1 第一章 生物技术总论
　　学习目的
　　①了解生物技术的含义、特点及生物技术的发展史。②掌握生物技术的种类及其相互关系。③认识生物技术的应用领域及其对人类社会发展的影响。
　　世界各国均将生物技术视为一项高新技术。它被广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工、食品、化工、能源和环境保护等领域，促进了传统产业的技术改造和新兴产业的形成，对人类生活将产生深远的革命性的影响，所以生物技术对于提高国力，迎接人类所面临的诸如食品短缺、健康问题、环境问题及经济问题的挑战是至关重要的。生物技术是现实生产力，也是具有巨大经济效益的潜在生产力，它将是21世纪高新技术革命的核心内容，生物技术产业将是21世纪的支柱产业，所以许多国家都将生物技术确定为增强国力和经济实力的关键性技术之一。我国政府同样把生物技术列为高新技术之一，并组织力量追踪和攻关。
　　生物技术不完全是一门新兴学科，它包括传统生物技术和现代生物技术两部分。传统生物技术是指旧有的制造酱、醋、酒、面包、奶酪、酸奶及其他食品的传统工艺；现代生物技术则是指20世纪70年代末80年代初发展起来的，以现代生物学研究成果为基础，以基因工程为核心的新兴学科。当前所称的生物技术基本上都是指现代生物技术。
　　本书主要讨论现代生物技术。
　　1.1 生物技术的含义
　　1.1.1 生物技术的定义
　　生物技术（biotechnology），有时也称生物工程（bioengineering），是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需的产品或达到某种目的。因此，生物技术是一门新兴的、综合性的学科。
　　先进的工程技术手段是指基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质工程和酶工程等新技术。改造生物体是指获得优良品质的动物、植物或微生物品系。生物原料则是指生物体的某一部分或生物生长过程中产生的能利用的物质，如淀粉、糖蜜、纤维素等有机物，也包括一些无机化学品，甚至某些矿石。为人类生产出所需的产品包括粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等各种产品。达到某种目的则包括疾病的预防、诊断与治疗和食品的检验，以及环境污染的检测和治理等。
　　生物技术是由多学科综合而成的一门新学科。就生物科学而言，它包括了微生物学、生物化学、细胞生物学、免疫学、遗传与育种学、生物信息学等几乎所有与生命科学有关的学科，特别是现代分子生物学的*新理论成就更是生物技术发展的基础。现代生命科学的发展已在分子、亚细胞、细胞、组织和个体等不同层次上揭示了生物的结构和功能的相互关系，从而使人们得以应用其研究成就对生物体进行不同层次的设计、控制、改造或模拟，并产生了巨大的生产能力。
　　1.1.2 生物技术的种类及其相互关系
　　近几十年来，科学和技术发展的一个显著特点是人们越来越多地采用多学科的方法来解决各种问题。这将导致综合性学科的出现，并*终形成具有独*概念和方法的新领域。生物技术就是在这种背景下产生的一门综合性的新兴学科。根据生物技术操作的对象及操作技术的不同，生物技术主要包括以下4项技术（工程）。
　　1.1.2.1 基因工程
　　基因工程（gene engineering）是20世纪70年代以后兴起的一门新技术，其主要原理是应用人工方法把生物的遗传物质，通常是脱氧核糖核酸（DNA）分离出来，在体外进行切割、编辑、拼接和重组。然后将重组了的DNA导入某种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品性；有时还使新的遗传信息（基因）在新的宿基因工程的应主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物（多肽或蛋白质）。这种通过体外用及其安全性DNA重组创造新生物并给予特殊功能的技术就称为基因工程，也称DNA重组管理技术。
　　1.1.2.2 细胞工程
　　一般认为，所谓的细胞工程（cell engineering）是指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖；或人为地使细胞的某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种或创造新品种的目的；或加速繁育动植物个体；或获得某种有用的物质的过程。所以细胞工程应包括动植物细胞的体外培养技细胞工程术、细胞融合技术（也称细胞杂交技术）、细胞器移植技术、克隆技术、干细胞技术的应用技术等。
　　1.1.2.3 蛋白质工程与酶工程
　　蛋白质工程（protein engineering）是指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过利用对基因的人工定向改造等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质的技术。
　　酶工程（enzyme engineering）是指利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需蛋白质工程的发展与应用产品的一项技术。它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。
　　虽然蛋白质工程倾向于研究蛋白质的结构和功能，酶工程则倾向于研究酶催化功能的应用，但由于酶是一种特殊的、具有催化功能的蛋白质，蛋白质工中国酶工程的程的研究方法和技术同样可以用于酶工程的研究，反之亦然。所以就技术层面兴旺与崛起而言，两者是相通的。
　　1.1.2.4 发酵工程
　　利用微生物生长速度快、生长条件简单及代谢过程特殊等特点，在合适的条件下，通过利用现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需产品的技术称为发酵工程（fermentation engineering），也称微生物工程。
　　应该指出，上述4项技术并不是各自独立的，它们彼此之间是互相联系、互相渗透的。其中的基因工程技术是核心技术，它能带动其他技术的发展。例如，通过基因工程对细菌或细胞进行改造后获得的“工程菌”或“工程细胞”，发酵工程与轻工生物技术的都必须分别通过发酵工程或细胞工程来生产有用的物质；通过基因工程技术对创新任务和酶进行改造以增加酶的产量、稳定性及提高酶的催化效率等（图1-1）。
　　图1-1 基因工程、细胞工程、蛋白质工程与酶工程和发酵工程之间的相互关系
　　1.1.3 生物技术涉及的学科
　　现代生物技术是所有自然科学领域中涵盖范围*广的学科之一。它以包括分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫生物学、人体生理学、动物生理学、植物生理学、微生物生理学、生物化学、生物物理学、遗传学、生物信息学等几乎所有生物科学的次级学科为支撑，又结合了诸如化学、化学工程学、数学、微电子技术、计算机科学、信息学等生物学领域之外的尖端基础学科，从而形成一门多学科互相渗透的综合性学科。其又以生命科学领域的重大理论和技术的突破为基础。例如，如果没有Watson和Crick的DNA双螺旋结构及阐明DNA的半保留复制模式，没有遗传密码的破译及DNA与蛋白质的关系等理论上的突破，没有发现DNA限制性内切核酸酶、DNA连接酶等工具酶，就不可能有基因工程高新技术的出现；如果没有动植物细胞培养方法及细胞融合方法的建立，就不可能有细胞工程的出现；如果没有蛋白质结晶技术和蛋白质三维结构的深入研究及化工技术的进步，就不可能有蛋白质工程与酶工程的产生；如果没有生物反应器、传感器及自动化控制技术的应用，就不可能有现代发酵工程的出现。另外，所有生物技术领域还使用了大量的现代化高精尖仪器，如超速离心机、电子显微镜、流式细胞仪、高效液相色谱仪、DNA自动合成仪、DNA（自动）测序仪、核磁共振仪、X光衍射仪等（表1-1）。这些仪器全部都是由微型计算机控制的、全自动化的。这就是现代微电子学和计算机技术与生物技术的结合和渗透。如果没有这些结合和渗透，生物技术的研究就不可能深入到分子水平，也就不会有今天的现代生物技术。
　　表1-1 重要的现代生物技术仪器和设备
　　人类已进入知识经济时代，知识经济的基本特征就是知识不断创新，高新技术迅速产业化。作为高新技术领域重要组成部分的生物技术，必然在知识经济的发展过程中大显身手并做出特殊的贡献。我国是发展中国家，农业经济、工业经济、知识经济三元并存，面临着新的机遇和挑战。在这种形势下，大力发展高新技术及其产业，加大知识经济在经济结构中的比例具有特别重要的意义。生物技术与其他高新技术一样具有“六高”的基本特征，即高效益，可带来高额利润；高智力，具有创造性和突破性；高投入，前期研究及开发需要大量的资金投入；高竞争，时效性的竞争非常激烈；高风险，竞争的激烈必然带来高风险；高势能，对国家的政治、经济、文化和社会发展有很大的影响，具有很强的渗透性和扩散性，有着很高的态势和潜在的能量。
　　另外，生物技术广阔的应用前景、高额的利润也促使生物技术快速发展。生物技术的应用领域非常广泛，它包括医药、农业、食品、化工、环境管理、能源等领域（图1-2）。这些领域的广泛应用必然带来经济上的巨大利益。因此，各种与生物技术相关的企业如雨后春笋般地涌现。概括来说，生物技术相关的行业可分为生物技术的应八大类型，具体见表1-2。
　　图1-2 生物技术树
　　表1-2 生物技术所涉及的行业种类及其经营范围
　　1.2 生物技术发展简史
　　前面说过，生物技术不是一门新学科，它可分为传统生物技术和现代生物技术。现代生物技术是从传统生物技术发展而来的。
　　1.2.1 传统生物技术的产生
　　传统生物技术应该说从史前时代起就一直为人们所开发和利用，以造福人类。在石器时代后期，我国人民就会利用谷物造酒，这是*早的发酵技术。在公元前221年，我国人民就能制作豆腐、酱和醋，并一直沿用至今。早在公元10世纪，我国就有了预防天花的活疫苗；到了明代，已经广泛地种植痘苗以预防天花。16世纪，我国的医生已经知道被疯狗咬伤可传播狂犬病。苏美尔人和巴比伦人在公元前6000年就已开始啤酒发酵。埃及人则在公元前4000年就开始制作面包。
　　1676年，荷兰人Leeuwenhoek（1632～1723年）制成了能将物体放大170～300倍的显微镜并首先观察到了微生物。19世纪60年代，法国科学家Pasteur（1822～1895年）首先证实发酵是由微生物引起的，并首先建立了微生物的纯种培养技术，从而为发酵技术的发展提供了理论基础，使发酵技术纳入了科学的轨道。到了20世纪20年代，工业生产中开始采用大规模的纯种培养技术发酵化工原料丙酮、丁醇。20世纪50年代，在青霉素大规模发酵生产的带动下，发酵工业和酶制剂工业大量涌现。发酵技术和酶技术被广泛应用于医药、食品、化工、制革和农产品加工等领域。20世纪初，遗传学的建立及其应用，产生了遗传育种学，并于20世纪60年代取得了辉煌的成就，被誉为“第一次绿色革命”。细胞学的理论被应用于生产而产生了细胞工程。在今天看来，上述诸方面的发展，还只能被视为传统的生物技术，因为它们还不具备高新技术的诸要素。
　　1.2.2 现代生物技术的发展
　　现代生物技术是以20世纪70年代DNA重组技术的建立为标志的。1944年，Avery等阐明了DNA是遗传信息的携带者。1953年，Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型，阐明了DNA的半保留复制模式，从而开辟了分子生物学研究的新纪元。由于一切生命活动都是酶和非酶蛋白质行使其功能的结果，遗传信息与蛋白质的关系就成了研究生命活动的关键问题。1961年，Khorana和Nirenberg破译了遗传密码，揭开了DNA编码的遗传信息传递给蛋白质的这一秘密。基于上述基础理论的发展，1972年，Berg首先实现了DNA体外重组，标志着生物技术的核心技术——基因工程技术的开始。它向人们提供了一种全新的技术手段，使人们可以按照意愿在试管内切割DNA、分离基因并经重组后导入其他生物或细胞，借以改造农作物或畜牧品种；也可以导入细菌这种简单的生物体，由细菌生产大量有用的

目录
第五版前言
第四版前言
第一章 生物技术总论 001
1.1 生物技术的含义 001
1.1.1 生物技术的定义 001
1.1.2 生物技术的种类及其相互关系 002
1.1.3 生物技术涉及的学科 003
1.2 生物技术发展简史 005
1.2.1 传统生物技术的产生 005
1.2.2 现代生物技术的发展 006
1.3 生物技术对经济社会发展的影响 006
1.3.1 改善农业生产，避免食品短缺 006
1.3.2 提高生命质量，延长人类寿命 008
1.3.3 解决能源危机，治理环境污染 011
1.3.4 制造工业原料，生产贵重金属 012
1.3.5 生物技术的安全及其对社会伦理、道德、法律的影响 012
第二章 基因工程 015
2.1 基因工程概况 015
2.1.1 基因工程的含义 015
2.1.2 基因工程研究的理论依据 015
2.1.3 基因工程操作的基本技术路线 017
2.2 DNA重组 017
2.2.1 DNA的一般性质 017
2.2.2 获得需要的 DNA片段 020
2.2.3 DNA片段的连接重组 024
2.3 基因克隆载体 025
2.3.1 质粒载体 026
2.3.2 病毒（噬菌体）克隆载体 028
2.3.3 人工染色体载体 030
2.3.4 基因表达载体 031
2.4 目的基因 032
2.4.1 目的基因的来源 032
2.4.2 分离目的基因的途径 032
2.5 重组 DNA导入受体细胞 035
2.5.1 受体细胞 035
2.5.2 重组 DNA分子导入受体细胞 036
2.5.3 克隆子的筛选 038
2.5.4 重组子的鉴定 040
第三章 细胞工程 046
3.1 植物细胞工程 046
3.1.1 植物组织培养 046
3.1.2 植物细胞原生质体的制备与融合 049
3.1.3 单倍体育种 051
3.1.4 植物细胞代谢工程 052
3.2 动物细胞工程 055
3.2.1 细胞、组织培养 055
3.2.2 动物细胞融合 057
3.2.3 单克隆抗体与杂交瘤技术 058
3.2.4 哺乳动物体细胞克隆 060
3.2.5 细胞重新编程与诱导多功能干细胞 063
3.2.6 免疫细胞工程——CAR-T技术 064
3.2.7 动物细胞制药工程 067
3.3 基因组编辑技术 070
3.3.1 CRISPR/Cas系统的研究历史 070
3.3.2 CRISPR/Cas系统的结构与分类 071
3.3.3 CRISPR/Cas9系统的原理 071
3.3.4 CRISPR/Cas9技术的争议 073
第四章 发酵工程 076
4.1 发酵工程概况 076
4.1.1 发酵类型 076
4.1.2 发酵技术的特点 078
4.1.3 发酵技术的应用 078
4.2 微生物发酵过程 078
4.2.1 发酵工业中的常用微生物 079
4.2.2 发酵工业常用的培养基 081
4.2.3 发酵的一般过程 083
4.3 液体深层发酵 084
4.3.1 发酵的操作方式 084
4.3.2 发酵工艺控制 088
4.3.3 发酵设备 089
4.3.4 下游加工过程 091
4.4 固体发酵 093
4.5 典型产品的发酵生产 094
4.5.1 抗生素发酵生产 094
4.5.2 氨基酸发酵生产 096
4.5.3 维生素发酵生产 097
第五章 蛋白质工程与酶工程 100
5.1 蛋白质工程与酶工程概况 100
5.1.1 蛋白质和酶 100
5.1.2 蛋白质工程与酶工程的定义 100
5.2 蛋白质（酶）的生产 101
5.2.1 微生物发酵生产蛋白质（酶） 101
5.2.2 动植物细胞培养生产蛋白质 104
5.3 蛋白质（酶）的分离纯化 105
5.3.1 蛋白质（酶）制剂分离纯化的一般流程 105
5.3.2 沉淀分离法 106
5.3.3 离心分离法 107
5.3.4 过滤与膜分离 107
5.3.5 层析分离 107
5.3.6 蛋白质纯度鉴定 109
5.3.7 酶活力测定及纯化效果的评价 109
5.3.8 蛋白质（酶）制剂的保存 109
5.4 蛋白质（酶）分子的修饰与改造 110
5.4.1 化学修饰 110
5.4.2 基因工程技术的定点突变 112
5.4.3 蛋白质分子设计 113
5.4.4 蛋白质（酶）的定向进化 114
5.5 酶的人工模拟 115
5.5.1 环糊精模拟酶 116
5.5.2 分子印迹酶 116
5.5.3 抗体酶 117
5.5.4 纳米酶 117
5.6 酶的固定化 118
5.6.1 酶的固定化方法 118
5.6.2 固定化酶的技术指标 120
5.7 酶反应器 120
5.7.1 酶反应器的基本类型 121
5.7.2 酶反应器的设计原则 123
5.7.3 酶反应器的性能评价 123
5.7.4 酶反应器的操作 123
5.8 生物传感器 124
5.8.1 生物传感器的原理 125
5.8.2 生物传感器的分类 126
5.8.3 生物传感器的发展前景 127
第六章 生物技术与农业 130
6.1 生物技术与种植业 130
6.1.1 生物技术改良作物的抗逆性 131
6.1.2 生物技术改良作物的性状与品质 135
6.1.3 分子标记技术在农业生产中的应用 136
6.1.4 植物生物反应器 137
6.1.5 植物细胞工程的应用 138
6.1.6 生物农药 139
6.2 生物技术与养殖业 140
6.2.1 动物分子育种技术 140
6.2.2 动物繁殖新技术 146
6.2.3 生物技术在饲料工业上的应用 150
6.2.4 畜禽基因工程疫苗 151
6.2.5 动物生物反应器 152
6.2.6 核移植技术及其在养殖业中的应用 153
第七章 生物技术与食品 158
7.1 生物技术与食品生产 158
7.1.1 超级稻、单细胞蛋白、人造肉与转基因食品 158
7.1.2 食品和饮料的发酵生产 163
7.1.3 新型甜味剂 166
7.1.4 其他食品添加剂 166
7.2 生物技术与食品加工 168
7.2.1 酶与食品加工 168
7.2.2 生物技术与农副产品深加工及综合利用 168
7.2.3 生物技术与食品包装 169
7.3 生物技术与食品检测 170
7.3.1 免疫学技术的应用 170
7.3.2 分子生物学技术的应用 171
7.3.3 生物传感器技术的应用 172
7.3.4 转基因食品的检测 173
7.4 生物技术与未来食品工业 174
第八章 生物技术与人类健康 177
8.1 生物技术与疫苗 177
8.1.1 疫苗概况 177
8.1.2 免疫系统及疫苗的作用机理 180
8.1.3 病毒性疾病的疫苗 181
8.1.4 细菌性疾病的疫苗 187
8.1.5 寄生虫病的疫苗 189
8.1.6 治疗性疫苗 189
8.2 生物技术与疾病诊断 190
8.2.1 ELISA技术与单克隆抗体 190
8.2.2 DNA诊断技术 193
8.3 生物技术与生物制药 198
8.3.1 抗生素及其他天然药物 199
8.3.2 基因工程药物 200
8.3.3 治疗性抗体 202
8.4 生物技术与生物疗法 204
8.4.1 基因治疗 204
8.4.2 免疫疗法 207
8.4.3 干细胞技术 209
8.5 基因组学与人类健康 210
8.5.1 基因组学的发展史 210
8.5.2 测序技术的突破 211
8.5.3 基因组学在临床中的应用 212
8.5.4 基因资源的保护 214
8.5.5 我国对基因组学研究的贡献 215
第九章 生物技术与能源 219
9.1 微生物技术与石油开采 220
9.1.1 微生物勘探石油 220
9.1.2 微生物二次采油 220
9.1.3 微生物三次采油 222
9.2 未来石油的替代物——乙醇 223
9.2.1 生产乙醇燃料的意义及其生化机理 223
9.2.2 乙醇替代汽油的实例 223
9.2.3 纤维素发酵生产乙醇 224
9.2.4 乙醇代替石油所用的原材料和所面临的困难 225
9.3 植物“石油” 226
9.3.1 产“石油”的树 226
9.3.2 油料植物 227
9.3.3 藻类产油 228
9.4 传统可再生能源——甲烷 229
9.5 未来的新能源 230
9.5.1 氢能 230
9.5.2 生物燃料电池 232
第十章 生物技术与环境 237
10.1 污水处理 237
10.1.1 稳定塘法 238
10.1.2 人工湿地处理系统法 238
10.1.3 污水处理土地系统法 239
10.1.4 活性污泥法 240
10.1.5 生物膜处理法 242
10.2 大气净化 243
10.2.1 生物净化塔 243
10.2.2 渗滤器 243
10.2.3 生物滤池 244
10.3 固体废弃物的生物处理 245
10.3.1 固体垃圾的生物处理 245
10.3.2 生产废弃物矿渣的生物淋溶处理 247
10.4 污染环境的生物修复 248
10.4.1 概述 248
10.4.2 生物修复的方法 249
10.4.3 生物修复技术的应用 250
10.5 环境污染监测与评价的生物技术 254
10.5.1 指示生物 254
10.5.2 核酸探针和 PCR技术 255
10.5.3 生物芯片 256
10.5.4 生物传感器及其他 256
第十一章 对生物技术发明创新的保护 260
11.1 专利保护 260
11.1.1 专利的特征 260
11.1.2 授予专利权的条件 261
11.1.3 生物基因可专利性的争论 262
11.1.4 生物基因专利审查的标准 263
11.1.5 基因专利授权范围 265
11.1.6 人类基因的可专利性 267
11.1.7 专利保护方法的缺陷 269
11.2 商业秘密保护 269
11.2.1 商业秘密的要件 269
11.2.2 商业秘密形式的优势与缺陷 270
11.2.3 我国关于保护商业秘密的相关法律规定 271
11.3 生物技术发明的其他保护形式 272
11.4 生物技术专利保护的负面影响 273
第十二章 生物技术安全性及其应对措施 276
12.1 转基因生物的安全性 276
12.1.1 转基因微生物 276
12.1.2 转基因作物及食品 279
12.1.3 转基因动物 289
12.2 动物克隆 291
12.2.1 动物克隆技术与动物克隆的热潮 291
12.2.2 克隆人研究引起的恐慌 293
12.2.3 克隆人的挑战与机遇 293
12.2.4 治疗性克隆 294
12.2.5 干细胞研究 295
12.2.6 人造生命 300
12.2.7 人类基因组编辑 300
12.3 生物武器 302
12.3.1 生物武器的危害 302
12.3.2 国际社会对生物武器的管控措施 303