一、引言 近年来生物技术高速发展,不仅产品年有增加,已有多达20多种类型,而且生物技术还向纵深方面发展。回顾40年代抗生素工业的兴起到目前生物技术经历了几次高潮,时代不同,各个高潮采用的技术路线也不相同。
生物技术和生物医学近十年来的迅速发展,为化学工程专家提供了大量新的技术和机会。向化学工程研究人员提出了许多重要的、有着巨大经济效益的课题,一些尖端的课题包括基本生物作用的模拟,生物系统放大设计中很重要的表面及界面现象,生物系统的过程工程以及全组织、全个体的系统工程分析等都已提到研究的日程上来。
重组微生物生理学主要研究外源基因与宿主的相互作用以及细胞生理状态对这种相互作用的影响。宿主与外源基因的相互作用可发生在复制、分配、表达、代谢等各种水平,主要的分子机制为核酸—核酸、核酸—蛋白质的相互作用,一些小分子化合物可作为信号或效应子参与大分子的相互作用。重组微生物生理学研究主要包括下列三方面工作:1.噬菌体、质粒与宿主的相互作用以及基因工程菌中目的基因的复制、分配和表达规律。2.微生物响答系统的响答及适应的分子机制及其对外源基因调控的影响。3.细胞生长速率对宿主基因和外源基因调控的影响。这些工作融合了分子水平和细胞水平的研究,模糊了分子生物学和生理学的界限,成为基因工程的理论基础之一。美国微生物学会自1987年起把重组微生物生理学列为年会的一个独立专题。 外源基因与宿主的相互作用 噬菌体和质粒等染色体外基因与宿主基因处于一种依赖、互补和竞争的复杂关系。
合成膜和其相关过程是一种新颖分离技术,由于它可以在维持原生物体系环境下实现分离,以及膜反应器可以使生物转化和产品分离结合起来等特点,近年已被广泛应用生物技术的产品分离和开发高效反应器中,展现了广阔的应用前景。
分批补料培养(fed batch culture)特指发酵过程中将某特定的限止性底物流加到反应器中,而目的生成物则要到收获时才提取出来的操作方式,简称FBC,对那些培养基成分的浓度大小显著影响菌体和产物得率的反应过程十分适用。该技术起源于早期的酵母工业,已经有大半个世纪的实践史。有关理论基础,技术方法趋于成熟,应用也逐渐普及。
微生物生物技术(或称微生物技术)是一门以应用微生物学为主体的综合性技术群,主要包括微生物学、生物化学、遗传学及基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和生化工程等。从纵向划分,包括研究、发展和生产。利用微生物技术生产的产品包括酒类、调味品、有机溶剂、有机酸、氨基酸、维生素、抗生素、甾体激素、酶制剂、活性肽及蛋白、酵母及其它单细胞蛋白、淀粉糖等。应用范围包括食品、轻工、医药、农业、化工、矿业和环境保护等方面。
美国农业部(USDA)在下一个财政年度将要实施一个重要农作物基因定位的计划。布什总统的新农业秘书在批准这项建议书时表示:这一计划是为加强和保持美国在世界农业生产效益的地位所必需的。 2月17日尤特说,该计划的核心是“鉴定重要食品和树木作物的基因,弄清这些基因是作什么的。
目前,来自病毒、细菌和哺乳动物的许多基因已被克隆到质粒中,在启动子的调节下在E.coli中得到表达。在许多情况下,这种基因所表达的蛋白产物大部分是以一种不溶性的形式—“包含体”(inclusion bodies)存在于E.coli的胞浆之中。这种以包含体形式而存在的克隆基因产物,已引起了生物工程界的重视,因为它对生物工程的下游工作即纯化工作的影响非凡,目前对包含体的形成机制还有争议,本文将讨论这方面的进展。
目前,在微生物遗传工程中应用的表达载体大多是指导目的基因在宿主的胞质中表达,尽管外源蛋白的产量可达菌体总蛋白的50％以上,但同时也存在不少缺点:(1)高水平表达的外源蛋白容易发生沉降、凝聚,难以重新折叠为正确构象,不易获得有功能的产品;(2)产品纯化工艺复杂;(3)对宿主有毒性作用,导致表达体系不稳定;(4)外源蛋白易被胞内蛋白酶降解。这使得微生物遗传工程的应用受到很大限制。 如果能使在胞质表达的外源蛋白分泌到胞外,既可纠正由子高表达所引起的种种不利。近十年开展了对E.coli中蛋白质定位的深入研究。E.coli的蛋白质最初都是在胞质合成的,通过分泌而定位于膜或周质。例如外膜蛋白A(OmpA)先以前体形式在胞质合成,然后借助信号肽的作用穿过内膜,在分泌过程中信号肽被切除成的成熟蛋白定位子外膜。现在许多作者利用E.coli分泌蛋白的信号肽序列与目的基因相融合,将外源蛋白分泌出胞质。如用碱性磷酸酶(phoA)的信号肽分泌人α干扰素,使产物的稳定性和产量都有所提高,并且可通过简单的物理技术得到产品。E.coli溶血素通过特殊的分泌机制穿越细胞膜分泌至培养基,现已尝试用该系统构建表达载体。 本文从信号肽的作用、成熟蛋白对分泌的影响、宿主在分泌中的作用、E.coli溶血素的分泌以及外源蛋白在E.coli中的分泌等几方面综述近几年研究E.coli蛋白质分泌的进展。
世界微生物数据中心WDC(the World Data Center of Microorganisms)是一个旨在使微生物系统保存机构与研究,技术人员之间能够迅速地进行信息和菌株交流,并且促进生命科学及生物技术进展的机构。 1966年,在UNESCO的支持下,在巴黎召开了一个微生物专家会议,在这个会议上,确定有必要进行微生物系统保藏机构现状的调查。根据这一调查结果,在联合国教科文组织(UNESCO),联合国粮农组织(FAO),世界卫生组织(WHO),联合国大学(UNU),联合国王业发展组织(UNIDO),联合国环境总署(UNEP),欧洲经济共同本(EEC)等机构的支持下,在澳大利亚的昆士兰大学设立了WDC。1984年WFCC决定WDC从昆士兰大学迁出。1985年11月WFCC选择了日本的理化学研究所。1986年5月WFCC与理化学所交换了WDC迁移意向书,从此成为WDC的第二任正式主办单位,到目前为止,WDC先后分别于1972年、1982年、1986年出版了三个版本的世界菌种保藏目录(the World Directory for the World Federation for Culture Collection)。 WDC的首要业务活动是:1.完备记录世界各国的微生物系统保存机沟情况目录;2.完备其各自所保存的培养生物的种名及其系统名的综合目录清单。除此之外,WDC还在其资金和人力允许的范围内,进行着诸如不断充实菌株的生理、生化及遗传性状数据库在内的广泛的信息活动。 目前WDC保存了世界上56个国家347个保藏单位的生物资源数据,范围遍及细菌、酵母、真菌、藻类、地衣类、原生动物、细胞培养物、动植物病毒、细菌病毒、昆虫病毒等。到1987年2月为止,327个微生物系统保存机构的有关信息都输入到WDC的计算机中。 木文概要介绍了WDC的历史、组织体系、新WDC的现状以及日本理化学研究所。
以水稻双胚苗中提高不定胚的发生频率是研究利用无融合生殖固定F_1代杂种优势的主要途径之一。通过特殊的选育方法,已将原有双胚苗品系的双苗率由30％提高到60％左右。由子不定胚每双苗的发生率有着一定的内在联系,随着双苗率的提高,内含不定胚的频率也有相应提高的趋势。又据细胞学观察,认为不定胚发生在远离珠孔端的部位,故在种子中部的萌发苗可能是不定胚产生的种子形态学特征。今年,我们采用特定苗位作标记的筛选方法,选取种子正中部萌发苗并结合对其它非正中苗的人工切除,使水稻的不定胚频率由原来的2.6—5.1％提高到21.2％。水稻不定胚频率的大幅度提高,为无融合生殖在杂交水稻育种中的研究应用开拓了诱人的前景。
干扰素(IFN)是由诱生剂在高等生物细胞中诱导生成的一种糖蛋白,具有抗病毒、抗肿瘤和调节免疫系统的基本作用,在临床上得到实际应用,主要有三种类型即IFN-d、IFN-β、IFN-T。直接从高等生物提取它有一定的局限性,产量有限,价格比黄金还要贵的多。为此通过基因工程办法能使微生物具有合成这三种IFN的能力,这已在国内外取得成功,并有新发展,有的已商品化生产,其产品应用于临床取得较好效果,有的还在继续探究之中,如IFN的分子改造、提高IFN的活性以及扩大新的应用范围等等。我国科研人员经过十来年的努力为微生物合成IFN打下了扎实的基础,使研究工作取得突破性进展,应该说,这是我国基因工程研究最早地取得“工程干扰素”这一重要成果。现在,通过基因工程构建的“工程微生物”能合成不同类型的[FN,有的已进入中试生产阶段。这里着重把近年来IFN基因工程研究所取得的成果包括IFN-r和IL-2、IFN-α、IFN—β与α及其作用以及IFN蛋白工程等方面作些简介。 IFN-r(免疫干扰素)具有较强的免疫调节和细胞抑制活性。
