而
结合，形成一个重组DNA 分子。如人的胰岛素基因就是通过这种方法与大肠杆菌中的质粒
DNA 分子结合，形成重组DNA 分子（也叫重组质粒）的。
1.2.3 将目的基因导入受体细胞
目的基因的片段与运载体在生物体外连接形成重组DNA 分子后，下一步是将重组DNA 分
子
引入受体细胞中进行扩增。
基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌，枯草杆菌，土壤农杆菌，酵母菌和动植物细胞等。
用人工方法使体外重组的DNA 分子转移到受体细胞，主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。例如，如果运载体是质粒，受体细胞是细菌，一般是将细菌用氯化钙处理，以增大细菌
细胞壁的通透性，使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞。目的基因导入受体细胞后，就
可以随着受体细胞的繁殖而复制，由于细菌的繁殖速度非常快，在很短的时间内就能够获得
大量的目的基因。
1.2.4 目的基因的检测与鉴定
目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过检测与鉴定才能
知道。这是基因工程的第四步工作。以上步骤完成后，在全部的受体细胞中，真正能够摄入
重组DNA 分子的受体细胞是很少的。因此，必须通过一定的手段对受体细胞中是否导入了
目的基因进行检测。检测的方法有很多种，例如，大肠杆菌的某种质粒具有青霉素抗性基因，
当这种质粒与外源DNA 组合在一起形成重组质粒，并被转入受体细胞后，就可以根据受体
细胞是否具有青霉素抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因。重组DNA 分子进入受体细
胞后，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达过程。
1.3 基因工程大事记
1860 至1870 年 奥地利学者孟德尔根据豌豆杂交实验提出遗传因子概念，并总结出
孟德尔遗传定律。
1909 年 丹麦植物学家和遗传学家约翰逊首次提出“基因”这一名词，用以表达孟
德尔的遗传因子概念。
1944 年 3 位美国科学家分离出细菌的DNA （脱氧核糖核酸），并发现DNA 是携
带生命遗传物质的分子。
1953 年 美国人沃森和英国人克里克通过实验提出了DNA 分子的双螺旋模型。
1969 年 科学家成功分离出第一个基因。
1980 年 科学家首次培育出世界第一个转基因动物转基因小鼠。
1983 年 科学家首次培育出世界第一个转基因植物转基因烟草。 1988 年 K.Mullis 发明了PCR 技术。
1990 年10 月 被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划启动。
1998 年 一批科学家在美国罗克威尔组建塞莱拉遗传公司，与国际人类基因组计
划展开竞争。
1998 年12 月 一种小线虫完整基因组序列的测定工作宣告完成，这是科学家第
一次绘出多细胞动物的基因组图谱。
1999 年 9 月 中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的
1%。中国是继美、英、日、德、法之后第6 个国际人类基因组计划参与国，也是参
与这一计划的惟一发展中国家。
1999 年12 月1 日 国际人类基因组计划联合研究小组宣布，完整破译出人体第
22 对染色体的遗传密码，这是人类首次成功地完成人体染色体完整基因序列的测定。
2000 年4 月6 日美国塞莱拉公司宣布破译出一名实验者的完整遗传密码，但遭
到不少科学家的质疑。
2000 年4 月底 中国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了1%人类基
因组的工作框架图。
2000 年5 月8 日德、日等国科学家宣布，已基本完成了人体第21 对染色体的
测序工作。
2000 年6 月26 日科学家公布人类基因组工作草图，标志着人类在解读自身“生
命之书”的路上迈出了重要一步。
2000 年12 月14 日美英等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱，这是人
类首次全部破译出一种植物的基因序列。
2001 年2 月12 日 中、美、日、德、法、英6 国科学家和美国塞莱拉公司联合公布
人类基因组图谱及初步分析结果。1.4 基因工程的新发展
信息技术的发展改变了人类的生活方式，而基因工程的突破将帮助人类延年益寿。目
前，一些国家人口的平均寿命已突破80 岁，中国也突破了70 岁。有科学家预言，随
着癌症、心脑血管疾病等顽症的有效攻克，在2020 至2030 年间，可能出现人口平
均寿命突破100 岁的国家。到2050 年，人类的平均寿命将达到90 至95 岁。
人类将挑战生命科学的极限。1953 年2 月的一天，英国科学家弗朗西斯·克里克
宣布：我们已经发现了生命的秘密。他发现DNA 是一种存在于细胞核中的双螺旋分
子，决定了生物的遗传。有趣的是，这位科学家是在剑桥的一家酒吧宣布了这一重大
科学发现的。破译人类和动植物的基因密码，为攻克疾病和提高农作物产量开拓了广
阔的前景。1987 年，美国科学家提出了“人类基因组计划”，目标是确定人类的全部遗
传信息，确定人的基因在23 对染色体上的具体位置，查清每个基因核苷酸的顺序，
建立人类基因库。1999 年，人的第22 对染色体的基因密码被破译，“人类基因组计
划”迈出了成功的一步。可以预见，在今后的四分之一世纪里，科学家们就可能揭示
人类大约5000 种基因遗传病的致病基因，从而为癌症、糖尿病、心脏病、血友病等
致命疾病找到基因疗法。
继2000 年6 月26 日科学家公布人类基因组
法、英等6 国科学家和美国塞莱拉公司2001 年2 月12 日联合公布人类基因组图谱
及初步分析结果。这次公布的人类基因组图谱是在原
理、分类和排列后得到的，它更加准确、清晰、完整。人类基因组蕴涵有人类生、老、
病、死的绝大多数遗传信息，破译它将为疾病的诊断、新药物的研制和新疗法的探索
带来一场革命。人类基因组图谱及初步分析结果的公布将对生命科学和生物技术的发
展起到重要的推动作用。随着人类基因组研究工作的进一步深入，生命科学和生物技
术将随着新的世纪进入新的纪元。
基因工程在20 世纪取得了很大的进展，这至少有两个有力的证明。一是转基因动植
物，一是克隆技术。转基因动植物由于植入了新的基因，使得动植物具有了原先没有
的全新的性状，这引起了一场农业革命。如今，转基因技术已经开始广泛应用，如抗
虫西红柿、生长迅速的鲫鱼等。1997 年世界十大科技突破之首是克隆羊的诞生。这只叫“多利”母绵羊是第一只通过无性繁殖产生的哺乳动物，它完全秉承了给予它细胞
核的那只母羊的遗传基因。“克隆”一时间成为人们注目的焦点。尽管有着伦理和社会
方面的忧虑，但生物技术的巨大进步使人类对未来的想象有了更广阔的空间。
2 细胞工程
2.1 细胞工程的概念
细胞工程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，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞的结构和内含物，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的生物工程技术。
21 世纪合成生物学的发展，采用计算机辅助设计、DNA 或基因合成技术，人工设计
细胞的信号传导与基因表达调控网络，乃至整个基因组与细胞的人工设计与合成，从
而刷新了基因工程与细胞工程技术，并将带来生物计算机、细胞制药厂、生物炼制石
油等技术与产业革命。
2.2 细胞工程的种类
根据细胞类型的不同，可以把细胞工程分为植物细胞工程和动物细胞工程两大类。
2.2．1 植物细胞工程
（1）常用技术手段：植物组织培养，植物体细胞杂交。
（2 ）理论基础：植物细胞的全能性。
（3）植物组织培养
植物组织培养技术的应用范围：快速繁殖、培育无病毒植物，通过大规模的植物
细胞培养来生产药物、食品添加剂、香料、色素和杀虫剂等。
（4 ）植物体细胞杂交 植物体细胞杂交是用两个来自于不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，并且把
杂种细胞培育成新的植物体的方法。
2.2.2 动物细胞工程
（1）常用的技术手段：动物细胞培养、动物细胞融合、单克隆抗体、胚胎移植、
核移植等（动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础）
（2 ）动物细胞培养
动物细胞能够分泌蛋白质，如抗体等。但是单个细胞分泌的蛋白质的量是很少的，
要借助于大规模的动物细胞培养获得大量的分泌蛋白。
（3）动物细胞培养技术的应用
生产许多有重要价值的蛋白质生物制品，如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等。
（4 ）动物细胞融合
动物细胞融合技术最重要的用途，是制备单克隆抗体。
（5）单克隆抗体
要想获得大量的单一抗体，必须用单个B 淋巴细胞进行无性繁殖，也就是通过克
隆，形成细胞群，这样的细胞群就有可能产生出化学性质单一、特异性强的抗体——
单克隆抗体。
（6 ）单克隆抗体的应用
“生物导弹”，将药物定向带到癌细胞所在部位，消灭了癌细胞不伤害健康细胞。
生物技术发展到今天，细胞则成了科学家们随意发挥想象力的乐园，他们甚至可以把
生命像积木那样组装起来，进行细胞水平上的生命组合游戏。生命组合的一个最具代
表性的游戏是美国耶鲁大学教授克莱白特·L·马格特和罗伯特·M·彼德斯的杰作。他们
在黑毛鼠、白毛鼠、黄毛鼠的受精卵分裂成8 个细胞时用特制的吸管把8 细胞胚吸出输卵管，然后用一种酶将包裹在各个胚胎上的粘液溶解，再把这三种鼠的8 细胞胚放
在同一溶液中使之组装成一个具有24 个细胞的“组装胚”。马格特和彼德斯把“组装胚”
移植到一只老鼠的子宫内，不久，一只奇怪的组装鼠问世了，这只组装鼠全身披着黄、
白、黑三种不同颜色的皮毛。迄今为止，除组装鼠外，英国和美国还组装成功了绵羊
和山羊的嵌合体——绵山羊。据说，世界各国科研人员热情高涨，正在组装“五位一
体”。“六位一体”的生物，实在想象不出那样的生物会是什么样子。
2.3 细胞工程的应用
细胞工程作为科学研究的一种手段，已经渗入到生物工程的各个方面，成为必不可少
的配套技术。在农林、园艺和医学等领域中，细胞工程正在为人类做出巨大的贡献。
2.3.1 粮食与蔬菜生产
利用细胞工程技术进行作物育种，是迄今人类受益最多的一个方面。我国在这一
领域已达到世界先进水平，以花药单倍体育种途径，培育出的水稻品种或品系有近百
个，小麦有30 个左右。其中河南省农科院培育的小麦新品种，具有抗倒伏、抗锈病、
抗白粉病等优良性状。
在常规的杂交育种中，育成一个新品种一般需要8～10 年，而用细胞工程技术对
杂种的花药进行离体培养，可大大缩短育种周期，一般提前2～3 年，而且有利优良
性状的筛选。前面已介绍过的微繁殖技术，在农业生产上也有广泛的用途，其技术比
较成熟，并已取得较大的经济效益。例如，我国已解决了马铃薯的退化问题，日本麒
麟公司已能在1000 升容器中大量培养无病毒微型马铃薯块茎作为种薯，实现种薯生
产的自动化。通过植物体细胞的遗传变异，筛选各种有经济意义的突变体，为创造种
质资源和新品种的选育发挥了作用。现已选育出优质的番茄、抗寒的亚麻、以及水稻、
小麦、玉米等新品系。有希望通过这一技术改良作物的品质，使它更适合人类的营养
需求。
蔬菜是人类膳食中不可缺少的成分，它为人体提供必需的维生素、矿物质等。蔬
菜通常以种子、块根、块茎、插扦或分根等传统方式进行繁殖，化费成本低。但是，
在引种与繁育、品种的种性提纯与复壮、育种过程的某些中间环节，植物细胞工程技术仍大有作为。例如，从国外引进蔬菜新品种，最初往往只有几粒种子或很少量的块
根、块茎等。要进行大规模的种植，必须先大量增殖，这就可应用微繁殖技术，在较
短时间内迅速扩大群体。在常规育种过程中，也可应用原生质体或单倍体培养技术，
快速繁殖后代，简化制种程序。另外，还可结合植物基因工程技术，改良蔬菜品种。
2.3.2 园林花卉
在果树、林木生产实践中应用细胞工程技术主要是微繁殖和去病毒技术。几乎所
有的果树都患有病毒病，而且多是通过营养体繁殖代代相传的。用去病毒试管苗技术，
可以有效地防止病毒病的侵害，恢复种性并加速繁殖速度。目前，香蕉、柑橘、山楂、
葡萄、桃、梨、荔枝、龙眼、核桃等十余种果树的试管苗去病毒技术，已基本成熟。
香蕉去病毒试管苗的微繁殖技术已成为产业化商品化的先例之一。因为香蕉是三倍体
植物，必须通过无性繁殖延续后代，传统方法一般采用芽繁殖，感病严重，繁殖率低；
而采用去病毒的微繁殖技术不仅改进了品质，亩产量约提高30 ％～50 ％，很容易被
蕉农接受。
近年来，对经济林木组织培养技术的研究也受到很大的重视。采用这一技术可比
常规方法提前数年进行大面积种植。特别是有些林木的种子休眠期很长，常规育种十
分费时。据不完全统计，现已研究成功的林木植物试管苗已达百余种，如松属、桉树
属、杨属中的许多种，还有泡桐、槐树、银杏、茶、棕榈、咖啡、椰子树等。其中桉
树、杨树和花旗松等大面积应用于生产，澳大利亚已实现桉树试管苗造林，用幼芽培
养每年可繁殖40 万株。
植物细胞工程技术使现代花卉生产发生了革命性的变化。1960 年，科学家首次
利用微繁殖技术将兰花的愈伤组织培养成植株后，很快形成了以组织培养技术为基础
的工业化生产体系——兰花工业。现在，世界兰花市场上有150 多种产品，其中大部
分都是用快速微繁殖技术得到的试管苗。从此，市场供应摆脱了气候、地理和自然灾
害等因素的限制。至今，已报道的花卉试管苗有360 余种。已投入商业化生产的有几
十种。我国对康乃馨、月季、唐昌蒲、菊花、非洲紫罗兰等品种的研究较为成熟，有
的也已商品化，并有大量产品销往港澳及东南亚地区。
2.3.3 临床医学与药物 自1975 年英国剑桥大学的科学家利用动物细胞融合技术首次获得单克隆抗体以
来，许多人类无能为力的病毒性疾病遇到了克星。用单克隆抗体可以检测出多种病毒
中非常细微的株间差异，鉴定细菌的种型和亚种。这些都是传统血清法或动物免疫法
所做不到的，而且诊断异常准确，误诊率大大降低。例如，抗乙型肝炎病毒表面抗原
（HBsAg）的单克隆抗体，其灵敏度比当前最佳的抗血清还要高100 倍，能检测出抗
血清的60 ％的假阴性。
近年来，应用单克隆抗体可以检查出某些还尚无临床表现的极小肿瘤病灶，检测
心肌梗死的部位和面积，这为有效的治疗提供方便。单克隆抗体并已成功地应用于临
床治疗，主要是针对一些还没有特效药的病毒性疾病，尤其适用于抵抗力差的儿童。
人们正在研究“生物导弹”——单克隆抗体作载体携带药物，使药物准确地到达癌细胞，
以避免化疗或放射疗法把正常细胞与癌细胞一同杀死的副作用。
单克隆抗体可以精确地检测排卵期。新一代免疫避孕药也在研制之中，其基本原
理是用精子，卵透明带或早期胚胎来制备单克隆抗体，将它们注入妇女体内，人体就
会产生对精子的免疫反应，从而起到避孕作用。人类体外受精技术的日趋成熟，使人
类对生育活动有了较大的选择余地，促进优生优育，提高人口素质，也为不孕症患者
或不宜生育的人带来福音。
生物药品主要有各种疫苗、菌苗、抗生素、生物活性物质，抗体等，是生物体内
代谢的中间产物或分泌物。过去制备疫苗是从动物组织中提取，得到的产量低而且很
费时。现在，通过培养、诱变等细胞工程或细胞融合途径，不仅大大提高了效率，还
能制备出多价菌苗，可以同时抵御两种以上的病原菌的侵害。用同样的手段，也可培
养出能在培养条件下长期生长、分裂并能分泌某种激素的细胞系。1982 年美国科学
家用诱变和细胞杂交手段，获得了可以持续分泌干扰素的体外培养细胞系，现已走向
应用。
2.3.4 繁育优良品种
目前，人工受精、胚胎移植等技术已广泛应用于畜牧业生产。精液和胚胎的液氮超低
温（-196 摄氏度）保存技术的综合使用，使优良公畜、禽的交配数与交配范围大为扩
展，并且突破了动物交配的季节限制。另外，可以从优良母畜或公畜中分离出卵细胞与精子，
在体外受精，然后再将人工控制的新型受精卵种植到种质较差的母畜子宫内，
繁殖优良新个体。综合利用各项技术，如胚胎分割技术、核移植细胞融合技术、显微
操作技术等，在细胞水平改造卵细胞，有可能创造出高产奶牛、瘦肉型猪等新品种。
特别是干细胞的建立，更展现了美好的前景。
2.4 细胞工程的发展
细胞工程已经渗透到人类生活的许多领域，取得了许多具有开发性的研究成果，
有的在生产中推广，收到了明显的经济和社会效益。随细胞工程技术研究的不断
深入，它的前景和产生的影响将会日益地显示出来。
动物细胞培养工程发展的总方向是:大型化、自动化、精巧化、低成本、高细胞
密度、高目的产品产量。具体地说,就是:
(1) 开发能高密度生长、能分泌大量目标产品的细胞系。这些细胞系应具有放大
的目的基因或具有选择性标记,从而可以保持对特定产物的表达。
(2) 开发细胞生长性能优良、解离细胞容易,并能重复使用的新型廉价微载体。
(3) 研制更大规模的高无菌条件的生物反应器和剪切力小、混合性能良好的新型
搅拌系统。
(4) 将其它领域(诸如自动控制、传感器)的高精尖技术移植于细胞培养工程领域，
以提高大规模培养的自动化、精巧化水平，并能更经济地设计流加或灌注培养过
程。
(5) 由于某些生长因子基因在导入哺乳动物细胞后，其表达产物有可能使细胞脱
离血清生长，这一途径对于今后的哺乳动物细胞基因工程有很大吸引力，并将推
动无血清培养基的开发进入一个崭新阶段。
植物细胞工程技术是现代生物技术中发展比较成熟的技术,是植物改良的有效途
径和方法。随着现代农业的不断拓展,植物细胞工程技术应不断开拓新的应用领
域,如推动植物细胞工程技术与空间技术的结合,发展空间细胞融合技术,加强海洋生物技术
的应用,利用植物细胞工程技术培育海藻新品种,生产海洋来源的植
物功能产品,开拓植物细胞工程在环境保护中的应用等。
细胞工程作为科学研究的一种手段，已经渗入到生物工程的各个方面，成为必不
可少的配套技术。在农林、园艺和医学等领域中，细胞工程正在为人类做出巨大
的贡献
3 蛋白质工程
3.1 蛋白质工程的概论
所谓蛋白质工程，就是利用基因工程手段，包括基因的定点突变和基因表达对蛋白质
进行改造，以期获得性质和功能更加完善的蛋白质分子。
蛋白质是生命的体现者，离开了蛋白质，生命将不复存在。可是，生物体内存在
的天然蛋白质，有的往往不尽人意，需要进行改造。由于蛋白质是由许多氨基酸按一
定顺序连接而成的，每一种蛋白质有自己独特的氨基酸顺序，所以改变其中关键的氨
基酸就能改变蛋白质的性质。而氨基酸是由三联体密码决定的，只要改变构成遗传密
码的一个或两个碱基就能达到改造蛋白质的目的。蛋白质工程的一个重要途径就是根
据人们的需要，对负责编码某种蛋白质的基因重新进行设计，使合成的蛋白质变得更
符合人类的需要。这种通过造成一个或几个碱基定点突变，以达到修饰蛋白质分子结
构目的的技术，称为基因定点突变技术。
蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基
础之上，融合了蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学
科而发展起来的新兴研究领域。其内容主要有两个方面：根据需要合成具有特定氨基
酸序列和空间结构的蛋白质；确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系。
在此基础之上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能，设计合成具有
特定生物功能的全新的蛋白质，这也是蛋白质工程最根本的目标之一。
目前，蛋白质工程尚未有统一的定义。一般认为蛋白质工程就是通过基因重组技
术改变或设计合成具有特定生物功能的蛋白质。实际上蛋白质工程包括蛋白质的分离纯化，
蛋白质结构和功能的分析、设计和预测，通过基因重组或其它手段改造或创造
蛋白质。从广义上来说，蛋白质工程是通过物理、化学、生物和基因重组等技术改造
蛋白质或设计合成具有特定功能的新蛋白质。
3.2 蛋白质工程的基本途径
从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到
相对应的核糖核苷酸序列（RNA）→找到相对应的脱氧核糖核苷酸序列（DNA）
3.3 蛋白质工程的核心内容
3.3.1 蛋白质结构分析
蛋白质工程的核心内容之一就是收集大量的蛋白质分子结构的信息，以便建立结
构与功能之间关系的数据库，为蛋白质结构与功能之间关系的理论研究奠定基础。三
维空间结构的测定是验证蛋白质设计的假设即证明是新结构改变了原有生物功能的
必需手段。晶体学的技术在确定蛋白质结构方面有了很大发展，但是最明显的不足是
需要分离出足够量的纯蛋白质（几毫克～几十毫克），制备出单晶体，然后再进行繁
杂的数据收集、计算和分析。
另外，蛋白质的晶体状态与自然状态也不尽相同，在分析的时候要考虑到这个问
题。核磁共振技术可以分析液态下的肽链结构，这种方法绕过了结晶、X －射线衍射
成像分析等难点，直接分析自然状态下的蛋白质的结构。现代核磁共振技术已经从一
维发展到三维，在计算机的辅助下，可以有效地分析并直接模拟出蛋白质的空间结构、
蛋白质与辅基和底物结合的情况以及酶催化的动态机理。从某种意义上讲，核磁共振
可以更有效地分析蛋白质的突变。国外有许多研究机构正在致力于研究蛋白质与核酸、
酶抑制剂与蛋白质的结合情况，以开发
具有高度专一性的药用蛋白质。
3.3.2 结构、功能的设计和预测
根据对天然蛋白质结构与功能分析建立起来的数据库里的数据，可以预测一定氨基酸序
列肽链空间结构和生物功能；反之也可以根据特定的生物功能，设计蛋白质的
氨基酸序列和空间结构。通过基因重组等实验可以直接考察分析结构与功能之间的关
系；也可以通过分子动力学、分子热力学等，根据能量最低、同一位置不能同时存在
两个原子等基本原则分析计算蛋白质分子的立体结构和生物功能。虽然这方面的工作
尚在起步阶段，但可预见将来能建立一套完整的理论来解释结构与功能之间的关系，
用以设计、预测蛋白质的结构和功能。
3.3.3 创造和改造
蛋白质的改造，从简单的物理、化学法到复杂的基因重组等等有多种方法。物理、
化学法：对蛋白质进行变性、复性处理，修饰蛋白质侧链官能团，分割肽链，改变表
面电荷分布促进蛋白质形成一定的立体构像等等；生物化学法：使用蛋白酶选择性地
分割蛋白质，利用转糖苷酶、酯酶、酰酶等去除或连接不同化学基团，利用转酰胺酶
使蛋白质发生胶连等等。以上方法只能对相同或相似的基团或化学键发生作用，缺乏
特异性，不能针对特定的部位起作用。采用基因重组技术或人工合成 DNA，不但可
以改造蛋白质而且可以实现从头合成全新的蛋白质。
蛋白质是由不同氨基酸按一定顺序通过肽键连接而成的肽构成的。氨基酸序列就
是蛋白质的一级结构，它决定着蛋白质的空间结构和生物功能。而氨基酸序列是由合
成蛋白质的基因的DNA 序列决定的，改变DNA 序列就可以改变蛋白质的氨基酸序列，
实现蛋白质的可调控生物合成。在确定基因序列或氨基酸序列与蛋白质功能之间关系
之前，宜采用随机诱变，造成碱基对的缺失、插入或替代，这样就可以将研究目标限
定在一定的区域内，从而大大减少基因分析的长度。一旦目标DNA 明确以后，就可
以运用定位突变等技术来进行研究。
定位突变蛋白质中的氨基酸是由基因中的三联密码决定的，只要改变其中的一个
或两个就可以改变氨基酸。通常是改变某个位置的氨基酸，研究蛋白质结构、稳定性
或催化特性。噬菌体M13 的生活周期有二个阶段，在噬菌体粒子中其基因组为单链，
侵入宿主细胞以后，通过复制以双链形式存在。将待研究的基因插入载体M13，制得
单链模板，人工合成一段寡核苷酸（其中含一个或几个非配对碱基）作为引物，合成
相应的互补链，用T4 连接酶连接成闭环双链分子。经转染大肠杆菌，双链分子在胞内分别
复制，因此就得到两种类型的噬菌斑，含错配碱基的就为突变型。再转入合适
的表达系统合成突变型蛋白质。
盒式突变1985 年Wells 提出的一种基因修饰技术——盒式突变，一次可以在一
个位点上产生20 种不同氨基酸的突变体，可以对蛋白质分子中重要氨基酸进行“饱和
性”分析。利用定位突变在拟改造的氨基酸密码两侧造成两个原载体和基因上没有的
内切酶切点，用该内切酶消化基因，再用合成的发生不同变化的双链DNA 片段替代
被消化的部分。这样一次处理就可以得到多种突变型基因。
PCR 技术DNA 聚合酶链式反应是应用最广泛的基因扩增技术。以研究基因为模
板，用人工合成的寡核苷酸（含有一个或几个非互补的碱基）为引物，直接进行基因
扩增反应，就会产生突变型基因。分离出突变型基因后，在合适的表达系统中合成突
变型蛋白质。这种方法直接、快速和高效。
高突变率技术从大量的野生型背景中筛选出突变型是一项耗时、费力的工作。有
两种新的突变方法具有较高的突变率：①硫代负链法：核苷酸间磷酸基的氧被硫替代
后修饰物（α－（S）－dCTP ）对某些内切酶有耐性，在有引物和（α－（S ）－dCTP ）
存在下合成负链，然后用内切酶处理，结果仅在正链上产生“缺口”，用核苷酸外切酶
III 从3 ｀→5 ｀扩大缺口并超过负链上错配的核苷酸，在聚合酶作用下修复正链，就
可以得到二条链均为突变型的基因；②UMP 正链法：大肠杆菌突变株RZ1032 中缺
少脲嘧啶糖苷酶和UTP 酶，M13 在这种宿主中可以用脲嘧啶（U）替代胸腺嘧啶（T ）
掺入模板而不被修饰。用这种含U 的模板产生的突变双链转化正常大肠杆菌，结果含
U 的正链被寄主降解，而突变型负链保留并复制。
蛋白质融合将编码一种蛋白质的部分基因移植到另一种蛋白质基因上或将不同蛋白
质基因的片段组合在一起，经基因克隆和表达，产生出新的融合蛋白质。这种方法可
以将不同蛋白质的特性集中在一种蛋白质上，显著地改变蛋白质的特性。现在研究的
较多的所谓“嵌合抗体”和“人缘化抗体”等，就是采用的这种方法。
3.4 蛋白质工程的实际应用
3.4.1 提高蛋白质的稳定性 葡萄糖异构酶在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，朱国
萍等人在确定第138
位甘氨酸为目标氨基酸后，用双引物法对葡萄糖异构酶基因进行体外定点诱变，以脯
氨酸替代目标氨基酸，含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达，结果突变型葡萄糖异
构酶比野生型的热半衰期长一倍；最适反应温度提高10～12℃；酶比活相同。据分
析，脯氨酸替代目标氨基酸后，可能由于引入了一个吡咯环，该侧链刚好能够填充于
目标氨基酸附近的空洞，使蛋白质空间结构更具刚性，从而提高了酶的热稳定性。
3.4.2 融合蛋白质
脑啡肽)N 端5 肽线形结构是与δ型受体结合的基本功能区域，干扰素）是一种
广谱抗病毒抗肿瘤的细胞因子。黎孟枫等人化学合成了脑啡肽N 端5 肽编码区，通
过一连接3 肽编码区与人α1型干扰素基因连接，在大肠杆菌中表达了这一融合蛋白。
以体外人结肠腺癌细胞和多形胶质瘤细胞为模型，采用3H－胸腺嘧啶核苷掺入法证
明该融合蛋白抑制肿瘤细胞生长的活性显著高于单纯的干扰素，通过Naloxone 竞争
阻断实验证明，抑制活性的增高确由脑啡肽导向区介导。
3.4.3 蛋白质活性的改变
通常饭后30～60min，人血液中胰岛素的含量达到高峰，120～180min 内恢复到
基础水平。而目前临床上使用的胰岛素制剂注射后120min 后才出现高峰且持续
180～240min，与人生理状况不符。实验表明，胰岛素在高浓度（大于10－5mol/L ）
时以二聚体形式存在，低浓度时（小于10－9mol/L ）时主要以单体形式存在。设计
速效胰岛素原则就是避免胰岛素形成聚合体。类胰岛素生长因子－I(IGF－I)的结构和
性质与胰岛素具有高度的同源性和三维结构的相似性，但IGF－I 不形成二聚体。IGF
－I 的B 结构域（与胰岛素B 链相对应）中B28－B29 氨基酸序列与胰岛素B 链的
B28－B29 相比，发生颠倒。因此，将胰岛素B 链改为B28Lys－B29Pro，获得单体
速效胰岛素。该速效胰岛素已通过临床实验。
3.4.4 治癌酶的改造
癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；
药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱症病毒（HSV）胸腺
嘧啶激酶(TK)可以催化胸腺嘧啶和其他结构类似物如GANCICLOVIR 和
ACYCLOVIR 无环鸟苷磷酸化。GANCICLOVIR 和ACYCLOVIR 缺少
3 ｀端羟基，就
可以终止DNA 的合成，从而杀死癌细胞。HSV －TK 催化GANCICLOVIR 和
ACYCLOVIR 的能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中筛选出一种，在
酶活性部位附近有6 个氨基酸被替换，催化能力分别提高43 和20 倍。O6－烷基－
鸟嘌呤是DNA 经烷基化剂（包括化疗用亚硝基药物）处理以后形成的主要诱变剂和
细胞毒素，所以这些亚硝基药物的使用剂量受到限制。O6－烷基－鸟嘌呤－DNA 烷
基转移酶O6－Alkylguanine －DNAalkyltransferase(AGT)能够将鸟嘌呤O6 上的烷基
去除掉，起到保护作用。通过反向病毒转染，人类AGT 在鼠骨髓细胞中表达并起到
保护作用。通过突变处理，得到一些正突变AGT 基因且活性都比野生型的高，经检
查发现一个突变基因中的第139 位脯氨酸被丙氨酸替代。
3.4.5 嵌合抗体和人缘化抗体
免疫球蛋白呈Y 型，由二条重链和二条轻链通过二硫键相互连接而构成。每条链
可分为可变区（N 端）和恒定区（C 端），抗原的吸附位点在可变区，细胞毒素或其
他功能因子的吸附位点在恒定区。每个可变区中有三个部分在氨基酸序列上是高度变
化，在三维结构上是处在β折叠端头的松散结构（CDR），是抗原的结合位点，其余
部分为松散结构的支持结构。不同种属的松散结构是保守的，这样就可以通过蛋白质
工程对抗体进行改造。
鼠单克隆抗体被人免疫系统排斥，它潜在的治疗作用得不到利用。嵌合抗体就是
用人抗体的恒定区替代鼠单克隆抗体的恒定区，这样它的免疫原性就显著下降。如用
于治疗直肠结肠腺癌（COLORECTALADENOCARCINOMA ）的单克隆抗体Mab17
－1A。尽管嵌合抗体还存在着免疫原的问题，但仍有几种嵌合抗体通过了临床实验。
所谓人缘化抗体就是将抗原吸附区域嫁接到人抗体上，这样抗体上的外源肽链降低到
最小，免疫原性也就最小。但是，仅将CDR 转接到人抗体上，其抗原吸附能力很小，
必须带上几个框架氨基酸残基，才能保持原有的吸附力。这样就存在免疫原性与抗原
吸附力之间的矛盾。通过逐个氨基酸替代或计算机模拟分析，可在保持原有吸附力的
基础之上，尽可能地降低免疫原性。第一个临床上应用的用于治疗淋巴肉芽肿病和风
湿性关节炎的人缘化抗体CAMPATH－1H，尽管疗效显著，但仍有半数以上的患者有免疫
反应。而其他人缘化抗体如治疗脊髓性白血病的ANTI －CD33 等，其免疫反
应可以忽略不计。
3.4.6 蛋白质工程进展
当前，蛋白质工程是发展较好、较快的分子工程。这是因为在进行蛋白质分子设
计后，已可应用高效的基因工程来进行蛋白的合成。最早的蛋白工程是福什特（Forsht）
等在1982—1985 年间对酪氨酰—t—RNA 合成酶的分子改造工作。他根据XRD （X
射线衍射）实测该酶与底物结合部位结构，用定位突变技术改变与底物结合的氨基酸
残基，并用动力学方法测量所得变体酶的活性，深入探讨了酶与底物的作用机制。佩
里（Perry）1984 年通过将溶菌酶中Ile(3)改成Cys(3)，并进一步氧化生成 Cys(3)-Cys
（97）二硫键，使酶热稳定性提高，显著改进了这种食品工业用酶的应用价值。1987
年福什特通过将枯草杆菌蛋白酶分子表面的Asp （99）和Glu
（156）改成Lys，而
导致了活性中心His （64 ）质子pKa 从7 下降到6，使酶在pH＝6 时的活力提高10
倍。工业用酶最佳pH 的改变预示可带来巨大经济效益。蛋白工程还可对酶的催化活
性、底物专一性、抗氧化性、热变性、碱变性等加以改变。由此可以看出蛋白工程的
威力及其光辉前景。上述各例是通过对关键氨基酸残基的置换与增删进行蛋白工程的
一类方法。另一类是以某个典型的折叠进行“从头设计”的方法。1988 年杜邦公司宣布，
成功设计并合成了由四段反平行α—螺旋组成为73 个氨基残基的成果。这显示，按
人们预期要求，通过从头设计以折叠成新蛋白的目标已是可望又可及了。预测结构的
模型法，在奠定分子生物学基础时起过重大作用。蛋白的一级结构，包含着关于高级
结构的信息这一点已日益明确。结合模型法，通过分子工程来预测高级结构，已成为
人们所瞩目的问题了。
蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就，它把核酸
与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶
的研究推进到崭新的时代，为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用开拓了诱人
的前景。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。
3.4.7 蛋白质工程的前景
蛋白质工程取得的进展向人们展示出诱人的前景。例如，科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。如今，生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程
应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率
高的特点，因此有极为广阔的发展前景
4 发酵工程
4.1 发酵工程的概念
发酵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一种新技术。
4.2 发酵工程的内容
发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵
过程和产品的分离提纯等方面。
1）“发酵”有“微生物生理学严格定义的发酵”和“工业发酵”，词条“发酵工程”中的“发
酵”应该是“工业发酵”。
（2 ）工业生产上通过“工业发酵”来加工或制作产品，其对应的加工或制作工艺被
称为“发酵工艺”。为实现工业化生产，就必须解决实现这些工艺（发酵工艺）的工业
生产环境、设备和过程控制的工程学的问题，因此，就有了“发酵工程”。
（3）发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产的工程学问题的学科。发
酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发酵和提炼（包括
废水处理）等三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，一般分别把它们称为发
酵工程的上游、中游和下游工程。
（4 ）微生物是发酵工程的灵魂。近年来，对于发酵工程的生物学属性的认识愈
益明朗化，发酵工程正在走近科学。
（5）发酵工程最基本的原理是发酵工程的生物学原理。
（6 ）发酵工程有三个发展阶段。 现代意义上的发酵工程是一个由多学科交叉、融合而形成的技术性和应用性较强
的开放性的学科。发酵工程经历了“农产手工加工——近代发酵工程——现代发酵工程”
三个发展阶段。
发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作（农产手工加工），后来借鉴于化学工
程实现了工业化生产（近代发酵工程），最后返璞归真以微生物生命活动为中心研究、
设计和指导工业发酵生产（现代发酵工程），跨入生物工程的行列。
原始的手工作坊式的发酵制作凭借祖先传下来的技巧和经验生产发酵产品，体力
劳动繁重，生产规模受到限制，难以实现工业化的生产。于是，发酵界的前人首先求
教于化学和化学工程，向农业化学和化学工程学习，对发酵生产工艺进行了规范，用
泵和管道等输送方式替代了肩挑手提的人力搬运，以机器生产代替了手工操作，把作
坊式的发酵生产成功地推上了工业化生产的水平。发酵生产与化学和化学工程的结合
促成了发酵生产的第一次飞跃。
通过发酵工业化生产的几十年实践，人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时
间变化的（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程，按照化学
工程的模式来处理发酵工业生产（特别是大规模生产）的问题，往往难以收到预期的
效果。从化学工程的角度来看，发酵罐也就是生产原料发酵的反应器，发酵罐中培养
的微生物细胞只是一种催化剂，按化学工程的正统思维，微生物当然难以发挥其生命
特有的生产潜力。于是，追溯到作坊式的发酵生产技术的生物学内核（微生物），返
璞归真而对发酵工程的属性有了新的认识。发酵工程的生物学属性的认定，使发酵工
程的发展有了明确的方向，发酵工程进入了生物工程的范畴。
发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物（主要是微生物）和有活性的离体酶
的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些工业生产过
程的一种技术。人们熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精，乳酸菌发酵
制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。随着科学技术
的进步，发酵技术也有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物，使
这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。现代发酵工程作为现代生物技术的
一个重要组成部分，具有广阔的应用前景。例如，用基因工程的方法有目的地改造原有的菌种并且提高其产量；利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、干扰素和生长
激素等。
已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工
程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工
程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但生产酒精类
饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗
保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业
上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。
从广义上讲，发酵工程由三部分组成：是上游工程，中游工程和下游工程。其中
上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确
定，营养物的准备等。中游工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和
生产代谢产物的工艺技术。这里要有严格的无菌生长环境，包括发酵开始前采用高温
高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术；在发酵过程中不断向发
酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料
速度的计算机控制技术；还有种子培养和生产培养的不同的工艺技术。此外，根据不
同的需要，发酵工艺上还分类批量发酵：即一次投料发酵；流加批量发酵：即在一次
投料发酵的基础上，流加一定量的营养，使细胞进一步的生长，或得到更多的代谢产
物； 连续发酵：不断地流加营养，并不断地取出发酵液。在进行任何大规模工业发
酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，
并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学
模型。由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出
现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。下游工程指从发酵液中分离和纯化产品
的技术：包括固液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离等工艺），细胞破壁技
术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等），蛋白质纯化技术（沉淀法、
色谱分离法和超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空干燥和冰冻干事燥等）。
此外，在生产药物和食品的发酵工业中，需要严格遵守美国联邦食品和药物管理
局所公布的cGMPs 的规定，并要定时接受有关当局的检查监督。4.3 发酵工程的发展史
20 世纪20 年代的酒精、甘油和丙酮等发酵工程，属于厌氧发酵。从那时起，发酵工
程又经历了几次重大的转折，在不断地发展和完善。
20 世纪40 年代初，随着青霉素的发现，抗生素发酵工业逐渐兴起。由于青霉素
产生菌是需氧型的，微生物学家就在厌氧发酵技术的基础上，成功地引进了通气搅拌
和一整套无菌技术，建立了深层通气发酵技术。它大大促进了发酵工业的发展，使有
机酸、微生素、激素等都可以用发酵法大规模生产。
1957年，日本用微生物生产谷氨酸成功，如今20 种氨基酸都可以用发酵法生产。
氨基酸发酵工业的发展，是建立在代谢控制发酵新技术的基础上的。科学家在深入研
究微生物代谢途径的基础上，通过对微生物进行人工诱变，先得到适合于生产某种产
品的突变类型，再在人工控制的条件下培养，就大量产生人们所需要的物质。目前，
代谢控制发酵技术已经与核苷酸、有机酸和部分抗生素等的生产中。
20 世纪70 年代以后，基因工程、细胞工程等生物工程技术的开发，使发酵工程
进入了定向育种的新阶段，新产品层出不穷。
20 世纪80 年代以来，随着学科之间的不断交叉和渗透，微生物学家开始用数学、
动力学、化工工程原理、计算机技术对发酵过程进行综合研究，使得对发酵过程的控
制更为合理。在一些国家，已经能够自动记录和自动控制发酵过程的全部参数，明显
提高了生产效率。
4.3 发酵工程的应用
4.3.1 轻工业
轻工业是发酵工程技术应用最早和最多的领域，这个领域的特点是大量利用农副产品
（产要是淀粉类产品）进行深加工，其生产的产品种类有：
①酒和溶剂类： 如啤酒、白酒、果酒、酒精、丙酮、丁醇等；
②有机酸类：如柠檬酸、乳酸、苹果酸、衣康酸等；③氨基酸类：如谷氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸等；
④酶制剂类：如食品工业用酶、纺织工业用酶、饲料工业用酶等；
⑤功能性蛋白质、功能性脂类、功能性糖类。
4.3.2 生物医药工业
通过发酵工程技术，可以生产多种抗生素、疫苗、以及一些基因工程药物（如干扰素、
白细胞介素系列等）。
4.3.3 农牧业
通过发酵工程技术，可以生产生物农药、生物肥料、植物生长调节剂、饲料蛋白、饲料工业
用酶等。
4.3.4 环境保护
发酵工程技术，可用于污水处理，有毒物质的降解、固体垃圾处理、土壤污染的修复。
4.3.5 能源开发
通过发酵工程技术可利用可再生原料生产燃料酒精，生产沼气，进行微生物冶金等。
4.4 现代发酵工程技术的发展方向展望
由于发酵工业生产具有反应条件温和，生产原料来源广泛，价格低廉，以及与其它工业
相比投资少、见效快，经济与社会效益显著等诸多优点。而且，通过发酵工程技术生产的产
品种类多、应用面广。因此，发酵工程具有广阔的发展应用前景。
近年来，生物技术的迅速发展有力地推动了发酵工程技术的发展。而发酵工
程技术的应用，则是直接将生物技术转化为生产力，用于生产人类所需的各种产
品，以及为社会服务的重要手段。因此，基因工程、细胞工程、酶工程技术的最
终实施，主要是依靠发酵工程技术来完成的。所以现代发酵工程是生物技术的重要内容之一，是生物技术实现产业化的必由之路，是未来经济社会发展过程中富
有生机和活力的一个重要产业群体。
目前发酵工程技术的研究主要集中在如下几个方面：
（1）采用基因工程、细胞工程技术与常规微生物育种方法相结合，辅之以激光、
离子束、γ －射线等物理诱变方法，致力于选育发酵工业所需的各种优良生产菌
种。
（2）开发研制社会需要、附加值高的新型发酵产品。
（3）采用发酵工程技术取代部分传统化工产品的生产，降低原材料消耗和能源
消耗，减少污染物的排放。
（4）研究开发发酵和提取新技术、新工艺、新设备，提高产品收率、节能降耗。
（5）大规模工业化发酵生产技术。
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贾景明吴春福*吴立军(沈阳药科大学沈阳110016)
[12] 百度百科
生物工程在生物领域中的发展
摘要：本文介绍有关生物工程的四大工程，即基因工程、细胞工程、蛋白质工程和发酵工程，
的概念和发展。
关键词：基因工程 细胞工程 发酵工程 蛋白质工程
1 基因工程
1.1 基因工程的概念
遗传工程，又称基因工程，是利用DNA 重组技术，将目的基因与载体DNA 在体外进行
[1]
重组，然后把这种重组 DNA 分子引入受体细胞，并使之增殖和表达的技术 。遗传工程与
传统培育方式不同之处，在于物种在传统培育方式中透过间接的形式变更，而遗传工程是直
接变更其基因。遗传工程透过分子选殖和转化来直接改变基因的构造与特性。现时，遗传工
程已在多项应用里取得成果。当中有不少例子都应用于改良农作物，又或为医学研究提供实
验品。
1.2 基因工程的基本操作步骤
1.2.1 取得符合人们要求的DNA 片段
如植物的抗病（抗病毒抗细菌）基因，种子的贮藏蛋白的基因，以及人的胰岛素基因干扰
素基因等，都是目的基因。
要从浩瀚的“基因海洋”中获得特定的目的基因，是十分不易的。科学家们经过不懈地探索，
想出了许多办法，其中主要有两条途径：一条是从供体细胞的DNA 中直接分离基因；另一
条是人工合成基因。
直接分离基因最常用的方法是“鸟枪法”，又叫“散弹射击法”。鸟枪法的具体做法是：用限制
酶将供体细胞中的DNA 切成许多片段，将这些片段分别载入运载体，然后通过运载体分别
转入不同的受体细胞，让供体细胞提供的DNA （即外源DNA）的所有片段分别在各个受体
细胞中大量复制（在遗传学中叫做扩增），从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法
把带有目的基因的DNA 片段分离出来。如许多抗虫抗病毒的基因都可以用上述方法获得。
用鸟枪法获得目的基因的优点是操作简便，缺点是工作量大，具有一定的盲目性。又由于真
核细胞的基因含有不表达的DNA 片段，一般使用人工合成的方法。
目前人工合成基因的方法主要有两条。一条途径是以目的基因转录成的信使RNA 为模版，
反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需要的基因。另
一条途径是根据已知的蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA 序列，然后按照碱基
互补配对的原则，推测出它的基因的核苷酸序列，再通过化学方法，以单核苷酸为原料合成
目的基因。如人的血红蛋白基因胰岛素基因等就可以通过人工合成基因的方法获得。
1.2.2 目的基因与运载体结合
基因表达载体的构建是实施基因工程的第二步，也是基因工程的核心。将目的基因与运载体
结合的过程，实际上是不同来源的DNA 重新组合的过程。如果以质粒作为运载体，首先要
用一定的限制酶切割质粒，使质粒出现一个缺口，露出黏性末端。然后用同一种限制酶切断
目的基因，使其产生相同的黏性末端。将切下的目的基因的片段插入质粒的切口处，再加入
适量DNA 连接酶，质粒的黏性末端与目的基因DNA 片段的黏性末端就会因碱基互补配对而
结合，形成一个重组DNA 分子。如人的胰岛素基因就是通过这种方法与大肠杆菌中的质粒
DNA 分子结合，形成重组DNA 分子（也叫重组质粒）的。
1.2.3 将目的基因导入受体细胞
目的基因的片段与运载体在生物体外连接形成重组DNA 分子后，下一步是将重组DNA 分
子
引入受体细胞中进行扩增。
基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌，枯草杆菌，土壤农杆菌，酵母菌和动植物细胞等。
用人工方法使体外重组的DNA 分子转移到受体细胞，主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。例如，如果运载体是质粒，受体细胞是细菌，一般是将细菌用氯化钙处理，以增大细菌
细胞壁的通透性，使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞。目的基因导入受体细胞后，就
可以随着受体细胞的繁殖而复制，由于细菌的繁殖速度非常快，在很短的时间内就能够获得
大量的目的基因。
1.2.4 目的基因的检测与鉴定
目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过检测与鉴定才能
知道。这是基因工程的第四步工作。以上步骤完成后，在全部的受体细胞中，真正能够摄入
重组DNA 分子的受体细胞是很少的。因此，必须通过一定的手段对受体细胞中是否导入了
目的基因进行检测。检测的方法有很多种，例如，大肠杆菌的某种质粒具有青霉素抗性基因，
当这种质粒与外源DNA 组合在一起形成重组质粒，并被转入受体细胞后，就可以根据受体
细胞是否具有青霉素抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因。重组DNA 分子进入受体细
胞后，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达过程。
1.3 基因工程大事记
1860 至1870 年 奥地利学者孟德尔根据豌豆杂交实验提出遗传因子概念，并总结出
孟德尔遗传定律。
1909 年 丹麦植物学家和遗传学家约翰逊首次提出“基因”这一名词，用以表达孟
德尔的遗传因子概念。
1944 年 3 位美国科学家分离出细菌的DNA （脱氧核糖核酸），并发现DNA 是携
带生命遗传物质的分子。
1953 年 美国人沃森和英国人克里克通过实验提出了DNA 分子的双螺旋模型。
1969 年 科学家成功分离出第一个基因。
1980 年 科学家首次培育出世界第一个转基因动物转基因小鼠。
1983 年 科学家首次培育出世界第一个转基因植物转基因烟草。 1988 年 K.Mullis 发明了PCR 技术。
1990 年10 月 被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划启动。
1998 年 一批科学家在美国罗克威尔组建塞莱拉遗传公司，与国际人类基因组计
划展开竞争。
1998 年12 月 一种小线虫完整基因组序列的测定工作宣告完成，这是科学家第
一次绘出多细胞动物的基因组图谱。
1999 年 9 月 中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的
1%。中国是继美、英、日、德、法之后第6 个国际人类基因组计划参与国，也是参
与这一计划的惟一发展中国家。
1999 年12 月1 日 国际人类基因组计划联合研究小组宣布，完整破译出人体第
22 对染色体的遗传密码，这是人类首次成功地完成人体染色体完整基因序列的测定。
2000 年4 月6 日美国塞莱拉公司宣布破译出一名实验者的完整遗传密码，但遭
到不少科学家的质疑。
2000 年4 月底 中国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了1%人类基
因组的工作框架图。
2000 年5 月8 日德、日等国科学家宣布，已基本完成了人体第21 对染色体的
测序工作。
2000 年6 月26 日科学家公布人类基因组工作草图，标志着人类在解读自身“生
命之书”的路上迈出了重要一步。
2000 年12 月14 日美英等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱，这是人
类首次全部破译出一种植物的基因序列。
2001 年2 月12 日 中、美、日、德、法、英6 国科学家和美国塞莱拉公司联合公布
人类基因组图谱及初步分析结果。1.4 基因工程的新发展
信息技术的发展改变了人类的生活方式，而基因工程的突破将帮助人类延年益寿。目
前，一些国家人口的平均寿命已突破80 岁，中国也突破了70 岁。有科学家预言，随
着癌症、心脑血管疾病等顽症的有效攻克，在2020 至2030 年间，可能出现人口平
均寿命突破100 岁的国家。到2050 年，人类的平均寿命将达到90 至95 岁。
人类将挑战生命科学的极限。1953 年2 月的一天，英国科学家弗朗西斯·克里克
宣布：我们已经发现了生命的秘密。他发现DNA 是一种存在于细胞核中的双螺旋分
子，决定了生物的遗传。有趣的是，这位科学家是在剑桥的一家酒吧宣布了这一重大
科学发现的。破译人类和动植物的基因密码，为攻克疾病和提高农作物产量开拓了广
阔的前景。1987 年，美国科学家提出了“人类基因组计划”，目标是确定人类的全部遗
传信息，确定人的基因在23 对染色体上的具体位置，查清每个基因核苷酸的顺序，
建立人类基因库。1999 年，人的第22 对染色体的基因密码被破译，“人类基因组计
划”迈出了成功的一步。可以预见，在今后的四分之一世纪里，科学家们就可能揭示
人类大约5000 种基因遗传病的致病基因，从而为癌症、糖尿病、心脏病、血友病等
致命疾病找到基因疗法。
继2000 年6 月26 日科学家公布人类基因组
法、英等6 国科学家和美国塞莱拉公司2001 年2 月12 日联合公布人类基因组图谱
及初步分析结果。这次公布的人类基因组图谱是在原
理、分类和排列后得到的，它更加准确、清晰、完整。人类基因组蕴涵有人类生、老、
病、死的绝大多数遗传信息，破译它将为疾病的诊断、新药物的研制和新疗法的探索
带来一场革命。人类基因组图谱及初步分析结果的公布将对生命科学和生物技术的发
展起到重要的推动作用。随着人类基因组研究工作的进一步深入，生命科学和生物技
术将随着新的世纪进入新的纪元。
基因工程在20 世纪取得了很大的进展，这至少有两个有力的证明。一是转基因动植
物，一是克隆技术。转基因动植物由于植入了新的基因，使得动植物具有了原先没有
的全新的性状，这引起了一场农业革命。如今，转基因技术已经开始广泛应用，如抗
虫西红柿、生长迅速的鲫鱼等。1997 年世界十大科技突破之首是克隆羊的诞生。这只叫“多利”母绵羊是第一只通过无性繁殖产生的哺乳动物，它完全秉承了给予它细胞
核的那只母羊的遗传基因。“克隆”一时间成为人们注目的焦点。尽管有着伦理和社会
方面的忧虑，但生物技术的巨大进步使人类对未来的想象有了更广阔的空间。
2 细胞工程
2.1 细胞工程的概念
细胞工程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，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞的结构和内含物，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的生物工程技术。
21 世纪合成生物学的发展，采用计算机辅助设计、DNA 或基因合成技术，人工设计
细胞的信号传导与基因表达调控网络，乃至整个基因组与细胞的人工设计与合成，从
而刷新了基因工程与细胞工程技术，并将带来生物计算机、细胞制药厂、生物炼制石
油等技术与产业革命。
2.2 细胞工程的种类
根据细胞类型的不同，可以把细胞工程分为植物细胞工程和动物细胞工程两大类。
2.2．1 植物细胞工程
（1）常用技术手段：植物组织培养，植物体细胞杂交。
（2 ）理论基础：植物细胞的全能性。
（3）植物组织培养
植物组织培养技术的应用范围：快速繁殖、培育无病毒植物，通过大规模的植物
细胞培养来生产药物、食品添加剂、香料、色素和杀虫剂等。
（4 ）植物体细胞杂交 植物体细胞杂交是用两个来自于不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，并且把
杂种细胞培育成新的植物体的方法。
2.2.2 动物细胞工程
（1）常用的技术手段：动物细胞培养、动物细胞融合、单克隆抗体、胚胎移植、
核移植等（动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础）
（2 ）动物细胞培养
动物细胞能够分泌蛋白质，如抗体等。但是单个细胞分泌的蛋白质的量是很少的，
要借助于大规模的动物细胞培养获得大量的分泌蛋白。
（3）动物细胞培养技术的应用
生产许多有重要价值的蛋白质生物制品，如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等。
（4 ）动物细胞融合
动物细胞融合技术最重要的用途，是制备单克隆抗体。
（5）单克隆抗体
要想获得大量的单一抗体，必须用单个B 淋巴细胞进行无性繁殖，也就是通过克
隆，形成细胞群，这样的细胞群就有可能产生出化学性质单一、特异性强的抗体——
单克隆抗体。
（6 ）单克隆抗体的应用
“生物导弹”，将药物定向带到癌细胞所在部位，消灭了癌细胞不伤害健康细胞。
生物技术发展到今天，细胞则成了科学家们随意发挥想象力的乐园，他们甚至可以把
生命像积木那样组装起来，进行细胞水平上的生命组合游戏。生命组合的一个最具代
表性的游戏是美国耶鲁大学教授克莱白特·L·马格特和罗伯特·M·彼德斯的杰作。他们
在黑毛鼠、白毛鼠、黄毛鼠的受精卵分裂成8 个细胞时用特制的吸管把8 细胞胚吸出输卵管，然后用一种酶将包裹在各个胚胎上的粘液溶解，再把这三种鼠的8 细胞胚放
在同一溶液中使之组装成一个具有24 个细胞的“组装胚”。马格特和彼德斯把“组装胚”
移植到一只老鼠的子宫内，不久，一只奇怪的组装鼠问世了，这只组装鼠全身披着黄、
白、黑三种不同颜色的皮毛。迄今为止，除组装鼠外，英国和美国还组装成功了绵羊
和山羊的嵌合体——绵山羊。据说，世界各国科研人员热情高涨，正在组装“五位一
体”。“六位一体”的生物，实在想象不出那样的生物会是什么样子。
2.3 细胞工程的应用
细胞工程作为科学研究的一种手段，已经渗入到生物工程的各个方面，成为必不可少
的配套技术。在农林、园艺和医学等领域中，细胞工程正在为人类做出巨大的贡献。
2.3.1 粮食与蔬菜生产
利用细胞工程技术进行作物育种，是迄今人类受益最多的一个方面。我国在这一
领域已达到世界先进水平，以花药单倍体育种途径，培育出的水稻品种或品系有近百
个，小麦有30 个左右。其中河南省农科院培育的小麦新品种，具有抗倒伏、抗锈病、
抗白粉病等优良性状。
在常规的杂交育种中，育成一个新品种一般需要8～10 年，而用细胞工程技术对
杂种的花药进行离体培养，可大大缩短育种周期，一般提前2～3 年，而且有利优良
性状的筛选。前面已介绍过的微繁殖技术，在农业生产上也有广泛的用途，其技术比
较成熟，并已取得较大的经济效益。例如，我国已解决了马铃薯的退化问题，日本麒
麟公司已能在1000 升容器中大量培养无病毒微型马铃薯块茎作为种薯，实现种薯生
产的自动化。通过植物体细胞的遗传变异，筛选各种有经济意义的突变体，为创造种
质资源和新品种的选育发挥了作用。现已选育出优质的番茄、抗寒的亚麻、以及水稻、
小麦、玉米等新品系。有希望通过这一技术改良作物的品质，使它更适合人类的营养
需求。
蔬菜是人类膳食中不可缺少的成分，它为人体提供必需的维生素、矿物质等。蔬
菜通常以种子、块根、块茎、插扦或分根等传统方式进行繁殖，化费成本低。但是，
在引种与繁育、品种的种性提纯与复壮、育种过程的某些中间环节，植物细胞工程技术仍大有作为。例如，从国外引进蔬菜新品种，最初往往只有几粒种子或很少量的块
根、块茎等。要进行大规模的种植，必须先大量增殖，这就可应用微繁殖技术，在较
短时间内迅速扩大群体。在常规育种过程中，也可应用原生质体或单倍体培养技术，
快速繁殖后代，简化制种程序。另外，还可结合植物基因工程技术，改良蔬菜品种。
2.3.2 园林花卉
在果树、林木生产实践中应用细胞工程技术主要是微繁殖和去病毒技术。几乎所
有的果树都患有病毒病，而且多是通过营养体繁殖代代相传的。用去病毒试管苗技术，
可以有效地防止病毒病的侵害，恢复种性并加速繁殖速度。目前，香蕉、柑橘、山楂、
葡萄、桃、梨、荔枝、龙眼、核桃等十余种果树的试管苗去病毒技术，已基本成熟。
香蕉去病毒试管苗的微繁殖技术已成为产业化商品化的先例之一。因为香蕉是三倍体
植物，必须通过无性繁殖延续后代，传统方法一般采用芽繁殖，感病严重，繁殖率低；
而采用去病毒的微繁殖技术不仅改进了品质，亩产量约提高30 ％～50 ％，很容易被
蕉农接受。
近年来，对经济林木组织培养技术的研究也受到很大的重视。采用这一技术可比
常规方法提前数年进行大面积种植。特别是有些林木的种子休眠期很长，常规育种十
分费时。据不完全统计，现已研究成功的林木植物试管苗已达百余种，如松属、桉树
属、杨属中的许多种，还有泡桐、槐树、银杏、茶、棕榈、咖啡、椰子树等。其中桉
树、杨树和花旗松等大面积应用于生产，澳大利亚已实现桉树试管苗造林，用幼芽培
养每年可繁殖40 万株。
植物细胞工程技术使现代花卉生产发生了革命性的变化。1960 年，科学家首次
利用微繁殖技术将兰花的愈伤组织培养成植株后，很快形成了以组织培养技术为基础
的工业化生产体系——兰花工业。现在，世界兰花市场上有150 多种产品，其中大部
分都是用快速微繁殖技术得到的试管苗。从此，市场供应摆脱了气候、地理和自然灾
害等因素的限制。至今，已报道的花卉试管苗有360 余种。已投入商业化生产的有几
十种。我国对康乃馨、月季、唐昌蒲、菊花、非洲紫罗兰等品种的研究较为成熟，有
的也已商品化，并有大量产品销往港澳及东南亚地区。
2.3.3 临床医学与药物 自1975 年英国剑桥大学的科学家利用动物细胞融合技术首次获得单克隆抗体以
来，许多人类无能为力的病毒性疾病遇到了克星。用单克隆抗体可以检测出多种病毒
中非常细微的株间差异，鉴定细菌的种型和亚种。这些都是传统血清法或动物免疫法
所做不到的，而且诊断异常准确，误诊率大大降低。例如，抗乙型肝炎病毒表面抗原
（HBsAg）的单克隆抗体，其灵敏度比当前最佳的抗血清还要高100 倍，能检测出抗
血清的60 ％的假阴性。
近年来，应用单克隆抗体可以检查出某些还尚无临床表现的极小肿瘤病灶，检测
心肌梗死的部位和面积，这为有效的治疗提供方便。单克隆抗体并已成功地应用于临
床治疗，主要是针对一些还没有特效药的病毒性疾病，尤其适用于抵抗力差的儿童。
人们正在研究“生物导弹”——单克隆抗体作载体携带药物，使药物准确地到达癌细胞，
以避免化疗或放射疗法把正常细胞与癌细胞一同杀死的副作用。
单克隆抗体可以精确地检测排卵期。新一代免疫避孕药也在研制之中，其基本原
理是用精子，卵透明带或早期胚胎来制备单克隆抗体，将它们注入妇女体内，人体就
会产生对精子的免疫反应，从而起到避孕作用。人类体外受精技术的日趋成熟，使人
类对生育活动有了较大的选择余地，促进优生优育，提高人口素质，也为不孕症患者
或不宜生育的人带来福音。
生物药品主要有各种疫苗、菌苗、抗生素、生物活性物质，抗体等，是生物体内
代谢的中间产物或分泌物。过去制备疫苗是从动物组织中提取，得到的产量低而且很
费时。现在，通过培养、诱变等细胞工程或细胞融合途径，不仅大大提高了效率，还
能制备出多价菌苗，可以同时抵御两种以上的病原菌的侵害。用同样的手段，也可培
养出能在培养条件下长期生长、分裂并能分泌某种激素的细胞系。1982 年美国科学
家用诱变和细胞杂交手段，获得了可以持续分泌干扰素的体外培养细胞系，现已走向
应用。
2.3.4 繁育优良品种
目前，人工受精、胚胎移植等技术已广泛应用于畜牧业生产。精液和胚胎的液氮超低
温（-196 摄氏度）保存技术的综合使用，使优良公畜、禽的交配数与交配范围大为扩
展，并且突破了动物交配的季节限制。另外，可以从优良母畜或公畜中分离出卵细胞与精子，
在体外受精，然后再将人工控制的新型受精卵种植到种质较差的母畜子宫内，
繁殖优良新个体。综合利用各项技术，如胚胎分割技术、核移植细胞融合技术、显微
操作技术等，在细胞水平改造卵细胞，有可能创造出高产奶牛、瘦肉型猪等新品种。
特别是干细胞的建立，更展现了美好的前景。
2.4 细胞工程的发展
细胞工程已经渗透到人类生活的许多领域，取得了许多具有开发性的研究成果，
有的在生产中推广，收到了明显的经济和社会效益。随细胞工程技术研究的不断
深入，它的前景和产生的影响将会日益地显示出来。
动物细胞培养工程发展的总方向是:大型化、自动化、精巧化、低成本、高细胞
密度、高目的产品产量。具体地说,就是:
(1) 开发能高密度生长、能分泌大量目标产品的细胞系。这些细胞系应具有放大
的目的基因或具有选择性标记,从而可以保持对特定产物的表达。
(2) 开发细胞生长性能优良、解离细胞容易,并能重复使用的新型廉价微载体。
(3) 研制更大规模的高无菌条件的生物反应器和剪切力小、混合性能良好的新型
搅拌系统。
(4) 将其它领域(诸如自动控制、传感器)的高精尖技术移植于细胞培养工程领域，
以提高大规模培养的自动化、精巧化水平，并能更经济地设计流加或灌注培养过
程。
(5) 由于某些生长因子基因在导入哺乳动物细胞后，其表达产物有可能使细胞脱
离血清生长，这一途径对于今后的哺乳动物细胞基因工程有很大吸引力，并将推
动无血清培养基的开发进入一个崭新阶段。
植物细胞工程技术是现代生物技术中发展比较成熟的技术,是植物改良的有效途
径和方法。随着现代农业的不断拓展,植物细胞工程技术应不断开拓新的应用领
域,如推动植物细胞工程技术与空间技术的结合,发展空间细胞融合技术,加强海洋生物技术
的应用,利用植物细胞工程技术培育海藻新品种,生产海洋来源的植
物功能产品,开拓植物细胞工程在环境保护中的应用等。
细胞工程作为科学研究的一种手段，已经渗入到生物工程的各个方面，成为必不
可少的配套技术。在农林、园艺和医学等领域中，细胞工程正在为人类做出巨大
的贡献
3 蛋白质工程
3.1 蛋白质工程的概论
所谓蛋白质工程，就是利用基因工程手段，包括基因的定点突变和基因表达对蛋白质
进行改造，以期获得性质和功能更加完善的蛋白质分子。
蛋白质是生命的体现者，离开了蛋白质，生命将不复存在。可是，生物体内存在
的天然蛋白质，有的往往不尽人意，需要进行改造。由于蛋白质是由许多氨基酸按一
定顺序连接而成的，每一种蛋白质有自己独特的氨基酸顺序，所以改变其中关键的氨
基酸就能改变蛋白质的性质。而氨基酸是由三联体密码决定的，只要改变构成遗传密
码的一个或两个碱基就能达到改造蛋白质的目的。蛋白质工程的一个重要途径就是根
据人们的需要，对负责编码某种蛋白质的基因重新进行设计，使合成的蛋白质变得更
符合人类的需要。这种通过造成一个或几个碱基定点突变，以达到修饰蛋白质分子结
构目的的技术，称为基因定点突变技术。
蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基
础之上，融合了蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学
科而发展起来的新兴研究领域。其内容主要有两个方面：根据需要合成具有特定氨基
酸序列和空间结构的蛋白质；确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系。
在此基础之上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能，设计合成具有
特定生物功能的全新的蛋白质，这也是蛋白质工程最根本的目标之一。
目前，蛋白质工程尚未有统一的定义。一般认为蛋白质工程就是通过基因重组技
术改变或设计合成具有特定生物功能的蛋白质。实际上蛋白质工程包括蛋白质的分离纯化，
蛋白质结构和功能的分析、设计和预测，通过基因重组或其它手段改造或创造
蛋白质。从广义上来说，蛋白质工程是通过物理、化学、生物和基因重组等技术改造
蛋白质或设计合成具有特定功能的新蛋白质。
3.2 蛋白质工程的基本途径
从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到
相对应的核糖核苷酸序列（RNA）→找到相对应的脱氧核糖核苷酸序列（DNA）
3.3 蛋白质工程的核心内容
3.3.1 蛋白质结构分析
蛋白质工程的核心内容之一就是收集大量的蛋白质分子结构的信息，以便建立结
构与功能之间关系的数据库，为蛋白质结构与功能之间关系的理论研究奠定基础。三
维空间结构的测定是验证蛋白质设计的假设即证明是新结构改变了原有生物功能的
必需手段。晶体学的技术在确定蛋白质结构方面有了很大发展，但是最明显的不足是
需要分离出足够量的纯蛋白质（几毫克～几十毫克），制备出单晶体，然后再进行繁
杂的数据收集、计算和分析。
另外，蛋白质的晶体状态与自然状态也不尽相同，在分析的时候要考虑到这个问
题。核磁共振技术可以分析液态下的肽链结构，这种方法绕过了结晶、X －射线衍射
成像分析等难点，直接分析自然状态下的蛋白质的结构。现代核磁共振技术已经从一
维发展到三维，在计算机的辅助下，可以有效地分析并直接模拟出蛋白质的空间结构、
蛋白质与辅基和底物结合的情况以及酶催化的动态机理。从某种意义上讲，核磁共振
可以更有效地分析蛋白质的突变。国外有许多研究机构正在致力于研究蛋白质与核酸、
酶抑制剂与蛋白质的结合情况，以开发
具有高度专一性的药用蛋白质。
3.3.2 结构、功能的设计和预测
根据对天然蛋白质结构与功能分析建立起来的数据库里的数据，可以预测一定氨基酸序
列肽链空间结构和生物功能；反之也可以根据特定的生物功能，设计蛋白质的
氨基酸序列和空间结构。通过基因重组等实验可以直接考察分析结构与功能之间的关
系；也可以通过分子动力学、分子热力学等，根据能量最低、同一位置不能同时存在
两个原子等基本原则分析计算蛋白质分子的立体结构和生物功能。虽然这方面的工作
尚在起步阶段，但可预见将来能建立一套完整的理论来解释结构与功能之间的关系，
用以设计、预测蛋白质的结构和功能。
3.3.3 创造和改造
蛋白质的改造，从简单的物理、化学法到复杂的基因重组等等有多种方法。物理、
化学法：对蛋白质进行变性、复性处理，修饰蛋白质侧链官能团，分割肽链，改变表
面电荷分布促进蛋白质形成一定的立体构像等等；生物化学法：使用蛋白酶选择性地
分割蛋白质，利用转糖苷酶、酯酶、酰酶等去除或连接不同化学基团，利用转酰胺酶
使蛋白质发生胶连等等。以上方法只能对相同或相似的基团或化学键发生作用，缺乏
特异性，不能针对特定的部位起作用。采用基因重组技术或人工合成 DNA，不但可
以改造蛋白质而且可以实现从头合成全新的蛋白质。
蛋白质是由不同氨基酸按一定顺序通过肽键连接而成的肽构成的。氨基酸序列就
是蛋白质的一级结构，它决定着蛋白质的空间结构和生物功能。而氨基酸序列是由合
成蛋白质的基因的DNA 序列决定的，改变DNA 序列就可以改变蛋白质的氨基酸序列，
实现蛋白质的可调控生物合成。在确定基因序列或氨基酸序列与蛋白质功能之间关系
之前，宜采用随机诱变，造成碱基对的缺失、插入或替代，这样就可以将研究目标限
定在一定的区域内，从而大大减少基因分析的长度。一旦目标DNA 明确以后，就可
以运用定位突变等技术来进行研究。
定位突变蛋白质中的氨基酸是由基因中的三联密码决定的，只要改变其中的一个
或两个就可以改变氨基酸。通常是改变某个位置的氨基酸，研究蛋白质结构、稳定性
或催化特性。噬菌体M13 的生活周期有二个阶段，在噬菌体粒子中其基因组为单链，
侵入宿主细胞以后，通过复制以双链形式存在。将待研究的基因插入载体M13，制得
单链模板，人工合成一段寡核苷酸（其中含一个或几个非配对碱基）作为引物，合成
相应的互补链，用T4 连接酶连接成闭环双链分子。经转染大肠杆菌，双链分子在胞内分别
复制，因此就得到两种类型的噬菌斑，含错配碱基的就为突变型。再转入合适
的表达系统合成突变型蛋白质。
盒式突变1985 年Wells 提出的一种基因修饰技术——盒式突变，一次可以在一
个位点上产生20 种不同氨基酸的突变体，可以对蛋白质分子中重要氨基酸进行“饱和
性”分析。利用定位突变在拟改造的氨基酸密码两侧造成两个原载体和基因上没有的
内切酶切点，用该内切酶消化基因，再用合成的发生不同变化的双链DNA 片段替代
被消化的部分。这样一次处理就可以得到多种突变型基因。
PCR 技术DNA 聚合酶链式反应是应用最广泛的基因扩增技术。以研究基因为模
板，用人工合成的寡核苷酸（含有一个或几个非互补的碱基）为引物，直接进行基因
扩增反应，就会产生突变型基因。分离出突变型基因后，在合适的表达系统中合成突
变型蛋白质。这种方法直接、快速和高效。
高突变率技术从大量的野生型背景中筛选出突变型是一项耗时、费力的工作。有
两种新的突变方法具有较高的突变率：①硫代负链法：核苷酸间磷酸基的氧被硫替代
后修饰物（α－（S）－dCTP ）对某些内切酶有耐性，在有引物和（α－（S ）－dCTP ）
存在下合成负链，然后用内切酶处理，结果仅在正链上产生“缺口”，用核苷酸外切酶
III 从3 ｀→5 ｀扩大缺口并超过负链上错配的核苷酸，在聚合酶作用下修复正链，就
可以得到二条链均为突变型的基因；②UMP 正链法：大肠杆菌突变株RZ1032 中缺
少脲嘧啶糖苷酶和UTP 酶，M13 在这种宿主中可以用脲嘧啶（U）替代胸腺嘧啶（T ）
掺入模板而不被修饰。用这种含U 的模板产生的突变双链转化正常大肠杆菌，结果含
U 的正链被寄主降解，而突变型负链保留并复制。
蛋白质融合将编码一种蛋白质的部分基因移植到另一种蛋白质基因上或将不同蛋白
质基因的片段组合在一起，经基因克隆和表达，产生出新的融合蛋白质。这种方法可
以将不同蛋白质的特性集中在一种蛋白质上，显著地改变蛋白质的特性。现在研究的
较多的所谓“嵌合抗体”和“人缘化抗体”等，就是采用的这种方法。
3.4 蛋白质工程的实际应用
3.4.1 提高蛋白质的稳定性 葡萄糖异构酶在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，朱国
萍等人在确定第138
位甘氨酸为目标氨基酸后，用双引物法对葡萄糖异构酶基因进行体外定点诱变，以脯
氨酸替代目标氨基酸，含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达，结果突变型葡萄糖异
构酶比野生型的热半衰期长一倍；最适反应温度提高10～12℃；酶比活相同。据分
析，脯氨酸替代目标氨基酸后，可能由于引入了一个吡咯环，该侧链刚好能够填充于
目标氨基酸附近的空洞，使蛋白质空间结构更具刚性，从而提高了酶的热稳定性。
3.4.2 融合蛋白质
脑啡肽)N 端5 肽线形结构是与δ型受体结合的基本功能区域，干扰素）是一种
广谱抗病毒抗肿瘤的细胞因子。黎孟枫等人化学合成了脑啡肽N 端5 肽编码区，通
过一连接3 肽编码区与人α1型干扰素基因连接，在大肠杆菌中表达了这一融合蛋白。
以体外人结肠腺癌细胞和多形胶质瘤细胞为模型，采用3H－胸腺嘧啶核苷掺入法证
明该融合蛋白抑制肿瘤细胞生长的活性显著高于单纯的干扰素，通过Naloxone 竞争
阻断实验证明，抑制活性的增高确由脑啡肽导向区介导。
3.4.3 蛋白质活性的改变
通常饭后30～60min，人血液中胰岛素的含量达到高峰，120～180min 内恢复到
基础水平。而目前临床上使用的胰岛素制剂注射后120min 后才出现高峰且持续
180～240min，与人生理状况不符。实验表明，胰岛素在高浓度（大于10－5mol/L ）
时以二聚体形式存在，低浓度时（小于10－9mol/L ）时主要以单体形式存在。设计
速效胰岛素原则就是避免胰岛素形成聚合体。类胰岛素生长因子－I(IGF－I)的结构和
性质与胰岛素具有高度的同源性和三维结构的相似性，但IGF－I 不形成二聚体。IGF
－I 的B 结构域（与胰岛素B 链相对应）中B28－B29 氨基酸序列与胰岛素B 链的
B28－B29 相比，发生颠倒。因此，将胰岛素B 链改为B28Lys－B29Pro，获得单体
速效胰岛素。该速效胰岛素已通过临床实验。
3.4.4 治癌酶的改造
癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；
药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱症病毒（HSV）胸腺
嘧啶激酶(TK)可以催化胸腺嘧啶和其他结构类似物如GANCICLOVIR 和
ACYCLOVIR 无环鸟苷磷酸化。GANCICLOVIR 和ACYCLOVIR 缺少
3 ｀端羟基，就
可以终止DNA 的合成，从而杀死癌细胞。HSV －TK 催化GANCICLOVIR 和
ACYCLOVIR 的能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中筛选出一种，在
酶活性部位附近有6 个氨基酸被替换，催化能力分别提高43 和20 倍。O6－烷基－
鸟嘌呤是DNA 经烷基化剂（包括化疗用亚硝基药物）处理以后形成的主要诱变剂和
细胞毒素，所以这些亚硝基药物的使用剂量受到限制。O6－烷基－鸟嘌呤－DNA 烷
基转移酶O6－Alkylguanine －DNAalkyltransferase(AGT)能够将鸟嘌呤O6 上的烷基
去除掉，起到保护作用。通过反向病毒转染，人类AGT 在鼠骨髓细胞中表达并起到
保护作用。通过突变处理，得到一些正突变AGT 基因且活性都比野生型的高，经检
查发现一个突变基因中的第139 位脯氨酸被丙氨酸替代。
3.4.5 嵌合抗体和人缘化抗体
免疫球蛋白呈Y 型，由二条重链和二条轻链通过二硫键相互连接而构成。每条链
可分为可变区（N 端）和恒定区（C 端），抗原的吸附位点在可变区，细胞毒素或其
他功能因子的吸附位点在恒定区。每个可变区中有三个部分在氨基酸序列上是高度变
化，在三维结构上是处在β折叠端头的松散结构（CDR），是抗原的结合位点，其余
部分为松散结构的支持结构。不同种属的松散结构是保守的，这样就可以通过蛋白质
工程对抗体进行改造。
鼠单克隆抗体被人免疫系统排斥，它潜在的治疗作用得不到利用。嵌合抗体就是
用人抗体的恒定区替代鼠单克隆抗体的恒定区，这样它的免疫原性就显著下降。如用
于治疗直肠结肠腺癌（COLORECTALADENOCARCINOMA ）的单克隆抗体Mab17
－1A。尽管嵌合抗体还存在着免疫原的问题，但仍有几种嵌合抗体通过了临床实验。
所谓人缘化抗体就是将抗原吸附区域嫁接到人抗体上，这样抗体上的外源肽链降低到
最小，免疫原性也就最小。但是，仅将CDR 转接到人抗体上，其抗原吸附能力很小，
必须带上几个框架氨基酸残基，才能保持原有的吸附力。这样就存在免疫原性与抗原
吸附力之间的矛盾。通过逐个氨基酸替代或计算机模拟分析，可在保持原有吸附力的
基础之上，尽可能地降低免疫原性。第一个临床上应用的用于治疗淋巴肉芽肿病和风
湿性关节炎的人缘化抗体CAMPATH－1H，尽管疗效显著，但仍有半数以上的患者有免疫
反应。而其他人缘化抗体如治疗脊髓性白血病的ANTI －CD33 等，其免疫反
应可以忽略不计。
3.4.6 蛋白质工程进展
当前，蛋白质工程是发展较好、较快的分子工程。这是因为在进行蛋白质分子设
计后，已可应用高效的基因工程来进行蛋白的合成。最早的蛋白工程是福什特（Forsht）
等在1982—1985 年间对酪氨酰—t—RNA 合成酶的分子改造工作。他根据XRD （X
射线衍射）实测该酶与底物结合部位结构，用定位突变技术改变与底物结合的氨基酸
残基，并用动力学方法测量所得变体酶的活性，深入探讨了酶与底物的作用机制。佩
里（Perry）1984 年通过将溶菌酶中Ile(3)改成Cys(3)，并进一步氧化生成 Cys(3)-Cys
（97）二硫键，使酶热稳定性提高，显著改进了这种食品工业用酶的应用价值。1987
年福什特通过将枯草杆菌蛋白酶分子表面的Asp （99）和Glu
（156）改成Lys，而
导致了活性中心His （64 ）质子pKa 从7 下降到6，使酶在pH＝6 时的活力提高10
倍。工业用酶最佳pH 的改变预示可带来巨大经济效益。蛋白工程还可对酶的催化活
性、底物专一性、抗氧化性、热变性、碱变性等加以改变。由此可以看出蛋白工程的
威力及其光辉前景。上述各例是通过对关键氨基酸残基的置换与增删进行蛋白工程的
一类方法。另一类是以某个典型的折叠进行“从头设计”的方法。1988 年杜邦公司宣布，
成功设计并合成了由四段反平行α—螺旋组成为73 个氨基残基的成果。这显示，按
人们预期要求，通过从头设计以折叠成新蛋白的目标已是可望又可及了。预测结构的
模型法，在奠定分子生物学基础时起过重大作用。蛋白的一级结构，包含着关于高级
结构的信息这一点已日益明确。结合模型法，通过分子工程来预测高级结构，已成为
人们所瞩目的问题了。
蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就，它把核酸
与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶
的研究推进到崭新的时代，为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用开拓了诱人
的前景。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。
3.4.7 蛋白质工程的前景
蛋白质工程取得的进展向人们展示出诱人的前景。例如，科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。如今，生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程
应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率
高的特点，因此有极为广阔的发展前景
4 发酵工程
4.1 发酵工程的概念
发酵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一种新技术。
4.2 发酵工程的内容
发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵
过程和产品的分离提纯等方面。
1）“发酵”有“微生物生理学严格定义的发酵”和“工业发酵”，词条“发酵工程”中的“发
酵”应该是“工业发酵”。
（2 ）工业生产上通过“工业发酵”来加工或制作产品，其对应的加工或制作工艺被
称为“发酵工艺”。为实现工业化生产，就必须解决实现这些工艺（发酵工艺）的工业
生产环境、设备和过程控制的工程学的问题，因此，就有了“发酵工程”。
（3）发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产的工程学问题的学科。发
酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发酵和提炼（包括
废水处理）等三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，一般分别把它们称为发
酵工程的上游、中游和下游工程。
（4 ）微生物是发酵工程的灵魂。近年来，对于发酵工程的生物学属性的认识愈
益明朗化，发酵工程正在走近科学。
（5）发酵工程最基本的原理是发酵工程的生物学原理。
（6 ）发酵工程有三个发展阶段。 现代意义上的发酵工程是一个由多学科交叉、融合而形成的技术性和应用性较强
的开放性的学科。发酵工程经历了“农产手工加工——近代发酵工程——现代发酵工程”
三个发展阶段。
发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作（农产手工加工），后来借鉴于化学工
程实现了工业化生产（近代发酵工程），最后返璞归真以微生物生命活动为中心研究、
设计和指导工业发酵生产（现代发酵工程），跨入生物工程的行列。
原始的手工作坊式的发酵制作凭借祖先传下来的技巧和经验生产发酵产品，体力
劳动繁重，生产规模受到限制，难以实现工业化的生产。于是，发酵界的前人首先求
教于化学和化学工程，向农业化学和化学工程学习，对发酵生产工艺进行了规范，用
泵和管道等输送方式替代了肩挑手提的人力搬运，以机器生产代替了手工操作，把作
坊式的发酵生产成功地推上了工业化生产的水平。发酵生产与化学和化学工程的结合
促成了发酵生产的第一次飞跃。
通过发酵工业化生产的几十年实践，人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时
间变化的（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程，按照化学
工程的模式来处理发酵工业生产（特别是大规模生产）的问题，往往难以收到预期的
效果。从化学工程的角度来看，发酵罐也就是生产原料发酵的反应器，发酵罐中培养
的微生物细胞只是一种催化剂，按化学工程的正统思维，微生物当然难以发挥其生命
特有的生产潜力。于是，追溯到作坊式的发酵生产技术的生物学内核（微生物），返
璞归真而对发酵工程的属性有了新的认识。发酵工程的生物学属性的认定，使发酵工
程的发展有了明确的方向，发酵工程进入了生物工程的范畴。
发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物（主要是微生物）和有活性的离体酶
的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些工业生产过
程的一种技术。人们熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精，乳酸菌发酵
制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。随着科学技术
的进步，发酵技术也有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物，使
这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。现代发酵工程作为现代生物技术的
一个重要组成部分，具有广阔的应用前景。例如，用基因工程的方法有目的地改造原有的菌种并且提高其产量；利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、干扰素和生长
激素等。
已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工
程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工
程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但生产酒精类
饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗
保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业
上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。
从广义上讲，发酵工程由三部分组成：是上游工程，中游工程和下游工程。其中
上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确
定，营养物的准备等。中游工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和
生产代谢产物的工艺技术。这里要有严格的无菌生长环境，包括发酵开始前采用高温
高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术；在发酵过程中不断向发
酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料
速度的计算机控制技术；还有种子培养和生产培养的不同的工艺技术。此外，根据不
同的需要，发酵工艺上还分类批量发酵：即一次投料发酵；流加批量发酵：即在一次
投料发酵的基础上，流加一定量的营养，使细胞进一步的生长，或得到更多的代谢产
物； 连续发酵：不断地流加营养，并不断地取出发酵液。在进行任何大规模工业发
酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，
并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学
模型。由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出
现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。下游工程指从发酵液中分离和纯化产品
的技术：包括固液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离等工艺），细胞破壁技
术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等），蛋白质纯化技术（沉淀法、
色谱分离法和超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空干燥和冰冻干事燥等）。
此外，在生产药物和食品的发酵工业中，需要严格遵守美国联邦食品和药物管理
局所公布的cGMPs 的规定，并要定时接受有关当局的检查监督。4.3 发酵工程的发展史
20 世纪20 年代的酒精、甘油和丙酮等发酵工程，属于厌氧发酵。从那时起，发酵工
程又经历了几次重大的转折，在不断地发展和完善。
20 世纪40 年代初，随着青霉素的发现，抗生素发酵工业逐渐兴起。由于青霉素
产生菌是需氧型的，微生物学家就在厌氧发酵技术的基础上，成功地引进了通气搅拌
和一整套无菌技术，建立了深层通气发酵技术。它大大促进了发酵工业的发展，使有
机酸、微生素、激素等都可以用发酵法大规模生产。
1957年，日本用微生物生产谷氨酸成功，如今20 种氨基酸都可以用发酵法生产。
氨基酸发酵工业的发展，是建立在代谢控制发酵新技术的基础上的。科学家在深入研
究微生物代谢途径的基础上，通过对微生物进行人工诱变，先得到适合于生产某种产
品的突变类型，再在人工控制的条件下培养，就大量产生人们所需要的物质。目前，
代谢控制发酵技术已经与核苷酸、有机酸和部分抗生素等的生产中。
20 世纪70 年代以后，基因工程、细胞工程等生物工程技术的开发，使发酵工程
进入了定向育种的新阶段，新产品层出不穷。
20 世纪80 年代以来，随着学科之间的不断交叉和渗透，微生物学家开始用数学、
动力学、化工工程原理、计算机技术对发酵过程进行综合研究，使得对发酵过程的控
制更为合理。在一些国家，已经能够自动记录和自动控制发酵过程的全部参数，明显
提高了生产效率。
4.3 发酵工程的应用
4.3.1 轻工业
轻工业是发酵工程技术应用最早和最多的领域，这个领域的特点是大量利用农副产品
（产要是淀粉类产品）进行深加工，其生产的产品种类有：
①酒和溶剂类： 如啤酒、白酒、果酒、酒精、丙酮、丁醇等；
②有机酸类：如柠檬酸、乳酸、苹果酸、衣康酸等；③氨基酸类：如谷氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸等；
④酶制剂类：如食品工业用酶、纺织工业用酶、饲料工业用酶等；
⑤功能性蛋白质、功能性脂类、功能性糖类。
4.3.2 生物医药工业
通过发酵工程技术，可以生产多种抗生素、疫苗、以及一些基因工程药物（如干扰素、
白细胞介素系列等）。
4.3.3 农牧业
通过发酵工程技术，可以生产生物农药、生物肥料、植物生长调节剂、饲料蛋白、饲料工业
用酶等。
4.3.4 环境保护
发酵工程技术，可用于污水处理，有毒物质的降解、固体垃圾处理、土壤污染的修复。
4.3.5 能源开发
通过发酵工程技术可利用可再生原料生产燃料酒精，生产沼气，进行微生物冶金等。
4.4 现代发酵工程技术的发展方向展望
由于发酵工业生产具有反应条件温和，生产原料来源广泛，价格低廉，以及与其它工业
相比投资少、见效快，经济与社会效益显著等诸多优点。而且，通过发酵工程技术生产的产
品种类多、应用面广。因此，发酵工程具有广阔的发展应用前景。
近年来，生物技术的迅速发展有力地推动了发酵工程技术的发展。而发酵工
程技术的应用，则是直接将生物技术转化为生产力，用于生产人类所需的各种产
品，以及为社会服务的重要手段。因此，基因工程、细胞工程、酶工程技术的最
终实施，主要是依靠发酵工程技术来完成的。所以现代发酵工程是生物技术的重要内容之一，是生物技术实现产业化的必由之路，是未来经济社会发展过程中富
有生机和活力的一个重要产业群体。
目前发酵工程技术的研究主要集中在如下几个方面：
（1）采用基因工程、细胞工程技术与常规微生物育种方法相结合，辅之以激光、
离子束、γ －射线等物理诱变方法，致力于选育发酵工业所需的各种优良生产菌
种。
（2）开发研制社会需要、附加值高的新型发酵产品。
（3）采用发酵工程技术取代部分传统化工产品的生产，降低原材料消耗和能源
消耗，减少污染物的排放。
（4）研究开发发酵和提取新技术、新工艺、新设备，提高产品收率、节能降耗。
（5）大规模工业化发酵生产技术。
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