专题十微生物与工程

　专题十

　微生物与工程

　微生物主要包括细菌（属于原核生物界）、真菌（属于真菌界）、微小的原生生物（属于原生生物界）和病毒。

　 病毒没有细胞结构，通常只有由蛋白质组成的外壳和核酸组成的核心，它必须寄生在宿主细胞内才能繁殖。病毒可分为 3 大类：

　动物病毒、植物病毒和噬菌体。

　 细菌细胞比较简单，只有拟核和简单的细胞器（如核糖体 )， 繁殖方式主要为无性繁殖。

　 抗生素能够干扰细菌的生长和繁殖从而起抗感染的作用，但随着抗生素的大量使用，细菌很快产生了耐药性。

　 真菌是异养生物， 缺少叶绿素， 大部分营腐生生活。只有少数真菌对动物致病， 但许多真菌是植物的致病菌。

　 通过平板划线法和稀释涂布平板法可以对某种细菌或真菌进行分离， 获得单个细胞形成的菌落以进行纯培养。

　 微生物广泛应用于生产生活的许多方面， 如生产发酵食品、新型燃料和酶、 用于污水处理等。

　 基因工程的发展进一步拓宽了微生物的应用范围。

　 酶可制成全细胞制剂和无细胞的酶提取物， 还可固定在载体上制成固定化酶以提高酶的使用效率。

　细菌细胞的结构 糖被

　 糖被是细胞壁外的一层黏液状的多糖类物质。与细胞壁结合紧密的糖被称为荚膜， 与细胞壁结合松散的糖被称为黏液层。荚膜可能与致病菌的致病毒力有关。

　细胞壁比较坚固，起支持、保护细胞的作用，还可作为鞭毛的锚定点。细胞壁主要由肽聚糖组成，还含有一些脂多糖和脂蛋白。很多细菌的细胞壁与细菌的致病能力有关。

　拟核 DNA

　拟核 DNA 中的基因大部分是单拷贝。有些基因可能同时存在于质粒和拟核 DNA 上。细胞中只有拟核，没有以核膜为界限的细胞核。

　细胞膜

　 与真核生物细胞膜组成成分相似，但不够坚固。

　质粒

　 质粒是环状 DNA 小分子，能独立复制。通过结合作用，质粒可以在不同细胞之间迁移。这种特性使得质粒上的耐药性基因可在细菌之间传播。质粒可用做基因工程的载体。

　◎细菌通常以二分裂的方式进行繁殖。由一个细菌分裂生成两个细菌需要的时间称为代时， 它与细菌种类和环境条件（如温度）有关。将一些细菌接种到液体培养基中进行培养， 间隔一定的时间取样，计算细菌的数目，就能绘出细菌数目随时间变化的曲线，即细菌生长曲线。这里的生长指的是细菌群体繁殖生长。本文假设细菌的代时为 20min，来模拟细菌群体生长的过程。在不补充营养物质或移去培养物，保持整个培养液体积不变的条件下， 细菌的生长曲线可以分为四个特征时期， 分别是调整期、对数期、细菌生长逐渐缓慢的稳定期，以及细菌数目急剧下降的衰亡期。

　抗菌药物的作用机理 损伤细胞壁

　可在细胞分裂时抑制新细胞壁的合成。

　实例：青霉素、万古霉素、头孢霉素、杆菌肽。

　抑制蛋白质的合成 干扰翻译过程。

　实例：红霉素、四环素、氯霉素、链霉素。

　损伤细胞膜 破坏细胞膜的结构。

　实例：制霉菌素、霉康唑、多黏菌素 B。

　抑制酶活性 抑制基础代谢物的合成。

　实例：磺胺、三甲氧苄二胺嘧啶（都是磺胺类药物。磺胺类药物是应用非常广泛，仅次于抗生素的一类抗菌药 )。

　 遗传修饰生物可通过插入外源基因、改变现有的基因、删除或关闭基因三种方法获得， 遗传修饰技术具有很好的应用前景， 但也存在着伦理和安全方面的问题。

　 限制酶和 DNA 连接酶是基因工程的常用工具：

　限制酶可识别特定的 DNA 序列并切割 DNA 分子，DNA 连接酶可以将由同一种限制酶切割而来的、不同来源的片段连接起来， 形成重组 DNA 分子。

　在基因工程的具体操作过程中， 可利用多聚酶链式反应对微量 DNA 进行快速扩增，产生大量与模板 DNA 相同的拷贝；可利用凝胶电泳技术对 DNA 等大分子物质进行分离；可以通过载体将目的基因导入受体细胞；通过基因克隆产生大量目的基因。

　DNA 重组技术 ◎如果两个 DNA 分子被同一种限制酶酶切，将会产生具有匹配黏性末端的片段。

　◎将这样两个具有匹配黏性末端的片段混合，它们会通过碱基配对作用结合在一起，这个过程称作退火。这可以使不同来源的 DNA 片段连接起来。

　◎连接而成的片段通常呈线状或环状。

　◎DNA 片段通过 DNA 连接酶连接在一起，形成重组 DNA 分子。

　多聚酶链式反应（简称 PCR ）

　 转基因

　 将纯化的 DNA 导入细胞的过程称为转化。由转入了外源基因的细胞发育而来的生物称为转基因生物。转基因技术已应用于植物、动物和微生物中。该技术可以直接修改生物的基因组，甚至可以使生物表现出在自然界并不存在的新性状。转基因技术的应用非常广泛。

　脂质体

　 脂质体是由单层膜形成的磷脂小球。膜上嵌入适宜的表面分子后，可聚集到体内特定类型的细胞周围。脂质体携带的 DNA 可以通过胞吞作用或细胞融合进入细胞。因此可用于导入基因到细胞中。

　病毒载体

　 病毒很适合用于基因治疗。病毒的蛋白质外壳内能容纳多达 7500 个碱基的 DNA 片段。当病毒侵染宿主细胞并在细胞内繁殖时，也将重组 DNA 带入到细胞中。病毒已经用于多次变 性 ：

　将 获 得 的 DNA 样品( 也称为目的 DNA) 加热至90 ℃ 以 上 , 使 DNA 变性 经 过 一 次 循环，形成两个与样本 DNA 完全一样的拷贝 延伸：升温到 72℃左右，溶液中的四种 脱 氧 核 苷 酸 在DNA 聚合酶的作用下，根据碱基互补配对原则合成 DNA复性：将样品冷却至50℃左右，使引物与 DNA单链进行碱基互补配对。PCR 中的引物是单链DNA，用作 DNA 延伸的起始序列 重复该过程，进行约 30 次循环， 重复加热、冷却的循环过程，直至产生足够数量的目的 DNA 分子

　基因治疗的临床实验。这种方法存在的问题是宿主对病毒的免疫反应。

　显微注射

　 DNA 可以通过显微注射转入动物细胞中。转基因小鼠和家畜都是利用这种方法产生的，但是成功率很低：只有 2%～3%的受精卵发育成转基因动物，在这些动物中只有一小部分表达了转入的基因。

　 许多植物，包括农作物现在都已经利用重组 DNA 技术进行了遗传修饰。对植物进行基因工程操作，使许多重要农作物获得了新的优良性状如产量增加、抗病虫害的能力增强，减少了农业化肥的使用。

　细胞工程和胚胎工程 ◎植物组织培养能应用于植物的快速繁殖，也能用于提高植物的品质，增强植物的抗逆能力。植物微型繁殖是植物组织培养技术的一种应用， 原理是植物细胞具有全能性。

　运用细胞核移植技术，可由分化了的动物细胞产生克隆。

　干细胞是人或其他动物体内仍然保留着分裂和分化能力的细胞，胚胎干细胞是能够分化发育形成人或其他动物体内多种组织的细胞。

　◎异种移植是将一个物种的细胞、组织、器官移植给另一个物种，目前这一技术正处于探索和争议中。

　胚胎分割技术是产生高等动物体克隆的最简单的方法，但这项技术目前也存在一些问题。

　◎克隆在生产干细胞方面有着诱人的应用前景，但围绕这项技术的应用也存在很多道德和伦理方面的问题。

　◎将克隆技术应用于动物繁育，有助于促进基因优良家畜的快速繁殖。克隆技术与转基因技术相结合， 可以提供一种经济可行的方式， 以快速繁育导入了优良基因的转基因动物。

　人胰岛素等人源蛋白现在可以通过基因工程技术进行制备， 这极大地提高了生产效率和产品质量， 并降低了生产成本。

　◎单克隆抗体是一种人工制备的抗体， 它来自某单一的 B 淋巴细胞。小鼠 B 淋巴细胞与肿瘤细胞融合形成的杂种细胞能够产生大量的单克隆抗体。单克隆抗体可以作为诊断试剂或用于癌症治疗等方面。

　植物组织培养（微型繁殖）的优点 ◎能够由一粒种子或外植体产生大量的克隆。

　◎能够直接在体外培养设备中选择所需的性状，减少了田间试验需要占据的大量空间。

　◎无需等待结子即可进行植物的繁殖。

　◎可实现某些物种的快速繁殖，例如世代时间长的物种，以及种子不易发芽的物种等。

　◎能保存花粉和细胞以用于植物繁殖（与种子银行类似）。

　◎可实现无菌植物材料的国际交流。

　◎有助于消除植物疾病——通过仔细挑选母株、进行无菌消毒等措施即可实现。

　◎克服季节限制。

　◎能在较小的空间里低温保存大量有活力的植物。

　◎疫苗可分为整剂疫苗和亚基疫苗两大类。新型疫苗的生产与生物技术有着密切的关系。例如，用农杆菌将病毒或细菌抗原基因转入某些特定植物细胞，再经栽培获得的农产品有的就可以作为可食用疫苗。可食用疫苗能克服常规疫苗面临的多种问题。

　◎基因治疗是指用正常基因取代或修补病人细胞中有缺陷的基因，从而达到治疗疾病的目的。基因治疗需要一定的载体（如用逆转录病毒为载体导入 DNA) 。基因治疗已经取得了令人瞩目的进展，有着广阔的应用前景，但目前也面临着许多技术方面的难题。

　 确定 DNA 的核苷酸排列顺序需要用到 DNA 测序技术。

　DNA 测序技术包括人工测序（桑格测序法是一种常用的方法）和自动测序技术。

　DNA 测序的自动化，极大地提高了测定速率，使基因组测序成为可能。

　 基因组分析包括测定生物体基因组的序列，定位基因，找到控制 DNA 活性的区域。

　 DNA 图谱分析技术是法医鉴定的一种有力工具，该技术的核心思路是分析对比不同人基因组中微卫星或小卫星的差异。

　 应用基因芯片能够快速、高效地确定未知样本中含有哪些基因，基因芯片也能用于测定未知 DNA 的序列，研究基因的表达水平。

　 人类基因组计划的研究机构在 2000 年公布了人类基因组草图，2004 年公布了高质量 （金标准）的人类基因组序列。这一计划的完成能给人类带来很多好处，但也可能会产生一些伦理问题。

　例 1

　下列关于病毒的叙述，正确的是（

　）

　A.烟草花叶病毒可以不依赖宿主细胞而增殖 B.流感病毒的核酸位于衣壳外面的囊膜上 C.肠道病毒可在经高温灭菌的培养基上生长增殖 D.人类免疫缺陷病毒感染可导致获得性免疫缺陷综合症

　答案：D 例 2

　下列关于病毒的描述，正确的是（

　）

　A.噬菌体通常在植物细胞中增殖 B.病毒可作为基因工程的运载体 C.青霉素可有效抑制流感病毒增殖 D.癌症的发生与病毒感染完全无关 答案：B 例 3

　下列叙述正确的是（

　）

　A．当病毒侵入人体后，只有细胞免疫发挥防御作用 B．大肠杆菌在葡萄糖和乳糖作为碳源的培养基上，只有葡萄糖耗尽时才能利用乳糖 C．在水分供应充足的大田中，只有通风透光才能提高光能利用率 D．当甲状腺激素含量偏高时，只有反馈抑制下丘脑活动才能使激素含量恢复正常 答案：B 例 4

　在细菌的连续培养过程中，要以一定速度不断添加新的培养基，同时以同样速度放出老的培养基。下图表示培养基的稀释率（培养基的更新速率）与培养容器中营养物质浓度、细菌代时（细菌数目增加一倍所需的时间）、细菌密度的关系。下列相关叙述不正确的是（

　）

　A．在稀释率很低的情况下，稀释率的增加会导致细菌密度增加 B．稀释率从 a 到 b 的变化过程中，细菌生长速率不断提高 C．稀释率超过 b 点后，营养物质浓度过高导致细菌死亡率增大，细菌密度降低 D．为持续高效地获得发酵产品，应将稀释率控制在 b 点附近 答案：C

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