第1章 绪论 1
1.1 生物工程的学科基础 1
1.2 生物工程的研究领域 2
1.2.1 基因工程 2
1.2.2 细胞工程 3
1.2.3 酶工程 3
1.2.4 发酵工程 4
1.2.5 生物分离工程 5
1.3 生物工程的服务领域 6
1.3.1 人类健康 6
1.3.2 农业 7
1.3.3 资源和能源 8
1.3.4 环境保护 9
第2章 基因工程 10
2.1 概述 10
2.1.1 基因工程的诞生 10
2.1.2 基因工程的内容 11
2.2 基因工程的理论基础 13
2.2.1 DNA的结构与功能 13
2.2.2 DNA的变性、复性与杂交 15
2.2.3 遗传信息的传递方向——中心法则 15
2.2.4 基因的表达与调控 16
2.3 基因工程工具酶 18
2.3.1 限制性内切酶 19
2.3.2 连接酶 19
2.3.3 其他基因工程的工具酶 20
2.4 基因工程载体 20
2.4.1 基因工程载体的定义 20
2.4.2 用于原核生物宿主的载体 21
2.4.3 用于真核生物宿主的载体 23
2.4.4 用于植物宿主的载体 25
2.4.5 用于动物宿主的载体 27
2.4.6 基因工程载体的必备条件和简单分类 27
2.5 目的基因的获得 27
2.5.1 原核生物目的基因的获得 28
2.5.2 真核生物目的基因的获得 30
2.6 目的基因与载体DNA的连接 32
2.6.1 黏性末端DNA片段的连接 32
2.6.2 非互补黏性末端或平端DNA片段的连接 32
2.6.3 连接反应的效率 33
2.7 目的基因导入受体细胞 34
2.7.1 受体细胞 34
2.7.2 重组DNA分子导入受体细胞 35
2.8 重组体的筛选 37
2.8.1 利用抗生素抗性基因 37
2.8.2 营养缺陷互补法 38
2.8.3 核酸杂交法 38
2.8.4 通过免疫反应筛选 39
2.8.5 通过酶活性筛选 39
2.9 目的基因的高效表达 39
2.9.1 概述 39
2.9.2 影响目的基因表达的基本因素 40
2.9.3 目的基因的不溶性高效表达 41
2.9.4 目的基因的高效可溶性表达 41
2.9.5 目的基因的高效分泌型表达 41
2.9.6 基因工程宿主菌的改造 42
2.9.7 利用细胞培养工程手段提高基因表达水平 43
2.10 基因工程的应用与发展前景 45
2.10.1 基因工程制药 47
2.10.2 基因组工程 48
主要参考书目 51
思考题 51
第3章 细胞工程 53
3.1 概述 53
3.2 动物细胞培养 54
3.2.1 哺乳动物细胞种类及其性能 54
3.2.2 动物细胞培养的环境特性 58
3.2.3 动物细胞大规模培养 60
3.2.4 昆虫细胞培养 63
3.3 植物细胞大规模培养 63
3.3.1 植物细胞株的建立与培养 64
3.3.2 植物细胞培养的细胞生理特性 67
3.3.3 植物细胞培养生物反应器的研究 68
3.3.4 植物细胞培养的应用 70
3.3.5 植物细胞培养的发展趋势 72
3.4 转基因动植物 73
3.4.1 转基因动物 73
3.4.2 转基因植物 76
3.5 干细胞技术 80
3.5.1 干细胞分类 80
3.5.2 干细胞的分离与培养 81
3.5.3 干细胞的研究进展 81
3.5.4 干细胞的应用前景和障碍 83
3.6 组织工程 85
3.6.1 组织工程概述 85
3.6.2 组织工程的构建 86
3.6.3 组织工程的展望 88
思考题 88
主要参考书目 89
第4章 酶工程 90
4.1 概述 90
4.2 酶的命名和分类 91
4.2.1 国际系统分类法 92
4.2.2 国际系统命名法 92
4.2.3 酶的活力和活力单位 93
4.3 酶的化学本质、来源和生产 93
4.3.1 酶的化学本质 93
4.3.2 酶的来源和生产 95
4.4 酶催化反应机理及反应动力学 98
4.4.1 酶催化反应的特点 98
4.4.2 酶催化反应的机理 99
4.4.3 酶催化反应的速率理论 100
4.4.4 酶催化反应动力学 102
4.5 酶的固定化和固定化酶反应器 105
4.5.1 酶的固定化 105
4.5.2 固定化酶反应器 106
4.6 酶工程的应用 107
4.6.1 酶法生产高果糖浆 109
4.6.2 酶法合成丙烯酰胺 110
4.6.3 酶法生产L-氨基酸和有机酸 110
4.6.4 酶法合成半合成抗生素生产的重要中间体 111
4.6.5 酶用于光学活性化合物的制备 112
4.6.6 酶用于疾病诊断和治疗 113
4.6.7 生物传感器和蛋白质芯片 114
4.6.8 酶在基因工程中的应用 115
4.7 酶工程的研究进展 116
4.7.1 酶的修饰和蛋白质工程 116
4.7.2 酶的新用途——靶酶及酶标药物 117
4.7.3 非水系统中的酶催化 117
4.7.4 酶法固氮 118
4.7.5 极端酶的研究和应用 118
4.7.6 人工合成酶和模拟酶 119
4.7.7 核酸酶 120
4.7.8 抗体酶 121
思考题 122
主要参考书目 123
第5章 微生物工程 124
5.1 微生物工程的发展史 125
5.1.1 显微镜与微生物的发现 126
5.1.2 微生物与发酵 127
5.1.3 微生物纯种培养技术 128
5.1.4 丙酮／丁醇发酵和甘油发酵 129
5.1.5 青霉素的发现与青霉素发酵的工业化 129
5.1.6 微生物工程的发展 131
5.2 常见的工业微生物 132
5.2.1 细菌 132
5.2.2 放线菌 136
5.2.3 酵母 137
5.2.4 霉菌 138
5.3 微生物育种技术 140
5.3.1 诱变育种 141
5.3.2 代谢工程育种 143
5.3.3 DNA重排与基因组重排育种 144
5.4 微生物的营养和生长 146
5.5 发酵工业的生产流程 148
5.5.1 原料预处理 148
5.5.2 发酵培养基的配制和灭菌 148
5.5.3 无菌空气制备 149
5.5.4 微生物种子的制备 149
5.5.5 发酵过程的操作方式 150
5.5.6 发酵产品及其分离提纯工艺 152
5.6 生物反应器和反应动力学 153
5.6.1 搅拌罐 153
5.6.2 鼓泡塔 154
5.6.3 气升式反应器 154
5.6.4 流化床反应器和填充床反应器 155
5.6.5 发酵过程的检测和控制 156
5.6.6 发酵过程动力学和传质 156
5.7 微生物发酵产品 158
5.7.1 大宗及精细化学产品 158
5.7.2 有机酸、氨基酸及其他食品添加剂 159
5.7.3 酶制剂 162
5.7.4 医药及检测试剂 163
5.7.5 农用和兽用生物制品 164
5.7.6 由微生物发酵生产的多糖和聚羟基链烷酸 165
5.8 资源和能源领域中的微生物工程 166
5.8.1 微生物冶金 166
5.8.2 磷矿的微生物处理 167
5.8.3 微生物与石油资源的开采和利用 167
5.8.4 从生物量到能源 168
思考题 169
主要参考书目 169
第6章 环境生物工程 170
6.1 环境污染及其现状 170
6.1.1 环境污染 170
6.1.2 环境污染的分类 170
6.1.3 大气污染与温室效应 171
6.1.4 水体污染 172
6.1.5 土壤污染 173
6.1.6 环境污染的特征及危害 173
6.1.7 环境污染源及优先污染物 174
6.1.8 我国环境污染现状 175
6.1.9 废水、大气质量指标与排放标准 177
6.2 微生物在自然界物质循环中的作用 178
6.2.1 碳元素循环 178
6.2.2 氮素循环 179
6.2.3 硫元素循环 181
6.2.4 磷元素循环 182
6.3 环境保护中常见的微生物群及其相互作用 183
6.3.1 好氧微生物群 183
6.3.2 厌氧微生物群 185
6.3.3 环境中微生物的相互作用 189
6.4 影响污染物生物降解的因素 191
6.4.1 污染物的生物可降解性 191
6.4.2 影响生物降解的因素 193
6.5 典型有机污染物的生物降解机理 195
6.5.1 卤代有机物的生物降解 195
6.5.2 降解木质素及多环芳烃的微生物 196
6.6 污染物在生态系统中的生物自净原理 198
6.6.1 水体的自净 198
6.6.2 土壤的自净 199
6.6.3 空气的自净 199
6.7 污水好氧生物处理 200
6.7.1 活性污泥法基本概念 200
6.7.2 活性污泥指标及参数 201
6.7.3 活性污泥吸附与氧化阶段 201
6.7.4 影响活性污泥活性的主要因素 202
6.7.5 常用活性污泥处理工艺的类型和特点 202
6.8 污水厌氧生物处理 203
6.8.1 影响厌氧生物处理的主要因素 204
6.8.2 厌氧生物处理工艺与反应器 206
6.9 生物脱氮脱磷 209
6.9.1 生物脱氮工艺 209
6.9.2 生物除磷 210
6.9.3 废水的同步脱氮除磷工艺 212
6.10 废气生物净化与生物脱硫 212
6.10.1 废气生物净化 212
6.10.2 生物脱硫 214
6.11 污染环境的生物修复 216
6.11.1 微生物生物修复 216
6.11.2 影响微生物修复的因素 219
6.11.3 污染环境的植物修复 220
6.11.4 生物修复的典型工程实例 221
思考题 221
主要参考书目 222