# 生物技术应用

> CIE A-Level 生物学 · 9700
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u19-biotechnology-applications/

本模块涵盖CIE A-Level生物学中生物技术的核心实践与工业应用，包括重组治疗药物、转基因作物和固定化酶技术，并针对考试讲解风险与益处的评估。

**先修:** [重组DNA技术](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u19-recombinant-dna-technology/); [酶的结构与功能](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u03-enzymes/)

## 学习目标

- 描述生物技术在医药、农业和工业中的主要应用
- 解释重组治疗蛋白相比提取蛋白的优势
- 评估转基因作物的益处与风险
- 概述固定化酶在工业中的作用和优势

## 生物技术在人类医药中的应用

医药领域应用最广泛的生物技术是利用重组DNA技术大规模生产人类治疗蛋白。在基因工程出现之前，胰岛素这类蛋白质是从动物胰腺中提取的，成本高、产量低，还存在过敏反应风险。

**重组人胰岛素** — 由携带人胰岛素基因的转基因*Escherichia coli*生产的、结构与天然人胰岛素完全一致的胰岛素，是全球治疗1型糖尿病的金标准药物。

*例:* 到20世纪90年代，重组胰岛素已在大多数国家取代了动物源胰岛素。

**例题:** 描述重组胰岛素的生产过程，并说明它相比动物提取胰岛素的两个主要优势。

1. 1. 从人胰腺细胞中分离人胰岛素基因，将其插入细菌质粒载体。
2. 2. 用重组质粒转化感受态*E. coli*，筛选出成功修饰的细菌。
3. 3. 将转化后的细菌在控制温度、pH和营养的大型工业发酵罐中培养。
4. 4. 提取细菌产生的胰岛素原，加工切割去除C肽，纯化得到有活性的成熟胰岛素供临床使用。
5. 5. 主要优势：(1) 可大规模生产纯的人胰岛素，成本远低于动物提取。(2) 不会引发对动物源胰岛素的过敏反应，也不存在屠宰动物的伦理问题。

## 生物技术在农业中的应用

通过基因修饰获得的作物品种具有更优良的农艺性状（抗虫、抗除草剂）和更优的营养成分，可用于解决全球粮食不安全和微量营养素缺乏问题。

**黄金大米** — 经过基因修饰的水稻品种，可在可食用籽粒中合成β-胡萝卜素（维生素A的前体），开发目的是解决东南亚普遍存在的维生素A缺乏问题。

*例:* 全球超过2.5亿人存在维生素A缺乏问题，会导致儿童失明和免疫力下降。

**例题:** 评估种植Bt棉花的两个优势和两个劣势。

1. 1. Bt棉花含有来自细菌*Bacillus thuringiensis*的基因，可产生对棉花主要害虫棉铃虫有致命作用的毒素。
2. 2. 优势：(1) 减少合成杀虫剂的喷洒需求，降低农户成本，减少农药径流造成的环境破坏。(2) 减少虫害造成的作物损失，提高总产量和农户收入。
3. 3. 劣势：(1) Bt毒素可能伤害非目标昆虫物种，降低当地生物多样性。(2) 长期大规模种植Bt棉花会导致害虫种群逐步进化出抗性。

## 工业生物技术：固定化酶

酶被广泛用于食品、饮料、药物和生物燃料的工业生产。将酶固定在惰性载体上可提高生产效率，降低生产成本。

**固定化酶** — 结合在惰性不溶性材料（如藻酸盐珠）或包裹在基质中的酶，因此不会与产物流自由混合。

**例题:** 解释固定化乳糖酶如何用于生产无乳糖牛奶，并说明在该工艺中使用固定化酶的一个主要优势。

1. 1. 乳糖是牛奶中天然存在的糖，乳糖不耐受人群无法消化乳糖，会引发消化不适。
2. 2. 可将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖的乳糖酶被固定在藻酸盐珠中，填充到玻璃柱中。
3. 3. 将巴氏杀菌后的牛奶缓慢流过柱子，乳糖被乳糖酶分解，最终得到的牛奶乳糖含量低于0.5%，适合乳糖不耐受人群饮用。
4. 4. 优势：固定化乳糖酶不会残留在最终牛奶产品中，因此无需额外纯化步骤。同一批固定化酶可以重复使用数周，大幅降低生产成本。

> **tip**
>
> 固定化几乎不会改变酶活性位点的形状，因此酶活性基本得以保留，同时可重用性和稳定性都得到提升。

## 常见错误

- **错误做法:** 声称黄金大米直接产生维生素A
  - 原因: 黄金大米产生的是β-胡萝卜素，它在人体内转化为维生素A，黄金大米本身并不合成维生素A
  - 正确做法: 始终明确黄金大米产生的是维生素A的前体β-胡萝卜素
- **错误做法:** 声称胰岛素是由*E. coli*分泌的活性胰岛素
  - 原因: 细菌产生的是胰岛素原，提取后需要加工才能成为活性胰岛素
  - 正确做法: 说明胰岛素原需要切割去除C肽，才能形成有活性的成熟胰岛素
- **错误做法:** 声称所有转基因作物都仅为改良农艺性状而修饰
  - 原因: 许多转基因作物是为了获得营养益处或生产药物而修饰的
  - 正确做法: 评估转基因作物时，要同时提及农艺性状和非农艺性状
- **错误做法:** 认为固定化酶的活性总是低于游离酶，因此很少被使用
  - 原因: 虽然固定化常会造成轻微的活性损失，但可重复使用和产物易分离的优势远大于这一缺点
  - 正确做法: 要知道固定化酶因其实用和经济优势，在工业中被广泛应用

## 速查表

| 领域 | 实例 | 主要优势 |
| --- | --- | --- |
| 医药 | 重组人胰岛素 | 纯度高、成本低、无过敏反应 |
| 农业 | Bt棉花 | 减少农药使用、提高产量 |
| 农业 | 黄金大米 | 预防维生素A缺乏症 |
| 工业 | 固定化乳糖酶 | 生产无乳糖牛奶、酶可重复使用 |
| 工业 | 固定化葡萄糖异构酶 | 生产高果糖浆 |

## 下一步

生物技术应用是CIE A-Level生物学的核心论述题考点，考试中经常要求你评估基因改造的社会、经济和环境影响。本子主题建立在你已掌握的重组DNA技术知识之上，为你学习CRISPR基因编辑等先进基因技术，以及经常讨论转基因影响的生物多样性保护内容做准备。探索下方链接的主题继续你的备考。

- [基因编辑](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u19-gene-editing/)

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