利用微生物发酵来生产特定的产物以及微生物在其他方面的应用
发酵工程的历史发展
(1)自然发酵时期早在数千年前,我国劳动人民就懂得酿酒、制酱油、酿醋等。酿酒工业是历史上最古老的微生物工业,但当时人们并不知道它与微生物的关系,也不清楚发酵的原因,只是靠口传身授,在实践中应用微生物。例如,嫌气性发酵用于酒类酿造,好气性发酵用于酿醋、制曲,这是古典发酵的特点,这一时期称为自然发酵时期。
(2)纯培养技术时期
1667年,荷兰人列文霍克(AntonyVanLeowenhoek)发明了显微镜,揭开了微生物世界的秘密。随着微生物的发现,1850-1880年法国巴斯德(LouisPasteur)通过实验发现了发酵原理,认识到发酵是由微生物的活动引起的。随着微生物纯培养技术的逐步完善,开创了人为控制微生物的新时代。采用***菌操作,发明了简便的密闭式发酵罐等技术设备,使发酵失败现象(如腐败)大大减少,即人工控制环境条件使发酵效率迅速提高。嫌气性发酵由此逐步发展起来,产品包括酒精、丙酮、丁醇等。在世界范围内利用微生物分解代谢进行规模化工业生产经历了100多年的历史。因此,微生物纯培养技术的创立是微生物工程发酵技术发展的第一个转折时期。
(3)通气搅拌的好气性发酵工程技术时期
1929年,英国细菌学家傅莱明(Fleming)发现了青霉素。随着青霉素大规模生产的成功,实验室采用摇瓶通风培养以及空气纤维过滤的高效除菌,在20世纪40年代创立了好气性发酵通气搅拌工程技术。抗生素工业的兴起不仅使微生物技术应用到医药工业,而且大大促进了好气性发酵工程和微生物工业的发展。微生物工程已经从分解代谢转为生物合成代谢,可以利用微生物合成积累大量有用的代谢产物,如各种有机酸、酶制剂、维生素、激素等,这已超越微生物正常代谢的范围。因此,通气搅拌的好气性发酵工程技术的创立是微生物工程发酵技术发展的第二个转折时期。
(4)人工诱变育种与代谢控制发酵工程技术时期
随着微生物遗传学、生物化学和分子生物学的发展,促进了20世纪60年代氨基酸、核苷酸微生物工业的建立,这是遗传水平上控制微生物代谢的结果。日本于1956年用发酵法生产谷氨酸获得成功,至今可用发酵法生产22种氨基酸,其中18种是直接发酵,4种是酶法转化。氨基酸发酵工业采用了人工诱变育种与代谢控制发酵的新技术,即首先将微生物进行人工诱变,得到适合生产某种产物的突变株,然后通过人工控制培养,选择性地大量生产人们所需要的物质。此项工程技术已用于核苷酸类物质、有机酸和一部分抗生素的发酵生产。因此,代谢控制发酵工程技术的创立是微生物工程发酵技术发展的第三个转折时期。
(5)发酵动力学和连续化、自动化发酵工程技术时期
随着微生物工业向大型发酵罐的连续化、自动化方向发展,以数学、动力学、化工原理等为基础,通过计算机实现发酵过程自动化控制的研究,使发酵过程的工艺控制更为合理,相应的新工艺、新设备也层出不穷。例如,日本的塔式连续发酵设备适用于各种连续通风发酵。法国L-M型单级连续发酵槽用于酵母菌连续培养,其结构简单而效率却相当高。世界上最新设计的实验型万能发酵罐适于任何发酵生产,可同时记录24个物理、化学和生物化学数据。目前,发酵过程的基本参数,包括温度、pH值、罐压、溶解氧、氧化还原电位、通气流量、CO2含量等均可自动记录和控制。可见,发酵的连续化、自动化工程技术的创立是微生物工程发酵技术发展的第四个转折时期。
(6)微生物酶反应合成与化学合成相结合工程技术时期
随着微生物合成工程技术与化学合成工程技术的不断应用,矿产物的开发和石油化工的发展为化学合成法提供了丰富的原料,用于生产一些低分子的有机化合物,如乙醇、丙酮及丁醇等,美国工业应用化学合成法可以生产100多种发酵产品,如大部分的酒精、丙酮、丁醇等,部分的葡萄糖酸、谷氨酸、乳酸等。对于那些用化学合成法不能生产的一些复杂化合物,采用微生物发酵合成法可以在常温、常压下一步完成,特别是可以直接生产一些具有立体特异性的化合物,且生产设备投资较少。但发酵法也存在目的代谢产物浓度较低、分离较困难、生产周期较长等不利因素。
而微生物酶反应生物合成与化学合成工程技术的结合,可生产许多过去不能生产的有用物质。例如,抗生素的化学结构改造是获得新的高效抗生素的重要来源,而维生素C是最早成功的例子,即先利用微生物将山梨糖醇发酵转变为山梨糖,再通过化学合成法生产维生素C。或者先用化学合成法生产廉价的前体,再用发酵法生产出贵重产品。目前,采用此项新技术可大规模生产多种物质,如激素、核苷酸、新抗生素(如半合成头孢霉素、卡那霉素、氯霉素等)、某些氨基酸(如L-酪氨酸、L-色氨酸、L-赖氨酸等)等,随着研究的深入将能生产更多有用的物质。因此,微生物酶反应合成与化学合成相结合工程技术的创立是微生物工程发酵技术发展的第五个转折时期。
发酵生产过程
(1)发酵是利用微生物,在适宜的条件下,将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。
(2)由于不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力,因此,利用不同的微生物就可以产生出人们所需要的多种产物。
(3)现代发酵工业产品大多数是好氧微生物发酵产生的,但也有一部分产品是利用厌氧微生物发酵产生的。
发酵与食品生产
菌种选育→菌种的扩大培养→培养基的配制→灭菌和接种→发酵条件的控制→分离和提纯。
1997年开始,我国就可以自行生产乙肝疫苗等基因工程药物,方法是 [ ] A.在受体细胞内大量增殖乙肝病毒
B.在液体培养基中大量增殖乙肝病毒
C.将乙肝病毒的全部基因导入受体细胞中并表达
D.将乙肝病毒的表面抗原基因导入受体细胞中并表达2005年3月12日到5月14日,我国有34位志愿者接种了不同剂量的单个疫苗[DNA]疫苗或痘病毒载体疫苗(MAV)或安慰剂,均未出现任何不良反应。近年来在预防传染病的疫苗家族中增加的第三代疫苗-DNA疫苗,它们是由病原微生物中的一段表达抗原的基因制成,这段基因编码的产物仅仅引起机体的免疫反应。以下关于核酸疫苗的叙述不正确的是 [ ] A.核酸(DNA)疫苗导入人体需要使用适当的基因工程载体
B.导入人体的核酸疫苗在体内直接产生抗体,起到免疫作用
C.核酸疫苗的接种可以达到预防特定的微生物感染的目的
D.核酸疫苗接种后引起人体产生的抗体是由效应B细胞合成的据统计,从20世纪90年代至今,全世界包括基因制药在内的生物技术药物的销售额,以年均30%的速度增长,生物制药已成为21世纪的朝阳产业。下列有关说法不正确的是 [ ] A.我们可以利用转基因工程技术使哺乳动物本身变成“批量生产药物的工厂”
B.对于基因制药,我们应该科学地认识和评估,保障公众的知情权
C.利用转基因技术还可以进行基因治疗,现在技术已经完全成熟
D.由于转基因生物的安全问题,国家应建立相应的评估及预警机制有关生产人胰岛素的大肠杆菌的说法,不正确的是 [ ] A.是一种工程菌,属于原核生物
B.外源基因在细胞质表达
C.胰岛素属于大肠杆菌的初级代谢产物
D.细胞内没有人胰岛素基因表达产物加工系统SARS病毒能引起非典型性肺炎。医生在治疗实践中发现,非典型性肺炎病人痊愈后,其血清可用于治疗其他非典病人,情况如下图所示。请回答: (1)图中A的血清中含有______,可用于治疗非典病人B;甲研究中的物质X是________,可以用_______的方法人工合成,或用________的方法生产。
(2)乙研究的目的是研制_______,以给健康人群_______,保护传染病学上所称的________。图中健康人C获得抵抗非典能力的过程,属于免疫学应用中的___________。
(3)丙研究是研究不同国家和地区SARS病毒的异同,主要开展不同国家和地区SARS病毒______的比较研究,从而为研制一种还是多种______提供决策依据。
(4)在体外试验中,SARS康复者的血清对某些SARS病毒的增殖有抑制作用,而对另 一些SARS病毒无效,主要原因是_____________。
(5)临床上对SARS病人的治疗主要足通过药物提高病人的抗病力,防治并发症的发生和治疗并发症。到目前为止,人类还没有研制出治疗SARS的特效药,但96%的SARS病人能自愈,主要原因是___________。
(6)我同对SARS疫苗的研究已取得突破性进展,SARS疫苗在动物体内的试验已经完成。如果在人身上做疫苗注射试验安全吗?请说明理由:_____________________________。某科研所为了开发痢疾疫苗,利用鼷鼠做了一系列生理实验。实验的步骤及结果如下表: 请根据表中的结果,分析并回答下列问题。
(1)与甲组相比,乙组体内抗体合成程度明显高于甲组的原因是:鼷鼠第一次接种时产生了一定量的___,当第二次接种时,其就会在_______免疫的_______阶段迅速增殖、分化产生新的_______,进而产生更强的特异性免疫反应。
(2)丁组与戊组对照,说明抗痢疾杆菌抗体的合成过程需要______细胞的帮助。与乙组相比,丁组抗体合成程度较低的原因是______________。
(3)若将题中的病原体痢疾杆菌改为病毒,接种后正常鼷鼠往往先通过___________途径来阻止病毒通过血液循环而扩散,再通过______________途径来彻底消灭。
(4)为验证T细胞是细胞免疫的细胞,请补全实验设计思路和结果:
切除鼷鼠的胸腺后,移植异体器官,移植器官易保留在小鼠体内;___________;___________。我国自主研制的复制型艾滋病疫苗,是把艾滋病病毒RNA的几个重要片段逆转录后插入天花病毒DNA中,形成***病毒疫苗。该疫苗在人体内具有复制能力,产生的抗原蛋白可以持续刺激免疫系统,使人产生较强的免疫能力。在该疫苗研制过程中 [ ] A.运用了RNA病毒容易突变的特点
B.运用基因工程手段,用质粒作载体
C.可用培养的动物细胞培养天花病毒
D.体现了天花病毒的间接使用价值在预防传染病的疫苗家族中近年又增加了一种核酸疫苗(又称DNA疫苗),它们是由病原微生物中的一段表达抗原的基因制成,这段基因编码的产物仅仅引起机体的免疫反应。以下关于核酸疫苗的叙述不正确的是 [ ] A.核酸(DNA)疫苗导入人体需要适当的基因工程载体
B.导入人体的核酸疫苗在体内直接产生抗体,起到免疫作用
C.核酸疫苗的接种可以达到预防特定的微生物感染的目的
D.核酸疫苗接种后引起人体产生的抗体是由浆细胞合成的从1997年开始,我国自行生产乙肝疫苗等基因工程药物,方法是 [ ] A.在受体细胞内大量增殖乙肝病毒
B.在液体培养基中大量增殖乙肝病毒
C.将乙肝病毒的全部基因导入受体细胞中并表达
D.将乙肝病毒的表面抗原基因导入受体细胞中并表达下列不属于动物细胞工程应用的是 [ ] A.大规模生产干扰素,用于抵抗病毒引起的感染
B.为大面积烧伤的病人提供移植的皮肤细胞
C.大规模生产食品添加剂、香料等
D.利用胚胎移植技术,加快优良种畜的繁殖疫苗对预防传染病具有重要意义。为研制抗某种病毒的灭活病毒疫苗,研究人员设计实验方案如下:
(1)制备疫苗
将纯化的某种病毒在特定的______________________中培养、增殖。收获病毒后用灭活剂***死,但要确保灭活病毒的________________不被破坏且能被免疫细胞识别。这样得到的灭活病毒即为本实验所用的疫苗。
(2)用实验动物检测疫苗刺激机休产生抗体的能力
①.实验原理:通过接种疫苗,灭活病毒进人实验动物体内可刺激B细胞,使之增殖、分化形成效应B细胞并产生相应的________________;当____________病毒再次人侵时,机体能产生更强的特异性免疫反应,包括____________________。
②.实验过程:将健康的实验动物分成对照组和多个实验组,每组若干只动物。
对照组的处理:接种不含疫苗的接种物,一段时间后再________。实验组的处理:接种________。一段时间后再接种病毒。为确定该疫苗的有效浓度,不同实验组动物需接种_________的疫苗。
③.分析实验结果:统计实验组和对照组动物的发病率、存活率。
若该疫苗可以刺激机体产生足够的抗体,则实验组比对照组发病率_________,存活率__________。疫苗对预防传染病具有重要意义。为研制抗某种病毒的灭活病毒疫苗,研究人员设计实验方案如下:
(1)制备疫苗:将纯化的某种病毒在特定的________中培养、增殖。收获病毒后用灭活剂***死,但要确保灭活病毒的________特性不被破坏且能被免疫细胞识别。这样得到的灭活病毒即为本实验所用的疫苗。
(2)用实验动物检测疫苗刺激机体产生抗体的能力:
①.实验原理:通过接种疫苗,灭活病毒进入实验动物体内可刺激B细胞,使之增殖、分化形成浆细胞,进而产生相应的_______;当同种病毒再次入侵时,机体能产生更强的特异性免疫反应,包括______两种免疫应答类型。
②.实验过程:将健康的实验动物分成对照组和多个实验组,每组若干只动物。
对照组的处理:接种不含疫苗的接种物,一段时间后______________。
实验组的处理:_________________________。
为确定该疫苗的有效浓度,不同实验组动物需接种_____________的疫苗。
③.分析实验结果:统计实验组和对照组动物的发病率、存活率。若该疫苗可以刺激机体产生足够的抗体,则实验组比对照组发病率低,存活率高。人工免疫是人类战胜传染病所取得的伟大成就。随着科学技术的发展,疫苗的研制前后经历了三次革命,回答下列相关问题。
(1)100多年前巴斯德开创了以炭疽病疫苗、狂犬病疫苗为代表的第一次疫苗革命,这类疫苗是用_____________ 制成的。
(2) 第二次疫苗革命使疫苗的研制得到了迅猛的发展,如用基因工程制备乙型肝炎表面抗原作为疫苗用于临床接种,从而使疫苗的研制进入到___________水平,此类疫苗较第一次研制的疫苗的最大优点是____________。但此类疫苗需低温保存,原因是______________。
(3)20世纪90年代开始兴起的DNA疫苗被称为第三次疫苗革命,DNA疫苗预防传染病的机制如下图所示。①.该过程首先是获取___________作为目的基因与质粒进行体外***后,注入人体。
②.图中B物质为______________。
③.与第二次疫苗革命相比,第三次疫苗的优点是___________。
(4)第二、第三次免疫革命中都运用到___________技术,表现出现代生物技术推动了免疫学的发展。
(5)简述接种疫苗后,人体获得免疫力的过程。_____________________________。人工免疫是人类战胜传染病所取得的伟大成就。随着科学技术的发展,疫苗的研制前后经历了三次革命,回答下列相关问题。
(1)100多年前巴斯德开创了以炭疽病疫苗、狂犬病疫苗为代表的第一次疫苗革命,这类疫苗是用_____________制成的。
(2)第二次疫苗革命使疫苗的研制得到了迅猛的发展,如用基因工程制备乙型肝炎表面抗原作为疫苗用于临床接种,从而使疫苗的研制进入到_______水平,此类疫苗较第一次研制的疫苗的最大优点是________。但此类疫苗需低温保存,原因是_____________________。
(3)20世纪90年代开始兴起的DNA疫苗被称为第三次疫苗革命,DNA疫苗预防传染病的机制如下图所示。①.该过程首先是获取________作为目的基因与质粒进行体外***后,注入人体。
②.图中B物质为_______。
③.与第二次疫苗革命相比,第三次疫苗的优点是___________。
(4)第二、第三次免疫革命中都运用到_____________技术,表现出现代生物技术推动了免疫学的发展。
(5)简述接种疫苗后,人体获得免疫力的过程____________________。某研究小组为了研制预防SARS病毒的疫苗,开展了前期研究工作。其简要的操作流程如下。下列有关叙述错误的是 [ ] A.步骤③可用Ca2+处理大肠杆菌,使大肠杆菌变为感受态
B.步骤①所代表的过程是逆转录,步骤④应该包括转录和翻译两个过程
C.步骤②中为防止质粒自身环化,需使用一种酶处理质粒,用另一种酶处理S基因获得不同的黏性末端
D.检验S蛋白的免疫反应特性,可用S蛋白与SARS康复病人的血清进行抗原—抗体反应
- 1写出下列北魏孝文帝改革的相关措施的详细内容。(1)语言:_______________(2)服饰:___________
- 2胡锦涛在一次重要讲话中指出:“长征中解决了关于党和红军前途命运的三个全局性问题,即: ①引领红军向哪里去的战略方向问题
- 3在如图(a)所示的电路中,电源电压保持不变,滑动变阻器R2上标有“20Ω,3A”字样,各电表的量程选择合理.闭合电键后,
- 4 在位时开创了殿试和武举。唐玄宗时把 作为考试的主要内容。
- 5下列句中划线的成语,运用恰当的一项是(2分)( )A.处处以保护人权自居的美国在南联盟投下的一枚枚炸弹,使他们的人权嘴
- 6阅读所给的语段内容,仿照横线前边的句子写两句话,保证语意完整。(5分)在心灵的分岔路上,也许我们在不经意间发现自己走错了
- 7已知
- 8下列关于原子结构的说法中,正确的是( )A.电子的发现说明原子是可分的B.玻尔的原子理论完全否定了原子的核式结构学说C
- 9下列关于19世纪末到20世纪头20年先进中国人寻求救国救民道路的分析和评论,不正确的是 [ ]A、相继经历了由“
- 10完形填空。 Thousands of years ago, people did not know 1 t
- 1已知:4NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g),△H=-1025kJ/mol,该反应是一个可逆反应,若
- 2康有为在奏章中往往在“中体”中偷用西学的“移花接木”法,给皇帝讲“必当变法”的道理。顽固派指责他“其貌则孔也,其心则夷也
- 3政府为公民求助或投诉所提供多种途径。下列属于其中的是①开设热线电话 ②设立信访部门 ③发展电子政务④依法建立行政仲裁、行
- 4________,I have never seen anyone who is as capable as David
- 5阅读下面短文,根据其内容完成后面各项任务In the Charles E. Johnson Elementary Sch
- 6阅读以下新闻材料,根据要求答题。 不久前,某地一所高中对700名学生做了以“你觉得你离父母有多远”为主题的
- 7在反应A+B═C+D中,5gA和10gB恰好完全反应,生成8gC;若2.5gA和足量的B反应,可生成D的质量是_____
- 8将等量的白糖分别放入等量的热水和冷水中,热水更快变甜,这一现象说明分子热运动的剧烈程度与 有关;夏天在地上洒
- 9黄铜是铜和锌的合金.向一定质量的黄铜样品中加入154.7g稀硫酸,恰好完全反应,产生0.2g氢气.(1)求所用稀硫酸的溶
- 10恒河注入的海洋是( )A.阿拉伯海B.红海C.孟加拉湾D.里海