酶蛋白氨基酸序列

生物技术与生物工程概论

• 基因的玄奥，克隆的神奇，DNA如何编辑，蛋白质到底有什么用，生物发展如何影响我们，涉猎一个全新的领域。
• 当农业的发展细化至微生物进而细致到细胞这个层面时，生物存在的逻辑突然变动的更加规律，而外延也变得更加宽广，而当DNA被发现，基因作为密码破解后，生物工程将和数字化进行跨界融合，算法与测试将搭上摩尔定律的快车，以基因工程为核心的合成生物领域将大放异彩。而我们知之甚少，打开一部书名类似教科书的书，读下来发现可能仅仅是一本科普读物，这篇本想按照内容分支裂成导图纵览框架，发现过于帮庞大不至于再抄一遍书，只是提取了一些故事，还是浅尝辄止，开卷有益吧。

• ◆ 从发现微生物开始人类多了一个生物伙伴也可以说是一个研究领域
• >> 从列文虎克用自制的显微镜首次观察到微生物以来，人们对微生物的认识只不过300多年的历史
• >> 荷兰商人安东·列文虎克（1632-1723），但他的最大贡献不是在商界，而是他利用自制的显微镜发现了微生物世界（当时称之为微小动物），他的显微镜放大倍数为50~3000倍，构造很简单，仅有一个透镜安装在两片金属薄片的中间，在透镜前面有一根金属短棒，在棒的尖端捆上需要观察的样品，通过调焦螺旋调节焦距。利用这种显微镜，列文虎克清楚地看见了细菌和原生动物，首次揭示了一个崭新的生物世界——微生物界
• >> 70年代，由于微生物学家的许多重大发现，包括质粒载体、限制性内切酶、连接酶、反转录酶等，才导致了DNA重组技术和遗传工程的出现，使整个生命科学翻开新的一页，使人类定向改变生物、根治疾病、美化环境的梦想将成为现实。

• ◆ 遗传学（genetics）是研究生物体遗传与变异规律及其物质基础的科学

• >> 摩尔根（1866-1945），美国生物学家与遗传学家，发现染色体的遗传机制，创立染色体遗传理论，现代实验生物学奠基人。1933年，获得诺贝尔生理医学奖，他是第一位被授予诺贝尔奖的遗传学家。
• >> 1962年，沃森和克里克因发现DNA的双螺旋结构而获得诺贝尔生理学或医学奖。1963年，莫诺提出了DNA**的**子模型。到1969年，尼伦伯格等人破译了DNA分子上存在的全部64种密码子。遗传密码及其破译解决了遗传信息本身的物质基础及含义的问题
• >> 1970年，巴尔的摩和特明发现了依赖RNA的DNA聚合酶——逆转录酶
• >> 。1973年，科恩等人采用限制性内切酶以及人工分离基因的方法成功地实现了DNA分子的体外重组，从而使人类进入了设计和改造生物物种的新时代——遗传工程时代。
• >> 1980年，伯格、吉尔伯持和桑格因建立重组DNA技术和DNA碱基顺序测定技术而获得诺贝尔化学奖。
• >> 1982年，利用重组DNA技术首次生产的抗糖尿病药物——人胰岛素上市
• >> 1983年，麦克林托克因发现可移动的遗传物质而获得诺贝尔生理学或医学奖
• >> 1984年，穆里斯等人建立多聚酶链式反应（PCR）技术。这种在小试管中进行的基因或DNA片段的体外扩增技术是遗传学领域所取得的一项重大成果由此该技术发明人获得了1989年的诺贝尔化学奖。
• >> 1987年，赫勒等人测定了分布在人类46条染色体上的400多个遗传标记间的相对位置.绘制出了第一张人类基因组的连续图谱，使人类遗传学研究进入到一个新阶段。

• >> 1986年，美国率先提出了一个前所未有的庞大研究计划——人类基因组计划（HGP）。其基本目标是，投入30亿美元在15年左右的时间内搞清人类基因组中全部30亿碱基对长度的DNA分子中所包含基因的数量、碱基排列顺序并绘制出详细的基因图谱
• >> （1）绘制基因组结构图谱；（2）测定出基因组DNA的碱基顺序。我国也于1993年正式加入该研究，完成其1％的工作量。
• >> 到1996年底，有百余种基因治疗方案获美国国立健康研究所（NIH）的批准，显示了遗传学这一成果的巨大应用价值。
• >> ，人类基因组工作框架图绘制完成，经过半年多的研究与分析后发现，人类基因组共有32亿个碱基对，包含3~4万个编码蛋白质的基
• >> 基因组就是一个物种中所有基因的整体组成。人类基因组有两层意义：遗传信息和遗传物质。
• >> 在人类基因组计划中，还包括对五种生物基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠，称之为人类的五种“模式生物”。
• 值得一提的是，原本计划从1990年历时15年预计30亿美元的花费最终提前2年完成，而这项工作进行到第七年时刚完成了1%，这本身也寓意着合成生物学未来发展的加速度是多么神奇，而基因工程为核心意味着数字化技术与生物技术的跨界融合，很多密码将持续被破解。

• >> 1747年甜菜中的含糖量还不到2％；19世纪20年代通过选育，甜菜的含糖量增加到5％~7％；到1858年，甜菜的含糖量又增加到14％；现在，优良甜菜品种的含糖量已高达20％以上
• >> 玉米是一种重要的粮食和饲料，在20世纪20年代，自从美国开始应用杂种优势这一遗传学原理指导玉米的育种工作以来，使玉米取得了显著的增产效益。在上个世纪30年代早期，玉米的平均亩产量仅为93千克；到了40年代末，玉米的亩产量提高到140千克；而在80年代早期，玉米的平均亩产量已上升到423千克；事实上，玉米的最高亩产量已达933千克。
• >>在普通小麦中引进了抗倒伏的矮化耐肥基因后，使墨西哥的小麦产量提高了一倍以上，从而使墨西哥由粮食进口国，一跃而成为小麦出口国。
• >>通过杂交培育出的抗倒伏矮杆耐氮肥水稻品种，使水稻的产量增加了50％以上。
• >>又如一头本地普通黄牛的年产乳量一般不超过400千克，而一头高产的乳牛年产乳量可超过10000千克，平均每天的泌乳量约为30千克，相当于25头普通黄牛产乳量的总和。

• >> Bt于1901年由日本细菌学家石渡繁胤首先在受病害的蚕蛾中发现，但是当时没有保存下来。1911年，德国人贝尔奈（Berliner）从德国苏云金省这个地方的一家面粉厂里的地中海粉螟上又重新分离到一种有很强杀虫力的细菌，并正式定名为苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis，Bt.）。
• 从20世纪20年代起，Bt就得到大规模生产并被用来防治欧洲玉米螟，但直到1950年，人们才了解Bt杀虫活性完全由它在芽孢形成时产生的晶体蛋白所决定。
• >> 对棉铃虫、菜青虫、毒蛾、松毛虫，以及玉米螟、高粱螟、三化螟等100多种害虫有不同的致病和毒杀作用。

• ◆ 分子生物学与基因工程是当今生物科学研究中发展最活跃的学科之一
• >> 基因工程是分子生物学的重要内容，也是理论部分的延伸与实践，也叫基因操作、遗传工程，或重组体DNA技术。
• >> 由于提出DNA的双螺旋模型学说，沃森和克里克及M.H.F.威尔金斯一起获得了1962年诺贝尔生理学或医学奖
• >> 1956-1958年，Anfinsen和White根据对酶蛋白的变性和复性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来确定的
• >> 分子生物学理论和技术发展的积累使得基因工程技术的出现成为必然。1967-1970年，Yuan和Smith等发现的限制性核酸内切酶为基因工程提供了有力的工具；
• 1972年，Berg等将SV-40病毒DNA与噬菌体P22DNA在体外重组成功，转化大肠杆菌，使本来在真核细胞中合成的蛋白质能在细菌中合成，打破了种属界限；
• 1977年，Boyer等首先将人工合成的生长激素释放抑制因子14肽的基因重组入质粒，成功地在大肠杆菌中合成得到14肽；
• 1978年，Itakura（板仓）等使人生长激素191肽在大肠杆菌中表达成功；
• 1979年，美国基因技术公司用人工合成的人胰岛素基因重组转入大肠杆菌中合成人胰岛素

• >> 目前分子生物学已经从研究单个基因发展到研究生物整个基因组的结构与功能。
• 1977年，Sanger测定了ΦX174-DNA全部5375个核苷酸的序列；
• 1978年，Fiers等测出SV-40DNA全部5224对碱基序列；
• 80年代λ噬菌体48502碱基对的DNA序列全部测出；
• 一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全序列也陆续被测定；
• 1996年底，许多科学家共同努力测出了大肠杆菌基因组DNA的全序列长4×106碱基对。测定一个生物基因组核酸的全序列无疑对理解这一生物的生命信息及其功能有极大的意义
• >> 分子遗传学基本理论建立者Jacob和Monod最早提出的操纵元学说打开了人类认识基因表达调控的窗口
• >> 直到1985年，美国PE-Cetus公司的人类遗传研究室Mullis等人才发明了具有划时代意义的聚合酶链反应

• >> PCR，Polymerase Chain Reaction，中文译为聚合酶链反应，是实验室广泛应用的体外核酸扩增技术。聚合酶是一种天然产生的酶，一种能催化DNA形成和修复的生物大分子
• >> 标准的PCR过程分为三步：
• 1.DNA变性（90℃~96℃）：双链DNA模板在热作用下，氢键断裂，形成单链DNA；
• 2.退火（25℃~65℃）：系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部双链；
• 3.延伸（70℃~75℃）：在Taq酶（一种耐高温的DNA聚合酶，在72℃左右具有最佳的活性）的作用下，以DNTP为原料，从引物的5'端→3'端延伸，合成与模板互补的DNA链。每一循环经过变性、退火和延伸，DNA含量即增加一倍。

• >> 分子生物学则在分子水平上揭示了生命世界的基本结构和生命活动的根本规律的高度一致，揭示了生命现象的本质
• >> 目前，已有的分析方**在进一步计算机化、微量化和联机化。可靠、迅速的分析方法积累了大量数据，随之也建立了有效的数据库。一些未知功能的蛋白质通过与其他蛋白质之间的氨基酸序列相比较而得到了线索。
• >> 多肽与蛋白质工程的发展最终将改变传统工业的高温、高压、高能耗状况，代之以节省能量与资源的高效率生产方式。
• >> 近几年来，生物传感器的发展十分迅速，有专一识别能力的生物材料已从酶发展到抗体、受体、细胞器甚至细胞组成功能元件，换能检测器也从电极（气敏、离子敏）发展到离子敏场效应晶体管、热敏电阻器、发光二极管、光纤和石英压电振荡器，能把各种化学信息转变成电信号加以度量。目前生物传感器的主要趋向是微型化和多功能化，并发展成生物芯片

• >> DNA双螺旋结构学说，奠定了现代分子生物学基础。 此后，衍生出了分子遗传学和基因工程，为医学、农业、工业、环境保护等开拓了新局面

• >> 生物膜研究是综合生物学、化学及物理学的跨学科工程。
• >> 激素是沟通细胞间与器官间的化学信使，通过内分泌、自分泌、旁分泌、神经内分泌等作用方式行使传讯功能，从而使机体组合成一系列严密的控制系统，调节生命的全过程。
• >> 国际上分子免疫学的主要课题是识别分子（如抗体、细胞因子）和效应分子（如抗原、受体等）的结构、功能和基因的研究。
• >> 近年来由于重组DNA技术、聚合酶链反应（PCR）、DNA限制性片段多态性（RFLP）和快速放大多态DNA（RAPD）方法的开发应用，使分子遗传学研究发展日新月异。
• >> 由于用基因工程方法可在体外按人们的要求进行基因重组和基因改造，并通过各类基因载体进行基因转移，打破了基因重组和基因转移的物种界限。以基因工程为核心的分子生物学方法在生物学研究中得到广泛的应用，几乎渗透到生命科学的各个领域，成为研究和揭示生命现象本质和规律的一种重要工具
• >> 另一方面，基因工程使生产人体内源各类细胞因子、激素等活性多肽、蛋白质成为现实，基因工程产品已逐步发展成为生物技术产业中一个重要的引人注目的新兴产业。

• ◆ 生物体内的新陈代谢是由成千上万错综复杂的生化反应构成的，而这些生物化学反应又都是在酶的催化作用下进行的。可以说，离开了酶，新陈代谢就不能进行，生命就会停止—-酶工程
• >> 直到1930-1936年，Northrop和Kunitz得到胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶结晶，并用相应方法证明是蛋白质后，“酶是生物体产生的具有催化功能的蛋白质”才被人们普遍接受
• >> 酶是生物体产生的具有催化功能的生物大分子（蛋白质和RNA）
• >> 1944年，艾弗里等人提出了“DNA是遗传信息载体
• >> 一般认为，现代酶工程技术始于20世纪40年代日本采用深层液体发酵技术大规模成功生产α-淀粉酶。
• >> 20世纪60年代，酶固定化技术的诞生，使酶制剂的应用面貌焕然一新。固定化技术改善了酶的稳定性，使酶在生化反应器中可以反复连续使用

• ◆ 发酵是酵母菌在无氧状态下的呼吸过程，即无氧呼吸，是生物获得能量的一种方式
• >>
• >> 只要把酒放在摄氏五六十度的环境里，保持半小时，就可杀死酒里的乳酸杆菌，这就是著名的“巴氏消毒法”。这个方法至今仍在使用，市场上出售的消毒牛奶就是用这种办法消毒的。
• >> 直到19世纪中叶，巴斯德通过实验，证明了酒精发酵是由活酵母引起的，并指出，发酵现象是微生物进行的化学反应
• >> 1928年，弗莱明（Fleming）发现青霉菌能抑制其菌落周围的细菌生长的现象，并证明了青霉素的存在。
• >> 第二次世界大战爆发，由于前线对抗生素的需求量非常大，从而推动了青霉素的研究进度。科学家们利用化学合成、固态发酵、液态发酵的方式进行青霉素生产，结果，实践表明，液态发酵最为理想，产量最高
• >> 随着重组DNA技术的发展，人们可以按预定方案把外源目的基因克隆到容易大规模培养的微生物（如大肠杆菌、酵母菌）细胞中，通过微生物的大规模发酵生产，即可得到原先只有动物或植物才能生产的物质，如胰岛素、干扰素、白细胞介素和多种细胞生长因子等
• >> 发酵工程主要包括菌种的选育和培养，发酵条件的优化，发酵反应器的设计和自动控制，产品的分离纯化和精制等。发酵工程涉及食品工业，化工、医药、冶金、能源开发、污水处理等领域。
• >> г-亚麻酸（GLA）是人体不能合成而又必需的多烯脂肪酸。缺乏时，会导致机体代谢的紊乱而引起多种疾病，如高血压、糖尿病、癌症、病毒感染以及皮肤老化等。李明春等利用深黄被孢霉来合成GLA，同时，采用紫外线照射法对原生质进行诱变处理，大大提高了GLA的产量。
• >> 二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）在海洋冷水鱼中含量颇丰，是很有价值的医药保健产品，有“智能食品”之称。日本在冷海水域找到的细小球藻中EPA含量高达总油量的99％。除海洋微细藻外，海洋中还有一种繁殖力很强的网粘菌SR21，其干菌体生物量含DHA为30％~40％，可通过发酵生产DHA，每升培养液产量为4.5克，该菌DHA含量与海产金鲶鱼或鲣鱼眼窝脂肪相近。

• ◆ 细胞工程（Cell engineering）是指依据细胞生物学、分子生物学、工程学等基本原理，在细胞整体水平或细胞器水平上，定向改造细胞遗传特性，制造生物产品或创造新型生物，为遗传育种、资源保护、医药研究等行业提供服务的技术。
• >> 细胞工程的主要研究对象包括染色体、细胞核、原生质体、整个细胞、受精卵、胚胎、组织、器官，甚至一个个体，如转基因动物等
• >> 克隆（Clone），本意是指无性繁殖，现在也可引申为无性繁殖的操作。

纵览人类科学史，生命科学领域就像一个巨大的密室我们只是走了一小步，而当人类的计算能力以及数据处理能力在飞速发展的当今，结合生物技术这样的跨界又将给我们带来什么样的变化呢，而这种基于技术融合产出的产品的创新与互联网基于模式的创新又有哪些不同呢，历史车轮向前，而且越来越快，且看……

初识生物技术与工程Ⅱ,生物技术与生物工程概论