第十三章 基因工程与蛋白质工程主要内容生物技术及其主要技术体系生物技术在一些领域的应用基因工程主要内容蛋白质工程简介第一节 生物工程概述生物工程 (Biotechnology)也称 生物技术或 生物工艺学 。
生物工程的技术体系,
基因工程（ Gene engineering）
细胞工程 （ Cell engineering ）
酶工程 （ enzyme engineering ）
发酵工程 （ ferment engineering ）
生化工程 （ biochemistry engineering ）
⑴ 基因工程也称 DNA重组技术，是分子水平的遗传工程。
是指 按照人的意愿，将某一生物的遗传信息转移到另一生物体内，以改变其生物机能或创造新生物物种 的技术。
大肠杆菌胰岛素基因载体重组 转化转化的细菌胰岛素培养（发酵生产）
⑵ 细胞工程：
是在细胞水平和亚细胞水平的生物工程，包括以下几方面的内容
①细胞融合 —— 解决远缘种间杂交的问题，
②核、胞质、细胞器移植 —— 产生具有超级功能的新细胞。
③细胞大规模培养技术 —— 快速获得大量细胞，
从而可获取药物和其它产品。
④组织培养技术 —— 利用动植物组织和细胞的全能性，进行快速的无性繁殖（称为克隆），
从而可在短时间内得到动植物幼苗或组织。
⑶ 酶工程：
涉及酶的开发与生产、酶的固定化和酶的分子改造与新酶研制等内容。
⑷ 发酵工程：
利用“工程菌”加工生物材料进行目的产物生产的过程。
⑸ 生化工程：
包括生物反应器的设计、传感器的研制和产品的分离、精制技术。
二、生物工程在现代工、农、医领域的应用
1、化工及冶金工业
2、轻工和食品工业
3、医药工业
4、农业和畜牧业
5、环保和能源工业
1、化工及冶金工业利用生物技术取代传统的生产工艺，
克服传统工艺的 高温、高压、腐蚀、易燃、易爆 等弊端。
目前大规模生产的新产品主要是有机酸。
如：
苹果酸、酒石酸、长链脂肪酸、乳酸 等冶金工业利用微生物富集尾矿的有色金属 Cu,Zn、
Ni,Ag等。
尾矿 硫杆菌 浸矿 浸矿液 C u 2 +
A g +
Z n 2 +
S O 4 2 -
2、轻工和食品工业主要应用在 氨基酸 的发酵生产,酶制剂的开发,新糖原 的开发,酒类酿造 新工艺及新型食品添加剂 的研制等。
目前有 18种 aa可用发酵法生产，我国主要是 Glu,Lys 。 Thr产酸率由原来 3g/L提高到 86.4g/L 。
固定化酶和固定化细胞技术的应用：
如：固定化酵母生产饮料酒等。
3、医药工业利用基因工程菌生产生化药物。目前已规模生产的有,胰岛素、生长激素、干扰素、乙肝疫苗 等。
生产 1克胰岛素
450头猪胰脏基因工程菌 20L发酵液
1200L人血 干扰素的量 1L发酵液
4、农业和畜牧业利用转基因技术培育 高产、抗性 （抗旱、
抗病、耐寒、抗盐等）的 新物种。
如：我国培育的水稻平均亩产从 400公斤提高到 800公斤 以上。
国外已培育出奶中含药物的奶牛、世界上最臭的花等
5、环保和能源工业在环保业主要是通过构建,超级菌,,
以处理大面积的特殊污染。
另一途径就是利用 多菌种 （或生物类群）来综合治 理污染。
在能源方面，主要是 开发利用纤维素、
木质素原料的技术,以生产酒精、甲烷、
氢等能源。
第二节 基因工程基因工程是生物工程的基础和核心，
通过 DNA重组技术，可使不同种属或不同个体的基因发生重组或发生基因结构的定向变化，以形成新的生物机体或新的生物功能，并获得新的遗传特性。基因工程主要包括下列几个步骤：
限制性内切酶外源 DNA
限制性内切酶退火重组质粒转化受体细胞筛选表达带重组体的细胞 目的产物质粒一、目的基因的获得目的基因二、重组三、重组体转入受体细胞四、筛选和鉴定接受了重组体的细胞五、外源基因在受体细胞内表达第三节 蛋白质工程一,什么叫蛋白质工程指通过 改造 与蛋白质相应的基因中的 碱基顺序,或 设计合成新的基因,将它克隆至受体细胞中,通过基因表达而获得具有新的特性的蛋白质 （ 酶 ） 技术 。
这是一门从改变基因入手,定做新的蛋白质的技术 。 故有人将其称为,第二代基因工程,
1983年,美国生物学家额尔默首先提出了,蛋白质工程,的概念 。
蛋白质工程与基因工程的区别,
基因工程要解决的问题是把 天然存在 的蛋白质通过克隆其基因大量地生产出来；
蛋白质工程则致力于 对天然蛋白质的改造,制备各种定做的新蛋白质。
二、蛋白质工程研究的主要内容
蛋白质工程是在 基因工程、生物化学、分子生物学 等学科的基础之上，融合了蛋白质 晶体学,蛋白质 动力学 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
（ 1）根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；
（ 2）确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系；
⑶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蛋白质。
三、蛋白质工程的一般技术
1,蛋白质工程的理论设计：
包括活性设计、专一性设计、框架（构象）
设计等。
由于对蛋白质的结构与功能之间的关系认识还不系统，目前的蛋白质设计仅仅是对天然蛋白质的修饰。
如,异常血红蛋白 的氨基酸取代去羧基端 胰岛素 等。
不同动物胰岛素在 A链中的差异羧基端
2、基因修饰 —— 点突变法蛋白质结构的改变通过 基因修饰 来完成基因修饰的方法：
⑴基因的全化学合成按照所需蛋白质的氨基酸顺序，先后合成 结构基因、转录的起始信号及终止信号、
限制酶切位点 等核酸片段，然后用连接酶将各片段连接起来，通过基因工程转移到细菌中进行目标蛋白质的表达。
目前用此法已合成了,人血细胞干扰素、
胰岛素、生长激素释放抑制激素 等基因。
调节基因启动基因 结构基因终止基因连接酶完整基因
⑵ 基因直接修饰法将连接于质粒上的某一蛋白质的基因用酶法去 除一小段,然后用 合成的核苷酸片段 接上，
从而获得新的突变体。
已修饰过的酶有：
内酰胺酶、酪氨酰 tRNA合成酶、二氢叶酸还原酶等酶蛋白。
限制性内切酶外源 DNA
限制性内切酶退火重组质粒转化受体细胞筛选表达带重组体的细胞 目的产物质粒目的基因酶切割蛋白基因核苷酸片段新突变质粒
⑶ 盒式突变
1985年 Wells提出的一种基因修饰技术，
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。
酶切割蛋白基因核苷酸片段新突变质粒同时获得多个突变体四、蛋白质工程的应用酶特性的改造包括酶催化活性、专一性、稳定性等的改造。
蛋白质或肽类药物的改造和新药的研制
1、酶特性的改造
⑴改变酶的催化活性酪氨酰 tRNA合成酶
Thr51 51 Pro改造 活力
25倍
⑵ 改变酶的专一性枯草杆菌蛋白酶活性中心枯草杆菌蛋白酶活性中心
Ser Cys
（水解蛋白质）
改造水解硝基苯酯专一性改变
2、药物设计如抗病毒药 β-干扰素 稳定性的改进。
-SH17
S
S
形成二聚体失去活性
-OH17氨基酸取代
×
二聚体二硫键由于蛋白质工程可以 按照人的意愿 定向改造蛋白质和酶,必然有着广泛的前景！
生物工程的技术体系,
基因工程（ Gene engineering）
细胞工程 （ Cell engineering ）
酶工程 （ enzyme engineering ）
发酵工程 （ ferment engineering ）
生化工程 （ biochemistry engineering ）
⑴ 基因工程也称 DNA重组技术，是分子水平的遗传工程。
是指 按照人的意愿，将某一生物的遗传信息转移到另一生物体内，以改变其生物机能或创造新生物物种 的技术。
大肠杆菌胰岛素基因载体重组 转化转化的细菌胰岛素培养（发酵生产）
⑵ 细胞工程：
是在细胞水平和亚细胞水平的生物工程，包括以下几方面的内容
①细胞融合 —— 解决远缘种间杂交的问题，
②核、胞质、细胞器移植 —— 产生具有超级功能的新细胞。
③细胞大规模培养技术 —— 快速获得大量细胞，
从而可获取药物和其它产品。
④组织培养技术 —— 利用动植物组织和细胞的全能性，进行快速的无性繁殖（称为克隆），
从而可在短时间内得到动植物幼苗或组织。
⑶ 酶工程：
涉及酶的开发与生产、酶的固定化和酶的分子改造与新酶研制等内容。
⑷ 发酵工程：
利用“工程菌”加工生物材料进行目的产物生产的过程。
⑸ 生化工程：
包括生物反应器的设计、传感器的研制和产品的分离、精制技术。
二、生物工程在现代工、农、医领域的应用
1、化工及冶金工业
2、轻工和食品工业
3、医药工业
4、农业和畜牧业
5、环保和能源工业
1、化工及冶金工业利用生物技术取代传统的生产工艺，
克服传统工艺的 高温、高压、腐蚀、易燃、易爆 等弊端。
目前大规模生产的新产品主要是有机酸。
如：
苹果酸、酒石酸、长链脂肪酸、乳酸 等冶金工业利用微生物富集尾矿的有色金属 Cu,Zn、
Ni,Ag等。
尾矿 硫杆菌 浸矿 浸矿液 C u 2 +
A g +
Z n 2 +
S O 4 2 -
2、轻工和食品工业主要应用在 氨基酸 的发酵生产,酶制剂的开发,新糖原 的开发,酒类酿造 新工艺及新型食品添加剂 的研制等。
目前有 18种 aa可用发酵法生产，我国主要是 Glu,Lys 。 Thr产酸率由原来 3g/L提高到 86.4g/L 。
固定化酶和固定化细胞技术的应用：
如：固定化酵母生产饮料酒等。
3、医药工业利用基因工程菌生产生化药物。目前已规模生产的有,胰岛素、生长激素、干扰素、乙肝疫苗 等。
生产 1克胰岛素
450头猪胰脏基因工程菌 20L发酵液
1200L人血 干扰素的量 1L发酵液
4、农业和畜牧业利用转基因技术培育 高产、抗性 （抗旱、
抗病、耐寒、抗盐等）的 新物种。
如：我国培育的水稻平均亩产从 400公斤提高到 800公斤 以上。
国外已培育出奶中含药物的奶牛、世界上最臭的花等
5、环保和能源工业在环保业主要是通过构建,超级菌,,
以处理大面积的特殊污染。
另一途径就是利用 多菌种 （或生物类群）来综合治 理污染。
在能源方面，主要是 开发利用纤维素、
木质素原料的技术,以生产酒精、甲烷、
氢等能源。
第二节 基因工程基因工程是生物工程的基础和核心，
通过 DNA重组技术，可使不同种属或不同个体的基因发生重组或发生基因结构的定向变化，以形成新的生物机体或新的生物功能，并获得新的遗传特性。基因工程主要包括下列几个步骤：
限制性内切酶外源 DNA
限制性内切酶退火重组质粒转化受体细胞筛选表达带重组体的细胞 目的产物质粒一、目的基因的获得目的基因二、重组三、重组体转入受体细胞四、筛选和鉴定接受了重组体的细胞五、外源基因在受体细胞内表达第三节 蛋白质工程一,什么叫蛋白质工程指通过 改造 与蛋白质相应的基因中的 碱基顺序,或 设计合成新的基因,将它克隆至受体细胞中,通过基因表达而获得具有新的特性的蛋白质 （ 酶 ） 技术 。
这是一门从改变基因入手,定做新的蛋白质的技术 。 故有人将其称为,第二代基因工程,
1983年,美国生物学家额尔默首先提出了,蛋白质工程,的概念 。
蛋白质工程与基因工程的区别,
基因工程要解决的问题是把 天然存在 的蛋白质通过克隆其基因大量地生产出来；
蛋白质工程则致力于 对天然蛋白质的改造,制备各种定做的新蛋白质。
二、蛋白质工程研究的主要内容
蛋白质工程是在 基因工程、生物化学、分子生物学 等学科的基础之上，融合了蛋白质 晶体学,蛋白质 动力学 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
（ 1）根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；
（ 2）确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系；
⑶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蛋白质。
三、蛋白质工程的一般技术
1,蛋白质工程的理论设计：
包括活性设计、专一性设计、框架（构象）
设计等。
由于对蛋白质的结构与功能之间的关系认识还不系统，目前的蛋白质设计仅仅是对天然蛋白质的修饰。
如,异常血红蛋白 的氨基酸取代去羧基端 胰岛素 等。
不同动物胰岛素在 A链中的差异羧基端
2、基因修饰 —— 点突变法蛋白质结构的改变通过 基因修饰 来完成基因修饰的方法：
⑴基因的全化学合成按照所需蛋白质的氨基酸顺序，先后合成 结构基因、转录的起始信号及终止信号、
限制酶切位点 等核酸片段，然后用连接酶将各片段连接起来，通过基因工程转移到细菌中进行目标蛋白质的表达。
目前用此法已合成了,人血细胞干扰素、
胰岛素、生长激素释放抑制激素 等基因。
调节基因启动基因 结构基因终止基因连接酶完整基因
⑵ 基因直接修饰法将连接于质粒上的某一蛋白质的基因用酶法去 除一小段,然后用 合成的核苷酸片段 接上，
从而获得新的突变体。
已修饰过的酶有：
内酰胺酶、酪氨酰 tRNA合成酶、二氢叶酸还原酶等酶蛋白。
限制性内切酶外源 DNA
限制性内切酶退火重组质粒转化受体细胞筛选表达带重组体的细胞 目的产物质粒目的基因酶切割蛋白基因核苷酸片段新突变质粒
⑶ 盒式突变
1985年 Wells提出的一种基因修饰技术，
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。
酶切割蛋白基因核苷酸片段新突变质粒同时获得多个突变体四、蛋白质工程的应用酶特性的改造包括酶催化活性、专一性、稳定性等的改造。
蛋白质或肽类药物的改造和新药的研制
1、酶特性的改造
⑴改变酶的催化活性酪氨酰 tRNA合成酶
Thr51 51 Pro改造 活力
25倍
⑵ 改变酶的专一性枯草杆菌蛋白酶活性中心枯草杆菌蛋白酶活性中心
Ser Cys
（水解蛋白质）
改造水解硝基苯酯专一性改变
2、药物设计如抗病毒药 β-干扰素 稳定性的改进。
-SH17
S
S
形成二聚体失去活性
-OH17氨基酸取代
×
二聚体二硫键由于蛋白质工程可以 按照人的意愿 定向改造蛋白质和酶,必然有着广泛的前景！
