基因工程在工业中的应用

　　 基因工程在工业中的应用
　　基因工程技术的不断进步, 为经济的发展注入了新鲜的血液; 其应用涉及经济发展的诸多领域。本文仅简要介绍其在医药工业、酶制剂工业、环保工业、食品工业以及化学与能源工业上的应用情况。
1　医药工业上的应用
1．1　人体活性多肽的生产
长期以来, 困扰着医学界的一个课题是:一些在疾病诊断, 预防和治疗中有着重要价值的人体活性多肽(如激素, 神经多肽, 淋巴因子,凝血因子等) 由于材料来源困难或技术方法问题而无法大量合成, 只能勉强沿用传统技术从动物中提取。但由于原料来源短缺, 制成品各批次质量参差不齐以及毒副作用较大等而限制其在临床上的应用。
　　本世纪70 年代, 基因工程等高技术的异军突起预示了医药工业体系的划时代变革。目前,基因工程在医药研制方面的应用已经展示了广阔的前景, 许多人体中的活性多肽都可通过重组DNA 产生的工程菌来大量高效地合成。基因工程活性肽有的已正式上市(如干扰素、白介素、促红细胞生成素、人生长激素、集落刺激因子、胰岛素等) ,有的正在研制和申报。基因工程药物为人类战胜多种疑难疾病提供了有力的武器, 也是国际医药工业发展的新的增长点, 从而越来越受到各国学者和研究人员的重视。
1．2　疫苗的生产
　　基因工程在制药工业应用的第二个主要领域是新疫苗的开发。
　　自1778 年爱德华·詹纳发明种痘技术至今, 接种疫苗每年挽救了成千上万人的性命并成为一种有效的预防疾病的方法。目前我们所使用的许多疫苗主要是由被杀死或减毒的病源微生物, 或者细菌毒素组成。由于减毒不充分或大量培养病毒过程中所出现的问题等原因, 有些疫苗具有副作用。重组DNA 技术的发展使得设计新的无毒副作用的疫苗成为可能。现在,许多蛋白质的一级结构已经被阐明, 而且, 利用适宜的动物模型可以检测出某种蛋白质甚至某种蛋白质分子中的某个特定片段的免疫原性,这样, 应用基因工程技术就可以设计和生产出多价的具有佐剂活性的新疫苗。
　　以感冒疫苗为例, 目前使用的感冒疫苗主要是减毒的或已经失去活力的流感病毒, 由于流感病毒表面的糖蛋白经常会发生抗原性变异, 上述疫苗只能产生部分的预防作用。科学家通过研究发现, 流感病毒被膜中含有两种主要的膜蛋白—— 血凝素和神经氨酸酶, HA 是病毒被膜中最重要的糖蛋白, 能在病毒被膜表面形成许多三聚体的突起; HA 还是病毒表面主要的抗原物质, 其蛋白质序列中912108 位氨基酸组成的结构是几个流感病毒株的共有构造。研究人员将这段氨基酸序列组成的多肽合成后,再与破伤风类毒素连接起来, 形成的新疫苗对于A 型流感病毒的几个变株均有预防作用, 能引发体液免疫和细胞免疫。
　　以基因工程技术研制的疫苗种类繁多, 细菌方面有霍乱弧菌、百日咳杆菌、麻风杆菌、淋球菌、绿脓杆菌、脑膜炎双球菌、链球菌、志贺菌属的一些菌种等; 病毒方面有流感病毒、人免疫缺陷病毒(H IV )、甲肝病毒、乙肝病毒、带状疱疹病毒和巨细胞病毒等; 寄生虫方面有疟原虫、丝虫、血吸虫、利什曼原虫等; 另外, 关于癌症,也已有科学家进行其疫苗的研制工作。
2　酶制剂工业上的应用
　　酶的传统来源是动物脏器和植物种子。后来, 随着发酵工程的发展, 逐渐出现了以微生物为主要酶源的局面。近年来, 由于基因工程技术的发展, 更使我们可以按照需要来定向改造酶,甚至创造出自然界所未发现的新酶种。蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、糖化酶和植酸酶等工业用酶均可利用基因工程技术进行生产。。
　 磷是饲养动物的最重要的营养元素之一。然而在用作饲料的谷类和豆科植物中, 60—90% 的磷是以植酸这种有机磷的形式存在着——植酸不能被仅有单胃的饲养动物消化。植酸酶能将植酸分解成无机的磷, 它使得饲养动物能更充分地利用饲料中的磷, 这降低了饲养的成本; 同时又大大降低动物排泄物中有机磷的含量, 减轻了环境污染的压力。
3　环保工业上的应用
　　随着化学工业的迅速发展, 种类繁多、数量巨大的人工合成化学物质应运而生。其中, 80%是有毒或能持久存在的。通过DNA 重组可以提高某些微生物体内特异酶的活性, 从而为构建降解水中特殊的污染化合物的微生物提供新的途径。
研究发现, 有机污染物的生物降解过程是由一种能编码污染物降解酶的降解性质粒所控制。以降解有害有毒的有机污染物为出发点的基因工程菌的构建, 可以通过质粒转移、质粒突变和降解基因克隆等三种途径得以实现。
4　食品工业上的应用
基因工程应用于食品工业, 可生产谷氨酸、调味剂、酒类和油类等。有人曾用基因工程技术改造过的L actococci 菌种来开发和生产新一代食品。
　　典型的例子是豆油的生产。在美国, 每年生产的100 亿磅豆油主要用于食品行业, 其中大量的是作为烹饪用油、使糕饼松脆的油和人造黄油等。经过脱色、除臭和精制处理的烹饪用豆油常常需要被还原以延长其贮藏时间及提高其在烹调时的稳定性。但是, 这种还原作用却导致豆油中富含反式2脂肪酸, 而反式2脂肪酸在摄入人体后, 会增加人患冠心病的可能性; 作为色拉油的精制豆油虽然没有经过还原作用, 但其中却富含软脂酸——软脂酸的摄入也能导致冠心病的发生。因此, 改善豆油的组成已经成为一种迫切的需要。人们经过选择,挑选出合乎需要的基因和启动子, 再通过重组DNA 技术来改造豆油中的组分构成。现在, 相应的多种基因工程产品已成功投放市场——其中, 有的豆油不含有软脂酸, 可用作色拉油; 有的豆油则富含80% 油酸——可用于烹饪; 有的豆油含30% 以上硬脂酸—— 适用于作人造黄油以及使糕饼松脆的油。利用基因工程改造的豆油的品质和商品价值显然是大大提高了。
5　化学与能源工业上的应用
　　基因工程在化学工业中的主要应用是在有机物的生产上。如以重组DNA 技术改造过的C lostriod ium acetobu ty licum A TCC824 可用于生产丁醇。另外, 丙酮、醋酸、丙烯酸、酒精、甘油、乙二醇等许多化学上的有机物通过发酵技术可以生产, 而微生物在发酵这些产品过程中的每一步的转化效率均可利用基因工程技术得到改善。如长链二羧酸是化学工业的重要生产原料之一。而P icataggio 等人构建的C. trop 2ica lis 工程菌在产生二羧酸过程中的转化率和化学选择性与出发菌株相比均提高到100%。
　　最近, 有关基因工程修饰的淀粉的研究, 引起了国内外学者的注意。这种特殊的淀粉是经过基因工程改造过的产品, 可替代石油作为一种工业原料, 用于生产生物可降解高聚物。这在石油资源日益紧张以及环境保护意识日益深入人心的今天, 尤其具有现实意义。利用重组DNA 技术生产酒精等石油替代品, 是基因工程在能源工业中应用的重头戏。研究发现, 细菌、酵母中的一些菌种如S accha2romy ces cerev isiae、Zym om anas m obilis 等可利用淀粉、植物多糖以及纤维素类物质来生产酒精。Ingram 等人把Z. m obilis 中编码乙醇生产途径的基因(p d c, ad hB ) 导入大肠杆菌K011后, 得到的工程菌在经过150 立升发酵后(原料为半纤维素浆) , 每立升发酵液可得40g 的乙醇; Kim 等人利用基因工程方法构建的菌株FSCSa2R1026 在20% 液化的马铃薯淀粉中发酵可得到10117% 的乙醇。此外, 微藻在用于柴油的生物脂类物质的生产方面具有巨大的潜能; 为此, Roessler 等人分离了其中合成脂类物质的关键酶——乙酰辅酶A 羧化酶的全基因, 并进行有关提高其生物柴油产量的基因工程研究。
　　综上所述, 基因工程的应用已经渗透到工业生产的许多领域。尽管通过基因克隆得到的工程菌在外源基因的表达效率以及质粒的稳定性等方面还存在一些亟待解决的问题, 但是, 基因工程技术已经取得的成就及其巨大的潜能必将为工业生产的再一次革命插上腾飞的翅膀!基因工程技术在工业上的应用具有极为广阔的前景和美妙的未来。