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生物技术的应用(共7篇)

 论文栏目:生物技术论文     更新时间:2014-2-27 17:11:03   

第一篇

1组织培养技术在蔬菜育种上的应用

组织培养是指在无菌条件下,在人工制备的培养基上培养植物的各种离体器官、组织或细胞,这些离体部分可以不断地、一代代地连续生长,并可再生成植株。在培养过程中也会发生变异,可通过选择培养育成新品种。组织培养技术应用范围较广,如单倍体育种、克服远缘杂交不实及杂种不育、打破种子休眠、快速繁殖植株、种质资源保存、无性繁殖植物的脱病毒培养、原生质体的培养等。我国在油菜小孢子培养技术方面进行了较为深入的研究,主要集中于影响小孢子培养效率的因素、染色体加倍技术、再生苗移栽技术等,并初步建立了高效小孢子培养技术体系,促进了小孢子培养技术在油菜育种研究如材料创新、杂交油菜亲本创制及杂种后代选育等方面的应用。体细胞杂交即原生质体融合,可获得体细胞杂交产物,克服有性杂交中双亲不亲和的现象,扩大了杂交亲本和种质资源的利用范围。其具体步骤是:原生质体分离培养、原生质体融合、杂种细胞的鉴别与选择、诱导杂种细胞产生愈伤组织及再生植株。可应用在育种上的有核质替换、细胞质杂种的获得、远缘杂交创造新物种、细胞器的互作研究等方面。

2转基因技术在蔬菜育种上的应用

将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中,由于导入基因的表达,引起生物体性状可遗传的修饰,这一技术称之为转基因技术。转基因技术的飞速发展不仅为基因表达、调控和遗传研究提供了一个理想的实验体系,更重要的是为生物定向改良和分子育种提供了一种较佳的方法,使其成为基因工程和育种最有效的途径,其主要应用于:

2.1品质改良育种

目前蔬菜品质改良已成为蔬菜品种选育的主要目标,一些有价值的外源基因的导入无疑是一条有效途径。我国自主培育的“超油1号”和“超油2号”两个转基因油菜新品系,含油量高达52.82%,是目前世界上含油量最高的甘蓝型油菜。另外,抗腐能力强、耐贮性高的番茄以及具有高含量必需氨基酸的马铃薯等转基因蔬菜也开始进入市场。

2.2抗性育种

2.2.1转入抗病毒基因

利用最多的一种方式是通过遗传转化将病毒外壳蛋白的编码基因转入受体细胞中表达,目前这种技术已在番茄、黄瓜、南瓜、甜瓜、生菜等蔬菜上应用。此外,病毒复制酶基因、病毒的反义基因以及一些非病毒来源的基因转化也均有很大发展。马伟采用农杆菌介导法将TuMV-CP基因导入大白菜中,建立了高效的大白菜离体再生、遗传转化体系,并对转基因植株进行分子生物学检测,证实得到的再生植株为转基因植株,目的基因已在部分植株上表达;同时,还对转基因植株的后代进行检测,分析该基因所控制性状的遗传稳定性以及基因表达情况,为大白菜基因工程抗病育种提供理论依据。

2.2.2转入抗虫基因

目前应用的抗虫基因主要有两种,即来源于苏云金芽孢杆菌的毒素基因和来源于植物的蛋白酶抑制因子基因,其中研究最多的是毒素基因,如从苏云金芽孢杆菌中提取出引起鳞翅目昆虫神经中毒而死亡的内毒素基因,将其转入番茄和马铃薯中,发现这些转基因植物的杀虫效果良好。毒素基因还能稳定遗传,并且毒素对人畜无害。日本科研人员从苍蝇体内分离得到一种抗菌性很强的蛋白质基因,并将这种基因转移到作物细胞中培育出抗病的烟草、白菜。

2.2.3转入抗逆基因

目前抗逆基因工程的研究,一方面集中于在逆境条件下才能表达的某些基因的研究,如与抗(耐)盐碱有关的脯氨酸合成酶基因及其他与抗逆有关的基因;在一种酵母中发现了一种抗盐碱基因,现在人们已经培育出抗盐碱的番茄和某些瓜类。另一方面则是抗逆代谢过程中某些酶的研究,现已分离出大量与抗逆代谢相关的基因,目前应用于作物上的抗冻基因主要是鱼类的抗冻蛋白基因,例如我国科学家把生活在寒温带的“美洲拟鲽”冷水鱼的抗冻蛋白基因注入番茄的花粉管,得到转基因的抗寒番茄,试验表明,这种番茄幼苗与对照品种相比,致死温度下降2℃,所需积温减少125℃,并表现出很强的抗晚霜能力。

2.2.4转入抗除草剂基因

主要有两种途径:一是使除草剂的敏感性改变,如将除草剂所作用的酶或蛋白质的基因转入植物,使其拷贝数增加,从而使转基因植物中这种酶或蛋白质的量大大增加;或针对除草剂能识别酶上的位点这一特点,用基因突变的方法使该位点上的相应氨基酸发生突变,但这种基因突变不会损坏该酶的二级结构和酶的保护功能,只是使除草剂不能识别这个位点。二是导入外源基因使除草剂解毒,如草甘膦是一种广谱除草剂,人们在一种突变细菌中发现了抗草甘膦的基因,将该基因转入到植物中,则转基因植物能不被草甘膦杀死。

3分子标记技术在蔬菜育种上的应用

标记育种是利用与目标性状基因紧密连锁的遗传标记,对目标性状进行跟踪选择的一项育种技术。分子生物学的发展为植物遗传标记提供了一种基于DNA变异的新技术手段,即分子标记技术。它直接以DNA形式出现,在植物体的各个组织及各发育时期均可检测到,不受季节、环境的限制,不存在表达与否的问题;数量极多,遍及整个基因组;多态性高,利用大量引物、探针可完成覆盖基因组的分析;表现为中性,既不影响目标性状的表达,也与不良性状无必然的连锁;许多标记为共显性,能够鉴别出纯合的基因型与杂合的基因型,提供完整的遗传信息,其主要应用于:

3.1构建遗传图谱

遗传图谱是植物遗传育种及分子克隆等许多应用研究的理论依据和基础,而传统的遗传标记技术标记数目少,难以形成一个较为完整的连锁图。在蔬菜作物中,利用分子标记技术目前已构建了番茄、马铃薯、辣椒、蒿苣、甘蓝、胡萝卜、芥菜、豌豆、黄瓜、白菜、芹菜等约20种蔬菜作物的图谱。

3.2种质资源研究

许多科研工作者都借助分子标记技术进行蔬菜种质资源分类与遗传多样性的研究。McGreger等利用分子标记技术分别对白菜和马铃薯的不同品种进行了成功的分析鉴定。Stanb等利用分子标记技术,将来源于国家植物种质资源系统(NPGS)中的922份黄瓜种质材料与118份黄瓜栽培材料进行了分析比较,发现栽培材料的遗传背景十分狭窄,将NPGS黄瓜中的基因通过回交的方式引入栽培黄瓜,可以进行品种改良。

3.3基因定位

大多数经济性状都是数量性状,如产量、成熟期、品质等。传统上是采用数理统计学的方法,把控制某一数量性状的微效多基因当作一个整体研究,由于这些微效多基因易受环境条件影响,因此对这些性状的选择效果差、周期长,而分子标记技术的发展已可以将多个数量性状进行分解,并进行个别研究。

3.4分子标记辅助选择

在作物的选择育种中,过去对目标性状的选择是根据形态标记进行的,由于环境因素和生长时期对表现型有极大影响,因此这种选择需要大量的人力、物力及很长的时间,而分子标记辅助选择可以极大地提高选择的效率。例如在进行回交育种时,可以在回交后代中选择带有目标基因、同时带有回交亲本标记的单株进行回交,以加快育种进程。

3.5品种纯度鉴定

利用分子标记技术进行蔬菜品种鉴定,可以不受环境、取材部位、时间等因素的影响,在种子或幼苗阶段即可鉴定,且信息量大,可以区分出形态标记难以鉴别的细微差异,准确、快速(数小时至数天即可完成)。品种鉴定需要首先构建品种的标准DNA指纹图谱,将需要鉴定的品种的指纹与之对比,即可知道品种的纯度和真伪。严莉等利用生理生化方法和DNA分子标记技术,在分子水平、基因水平上根据不同品种遗传密码和酶谱表现不一的特征对种子进行鉴别,快速、准确、可靠。生物技术在蔬菜遗传育种、品质改良上的应用前景十分乐观,最近十几年来已取得很大的进展,转基因蔬菜成果已经在生产上得到应用。目前,许多国家为了鼓励和推动生物技术的发展,已经制定和采取了一些新的、有效的政策及措施,并被人们逐渐接受。在不断加强基础研究工作的同时,还要将生物技术充分融合到常规育种中去,并尽快转化为生产力,使其为人类社会提供更多的服务,带来更多的经济效益和社会效益。

作者:陈梦非 单位:辽宁省风沙地改良利用研究所

第二篇

1基因探针法

基因(DNA)探针法又称分子杂交技术,其原理是利用基因的重复性、变性和其碱基互补配对的精确性来探查某一DNA序列的新技术。当前,DNA探针杂交法有两种,分别同相杂交和异相杂交,其技术的关键就是构建基因探针。近几年,基因探针杂交技术十分广泛的应用于食品微生物的检测中,如今可检测食品中存在的大肠杆菌、沙门氏菌、李斯特氏菌、葡萄球菌和志贺氏菌等。相较于传统的检测方法,DNA探针技术在克服了传统检测方法缺点的同时,其操作简便快捷、灵敏度高、特异性强的优点使食品检测结果更精准。但是,DNA探针技术也存在着速度慢、成本高、效率低等局限性,在今后的科学研究中还需改进。

2PCR技术

PCR技术的原理是以需要扩增的DNA分子作为模板,用分别和模板互补的一对寡核苷酸的片段作引物,遵从半保留复制原则,在DNA聚合酶的作用下完成扩增,因此,又称聚合酶链反应技术,由变性、复性和延伸三个步骤构成。仅需要用很少的物质便可大量扩增所需的基因片段,并可以定量、定性地分析检测样品,这是PCR技术的一大优点。与此同时,由于检测仪器昂贵,操作复杂、技术含量较高,因此对其技术人员有较高且严格的要求。由于现在分子生物学技术正在突飞猛进的发展,转基因食品已经随处可见,由此可见转基因食品逐渐进入了人们的生活,它们在人们的餐桌上出现的同时,转基因食品的安全性也倍受人们的关注,成为了百姓饭前茶后所谈论的热点话题。由于在传统的食物中,并不存在转基因食品中的蛋白质和新遗传物质,使消费者存在隐忧。为了让人们的健康有一个可靠的保障,使消费者消除顾虑,让商品流通和国际贸易更加有利,研发一个快速、简便、准确的食品安全检测技术迫在眉睫。

3免疫学检测技术

免疫学检测技术的基本原理是抗体和抗原的结合反应,一般可将其分为三类:免疫沉淀反应、免疫标记技术和免疫凝集试验。目前,免疫学检测技术在检测方法中用途最为广泛,其具有方便快捷、特异性强、检测成本低、灵敏度高、分析容量大等特点,特别表现在食品检测方面,在分析蛋白质的结构中通常会用到。当前,免疫技术中的酶联免疫法已在食品检测中得到普及。近几年,在传统检测方法的基础上,免疫学开发出新的检测技术,其中包括放射免疫测定、荧光免疫测定、免疫传感器、免疫磁性分离和酶免疫测定,比如PCR-ELISA技术,就是将酶联免疫技术与PCR技术结合,可用于检测大肠杆菌,效果良好。酶联免疫技术是将酶标记在特异的抗体上,即为酶标抗体。它具有酶的底物催化和抗体抗原反应的特性,它和与它对应的抗原相结合,添加底物,便可依据底物显色程度作出定量或定性地判断。由于酶的催化效率高,能够最大限度的将反映效果放大,使测定结果稳定且灵敏度高。但其也具有局限性,因此多数用于检测鲜活组织和基因工程生物体改造的初步检测。

4生物芯片技术

生物芯片技术的原理是按照预先的设置将大量生物分子排列并固定在载体表面,因为生物分子具有特异性亲和反应,可利用其对生物分子的量和存在进行分析,比如抗体抗原反应和核酸杂交反应等。高通量是基因芯片最为突出的优点。相较于传统检测方法,生物芯片技术可克服具有系统误差的缺点,许多基因探针杂交和标记等只需一个过程即可完成,并且生物芯片技术自动化程度高且其数据可靠客观。但是由于基因芯片技术无法判断在细胞类型较多的组织中检测基因的精确定位。与基因芯片相比,处于研发中的蛋白质芯片可能将此种情况改善。上文中论述的生物技术在食品检测方面其运用前景是十分广阔的,除此以外,逐渐会有越来越多的更加先进的生物技术在食品检测中得以应用,它的前景很值得期待。由于生物技术具有高效、经济等特点,广大科学研究人员对其越来越认可,在食品检测中生物技术成为了重要的力量。在我国科技不断发展科研人员不断努力创新研究的背景下,在今后的食品检测中,生物技术一定会更加成熟的应用其中,使我国的食品质量安全得到保障。食品安全不仅关系到人类的健康,更与国家的经济、政治息息相关。近几年,我国大力推进食品检测技术及食品安全的应用及研究,并增强了相应法规法律的制定。与此同时,还需大量投入资金在食品检测的技术研究中,并对食品科学技术的专业队伍加强建设。综上所述,生物技术在食品检测中已经愈来愈显其优越性,但其检测方法或多或少都存在着局限性,因此在其应用中需要搭配和选择使用,同时也期待生物技术的改进、优化以及创新,为食品安全提供可靠保障。

作者:梁曙光 单位:连云港市灌南质量技术监督局

第三篇

1.生物技术是现代农业发展的核心。

世界各国的社会条件不同,采取的现代农业模式也各不相同。人均耕地较多的国家,采用机械农业。而人均耕地少的国家,采取生物技术型农业。世界强国美国的机械农业是建立于生物技术型农业之上的。美国现代农业种植优质的转基因作物,并实施保护性耕作和大面积灌溉技术。目前,美国已经是世界转基因作物种植面积最大的国家,它的转基因粮种迅速控制了世界粮种市场,中国大豆产业在面对美国转基因大豆时不堪一击。由此可以看出,农业生物技术有着很强大的发展力量。我国必须要发展生物技术型现代农业,这样对我国经济发展和粮食安全也有一定的现实意义。 

2.构建生物技术型现代农业

尽管我国政府特别重视生物技术与现代农业的发展,但一直没有深入研究生物技术型现代农业的整体发展思路。农业新概念有很多,比如机农业、都市农业、精准农业、绿色农业等,但中国农业发展不等同于世界其他国家,需要构建一个中国特色的现代农业体系。中国生命科学和生物技术发展,必须要构建生物技术型的现代农业。近些年来,现代农业、生物技术、生物型农业、转基因作物等概念不断出现,现代农业发展体系也发生了变化。生物技术型现代农业发展要先研究生物技术、生物技术作物和农业生物技术,这样才能为构建生物技术型现代农业提供实践经验。在构建生物技术型现代农业之前,要先简单应用生物技术中的一两项技术,再大面积应用在农作物上,比如植物育种和繁殖方面,可先将某个理想的品系遗传性转进某个植物品系中。将编码EFE酶反义基因转进番茄植物中,限制乙烯生成。番茄在成熟后依旧保持坚硬,不会很快腐烂和软化,提高了番茄的经济效益和耐储藏性。从大豆植物中抽取热休克蛋白,转入烟草中。如果烟草处在42℃高温下,热休克蛋白会保护烟草生长。优质的植物品系和品种有着更强的抗病性、抗逆性、抗虫性和抗机械损伤能力。比较于传统育种和杂交更省时间,更有效益性。或者利用人工方法进行植物染色体变异育种,染色体加倍后的植株能够形成正常的雌、雄配子,新品种的穗大,抗病性更强。(图1)等应用好生物技术中某些技术后,再将其发展成为农业食品加工、微生物和动植物农业、生物能源农业等。利用生物技术替代常规化的生物技术型农业。目前,德国已经采用大豆油和菜籽油研制生物柴油,美国生物能源向着纤维素乙醇和生物柴油的方向发展,巴西以甘蔗生产乙醇。我国早期的沼气技术比较成熟,目前生物能源主要研究木薯、甜高粱、麻风树和黄连木,在植物性能改进和能源应用上有所进展。现代农业中的主要方面是生物技术,生物技术占现代农业比例较小,在现代农业发展不同阶段比例也是不相同的。故此,要紧密的结合生物技术和动力装备技术构建新生物技术型现代农业。

3.生物技术型现代农业的研究方向。

尽管我国农业机械化程度较弱,但可以在信息化方面加强发展。我国可以推进粮食主产区省份的合作,加强粮食新增项目与农业科技合作,将粮食主产区的农业机械设备进行紧密结合,形成现代农业的信息化与机械化。不同区域适合种植不同的作物,发展不同区域的生物技术型现代农业。这也是一个创新实践举措。同时,要对比国内外的现代农业发展,引进国外的先进农业发展战略,构建中国的生物技术型现代农业理论。现代农业大致有八个方面,即生物安全、粮食食品安全、能源安全、生态安全、环境安全、社会安全和经济安全。究于此,生物技术型现代农业的创建,要优先发展一些新兴领域。在粮食经济作物方面要发展优质的抗逆种植业、在畜牧业和水产方面发展优质抗逆养殖业、在酿造和制药方面发展高效微生物工程、在人工合成制造方面发展高值功能的食品工程。并积极研究生物基因组、代谢组、蛋白组、生物医学、分子育种、生物克隆、细胞工程等。生物产业上研究生物防治、生物肥料、生物能源、生物塑料、生物化工、生物制药等。政府也要制定农业经济和补贴、气候变化抗灾安全等政策。

生物技术是现代农业研究的主要领域,也是生物技术和产业发展基础。生物技术的投资少、回报率和产量较高。构建生物技术型现代农业能够实现可持续发展,并解决好社会发展中的环境、人口、资源问题。大力发展农业生物技术和产业,能够改变农业的发展现状,提高农产品质量和产量,增进高效、优质、高产的农业发展,促进农业发展的生态平衡。

作者:杨钰 单位:浙江大学农业与生物技术学院

第四篇

一、生物技术在导弹武器装备中的应用前景

未来20年,生物技术领域将呈现多点突破的趋势,并将在武器装备发展和军事能力提高等方面得到普遍应用。

(一)基于增强现实的智能头盔技术

增强现实(AugmentedReality,AR)是在虚拟现实技术的基础上,将计算机生成的虚拟对象叠加到用户所看到的真实场景中,以构造出虚实结合的虚拟空间技术。目前,指挥通信装备和导弹武器系统的操作存在手工作业、规程复杂、参数配置繁琐、人机交互不够友好等问题。由此带来以下弊端:一是由于规程复杂,需要反复训练号手,训练周期较长。二是由于心理紧张、口令传达不清等原因,容易造成号手误操作。三是由于人机交互不够友好,战时号手遭袭受损时其他人员无法迅速顶替操作。因此,有必要开展增强现实技术攻关,研制具有智能引导、防止误操作、人机交互友好等特点的智能头盔装备,辅助号手快速掌握装备使用操作方法,提高操作的准确性、直观性,提升号手认知、判断和决策能力。例如,操作号手通过配戴基于增强现实技术的智能头盔,当目光注意力集中在某一按钮上时,能够自动在头盔目镜上显示本次操作的名称、注意事项及常见问题等,并提示下一步操作,回放上一步操作。基于增强现实的智能头盔技术只有将计算机图形学与人机交互技术实现有机结合,才能研制出既满足用户舒适度要求又有助于用户加强情境感知能力的优秀产品。该技术属于军事认知与脑控技术领域,可支撑导弹部队指控、通信、情报以及导弹武器等装备操作号手智能头盔的研制。

(二)基于生物群体智能的弹载分形多机器人技术

近20年来,以美国为首的军事强国大力推进导弹防御系统的发展,包括在全球大量部署“标准-3”拦截弹、KEI拦截弹、末段高层区域防御系统(THADD)”和“爱国者-3”等。台湾方面部署了6套爱国者PAC-3反导系统,并针对我常规导弹突防,对其配套的AN/MPQ-65型相控阵雷达进行组网,提高了系统反突防能力,增加了我导弹侦察、分选、干扰的困难。目前我导弹突防主要采用导弹自身携带自卫式突防装置和诱饵的方式,只能实现自卫掩护,不能实现携同支援,掩护效果有限,作战效费比低。针对上述问题,受自然界“生物群体智能”的启示,开展基于生物群体智能的弹载分形多机器人技术研究,可有效解决单枚导弹技术突防能力有限的问题。弹载分形多机器人是一种结合生物群体智能的新型作战模式,利用导弹平台射程远、投送速度快的优势,将具有分形组合能力的分形机器人群通过弹载方式投送到敌方上空,利用分形机器人群分形组合、驻空飞行的特点,通过自身携带的干扰载荷进行协同作业,形成电子干扰云,对敌反导雷达实现分布式集群干扰,达到持续压制30分钟至1小时的攻击效果。自然界有大量表现出生物群体智能的示例,如蚁群、蜂群、鸟群、鱼群、狼群、菌群等,在这些群体中,单个个体的行为极其简单,而整个群体却能表现非常复杂的智能行为,通过研究可以发现蚁群的集成智来自于个体间的信息正反馈[2]。涌现行为均基于资源有限的生物个体,这与弹载分形多机器人的作战模式十分相似。结合生物群体智能技术,可以更好地实现弹载分形多机器人携同目标搜索、自组织部署、集群式攻击等系列仿生行为。该技术可应用于常规战术导弹的突防。如应用于反舰弹道导弹,可对敌航母编队实施电子压制,有利于后续导弹的主动寻的,提高打击精度。

(三)全波谱变色伪装复合材料在核作业特种防护服中的应用

部队在进行推进剂运输、加注、转注操作以及核化污染监测与治理时,操作人员所穿戴的个体防护装备仅有防护功能,没有伪装功能,战斗目标的各种特征信号不能与背景特征信号相匹配,目标难以融入背景,极易被敌方发现。针对上述核装检过程中存在的生存保障问题,受自然界“变色龙”的皮肤以及蝴蝶翅膀随环境变化呈现不同色彩的启示,有必要采用热敏和光能技术、电子模拟技术、活性蛋白、特种防护与变色伪装相结合的生物技术,开展“全波谱变色伪装复合材料在核作业特种防护服中的应用”研究。英国科学家已研制出一种新型热敏化学伪装材料,该材料能在28℃时变成红色,33℃时变为蓝色,低温时变为黑色,在零下20℃~100℃条件下使用,具有色彩的全光谱变化,从而大大提高了防护目标的生存能力。最近美军研制生产的“仿变色龙”伪装衣就是根据变色龙的变色机理,进行“全波谱变色效能”研究而开发出的一种变色蛋白质纤维,用这种变色纤维做成变色布料,可随环境的变化而自动变色[3]。美军根据生物变色原理研制出一种电光薄膜,将其涂在作战服上,再与一个微型智能处理器和环境感知系统相连,不仅能根据环境温差变化及时调整军服颜色,向外发出红外辐射源,使自己的红外特征与周围环境保持一致,而且当刮风时,此系统能使薄膜显示的图案发生变化,产生类似环境摇晃的视觉效果,增强伪装隐蔽性能[4]。基于该技术研制的特种防护与全波谱变色伪装复合材料既可解决液体推进剂勤务作业人员及核化污染监测与治理作业人员的个体防护和全环境伪装难题,又可用于机动指挥所野外露天作业、发射车随机发射时的伪装防护。

(四)基于可信安全基因的生物计算技术

为提高计算机通用性和运行效率、减少复杂度和降低成本,在计算机研制生产过程中放弃了诸多安全设计方案,虽然性价比较高,但在信息安全方面却潜伏着巨大风险。如程序不必通过认证而被任意执行;程序和作战数据可被随意篡改;软、硬件均可能被放置“后门”或“陷阱”;病毒、木马等恶意攻击泛滥。军用计算机除采取加固、防震等措施外,在很大程度上仍沿袭了传统计算机的体系结构,上述弊端依然存在。目前虽然采用了多种安全措施,但这种体系结构上的天然缺陷,导致再完善的安全模型也无法完成有效的身份认证、授权、审计和数据防护,更无法保证终端-网络-服务、用户-系统-数据、数据产生-传递-存储全要素、全过程的安全可信。导弹部队在国家安全战略中具有特殊地位和作用,对计算机安全方面的要求也更为严格和迫切。为防止非授权使用核武器,有必要研制面向核武器应用特点的“基于安全基因的生物计算机”,弥补传统计算机体系结构上的缺陷,为核武器安全控制系统注入“安全基因”,确保核武器使用过程可信、可管、可控。相比可信计算技术,基于安全基因的生物计算机研究是在更高层次上解决信息系统安全问题,美国DARPA已经开展了“赛博基因组计划”等类似研究项目。基于安全基因的生物计算机主要用作核安控计算机,并可推广应用作为发射车指控计算机、测发控计算机使用。

(五)基于肢体仿生的核应急机器人控制技术

随着老一代核武器服役时间延长及新型核武器陆续装备部队,发生核事故的机率逐渐增大。目前,核安全事故应急技术保障力量薄弱,技术保障措施和装备水平落后,一旦发生事故,只能依靠现场手工方式进行处理,防护代价高、对人员危害大,事故处理效率低。美、俄、法、英等主要核大国,大多采用机械手、机器人实现或部分实现核事故遥控作业。因此,在核事故应急处置作业领域内发展系列不同功能的应急作业机器人是十分必要的。世界上最灵巧的机构就是人类自身,研究肢体仿生系统掌握人体运动系统的动力学与精确控制技术,通过加装外骨骼式控制设备,将人类手臂的运动方式转化为机械臂的运动,使核事故应急作业机器人具备人体本身优异的协调和灵活性;通过加装仿生视觉系统,扩大机器人的视场范围,提高其感知能力,使核事故应急作业机器人拥有近乎人体的双目立体视觉;通过完善作业辅助信息支撑多源化,提高机器人自主判断和决策能力;此外,应用临场感人机交互技术,实现视觉、力觉的多源复合感知,将现场信息反馈到远控端号手,将减小危险事故环境对作业人员的危害。采用多源复合感知反馈的临场感操作控制技术与肢体仿生技术,让核事故应急作业机器人拥有近似人类的力觉和视觉,实时感知周围环境变化,实现自主“视情操作”,能够大大提高核事故应急作业效率和智能化、自动化水平。该技术可支撑一系列核事故应急处置机器人的改进与研制,适用于核作业以及突发核事故、化学事故、军用民用防恐防爆等危险突发事故的现场应急处理,也可应用于洞库勤务工作,保证洞库和人员装备安全。

(六)在军事导航定位系统中的仿生技术应用

导弹武器和机动指挥系统都配备导航定位系统,既沉重又占空间,如导弹上的陀螺仪存在着漂移误差,飞行中需不断调整以校偏。自然界中许多动物自身就具有导航能力,如鸟类就有长距离导航飞回巢穴和觅食的能力。经研究发现,鸟体的导航系统只有几毫克,却有极精确的导航能力。蝙蝠可发现超声波并接收反射波,来判断物体的大小和位置;有的鱼可以发现电场,用来定向和捕食,其探测误差优于0.03微瓦/平方米。加拿大的刺歌雀、北美的君王蝶等每年纵横数千里,迁徙到更温暖舒适的环境去越冬,从未迷失方向。科学家通过实验发现,白喉莺能根据天空中的星星来辨别方向,并找准航向,科学家称之为“天文导航”。从生物利用太阳或星星作为定向标来导航飞行的事例中得到启示,我们可以研究一种生物导航设备,在GPS、北斗等导航定位系统无法使用时,提供一种不受外界干扰的、定位精度可能更高的替代定位手段。

二、结束语

自然界中的动物和植物经过45亿年的进化,其结构与功能已臻于完美,为人类社会带来了全新的设计理念和几乎无懈可击的技术蓝图。师法自然,受生物启,发创新运用生物合成技术和源于自然的仿生原理实现生物技术与军事信息技术的有机结合,为我们提供了不断创新的灵感源泉。通过新兴前沿技术与作战需求的有机结合牵引出新的技术增长点,深入研究将现代生物技术应用于导弹武器领域的技术途径与可行性,充分发挥生物技术在导弹武器信息系统研制中的支撑与牵引作用,将为大幅度提升导弹部队的作战效能和生存能力开辟新的途径。

作者:刘培涛 黄河 郑建群 姜春福 单位:二炮装备研究院

第五篇

一实践教学理念的确立

实践教学的理念主要依据教学和实践两者之间的关系而确立,怎样让学生掌握更多、更新的技术?怎样让学生在毕业时能更快更准确地的找到适合自己的岗位?都是摆在学校与企业之间的一大难题。怎样将基础理论知识过渡到生产实践的重要手段就是能够有效地将实践教学理念巧妙地引入课堂,使学生能够在课堂学习的同时能够与生产相结合。而实践教学的培养目标定位则是首先要解决的问题。

(1)人才层次定位。

社会需要人才,社会对人才需求是有一定差别的。黑龙江工业学院生物技术及应用专业主要是高职教育。它与传统的本科教育是完全不同的。另外,人才层次的定位也有着自己的特点。高职教育主要是以社会需求为导向,合理设置专业为前提,紧密围绕地方经济的发展为目的,开展专业学科建设工作,理论联系实际培养“应用型”人才。高职教育中生物技术及应用专业人才理应适应时代发展的要求,从企业的实际需要出发,满足其对应用型人才的需要。因此,我校应从培养高素质应用型人才的角度出发进行专业人才层次定位。

(2)知识结构定位。

我国生物技术产业面临的重大难题是“重研究、轻应用”,不能形成“科研—商业化”的良性循环。教学和实践的脱节,基础教学无法有效地应用到生产实践中是造成这一现象的主要原因。因此,在教授学生基础知识的同时,应着重引导学生对周边学科、交叉学科知识的拓展,还应对法律、管理学、物流学、电子商务等辅助专业知识进行普及,从而使学生成为社会需要的复合型人才。

(3)素质能力的定位。

在我校,专业学生素质能力的定位根本依据是人才的定位。为了能更好地适应社会的需要,学生应该具备更多的知识能力素质,多方面培养应用技术型人才。(4)职业取向定位。在我国,近年来生物技术及应用一直是一个热门专业,但也是一个绣花枕头、中看不中用的专业。某些高职类院校的职业定位只针对某一特定的岗位,例如发酵领域,但企业需要的却是高层次的生产或管理人员。企业往往从自身利益出发,一般多招聘农民工来完成一线操作的具体工作,导致对应届毕业生的需求量有限。为了能更好地适应社会的需求,培养企业需求型人才,根据各行业的特点和需求,针对相关的岗位设定培养目标,这样既能弥补人才培养上的不确定性和模糊性的不足,又能培养出各岗位所需要的人才。

二实践教学模式建立的原则

生物技术实践教学主要分为生物基础课实践教学和公共课程实践教学两个部分。生物基础课程教学实践主要针对学生生物基础课程的掌握、理解和应用等方面做专门的引导和深化,使学生能够有效地将生物基础课程知识运用到生产生活实践当中,并且达到良好的效果,不断提高学生自身素质,成为企业需要的人才。公共课程实践教学主要是培养学生的综合素质能力。当今社会需求不仅仅是单方面的知识型人才,更多的需求是综合性素质人才,那就更加强调高校对学生综合能力的全面培养。社会在进步,企业在发展,学生也在不断地汲取各方面的知识来武装自己,怎样才能更好地适应岗位的需要,迫使学生要对与自己所学专业相关的学科甚至其他学科的知识都要有所掌握。构建实践教学模式必须坚持以下基本原则。

1.系统性原则。

系统论的观点中是这样定义系统的:若干个相互依存并且相互制约的要素有机地组成有特定的功能的有机整体。实践教学包括生产实习、社会调查、实验课、专业实习等,就是要运用系统、科学的方法,把实践教学当作整个教学系统中的子系统进行研究,同时要把实践教学之中包括所有内容看作是一个教学系统。这一系统中的各门课程既各自独立、又相互联系,它们在提高学生的素质、培养学生的能力时是各有侧重点的,但也是相互补充的。因此,实践教学的各个教学环节并不是几个简单内容的叠加,而是彼此相互联系的,是一个有机整体,是一个完整的系统。

2.独特性原则。

在实践教学过程中,“实践性”是其最突出的特点,但并不是唯一的特点。不同的专业在其实践教学中还有其自身特有的个性,这些个性是由在培养其专业人才的过程中逐渐形成的。由于专业知识的不同、专业方向的不同以及社会需求的不同,导致每个专业的实践教学体系都不一样。除此之外,在构建实践教学体系时,学生的个性化发展还需要得到充分的考虑,因为每个学生的思想意识、知识水平、层次、特点都不一样,所以教师在实施实践教学时,要兼顾到每一个学生,从而促进学生富有个性化的综合性发展。另外,实践教学的独特性还表现在创新能力上。

3.针对性原则。

针对性原则,又可以称为专一性原则,它是指在生物技术及应用专业的实践教学体系中,应该通过实践教学培养什么样的人才,如何去培养这样的人才,以及如何管理实践教学等问题要有一个确定的答案和与其相应的解决方案。而在各个实践教学环节中也要有明确的培养目标。学生通过各个有针对性的实践教学环节的学习和培训逐渐满足其对社会的需求。

4.导向性原则。

大多数高职院校的实践教学都具有一定的导向性。让学生参与到实践教学中来,就是为了让其能够学习到今后工作的相关技术经验。学生充分参与到实践教学中来,往往会有较高的积极性与主动性,并且能够充分地发挥其主观能动性,还会促进教学质量的提高。

5.实践性原则。

实践是生物技术及应用专业实践教学体系的核心,是获取知识的重要途径,也是思维和能力的培养箱。在开展生物技术及应用专业实践教学(包括生产实习、社会调查、实验课、专业实习等)的过程中要突出实践的实用性与创新性。随着时代的发展,培养当代技术型人才往往应该从实际入手,以实践为根本途径,以创新为最终目的,充分发挥实践教学的优越性。实践教学往往让学生记忆更深刻,因为在实践教学过程中他们获得了身份的认同,对培养学生的学习兴趣也有很大的帮助。[9]在实施过程中,必须要考虑本学科专业学生对知识的理解程度不同以及对公共课程的认知。尽可能地在教学过程中阐明基本原理和实践要求,并在现场演示过程中让学生充分理解,达到预期效果。同样,还需建立相应的评价体系和考核方式,从而促使学生能够学以致用,为社会培养应用型人才。

三实践教学改革培养方式

实践教学改革主要是从传统教学模式中找到突破口,在原有实践教学的基础上,结合现代企业需求特点,大力发展产学研一体化模式,同时对新的实践教学模式初步构建多元化多方位的评价体系,以实现实践型人才的培养需求,可从如下方面入手。

1.大力推进师资队伍建设。

黑龙江工业学院生物技术与应用专业广泛涵盖了农、林、牧、医等各个方面,学生就业的多元化促使教师队伍的多元化。在原有的基础上,每一位教师都应努力扩充自己,不仅要掌握本学科的基础理论知识,更应该加强教育实践经验的掌握,有效地将课程与产业实际相结合。多下基层,与企业挂钩,及时了解需求型人才,并努力将学生培养成为适合企业广泛需要的多元型人才。

2.优化课程改革与项目。

实践教学在人才培养中是不可缺少的重要组成元素,也是人才培养的重要手段。实践教学能有效地将传统理论变为实际应用,对提高生物技术类专业的教学质量具有重要作用。优化课程改革与项目,具体做法就是要合理配置学分,保证实践教学得以顺利进行。所以,我校生物技术与应用专业以培养学生创新能力为目标,以一体化设计、分层递进、打通课内课外界限的原则,构建实践教学体系框架。新的实践教学体系应充分体现培养学生能力的目标,要尽量减少验证性和演示性实验项目与学分,同时增加综合性和设计性实验教学的比重,使实践教学的学分占总学分的比例得以提升。为了更好地激励学生参与到创新与创业实践教学中来,我系还配套制定了相应的实施办法,并制定了相应的学分奖励制度,分别设有各级各项竞赛奖、论文奖、科技成果奖,奖励取得创新与创业实践成果的学生,使学生既能得到鼓励,又能够在实践中掌握基本理论。

3.整合校内资源,建立培养平台。

实践教学体系的建立需充分整合校内校外教学资源,资源的整合既要包括仪器设备硬件和相应人力资源的整合,也应该包括新的管理机制和运行模式等资源的整合。从实践教学的整体,统筹规划利用资源。由于现阶段,校内外资源在管理上的疏漏,严重制约着实践教学体系的改革和实施。对此应给予重视,并建立培养平台,为学生提供更多可以利用的实践资源。

4.创新人才培养,建立校外实践基地。

在黑龙江省教育教学“十二五”发展规划的基础上,学校结合多年来自身办学的特点,拓展学生的教学实践能力及就业空间,和相关企业广泛达成共建实习就业基地协议和产学研合作协议,约定在人才培养、就业实习、科研、项目开发、实验室建设等方面深入合作,从而为发展农、林、牧、副、渔产业培养创新型人才。我系积极配合,在校外建立实践基地,并和“鸡西珍宝岛药业”等诸多企业建立健全了合作培养项目,为培养创新型人才提供了实践的土壤。

5.与地方政府相结合,建立创新型产学研政一体化模式。

学校与地方政府应该达成紧密合作,同企业一起共同讨论、制定人才培养方案,依据政府和企业的需求,共同培养有特殊需求的学生,并通过各种途径完善校内实习训练基地的建设。与此同时,还需要建立一套完整的、被广泛认同的实践教学评价体系,只有这样,才能使实践教学在根本上得到改革,达到培养社会需求的“应用型”人才的要求。

作者:马宇亮 单位:黑龙江工业学院

第六篇

1现代生物技术对作物育种的意义

1.1能有效的改变育种性状和产品品质

随着各类作物功能基因组学理论与技术体系的建立,改良了育种性状和育成作物的品质,使各类产品更加符合人们需求。如Stoutjesdijk等研究利用根瘤农杆菌介导法转化成油酸减饱和共抑制结构基因,获得的转基因芥菜型油菜的油酸含量高达73%,甘蓝型油菜种子的油酸含量高达89%。陈锦清等[1]从光合产物分配角度考虑,利用反义PEP基因调控籽粒蛋白/油脂含量的比率,成功选育出转基因油菜品种超油1号和超油2号,其含油量分别高达47.84%,52.7%。

1.2加快抗除草剂、抗虫、抗病等转基因作物的选育

将编码除草剂失活酶的基因导入油菜,可获得对除草剂的抗性。目前加拿大批准抗除草剂转基因油菜品种如LG3295、GT73、NCN92、LG3315、GT200等已进入商品化生产。同时美国FDA公布了批准进入商品化生产的抗草甘膦、抗草丁膦等转基因玉米。转基因抗虫作物的选育主要利用苏云金芽孢杆菌,即Bt毒素蛋白基因转移到植物体内,如苏云金芽孢杆菌中的某种杀虫性细菌能够合成使某些昆虫致死的蛋白质,并且获得抗虫的转基因油菜。

2现代生物技术在育种方面的研究进展

2.1与植物相关的生物信息量的显著增加

在各个大型的生物信息数据库中,与水稻、小麦、玉米、油菜等植物相关的分子信息,研究结果等已具有了相当的数量并且迅速增加。截止于2008年9月,在著名的大型综合数据库NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)中,通过输入相关作物拉丁文名称,就可以检索词得到相关的分子信息。同时登录英国著名植物分子信息数据库网站UKCrop(http://ukcrop.net)数据库中,就可以检索到与各类植物相关的信息量。同样,作为所有作物研究的模式植物,拟南芥的全基因组序列测序已经完成,这为相关植物的研究提供了基础和契机。

2.2植物组织培养

植物组织培养又叫离体培养,主要有单倍体育种技术、胚培养、原生质体培养及基因融合等技术。目前广泛使用并且技术比较成熟的主要是马铃薯的组培技术,现已在国内建立起大量的马铃薯组培公司用来繁殖无毒马铃薯幼苗。

2.2.1倍性育种技术。

倍性育种是指能控制和改变植物染色体倍数来达到选育优良品种的技术,可分为单倍体育种和多倍体育种,其中最突出的是单倍体育种。单倍体育种技术以花药为外植体组织培养获得单倍体个体,无论花粉来源于纯合体还是杂合体,经加倍后后纯化,为加速育种进程提供了前所未有的机会。

2.2.2胚培养。

胚培养能够拓宽种质范围,有效克服远缘杂交的杂而不实、杂种不育、杂种后代分离等现象。在芸薹属、萝卜属等作物上,远缘杂交均有成功的报道,我国也有不少成功的例子,如甘蓝型油菜与兰花籽、诸葛菜的种属间杂交等。

2.2.3原生质体培养及融合技术。

又称细胞融合,体细胞杂交,超性杂交或者超性融合,通过人为的方法,使遗传性状差异较大的两个细胞原生质体进行融合,借以获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程。原生质体融合技术打破了微生物的种界界限,实现了远缘菌株的基因重组,可使遗传物质较完整传递、增加基因重组的机会,与其它育种方法相结合,获得的优良性状的单株。

2.3植物基因工程技术

基因工程技术是指分离特定的目的基因,然后利用载体将分离的目的基因导入植物细胞受体,并整合到植物受体细胞的染色体上,从而获得目的基因在植物受体中的表达,最终达到改变植物性状以及快速培育植物新品种的目的。植物基因工程技术可以改良作物蛋白质成分,提高作物中必需的氨基酸含量,脂肪酸组成,培养抗病毒、抗虫及抗逆境植株。世界上有43种农作物品种得到改良,如水稻、番茄、马铃薯、瓜类、烟草等等。我国在抗逆基因的分离、克隆和转化等方面的研究也有新进展,已克隆了耐盐碱相关基因,通过遗传转化已获得了耐2%NaCI的烟草;耐1%NaCI的苜蓿和耐0.8%NaCI的草莓等。

2.4分子标记

分子标记是以个体间遗传物质内核苷酸序列变异为基础的遗传标记,是DNA水平遗传多态性的直接的反映,又是辅助全基因组选择,回交育种。随着分子生物学技术的发展,DNA分子标记技术已有数十种,广泛应用于基因定位、基因组作图、遗传育种、物种亲缘关系鉴别、基因克隆、基因库构建等方面。

3现代生物技术在育种中的问题

3.1研究多,成果少

在植物的重要性状上,如植物育性、抗性、品质性状和产量性状等的基因定位、QTL定位,分子标记等同样已具有了相当数量的研究成果和分子信息量,并且在进一步的快速丰富中。我国的现代生物技术育种还处于初级阶段,在对作物的菌核病抗病性状、雄性不育恢复性状、核不育性状以及油菜的硼素营养高效利用性状等方面开展了分子标记辅助育种,并且取得了很大进展。

3.2现代生物技术对生态环境的影响

凭现有的生物技术发展水平,转基因生物的代谢产物向外界环境扩散,是否造成连锁反应,基因工程生物体及其代谢产物的表现形态是否存在潜在危害还不能准确预测。基因工程对生态系统的危害体现在下面几个方面:首先,严重的基因逃逸现象[10]。基因可能借助花粉经虫或风的迁移作用转移到自然界中野生的、亲缘关系较近的植物中,野生植物经过抗除草剂基因受粉,顺利的完成了抗除草剂的基因改良,变成“超级杂草”,迅速传播。其次,影响生物的多样性[11]。现代生物技术重在、甚至过分强调以培养超级作物品种为目的转基因技术的应用。这就造成自然界种质资源遗传单一性和贫乏性变得日趋严重,例如:提取某种基因,移植到目标农作物上就能使其对某种、甚至某类除草剂产生抗性。最后,产生危害性较大的生物,影响生物群落。目前科学家们对细菌、病毒进行基因改造,可能使无害或弱致病性的细菌、病毒变成有害甚至强致病性的细菌、病毒,对其它动植物的生存造成危害。

3.3现代生物技术对人类健康的影响

随着现代生物技术的迅速发展,转基因食品(如转基因大豆油、转基因玉米、以及转基因花生等)已逐步进入每家每户的生活。采用基因工程技术不仅能改变生物的特性,使农作物有效的适应不同环境并且防虫、防菌,同时可以提高食品的口感、味道、营养价值、延长保质期、丰富食品的多样性。另外制造食物、药物疫苗等,治疗人类疾病。但是人类使用这种产品,对当代、甚至后代的是否存在一定的隐患,这些谁都无法预知。

作者:杨雪莲 单位:西藏自治区农业研究所

第七篇

1发酵工程在抗生素生产中的应用

1.1菌种筛选与改造是提高抗生素产量的主要途径

抗生素的发酵生产离不开生产菌,抗生素生产菌以放线菌和霉菌为主.长期以来,国内各抗生素生产厂家把菌种筛选与改造或者从国外引进菌种作为提高抗生素的产量和品质的主要途径.发酵工程菌种的选育与改造常结合基因工程手段进行,先后呈现出由野生菌向变异菌、由自然选育向代谢控制育种和由诱发基因突变向基因重组定向育种三个阶段.

1.2优化发酵过程控制是提高抗生素产量的重要途径

微生物发酵法生产抗生素包括两个阶段即菌体生长阶段和抗生素合成阶段,如何提高发酵单位,应从培养条件控制入手:a.加糖控制.糖是微生物生长繁殖过程中重要的能源和碳源,不同的抗生素生产菌在不同阶段对各种糖需求的浓度和种类是大不相同的.加糖方式有恒量添加和根据发酵液pH变化情况进行变量添加,在抗生素发酵生产中,一般都采用后者.b.补料及添加前体控制.各抗生素生产厂家普遍采用杯式流加计算机在线控制技术,基本上满足了高精度控制补料速率问题.前体浓度过高一般对菌体有毒,因此采用微量添加的方式.c.pH控制.pH值影响菌体生长和抗生素稳定,因此在抗生素发酵生产中一般通过添加原料的方式解决,可以实现计算机在线控制.d.温度控制.菌体生长阶段和抗生素合成阶段所需最适温度是不一样的,通常前高后低.e.溶氧量控制.抗生素生产菌一般都是好氧菌,提高溶氧量,能提高发酵单位.许多放线菌、细菌、真菌能产生抗生素,它们在发酵生产中,都需要从以上几个方面做好调控,以提高发酵单位.很多抗生素发酵厂家由于对操作条件变化适应能力较差,就只有借助计算机的精确控制来解决批间操作的不稳定问题,如在发酵罐上配置了电板、溶氧电极,甚至氧和二氧化碳浓度排气测量.发酵过程的优化,需要过程分析理论作指导,用以动力学研究为依据的反应器设计原理来解释测量参数及其变化的意义是有局限性的.发酵工业正经历由通气搅拌发酵阶段向代谢控制发酵阶段的伟大变革.在当前和今后一段时间内,只有把参数检测和代谢控制结合起来提出的发酵过程优化控制理论,才能切实可行地解决抗生素生产中的实际问题.

2酶工程在抗生素生产中的应用

酶工程产生于上世纪70年代,这一新技术由于具有效能高、消耗低、污染少、自动化、投资小和安全性高等优势,因此在我国和世界少数发达国家被用于生产抗生素、氨基酸和核苷酸等生化产品.我国从上世纪80年代起应用固定青霉素酰化酶和头孢菌素酰化酶等固定化酶技术先后生产出6-氨基靑霉烷酸(6-APA),7-氨基头孢烷酸(7-ACA)等抗生素中间体.抗生素药物特别是原料药在我国医药市场上占有重要地位,发展现状日益呈现产业规模创新高、工艺水平大提高和生产经营环境成本高的“三高”特点.随着酶工程由固定化酶和固定化活细胞阶段向用细胞融合术和DNA重组术来改良产酶菌阶段转变,抗生素生产的工艺水平将有更大的突破和提高.但用细胞融合术和DNA重组术来改良产酶菌生产抗生素还处于试验阶段,成功报道的已有许多,若有实用价值还需时日.应用固定化酶和固定化细胞技术生产的抗生素中见表1.

3细胞工程在抗生素生产中的应用

3.1利用原生质体融合技术提高抗生素的产量

微生物原生质体融合是使遗传性状不同的两个菌体细胞的原生质体进行融合,从而获得具有两菌体遗传性状的稳定重组子的过程.这一技术实现了远缘菌株的基因重组.不产生有性孢子的丝状真菌具有准性生殖这种特有的遗传现象.准性生殖实质上是丝状真菌体细胞在有丝分裂过程中实现染色体和基因的重组而产生新的遗传性状的过程.丝状真菌的准性生殖现象实质就是微生物的原生质体融合,通过这种技术筛选高产量的变异菌株已成为育种常规方法之一.如柔红霉素(正定霉素)产生菌与四环素产生菌的种间原生质体融合,由于这两个抗生素的生物合成都是来自聚酮体途径,使柔红霉素的单位产量得到明显提高.再如现临床上使用的高产量的巴龙霉素就是将巴龙霉素产生菌与新霉素产生菌的高产突变菌株进行种间原生质体融合,从而产生使巴龙霉素单位产量提高5~6倍的重组体.这两个抗生素在化学结构上只有一个羟基和氨基的差别,合成途径也十分相似.

3.2利用原生质体融合技术产生杂合抗生素

通过原生质体融合形成新化合物的机制有两种可能的解释:一是某一亲株的酶基因引入另一亲株,导致形成新的化合物;二是调节基因得到重组,使得沉默基因得以活化和表达.融合子产生新化合物的报道越来越多,尽管只有少数明确了所产生化合物的化学结构,但这一育种途径值得深入探讨.

4基因工程在抗生素生产中的应用

4.1两步重组法改造生物合成肽类抗生素

肽类抗生素可由微生物的非核糖体合成的方式在多肽合成酶系中进行.多肽合成酶系具有酶和模板的功能,又被称为蛋白质模板,对其相应的氨基酸激活功能域进行定向两步重组取代,产生了新的肽类抗生素,如耶尔森氏鼠疫杆菌素的成功合成.

4.2敲出副产物的酶基因及改造代谢途径

通过定向突变使一些“多余”基因失活,可下调干扰目的抗生素产量的基因表达,使目的抗生素产量提高.如为提高红霉素的产量,可敲除红色糖多孢菌甲基丙二酰辅酶A变位酶基因mutB.再如为提高寡霉素的产量,可失活酞dF基因,增加延伸单位丙二酸单酰辅酶A的量.

4.3人工改造抗生素合成有关基因

提高抗生素的产量和品质是各抗生素生产厂家共同追求的目标,改变抗生素的产量的方法有很多,诸如改造调控基因、改造自身抗性基因以及增加基因簇的拷贝数和异源表达等.如过量表达链霉素调控蛋白家族能增加克拉维酸和柔红霉素等几种抗生素的产量.又如将卡那霉素链霉菌(S.kanamyceticus)中编码氨基糖苷6'-N一乙酰转移酶的自身抗性基因过表达,能够提高产生菌对氨基糖苷类的抗性,增加链霉素产量.再如将克拉维酸链霉菌(Js.clavuligerus)中cas2基因整合进染色体,增加cas2拷贝数,从而使克拉维酸增产1.6~5倍.

4.4克隆外源基因以改良原菌种的发酵生理特性

抗生素发酵生产中溶氧量提高,抗生素产量提高,而发酵生产抗生素经常面临溶氧量不足的问题.如果在菌体内导入与氧有亲合力的血红蛋白,呼吸细胞器就能容易的获得足够的氧,降低细胞对氧的敏感程度,可以利用它来改善发酵过程中溶氧的控制强度.因此,利用重组DNA技术克隆血红蛋白基因到抗生素生产菌中,在细胞中表达血红蛋白,可望从提高细胞自身代谢功能入手解决溶氧供求矛盾,提高氧的利用率,具有良好的应用前景.

5系统生物学和组学技术在抗生素生产中的应用

系统生物学是把生物体的各种组分整合起来一起研究,这些组分包括基因、各种RNA、蛋白质、代谢物和生物小分子等.它不同于分子生物学只研究一种基因,而是综合研究细胞中这些组分间的相互关系以及生物系统在受到一定外界因素影响下在一定时间内的动力学过程及其规律的一种分析技术.因此,系统生物学可以说是一个在充分研究基因及生物大小分子结构和功能基础上的一种由下而上的系统组合.人类基因组计划完成之后,生命科学研究的热点便转入了后基因组时代,即组学革命时代(omicsrevolution).此期的特征就是随着大规模基因组测序的完成,涌现的一些新技术和方法对海量数据进行挖掘和利用[27].组学技术(omicstechnology)就是随系统生物学理论的产生而产生的;反过来,组学技术在生物学研究中的广泛应用,又为系统生物学理论提供了大量的科学数据,由此促进了系统生物学理论的发展和完善.组学技术主要包括基因组学、蛋白质组学、转录组学及代谢组学等.系统生物学和组学技术的出现,为抗生素的创新和发展提供了新的途径.放线菌和真菌是抗生素的主要产生菌,已有很多放线菌和真菌的基因测序已经完成,科学家们应用很多方法来挖掘和利用这些海量数据.

5.1基因组学技术

从1984年Malpartida等成功克隆到放线紫红素生物合成基因簇,以及随后又克隆出了榴菌素、红霉素和泰乐菌素等的生物合成基因,并揭示了微生物次级代谢产物生物合成基因成簇排列的特征,至此,基因组学的研究已进入蓬勃发展时期.已用全面突变基因组的每个基因的方法系统地改变基因结构,产生一个完整的突变株文库,进而用于基因组学研究.哈佛大学的Losick研究组就首次构建了一个用于天蓝色链霉菌中大规模的突变株.周敏通过对天蓝色链霉菌基因组抗生素合成基因簇和左臂非生长必需区域进行连续的缺失,获得了缺失了约1.2Mb的突变体ZM11.ZM11的生长速度没有明显改变,但是放线紫红素的产量却大幅提高了,更适合抗生素的表达.

5.2蛋白质组学技术

利用此技术可以比较细胞在不同生理或病理条件下蛋白质表达谱异同,对差异蛋白质进行分类和鉴定;还可对正常个体及病理个体间的蛋白质组比较分析,找到某些“疾病特异性的蛋白质分子”.陈立娟等利用蛋白质组学技术研究阿霉素(Doxorubicin)对大鼠心脏毒性中发现,阿霉素可能导致大鼠心脏4种蛋白(肌球蛋白重链、Hsc70、cTnT和一个未命名蛋白)表达增强和3种蛋白(白蛋白2个,可能修饰不同,原肌球蛋白a链)表达减弱.

5.3转录组学技术

利用芯片技术可以同时分析数千个转录子从而对转录过程进行系统监控.吴杭通过基因组芯片技术,分析了井冈霉素产生菌5008在30℃与37℃条件下的转录谱变化,在37℃分别有701个上调和841个下调的差异表达基因.吴杭进一步利用氨基酸分析仪发现井冈霉素产生菌5008胞内谷氨酸浓度在37℃时仅有30℃的十分之一,而谷氨酰胺的浓度较为接近,这暗示谷氨酸作为氮代谢前体在37℃条件下主要用于合成井冈霉素.

5.4代谢组学技术

该技术是通过分析机体生物体液和组织中代谢产物谱变化,研究机体整体生物学状况和功能调节的一种新的系统方法.陈立娟等利用代谢组学技术分析不同剂量阿霉素给药后不同时间大鼠尿液代谢谱的改变,研究发现,随着给药剂量的增加、给药时间的延长,鼠尿液的代谢谱发生明显改变,且与动物体重、血液生化指标和组织病理学的改变具有很好的相关性.进一步研究发现尿液中含量明显增加的有尿酸、色氨酸、苯丙氨酸和胆汁酸,含量降低的为马尿酸和葡萄糖醛酸结合物.这些物质的改变与阿霉素毒性损伤有关.

6代谢工程在抗生素生产中的应用

我国的抗生素产业仍主要以传统的常规育种方式进行维系,缺乏先进的理论和技术支撑,极大地降低了我国在新药高产和创新领域的竞争力.因此,把从自然界微生物中被动筛选抗生素新药的传统模式,转变为利用基因资源人工设计来主动高产或创新抗生素药物,是我国未来新抗生素发展战略的重要一环.抗生素代谢工程就是在组学技术发展的基础上,以菌种改良为目的利用抗生素基因簇资源,通过人工设计抗生素生物合成途径来主动实现高产或创新,它是基因工程的延伸.该研究历经近20年,取得了以下重要成果:(1)高慧英等于2002年首次从吸水链霉菌中分离到井冈霉素生物合成基因簇,并通过基因异源重组将井冈霉素必需生物合成基因浓缩为8个,对3个生物合成基因进行了详细的功能分析并获得了只积累井冈胺的工程菌;(2)邓子新等于2003年克隆了首例聚醚类抗生素南昌霉素和梅岭霉素等7个聚酮生物合成基因簇,通过竞争性基因簇的缺失使南昌霉素产量显著提高,阐明了聚醚类线性分子释放的独特机制,通过组合生物合成手段获得了脱糖基的南昌霉素新结构衍生物,并证实了糖基对生物活性的重要性;(3)邓子新等随后又克隆了首例多烯类抗真菌抗生素杀念菌素的生物合成基因簇,阐明了杀念菌素由模块式聚酮合酶组装合成的分子机理,提出了杀念菌素四个同系物的转换模型,对糖基合成基因进行定向失活获得了8个新结构衍生物.代谢工程的实质就是基因工程,只是涉及的基因改变的量远比基因工程巨大.

7合成生物学在抗生素生产中的应用

合成生物学技术不同于基因工程技术,它是按照人们的预想而设计组装各种生命元件来建立的人工生物体系,并能完成各种生物学功能的技术.应用该技术生产抗生素的过程,就是要对表达宿主菌的基因组进行改造以及抗生素生物合成基因簇进行改造,进而完成生命体重塑的过程.抗生素耐药性病原体在全球范围内的出现使得目前大多数使用的抗生素失去了原有的治疗效果,解决这一问题迫切需要新的抗生素,应用合成生物学技术设计新抗生素的生产方法引起科学家们的强烈兴趣.合成生物学将在新抗生素的筛选和抗性的治疗方面发挥巨大作用.羊毛硫抗生素(Lantibiotics)是革兰阳性菌通过核糖体合成机制产生的一类抗菌肽,可抑制微生物尤其是革兰阳性菌株的生长,有望可以代替传统抗生素控制耐药性病原菌.2010年欧盟学者首先从羊毛硫抗生素族中获得精确制定的肽单元,然后将它们重新组合以产生新的抗生素功能;接着,通过利用随机杂交修饰酶进行修饰,并使修饰途径的组分能够精确调节;通过提供完全的特征化表达元件,在标准组件模式中组装一个对周围环境不敏感的后翻译体系.将上述组装途径植入到一种新的生产用底盘生物肉葡萄球菌(Staphylococcuscarnosus)中.重组菌株可被用来生产多种新的羊毛硫抗生素,如:尼生素(Nisin).总部在荷兰的DSM是首先使用合成生物学来改良现有的商业化生产头孢霉素IV的工艺的公司之一.以青霉素生产菌为初始菌株,DSM公司向其中导入并优化了两种分别编码酰基转移酶和扩环酶的异源基因,以一步直接发酵adipoyl-7-ADCA,然后adipoyl-7-ADCA经过两步酶学反应转化为头孢霉素IV,取代了原来需要13步化学反应才能完成的过程,因此,显著节省了成本和能源费用.

8结语

纵观抗生素生产工艺的发展历程,人们把切入点放在抗生素生产菌的筛选和改造上.生产菌的筛选和改造经历了由传统的常规育种方式到个别基因改良的基因工程,再到基因簇资源利用的代谢工程,发展到以生物整体为研究对象的系统生物学、组学和重塑生命体的合成生物学.可以说,抗生素生产技术的发展迎来了一个蓬勃发展的“大跃进”时期.但是,这些并不意味着抗生素在实际生产中就一帆风顺,还面临很多技术瓶颈问题,如在发酵生产中还迫切需要对发酵过程控制进行优化的问题,基因改造后的工程菌的质量和抗生素的基因表达问题,重塑生命体的合成生物学也面临系统复杂性难以处理、很多元件不相容和线路系统难以预料等技术挑战和合成生命等伦理挑战.

作者:李绪友 单位:湖北生态工程职业技术学院

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