生物技術及套用專業培養具備生命科學的基本理論和較系統的生物技術的基本理論、基本知識、基本技能，能在科研機構或高等學校從事科學研究或教學工作，能在工業、醫藥、食品、農、林、牧、漁、環保、園林等行業的企業、事業和行政管理部門從事與生物技術有關的套用研究、技術開發、生產管理和行政管理等工作的高級專門人才。
基本介紹
- 中文名：生物技術及套用專業
- 專業代碼：530101
- 修學年限：三年
- 一級學科：生化與藥品大類
培養目標,培養要求,知識技能,課程設定,主幹學科,主要課程,就業前景,發展歷程,生物技術,生物技術套用,
培養目標
培養掌握生物技術及套用專業必需的基礎理論知識和基本技能，從事生物技術產品開發套用、檢驗分析、技術監督、生產管理等工作的高級技術套用性專門人才。
培養要求
本專業學生主要學習生物技術方面的基本理論、基本知識，受到套用基礎研究和技術開發方面的科學思維和科學實驗訓練，具有較好的科學素養及初步的教學、研究、開發與管理的基本能力。
生物技術是現代生物學發展及其與相關學科交差融和的產物，其核心是以DNA重組技術為中心的基因工程，還包括微生物工程、生化工程、細胞工程及生物製品等領域。培養掌握現代生物學和生物技術的基本理論、基本知識和基本技能，獲得套用基礎研究和科技開發研究的初步訓練，具有良好的科學素質、較強的創新意識和實踐能力的生物技術高級專門人才。
生物技術專業培養具有生態學知識，能在科研機構、高等學校、企事業單位及行政管理部門從事生態環境保護與管理等工作的高級專門人才。
知識技能
生物技術畢業生應獲得以下幾方面的知識和能力：
1．掌握數學、物理、化學等方面的基本理論和基本知識；
2．掌握基礎生物學、生物化學、分子生物學、微生物學、基因工程、發酵工程及細胞工程等方面的基本理論、基本知識和基本實驗技能，以及生物技術及其產品開發的基本原理和基本方法；
3．了解相近專業的一般原理和知識；
5．了解生物技術的理論前沿、套用前景和最新發展動態，以及生物技術產業發展狀況；
6．掌握資料查詢、文獻檢索及運用現代信息技術獲取相關信息的基本方法；具有一定的實驗設計，創造實驗條件，歸納、整理、分析實驗結果，撰寫論文，參與學術交流的能力。
課程設定
主幹學科
生物學，化學
主要課程
主要實踐性教學環節：包括教學實習、生產實習和畢業論文(設計等，一般安排10-20周。
就業前景
畢業生主要就業領域為生物技術方面的套用技術開發領域、食品加工、醫藥工業、環境保護、生物化工等領域；有關科研院所和大專院校的實驗工作、食用菌工廠、花卉苗木公司及在套用生物技術、食品發酵、植物與細胞組織培養等領域。
發展歷程
近些年來，以基因工程、細胞工程、酶工程、發酵工程為代表的現代生物技術發展迅猛，並日益影響和改變著人們的生產和生活方式。所謂生物技術（Biotechnology）是指“用活的生物體（或生物體的物質）來改進產品、改良植物和動物，或為特殊用途而培養微生物的技術”。生物工程則是生物技術的統稱，是指運用生物化學、分子生物學、微生物學、遺傳學等原理與生化工程相結合，來改造或重新創造設計細胞的遺傳物質、培育出新品種，以工業規模利用現有生物體系，以生物化學過程來製造工業產品。簡言之，就是將活的生物體、生命體系或生命過程產業化的過程。生物工程包括基因工程、細胞工程、酶工程、發酵工程、生物電子工程、生物反應器、滅菌技術以及新興的蛋白質工程等，其中，基因工程是現代生物工程的核心。基因工程（或稱遺傳工程、基因重組技術）就是將不同生物的基因在體外剪下組合，並和載體（質粒、噬菌體、病毒）的DNA連線，然後轉入微生物或細胞內，進行克隆，並使轉入的基因在細胞或微生物內表達，產生所需要的蛋白質。
有60%以上的生物技術成果集中套用於醫藥產業，用以開發特色新藥或對傳統醫藥進行改良，由此引起了醫藥產業的重大變革，生物製藥也得以迅速發展。生物製藥就是把生物工程技術套用到藥物製造領域的過程，其中最為主要的是基因工程方法。即利用克隆技術和組織培養技術，對DNA進行切割、插入、連線和重組，從而獲得生物醫藥製品。生物藥品是以微生物、寄生蟲、動物毒素、生物組織為起始材料，採用生物學工藝或分離純化技術製備，並以生物學技術和分析技術控制中間產物和成品質量而製成的生物活化製劑，包括菌苗、疫苗、毒素、類毒素、血清、血液製品、免疫製劑、細胞因子、抗原、單克隆抗體及基因工程產品（DNA重組產品、體外診斷試劑）等。人類已研製開發並進入臨床套用階段的生物藥品，根據其用途不同可分為三大類：基因工程藥物、生物疫苗和生物診斷試劑。這些產品在診斷、預防、控制乃至消滅傳染病，保護人類健康中，發揮著越來越重要的作用。
生物技術與信息技術的關係
生物技術（Biotechnology）是以生命科學為基礎，利用生物（或生物組織、細胞及其他組成部分）的特性和功能，設計、構建具有預期性能的新物質或新品系，以及與工程原理相結合，加工生產產品或提供服務的綜合性技術。信息技術（information science）是研究信息的獲取、傳輸和處理的技術，由計算機技術、通信技術、微電子技術結合而成，即是利用計算機進行信息處理，利用現代電子通信技術從事信息採集、存儲、加工、利用以及相關產品製造、技術開發、信息服務的新學科。信息技術和生物技術都是高新技術，二者在新經濟中並非此消彼長的關係，而是相輔相成，共同推進21世紀經濟的快速發展。
1.生物技術的發展需要信息技術支撐
（1）信息技術為生物技術的發展提供強有力的計算工具。在現代生物技術發展過程中，計算機與高性能的計算技術發揮了巨大的推動作用。在賽萊拉基因研究公司、英國Sanger
中心、美國懷特海德研究院、美國國家衛生研究院和中國科學院遺傳所人類基因組中心聯合繪製的人類基因組草圖的發布中，美國多家研究機構特彆強調正是信息技術廠商提供的高性能計算技術使這一切成為可能。同樣，在被稱為“生命科學阿波羅登月計畫”的人類基因草圖的誕生過程中，康柏公司的Alpha伺服器也為研究人員提供了出色的計算動力。業界分析人士稱，在這場激烈的基因解碼競賽背後隱含的是一場超級計算能力的競賽，同時，這次競賽有助於大眾對超級計算機的超強能力形成普遍認知。在此之前，這些造價至少在數百萬美元以上可以超高速運轉的機器一直默默無聞，他們被用於控制核反應堆、預報天氣或是與世界級西洋棋大師同台對弈。如今，人們越來越清醒地認識到，超級計算機在創造新品種的藥物、治癒疾病以及最終使我們能夠修復人類基因缺陷等方面是至關重要的，高性能計算可以為人類作出更大的貢獻。
賽萊拉公司執行總裁在接受《今日美國》的採訪時說:“將人類基因密碼以線型方式組合起來，這還是人類有史以來的第一次。”賽萊拉公司要將32億個鹼基對按照正確順序加以排列，在曾經嘗試過的大規模計算中，這次挑戰是最為嚴峻的一次。
為了完成這次歷史性課題所需的數量極為龐大的數據處理工作，賽萊拉公司動用了700台互聯的Alpha64位處理器，運算能力達到每秒1.3萬億次浮點運算。同時，賽萊拉公司還採用了康柏的Storage Works系統，用以完成對一個空間為50TB且以每年IOTB速度增長的資料庫管理工作.康柏電腦公司董事會主席曾在一次演講上說道:“如今，我們很難將生物技術的進步與高性能計算領域的發展割裂開來。實際上，許多一流的科學家都相信，高性能計算是生物和醫藥的未來。今後，越來越多的具有強大功能的計算機和軟體將會被用來蒐集、存儲、分析、模擬和發布信息。
信息技術還有助於加強生物技術領域的各種資料庫管理、信息傳遞、檢索和資源共享等。另一個僅次於基因排序器、在生物技術領域引起關注的硬體是基因晶片，它的研製也非常依賴於信息技術。在顯微鏡載片或矽片等基片上把基因片段排列、固定，這就是基因晶片。把這個晶片上的基因片段和檢體的基因片段放到基因晶片讀出器（也是一種破譯裝置）上，就能迅速比較和破譯檢體信息。 基因排序器是從零入手破譯檢體的遺傳信息的裝置，而基因晶片和其讀出器則是與已經有的遺傳信息相對照破譯信息的裝置。 在這個領域，美國的企業比較有名，但日本企業也在同美國企業合作的同時，積極參與這個領域的開發。
（2）生物技術發展需要特定軟體技術的支持。生物技術及其產業的發展對於生物技術類軟體的需求將進一步增加，軟體技術將成為支撐生物技術及其產業發展的關鍵力量之一。在生物技術各領域中均需要相應的專業軟體來支撐：1) 各類生物技術資料庫的構建需要性能優良、更新換代迅速的軟體技術；2) 核酸低級結構分析、引物設計、質粒繪圖、序列分析、蛋白質低級結構分析、生化反應模擬等等也需要相應的軟體及其技術支撐；3) 加強生物安全管理與生物信息安全管理也離不開軟體及其技術發展的支持。
2.生物技術為信息技術發展開闢了新的道路
（1）生物技術推動超級計算機產業的發展。隨著人類基因組計畫各項任務的完成，有關核酸、蛋白質的序列和結構數據呈指數增長。面對如此巨大而複雜的數據，只有運用計算機進行數據管理、控制誤差、加速分析過程，使得人類最終能夠從中受益。然而要完成這些過程，並非一般的計算機力所能及，而需要具有超級計算能力的計算機。因此，生物技術的發展將對信息技術提出更高的需求，從而推動信息產業的發展。比較有說服力的例子是，2002年11月22日出版的《自然》雜誌上，以色列科學家宣布研製出一種由dna分子和酶分子構成的微型“生物計算機”，一萬億個這樣的計算機僅一滴水那樣大，運算速度達到每秒10億次，準確率為99.8%。當然像所有的新技術一樣，有的科學家表示懷疑。他們認為，這種試管里的計算機存在致命的缺陷，因為生化反應本身存在一定的隨機性，這種運算的結果可能不完全精確；而且，參與運算的dna分子之間的不能像傳統計算機一樣通信，只能“各自為戰”，不足以處理一些大型計算。
信息產業和生物產業無疑都是高科技的產物，在生命科學的研究中，始終不能缺少計算機的工作，如果到基因組測序的研究所去看一看，大量的以超級計算機為基礎的測序儀，會使你誤以為到了一家信息技術公司。生物產業因計算機的加盟而提速，信息技術產業也因生命科學的需要而得以發展、獲利。
運用數學、計算機科學和生物學的各種工具，來闡明和理解大量基因組研究獲得數據中所包含的生物學意義，生物學和信息學交叉、結合，從而形成了一個新的學科。生物信息學或信息生物學，它的進步所帶來的效益是不可估量的。美國已經出現了大批基於生物信息學的公司，希冀在基因工程藥物、生物晶片、代謝工程等領域掘出財富，生物信息學工業潛力巨大。可以說，生物科技(生物技術)與信息科技(信息技術)的融合，才是世界經濟市場的未來。在深圳舉行的第三屆中國國際高新技術成果交易會高新技術論壇上，中國工程院副院長侯雲德院士指出，應該把生物技術產業定位為僅次於信息產業的重點產業。他說，信息和生物技術是關係到我國新世紀經濟發展和國家命運的關鍵技術，並將成為我國創新產業的經濟成長點。
生物技術
很多人認為，2000年是生物技術產業投資年。人類基因測序的完成和公布，是科學史上的又一個里程碑，它令很多投資者為之神魂顛倒。2000年美國的生物技術產業股票市場新增300億美元，這一數值大大超過前5年該產業股市投資的總和，生物技術的股票與其它科技行業股票異常高漲。很多跡象表明，生物技術產業雖然歷史不到30年，但正步入成熟期。
美國經濟處於衰退中的2001年，生物技術產業仍吸收了150億美元的投資，這是該產業歷史上第二大的投資年。投資者認為，生物技術公司，特別是那些專攻新藥的生物技術公司和其合作的製藥公司，在未來的5年中，將推出數百種一類新藥。生物技術在基因科學、蛋白質學、生物信息學、計算機輔助藥物設計、DNA生物晶片和藥物基因學等領域中的突破，使對疾病的攻克進入分子水平。很多投資者認為，用生物技術方法開發新藥將得到回報。
根據美國生物技術產業組織(BIO)的統計，1982—2000年間，大約有120個生物藥進入市場；2001年有300個新藥正在進行最後階段的臨床試驗。根據過去的經驗，到2007年，美國食品與藥物管理局(FDA)大約要批准其中的240個新藥進入市場，從而使市場上的生物技術藥翻2倍。大多數生物技術新藥是用於治療心臟病、癌症、糖尿病和傳染病的一類新藥。
生物技術的顯著套用不僅在健康行業，生物技術在其它產業中的研發投入也十分突出。依靠生物技術，農業上用更少的土地生產更多的健康食品；製造業可以減少環境污染、節省能耗；工業可以利用再生資源生產原料，以保護環境。
生物技術產業的成熟除了體現在產品開發方面外，另一個主要標誌是行業的現金儲量。2000年由於生物技術產業在社會上籌集了大量資本，大多數生物技術企業在2001年的資金情況很好。根據Ernst & Young’s 2001年生物技術報告，美國上市的340家生物技術公司中，超過半數的公司現金儲量可維持三年以上的運行，這為該行業今後的快速發展奠定了良好基礎。
生物技術產業成熟的另一個標誌是合併化。資金雄厚的生物技術企業，如基因公司，正在兼併其它輔助性技術公司，從而形成綜合性的生物製藥公司，能夠開發、生產和銷售自己的產品。這種兼併活動，不僅增加企業的產品種類和收入，同時也有助於提高整個行業的競爭力。
生物技術產業是新經濟的主要推動力。儘管生物技術產業的股值也縮水很大，但其所得多於所失。在過去的一年中，納斯達克生物技術指數下降了20%，但與前三年相比，該指數的增長仍接近100%。在熊市狀態下，該指數的表現優於納斯達克綜合指數和道瓊工業指數。很多分析家認為，2002年生物和醫藥股將表現平平但健康發展，在今後的12至24個月中，生物股將再次起飛，新的生物技術產品將開始進入市場。
美國很多州政府支持生物技術產業的發展，陸續推出了不少經濟發展計畫以吸引生物技術企業。例如，密西根州是美國十大生物技術州之一，州政府承諾要在生物技術產業領域進入全美前5名，擬投入10億美元，建成密西根生命科學走廊。該走廊已有300多家生物公司。
從基因到藥
在21世紀的第一年，科學家們完成了人類基因的測序。這一成就對生物技術產業發展影響將是難以估量的。在探索人類基因的奧秘過程，發現一些新的藥物，成為生物技術關注的熱點。
2001年5月，FDA批准諾華公司開發的Gleevec上市，這是一種治療慢性白血病的良藥。這是依據癌細胞活動機理而設計開發的第一種抗癌新藥。傳統抗癌藥在治療過程中，同時會影響到正常細胞，對病人產生很大的副作用，而Gleevec僅殺滅基因變異的癌細胞。最新研究表明，Gleevec對血液癌症和腫瘤都有效，它可能成為一種廣譜的抗癌新藥。
治療癌症的另外一類生物技術藥是單克隆抗體。這類抗體的目標是與癌細胞有關一些特定分子。自1980年以來，單克隆抗體魔術般的效果引起眾多醫藥公司的關注。經過十多年的研究，單克隆抗體作為抗癌新藥初步得以實現。很多藥廠正在開發單克隆抗體，其套用從抗癌擴展到其它疾病治療方面，到2000年，FDA批准了9個單克隆抗體，另外60多個產品正在進行臨床試驗。
在抗癌方面，單克隆抗體的作用如同人體自身免疫系統，但大多數情況下，人體自身免疫系統不會將癌細胞作為有害細胞而進行阻止，使癌細胞在體內繁殖，危害人體生命。
單克隆抗體的作用是瞄準癌細胞，將癌細胞消滅或啟動體內免疫系統對癌細胞進行攻擊。單克隆抗體也可成為一種“聰明炸彈”，攜帶放射性或化學介質，選擇癌細胞進行攻擊。
1997年FDA批准第一個單克隆抗體Rituxin，用於治療非何杰金氏淋巴癌，1998年另一種單克隆抗體Herceptin上市，用於治療乳腺癌。
生物技術在農業中的套用是基於對植物、動物基因學和蛋白質學的認識。很多專家認為只有依靠生物技術，開發中國家才能戰勝飢餓，全球因人口增長而產生的食品短缺才有望得以緩解。
通過利用動植物中的特定基因，可以實現用更少的土地種植更多的作物，同時減少農藥的使用。利用生物技術，可以在惡劣的氣候環境下生產作物。利用生物技術，還可以改善食品的營養和口感等。
美國的St. Louis是全球農業生物技術發展最快的地區。該地區被認為是生物產業帶，著名的農業生物技術公司孟山都即在該地區。
生物技術用於育種是一種快捷、有效的育種方法。通過引入特定的基因，以改變動植物的品質。例如，科學家在西紅柿中植入抗成熟的基因，可以延長西紅柿的貨架期。在植物中引入對人體無害的抗蟲基因，可以防止病蟲害，減少農藥的使用，在水稻中介入產生維生素A的基因，可以提高稻米的營養價值。
生物技術在農業中的另一個可能的套用是生產食用疫苗，利用水果、蔬菜生產抗肝炎、霍亂等傳染病的疫苗。克隆技術用於動物，可以保留高品質動物的高產性能。
市場上的農業生物技術產品主要是轉基因的大豆、玉米、油菜、棉花等。轉基因植物以其優異的品質很快被農戶接受。2001年，世界上轉基因植物的種植面積達5300萬公頃，比2000年增加 19%。
工業與環境生物技術
生物技術套用於工業製造和環境管理，是為了推動工業的可持續發展，1998年，經濟合作與發展組織認為生物技術將對工業的持續發展起著十分關鍵的作用，鼓勵其成員國支持工業和環境生物技術的研究。
微生物被認為是天然的化學工廠。它們正取代工業催化劑而用於化學品的製造。例如，酶製劑能取代洗滌劑中的磷和皮革鞣製過程中的硫化物。在造紙過程中，酶製劑可以減少氯化物在紙漿漂白過程中的用量。微生物在工業生產過程中的套用，使工業生產變得清潔、高效，具有可持續性。
科學家預測10至20年後，生物技術在工業中的套用將與其在人類健康中的套用變得同等重要。
生物技術的其它套用
生物技術除主要在人類健康、農業、工業與環境中套用外，在其它領域也有一些套用。
開發畜牧醫用產品的生物公司越來越多，美國每年用於動物健康的產品市場約40億美元，美國農業部批准的動物用生物製品約100種，主要是防止動物傳染病和常見病的疫苗和治療藥。
生物技術也套用於珍稀野生動物的保護，通過DNA識別來鑑別動物的種類，跟蹤其活動地域等。
生物技術套用於太空發展，可以為太空人構建長期太空探險所需的生命支持環境。另外，生物技術也用於人類考古和犯罪調查，通過DNA分析可以研究人類種群的進化史。DNA技術套用於犯罪案件調查可以幫助執法人員確認罪犯。
生物反恐
美國9·11恐怖事件和隨後的炭疽菌案件，使大部分美國人感到，今後的生物恐怖事件可能發生，對生物恐怖事件的防衛必須予以重視。
過去，幾家美國生物技術公司曾與官方合作，提出生物武器的防衛戰略，但大多數試驗僅是模擬。在9·11事件以前，美國衛生部用於生物防恐的研究經費為5000萬美元。但9·11事件以後，該預算大大增加。通過的一項生物反恐法案，撥款45億美元用於美國本土安全部的生物反恐。專家們預測，生物反恐將成為國防的新領域，美國將利用生物技術防衛各種可能的生物恐怖攻擊。生物反恐將與公共健康系統、傳統國防工業、生物技術和製藥業緊密關聯。9·11事件後，美國迅速開發了針對炭疽和天花的疫苗。大約有24家美國生物技術公司正參與其它疫苗和藥品研究與開發，美國政府擬支付6．4億美元用於存積有關的疾病疫苗，以防止各種可能的生物恐怖事件。例如，新型抗菌素和抗病毒處理劑正在研製，以用於對付已是抗病性的病原體。一家公司正在研究利用單克隆抗體清除血液中的毒素。其它研製中的產品包括專用酶製劑，用於修復被有意污染的環境、快速大氣監測儀、傳染物診斷試劑、新的藥物運送系統等。
生物技術套用
傳統生物技術的套用
現代生物技術的套用
傳統生物技術的套用
包括：
套用：細胞（顯微水平、亞顯微水平） 玻片標本製作與染色技術
套用：用於細胞結構與功能研究 同位素標記示蹤技術*
套用：研究細胞內或生物體內化學物質的有關問題，如某物質存在部位、移動途徑、物質摻如情況等。
實例：有絲分裂過程中的DNA複製 光合作用中的物質變化 動植物細胞中的物質運輸 激素在生物體內分布與運輸 動物胚胎層發育分化 遺傳物質發現的研究 無土栽培技術
利用溶液培養法的原理，把植物體生長發育過程中所需要的各種礦質元素，按照一定的比例配製成營養液，並利用這種營養液來栽培植物的技術。
報考“生物技術”專業
生物技術是一個新興專業,生物技術產業在中國還屬於起步階段，雖然目前國內冒出許多生物技術公司，但是大部分具有規模小，技術含量低的特點，甚至部分只是掛名生物技術而已。因為生物技術具有前期投入大，風險大的特點，按照中國國情，短時間內，中國無法形成大規模的生物產業集團，就生物技術專業而言，該專業未來前景不錯，基於這一原因，目前國內各大高校紛紛開設生物技術專業，但是他們並沒有考慮實際情況。生物技術作為一門高新技術學科，必須經過長期培養才能在實際套用中顯示出一定的效果，因此除非一開始你就打算投身於這一行業並一直讀碩讀博，你才會有很大的發展空間。同時因為生物技術投入過大，國家經費有限，國家重點發展某幾個院校，因此國內各高校水平差距極大，要謹慎選擇。
生物技術的現代技術
基因工程
基因工程是指在基因水平上，按照人類的需要進行設計，然後按設計方案創建出具有某種新的性狀的生物新品系，並能使之穩定地遺傳給後代。基因工程採用與工程設計十分類似的方法，明顯地既具有理學的特點，同時也具有工程學的特點。
生物學家在了解遺傳密碼是RNA轉錄表達以後，還想從分子的水平去干預生物的遺傳。1973年，美國史丹福大學的科恩教授，把兩種質粒上不同的抗藥基因"裁剪"下來，"拼接"在同一個質粒中。當這種雜合質粒進入大腸桿菌後，這種大腸桿菌就能抵抗兩種藥物，且其後代都具有雙重抗菌性，科恩的重組實驗拉開了基因工程的大幕。
DNA重組技術是基因工程的核心技術。重組，顧名思義，就是重新組合，即利用供體生物的遺傳物質，或人工合成的基因，經過體外切割後與適當的載體連線起來，形成重組DNA分子，然後將重組DNA分子導入到受體細胞或受體生物構建轉基因生物，該種生物就可以按人類事先設計好的藍圖表現出另外一種生物的某種性狀。
1、DNA重組技術的物質基礎
（1）目的基因
基因工程是一種有預期目的的創造性工作，它的原料就是目的基因。所謂目的基因，是指通過人工方法獲得的符合設計者要求的DNA片段，在適當條件下，目的基因將會以蛋白質的形式表達，從而實現設計者改造生物性狀的目標。
（2）載體
目的基因一般都不能直接進入另一種生物細胞，它需要與特定的載體結合,才能安全地進入到受體細胞中。常用的載體有質粒、噬菌體和病毒。
噬菌體是專門感染細菌的一類病毒，由蛋白質外殼和中心的核酸組成。在感染細菌時，噬菌體把DNA注入到細菌里，以此DNA為模板，複製DNA分子，併合成蛋白質，最後組裝成新的噬菌體。當細菌死亡破裂後，大量的噬菌體被釋放出來，去感染下一個目標。圖4-26，噬菌體侵染細菌的過程。
（3）工具酶
基因工程需要有一套工具，以便從生物體中分離目的基因，然後選擇適合的載體，將目的基因與載體連線起來。DNA分子很小，其直徑只有20埃（10-10米），基因工程實際上是一種“超級顯微工程”，對DNA的切割、縫合與轉運，必須有特殊的工具。
1968年，科學家第一次從大腸桿菌中提取出了限制性內切酶。限制性內切酶最大的特點是專一性強，能夠在DNA上識別特定的核苷酸序列，並在特定切點上切割DNA分子。70年代以來，人們已經分離提取了400多種限制性內切酶。有了它，人們就可以隨心所欲地進行DNA分子長鏈切割了。表4-3是一些限制性內切酶的識別位點
1、 DNA重組技術的一般操作步驟
一個典型的DNA重組包括五個步驟：
（1）目的基因的獲取
獲取目的基因的方法主要有三種：反向轉錄法、從細胞基因組直接分離法和人工合成法。
反向轉錄法是利用mRNA反轉錄獲得目的基因的方法。用這種方法人們已先後合成了家兔、鴨和人的珠蛋白基因、羽毛角蛋白基因等。
從細胞基因組中直接分離目的基因常用"鳥槍法"，因為這種方法猶如用散彈打鳥,所以又稱"散彈槍法"。用"鳥槍法"分離目的基因，具有簡單、方便和經濟等優點。許多病毒和原核生物、一些真核生物的基因，都用這種方法獲得了成功的分離。
（2）DNA分子的體外重組
體外重組是把載體與目的基因進行連線。例如，以質粒作為載體時，首先要選擇出合適的限制性內切酶，對目的基因和載體進行切割，再以DNA連線酶使切口兩端的脫氧核苷酸連線，於是目的基因被鑲嵌進質粒DNA，重組形成了一個新的環狀DNA分子（雜種DNA分子）（圖4-27）。
（3）DNA重組體的導入
把目的基因裝在載體上後，就需要把它引入到受體細胞中。導入的方式有多種，主要包括轉化、轉導、顯微注射、微粒轟擊和電擊穿孔等方式。轉化和轉導主要適用於細菌一類的原核生物細胞和酵母這樣的低等真核生物細胞，其他方式主要套用於高等動植物的細胞。
（4）受體細胞的篩選
由於DNA重組體的轉化成功率不是太高，因而，需要在眾多的細胞中把成功轉入DNA重組體的細胞挑選出來。應事先找到特定的標誌，證明導入是否成功。
例如，我們常用抗生素來證明證明導入的成功。（圖4-28）
（5）基因表達
目的基因在成功導入受體細胞後，它所攜帶的遺傳信息必須要通過合成新的蛋白質才能表現出來，從而改變受體細胞的遺傳性狀。目的基因在受體細胞中要表達，需要滿足一些條件。例如，目的基因是利用受體細胞的核糖體來合成蛋白質，因此目的基因上必須含有能啟動受體細胞核糖體工作的功能片段。
這五個步驟代表了基因工程的一般操作流程。（圖4-29）
人們掌握基因工程技術的時間並不長，但已經獲得了許多具有實際套用價值的成果，基因工程作為現代生物技術的核心，將在社會生產和實踐中發揮越來越重要的作用。
（三）細胞工程
1、細胞培養技術
細胞培養技術是細胞工程的基礎技術。所謂細胞培養，就是將生物有機體的某一部分組織取出一小塊，進行培養，使之生長、分裂的技術。細胞培養又叫組織培養。近二十年來細胞生物學的一些重要理論研究的進展，例如細胞全能性的揭示，細胞周期及其調控，癌變機理與細胞衰老的研究，基因表達與調控等，都是與細胞培養技術分不開的。
體外細胞培養中，供給離開整體的動植物細胞所需營養的是培養基，培養基中除了含有豐富的營養物質外，一般還含有刺激細胞生長和發育的一些微量物質。培養基一般有固態和液態兩種，它必須經滅菌處理後才可使用。此外，溫度、光照、振盪頻率等也都是影響培養的重要條件。
植物細胞與組織培養的基本過程包括如下幾個步驟：
第一步，從健康植株的特定部位或組織，如根、莖、葉、花、果實、花粉等，選擇用於培養的起始材料（外植體）。
第二步，用一定的化學藥劑（最常用的有次氯酸鈉、升汞和酒精等）對外植體表面消毒，建立無菌培養體系。
第三步，形成愈傷組織和器官，由愈傷組織再分化出芽並可進一步誘導形成小植株。
動物細胞培養有兩種方式。一種叫非貼壁培養：也就是細胞在培養過程中不貼壁， 條件較為複雜， 難度也大一些，但是容易同時獲得大量的培養細胞。這種方法一般用於淋巴細胞、腫瘤細胞和一些轉化細胞的培養。另一種培養方式是貼壁培養：也稱為細胞貼壁，貼壁後的細胞呈單層生長，所以此法又叫單層細胞培養。大多數哺乳動物細胞的培養必須採用這種方法。
動物細胞不能採用離體培養，以人的皮膚細胞培養為例，動物細胞培養的主要步驟如下：
第一步，在無菌條件下，從健康動物體內取出適量組織，剪下成小薄片。
第二步，加入適宜濃度的酶與輔助物質進行消化作用使細胞分散。
第三步，將分散的細胞進行洗滌並純化後，以適宜的濃度加在培養基中，37℃下培養，並適時進行傳代。（圖4-31）
在細胞培養中，我們經常使用一個詞——克隆。克隆一詞是由英文clone音譯而來，指無性繁殖以及由無性繁殖而得到的細胞群體或生物群體。細胞克隆是指細胞的一個無性繁殖系。自然界早已存在天然的克隆，例如，同卵雙胞胎實際上就是一種克隆。
基因工程中，還有稱為分子克隆(molecular cloning)的，是科恩等在 1973年提出的。分子克隆發生在DNA分子水平上，是指從一種細胞中把某種基因提取出來作為外源基因，在體外與載體連線，再將其引入另一受體細胞自主複製而得到的DNA分子無性系。
2、細胞核移植技術
由於克隆是無性繁殖，所以同一克隆內所有成員的遺傳構成是完全相同的，這樣有利於忠實地保持原有品種的優良特性。人們開始探索用人工的方法來進行高等動物克隆。哺乳動物克隆的方法主要有胚胎分割和細胞核移植兩種。其中，細胞核移植是發展較晚但富有潛力的一門新技術。
細胞核移植技術屬於細胞質工程。所謂細胞核移植技術，是指用機械的辦法把一個被稱為“供體細胞”的細胞核（含遺傳物質）移入另一個除去了細胞核被稱為“受體”的細胞中，然後這一重組細胞進一步發育、分化。核移植的原理是基於動物細胞的細胞核的全能性。
採用細胞核移植技術克隆動物的構想，最初由一位德國胚胎學家在1938年提出。從1952年起，科學家們首先採用兩棲類動物開展細胞核移植克隆實驗，先後獲得了蝌蚪和成體蛙。1963年，我國童第周教授領導的科研組，以金魚等為材料，研究了魚類胚胎細胞核移植技術，獲得成功。到1995年為止，在主要的哺乳動物中，胚胎細胞核移植都獲得成功，但成體動物已分化細胞的核移植一直未能取得成功。
1996年，英國愛丁堡羅斯林研究所，伊恩·維爾穆特研究小組成功地利用細胞核移植的方法培養出一隻克隆羊——多利，這是世界上首次利用成年哺乳動物的體細胞進行細胞核移植而培養出的克隆動物。圖4-33克隆羊示意圖。
在核移植中，並不是所有的細胞都可以作為核供體。作為供體的細胞有兩種：一種是胚胎細胞，一種是某些體細胞。
研究表明，卵細胞、卵母細胞和受精卵細胞都是合適的受體細胞。
核移植的研究，不僅在探明動物細胞核的全能性、細胞核與細胞質關係等重要理論問題方面具有重要的科學價值，而且在畜牧業生產中有著非常重要的經濟價值和套用前景。
3、細胞融合技術
細胞融合技術屬於細胞融合工程。細胞融合技術是一種新的獲得雜交細胞以改變細胞性能的技術，它是指在離體條件下，利用融合誘導劑，把同種或不同物種的體細胞人為地融合，形成雜合細胞的過程。細胞融合術是細胞遺傳學、細胞免疫學、病毒學、腫瘤學等研究的一種重要手段
動物細胞融合的主要步驟是：
第二步，誘導融合。把兩種親本細胞置於同一培養液中，進行細胞融合。動物細胞的融合過程一般是：兩個細胞緊密接觸→細胞膜合併→細胞間出現通道或細胞橋→細胞橋數增加擴大通道面積→兩細胞融合為一體。
植物細胞融合的主要步驟是：
第一步，製備親本原生質體。
第二步，誘導融合。
微生物細胞的融合步驟與植物細胞融合基本相同。
從20世紀70年代開始，已經有許多種細胞融合成功，有植物間、動物間、動植物間甚至人體細胞與動植物間的成功融合的新的雜交植物，如 “西紅柿馬鈴薯”、“擬南芥油菜”和“蘑菇白菜”等。（圖4-36是利用細胞融合培育雜交植物）從技術水平來看，人們還不能把許多遠緣的細胞融合後培養成雜種個體，尤其是動物細胞難度更大。
（四）酶工程、發酵工程與蛋白質工程
1、酶工程
酶工程，可以分為兩部分。一部分是如何生產酶，一部分是如何套用酶。
酶的生產大致經歷了四個發展階段。最初從動物內臟中提取酶，隨著酶工程的進展，人們利用大量培養微生物來獲取酶，基因基因工程誕生後，通過基因重組來改造產酶的微生物，近些年來，酶工程又出現了一個新的熱門課題，那就是人工合成新酶，也就是人工酶。
酶在使用中也存在著一些缺點。如遇到高溫、強酸、強鹼時就會失去活性，成本高，價錢貴。實際套用中酶只能使用一次等。利用酶的固定化可以解決這些問題，它被稱為是酶工程的中心。
60年代初，科學家發現，許多酶經過固定化以後，活性絲毫未減，穩定性反而有了提高。這一發現是酶的推廣套用的轉折點，也是酶工程發展的轉折點。如今，酶的固定化技術日新月異。它表現在兩方面：
二是被固定下來的酶，具有多種酶，能催化一系列的反應。
1.可以做成各種形狀，如顆粒狀、管狀、膜狀，裝在反應槽中，便於取出，便於連續、反覆使用。
2.穩定性提高，不易失去活性，使用壽命延長。
3.便於自動化操作，實現用電腦控制的連續生產。
如今已有數十個國家採用固定化酶和固定化細胞進行工業生產，產品包括酒精、啤酒、各種胺基酸、各種有機酸以及藥品等等。
2、發酵工程
現代的發酵工程。又叫微生物工程，指採用現代生物工程技術手段，利用微生物的某些特定的功能，為人類生產有用的產品，或直接把微生物套用於工業生產過程。
發酵是微生物特有的作用，幾千年前就已被人類認識並且用來製造酒、麵包等食品。20世紀20年代主要是以酒精發酵、甘油發酵和丙醇發酵等為主。20世紀40年代中期美國抗菌素工業興起，大規模生產青黴素以及日本谷氨酸鹽(味素)發酵成功，大大推動了發酵工業的發展。
20世紀70年代，基因重組技術、細胞融合等生物工程技術的飛速發展，發酵工業進入現代發酵工程的階段。不但生產酒精類飲料、醋酸和麵包，而且生產胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫療保健藥物，生產天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農用生產資料，在化學工業上生產胺基酸、香料、生物高分子、酶、維生素和單細胞蛋白等。
從廣義上講，發酵工程由三部分組成：上游工程，發酵工程和下游工程。其中上游工程包括優良種株的選育，最適發酵條件（pH、溫度、溶解氧和營養組成）的確定，營養物的準備等。發酵工程主要指在最適發酵條件下，發酵罐中大量培養細胞和生產代謝產物的工藝技術。下游工程指從發酵液中分離和純化產品的技術。
發酵工程的步驟一般包括：
第一步，菌種的選育。
第二步，培養基的製備和滅菌。
第三步，擴大培養和接種。
第四步，發酵過程。
第五步，分離提純。
發酵工程在醫藥工業、食品工業、農業、冶金工業、環境保護等許多領域得到廣泛套用。
3、蛋白質工程
在現代生物技術中，蛋白質工程是在20世紀80年代初期出現的。蛋白質工程是指在深入了解蛋白質空間結構以及結構與功能的關係，並在掌握基因操作技術的基礎上，用人工合成生產自然界原來沒有的、具有新的結構與功能的、對人類生活有用的蛋白質分子。
蛋白質工程的類型主要有兩種：
一是從頭設計，即完全按照人的意志設計合成蛋白質。從頭設計是蛋白質工程中最有意義也是最困難的操作類型，技術尚不成熟，已經合成的蛋白質只是一些很小的短肽。
二是定位突變與局部修飾，即在已有的蛋白質基礎上，只進行局部的修飾。這種通過造成一個或幾個鹼基定位突變，以達到修飾蛋白質分子結構目的的技術，稱為基因定位突變技術。
蛋白質工程的基本程式是：首先要測定蛋白質中胺基酸的順序，測定和預測蛋白質的空間結構，建立蛋白質的空間結構模型，然後提出對蛋白質的加工和改造的構想，通過基因定位突變和其它方法獲得需要的新蛋白質的基因，進而進行蛋白質合成。（圖4-37）
由於蛋白質工程是在基因工程的基礎上發展起來的，在技術方面有很多同基因工程技術相似的地方，因此蛋白質工程也被稱為第二代基因工程。
蛋白質工程為改造蛋白質的結構和功能找到了新途徑，而且還預示人類能設計和創造自然界不存在的優良蛋白質的可能性，從而具有潛在的巨大社會效益和經濟效益。
生物技術套用
伴隨著生命科學的新突破，現代生物技術已經廣泛地套用於工業、農牧業、醫藥、環保等眾多領域，產生了巨大的經濟和社會效益。
（一）生物技術的套用
1、生物技術在工業方面的套用
食品方面
首先，生物技術被用來提高生產效率，從而提高食品產量。
第三，生物技術還用於開拓食品種類。利用生物技術生產單細胞蛋白為解決蛋白質缺乏問題提供了一條可行之路。全世界單細胞蛋白的產量已經超過3000萬噸，質量也有了重大突破，從主要用作飼料發展到走上人們的餐桌。
材料方面
通過生物技術構建新型生物材料，是現代新材料發展的重要途徑之一。
首先，生物技術使一些廢棄的生物材料變廢為寶。例如，利用生物技術可以從蝦、蟹等甲殼類動物的甲殼中獲取甲殼素。甲殼素是製造手術縫合線的極好材料，它柔軟，可加速傷口癒合，還可被人體吸收而免於拆線。
其次，生物技術為大規模生產一些稀缺生物材料提供了可能。例如，蜘蛛絲是一種特殊的蛋白質，其強度大，可塑性高，可用於生產防彈背心、降落傘等用品。利用生物技術可以生產蛛絲蛋白，得到與蜘蛛絲媲美的纖維。
能源方面
生物技術一方面能提高不可再生能源的開採率，另一方面能開發更多可再生能源。
首先，生物技術提高了石油開採的效率。
其次，生物技術為新能源的利用開闢了道路。
1、 生物技術在農業方面的套用
現代生物技術越來越多地運用於農業中，使農業經濟達到高產、高質、高效的目的。
農作物和花卉生產
生物技術套用於農作物和花卉生產的目標，主要是提高產量、改良品質和獲得抗逆植物。
首先，生物技術既能提高作物產量，還能快速繁殖。
其次，生物技術既能改良作物品質，還能延緩植物的成熟，從而延長了植物食品的保藏期。
第三，生物技術在培育抗逆作物中發揮了重要作用。例如，用基因工程方法培育出的抗蟲害作物，不需施用農藥，既提高了種植的經濟效益，又保護了我們的環境。我國的轉基因抗蟲棉品種，1999年已經推廣200多萬畝，創造了巨大的經濟效益。
畜禽生產
利用生物技術以獲得高產優質的畜禽產品和提高畜禽的抗病能力。
首先，生物技術不僅能加快畜禽的繁殖和生長速度，而且能改良畜禽的品質，提供優質的肉、奶、蛋產品。
其次，生物技術可以培育抗病的畜禽品種，減少飼養業的風險。如利用轉基因的方法，培育抗病動物，可以大大減少牲畜瘟疫的發生，保證牲畜健康，也保證人類健康。
農業新領域
基因工程不僅提高了農牧產品的產量和質量。
2、 生物技術在醫藥方面的套用
醫藥衛生領域是現代生物技術套用得最廣泛、成績最顯著、發展最迅速、潛力也最大的一個領域。
疾病預防
利用疫苗對人體進行主動免疫是預防傳染性疾病的最有效手段之一。注射或口服疫苗可以激活體內的免疫系統，產生專門針對病原體的特異性抗體。
20世紀70年代以後，人們開始利用基因工程技術來生產疫苗。基因工程疫苗是將病原體的某種蛋白基因重組到細菌或真核細胞內，利用細菌或真核細胞來大量生產病原體的蛋白，把這種蛋白作為疫苗。例如用基因工程製造B肝疫苗用於B型肝炎的預防。我國生產的基因工程B肝疫苗，主要採用酵母表達系統產生疫苗。
疾病診斷
單克隆抗體以它明顯的優越性得到迅速的發展，全世界研製成功的單克隆抗體有上萬種，主要用於臨床診斷、治療試劑、特異性殺傷腫瘤細胞等。有的單克隆抗體能與放射性同位素、毒素和化學藥品聯結在一起，用於癌症治療，它準確地找到癌變部位，殺死癌細胞，有 “生物飛彈”、“腫瘤剋星”之稱。
疾病治療
生物技術在疾病治療方面主要包括提供藥物、基因治療和器官移植等方面。
利用基因工程能大量生產一些來源稀少價格昂貴的藥物，減輕患者的負擔。這些珍貴藥物包括生長抑素、胰島素、干擾素等等。
基因治療是一種套用基因工程技術和分子遺傳學原理對人類疾病進行治療的新療法。
世界上第一例成功的基因治療是對一位4歲的美國女孩進行的，她由於體內缺乏腺苷脫氨酶而完全喪失免疫功能，治療前只能在無菌室生活，否則會由於感染而死亡。經治療，這個女孩可進入普通國小上學。截至1997年6月，全世界已批准的臨床基因治療方案有218項，接受基因治療和基因轉移的患者總數已有2557名患者。
1990年，人類基因組計畫在美國正式啟動，2003年4月14日，中美英日法德六國科學家宣布：人類基因組序列圖繪製成功。人類基因組計畫的完成，有助於人類認識許多遺傳疾病以及癌症的致病機理，將為基因治療提供更多的理論依據。
器官移植技術向異種移植方向發展，即利用現代生物技術，將人的基因轉移到另一個物種上，再將此物種的器官取出來置入人體，代替人的生病的“零件”。另外，還可以利用克隆技術，製造出完全適合於人體的器官，來替代人體“病危”的器官。
3、 生物技術在環保方面的套用
核酸探針技術的出現也為環境監測和評價提供了一條有效途徑。例如，用桿菌的核酸探針監測水環境中的大腸桿菌。
