近些年来，以基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程为代表的现代生物技术发展迅猛，并日益影响和改变着人们的生产和生活方式。所谓生物技术（Biotechnology）是指“用活的生物体（或生物体的物质）来改进产品、改良植物和动物，或为特殊用途而培养微生物的技术”。生物工程则是指运用生物化学、分子生物学、微生物学、遗传学等原理与生化工程相结合，来改造或重新创造设计细胞的遗传物质、培育出新品种，以工业规模利用现有生物体系，以生物化学过程来制造工业产品。简言之，生物工程就是将活的生物体、生命体系或生命过程产业化的过程。生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、生物电子工程、生物反应器、灭菌技术以及新兴的蛋白质工程等，其中，基因工程是现代生物工程的核心。
第一节 生物技术的产生和发展
生物技术的发展可以划分为三个不同的阶段：传统生物技术、近代生物技术、现代生物技术。传统生物技术的技术特征是酿造技术，近代生物技术的技术特征是微生物发酵技术，现代生物技术的技术特征就是以基因工程为首要标志。
一、传统生物技术
生物技术的应用和发展可以追溯到数千年以前，其历史几乎可以同人类的文明史并驾齐驱。在我国，早在商周时代人们就已利用曲子制酒、酱、醋和饴糖等；公元10世纪就有了预防天花的活疫苗；到了明代就已经广泛地种植痘苗以预防天花；16世纪的医生已知道被疯狗咬伤后可感染和传播狂犬病。在国外，苏美尔人和巴比伦人在公元前6000年就已开始酿造啤酒；古埃及人在公元前4000年就开始制作面包；古希腊人则利用小牛胃液作为乳的凝固剂来制造乳酪。
二、近代生物技术
19世纪后期，法国生物学家巴斯德创立了微生物学，由此带来了发酵业的大发展和医学的革命。此后，人们利用微生物大量生产需要的产品，发展起生物化学工业。1929年发现了抗生素，并在第二次世界大战中得到大规模的生产和应用，挽救了千百万人的生命。二战后，微生物发酵被广泛用于生产氨基酸、蛋白质等物质，以及动植物细胞的培养。始于1916年的固定化酶研究，为酶工程的大发展奠定了理论基础。60年代末期，固定化酶技术得到完善，并被应用到半合成青霉素以及玉米淀粉生产果糖浆等工业生产中。如今，酶制剂已广泛应用在食品、医药、造纸、纺织、清洁等生产和生活领域。70年代，细胞工程兴起，用于进行大规模动植物细胞培养、农业育种和药品生产，口蹄疫苗、狂犬病疫苗、脊髓灰质炎等病毒疫苗的批量生产，使人类征服了几千年来深受其害的顽症。近代生物技术存在的主要缺陷：①传统工艺技术对生物体自身或利用生物体转化的产量提高的幅度十分有限；②为了获得优质高产的生物物种，传统的诱变和筛选方法十分烦琐；③传统诱变育种只能改良生物体原有的遗传性质，并不能赋予其新的遗传特性。
三、现代生物技术
20世纪下半叶，基于基因工程，现代生物技术取得了突破性进展。50年代，DNA双螺旋结构模型的发现及后来中心法则的提出、遗传密码破译奠定了基因工程的理论基础。以20世纪70年代DNA重组技术为开端，基因工程在近20多年中迅速发展，并于1983年发展出蛋白质工程。生物技术发展的关键技术是功能基因组学、蛋白质组学、生物芯片、组织工程、动植物生物反应器、基因工程药物与疫苗、基因诊断与治疗，以及动植物转基因技术、生物农药、生物肥料以及生物安全等。
现代生物学的飞速发展使人类对生命活动规律的认识发生了质的飞跃，操作层次上，超越了细胞层次，深入分子水平；遗传育种上，打破了远缘不能杂交的规定，转向定向设计、改造和创造新物种。同时，生物产业也应运而生，迅速发展，正逐步解决人类面临的人口、粮食、健康、环境等重大难题，有望成为全球新的经济增长点。
第二节 现代生物技术的主要内容
一、发酵工程
微生物是生物的一大组成部分。利用微生物及其内含酶系的生理特性，应用现代工程技术手段生产或加工人类所需的产品的技术体系，即为发酵工程，又称为微生物工程。发酵工程以传统发酵为核心，目前在整个生物产业中仍是最重要的组成部分。酒类、调味品、工业酒精、氨基酸类、核酸和核背酸、抗菌素及激素等都可以利用发酵得到生产，利用微生物的生理机能进行细菌冶金、生物净化等同样属于发酵工程。筛选和培育能产生特定生物活性物质的优良菌种，研究微生物的生理代谢机理，提供微生物生产的最佳条件，则是发酵工程的关键环节。
传统发酵工程经过基因工程的改造和现代技术的武装，整个技术体系有了很大的不同。
传统的工业菌株培育是利用自然界现有的菌种，而现在则可运用细胞融合技术和重组DNA技术，选育出人们所需要的类型。甚至连过去与发酵无关的产品，现在经活性转化也能通过发酵工程生产。这就使发酵工程的应用范围更加广泛，与人们的生活关系也更为密切。
二、酶工程
酶是一种具有特定生物催化功能的蛋白质。酶工程简单地说就是酶制剂在工业上的大规模生产及应用。它包括酶制剂的开发和生产、多酶反应器的研究和设计以及酶的分离提纯和应用的扩大。酶工程一般可分为两类：化学酶工程和生物酶工程。化学酶工程也称初级酶工程，通过对酶进行化学修饰、固定化处理，甚至化学合成等手段来改善酶的性质以提高催化效率及降低成本。这种酶制剂已广泛用于食品、制药、制革、酿造、纺织等工业领域。
生物酶工程基于化学酶工程，是酶科学和以基因工程为主的现代分子生物技术相结合的产物，也称高级酶工程。它通过对酶基因的修饰改造或设计，产生自然界不曾有过的、性能稳定、催化效率更高的新酶。现代酶工程的关键技术是固定化酶技术。20世纪70年代以来，又迅速发展起固定细胞技术。采用这种技术，不必将酶从细胞中提取出来，而是直接把整个细胞固定化，使之处于细胞内的自然状态，参与催化反应，省却了酶的提取和强化工艺，制备和使用也较方便，并且能够催化一系列的反应。
三、细胞工程
细胞是除病毒外的所有生物体的基本结构和功能单位。现代细胞工程就是应用细胞生物学和分子生物学的理论、方法和技术，以细胞为基本单位进行离体培养、繁殖，或人为地使细胞某些生物学特性按照人们的意愿发生改变，从而改良生物品种和创造新品种，或加速动植物个体的繁殖，或获得有用物质。它主要包括细胞融合、细胞培养、细胞器移植、染色体工程等。
细胞融合技术也就是体细胞杂交。它打破了有性杂交方法的局限，使远缘杂交成为可能。目前，经细胞融合而成的杂交植物（如蕃茄薯、苹果梨等）已较普遍，在动物方面也已实现了鼠-猴、鼠-兔、骡-鼠、兔-鸡、牛-水箱等多种类型的细胞融合。细胞培养技术是将离体的细胞在特定条件下加以快速繁殖。用于细胞植物培养，一次可以获得大量植株，且不受季节、气候等自然条件的限制，遗传稳定性好，因而特别适用于商业规模生产名贵植物、药物和引种的珍稀植物。而1997年轰动全球的体细胞克隆羊多莉，则是细胞器官移植的成功例子。
四、基因工程
基因是具有遗传效应的DNA片段，是遗传物质的功能单位和结构单位。基因工程就是在基因水平上对生物体进行操作，改变细胞遗传结构从而使细胞具有更强的某种性能或获得全新功能的技术。它实质上是生物体向遗传信息的转移技术。
DNA重组技术是基因工程的核心，也是现代生物技术的核心。该技术采用分子生物学方法分离具有遗传信息的DNA片段，经过剪切、组合使之与适宜的载体连接，建成重组DNA，并将它转入到特定的宿主细胞或有机体内进行复制和传代，实现生物遗传特性的转移和改变。
五、蛋白质工程
蛋白质是组成生命体系的一类具有复杂结构和功能的生物大分子。定向地对蛋白质的结构进行人工设计和改造，获得一些具有优良特性的、甚至自然界本不存在的蛋白质分子，称为蛋白质工程。蛋白质工程其实是基因工程深化发展的产物。它综合分子生物学、计算机辅助设计等多种技术和方法，突破了基因工程只能生产天然存在的蛋白质的局限，可以设计和生产天然生物体内不存在的新型蛋白质；或通过蛋白质的分子设计来提出修改的方案，应用基因工程技术方法，使蛋白质功能得到优化。
第三节 现代生物技术的应用及前景
一、现代生物技术的应用
随着现代科学技术的迅速发展，生物技术已经成为人类认识和改造自然界，克服所面临的人口膨胀、粮食短缺、环境污染、疾病危害、能源匮乏、生态失衡以及生物多样性消失等一系列重大问题的可靠手段和工具之一。特别是生物技术在农业、医药卫生、环保、化工等领域的应用，将给这些领域带来革命性的变化，并对人类的未来产生不可估量的影响。
（一）现代生物技术是实现高效农业和可持续发展农业的重要手段
农业生物工程开始的时间是1985年，当时是一门非常新的技术。目前世界和国内工作做得比较多的是水稻、小麦、玉米；棉花和油料作物；蔬菜；水果；木材等五大类。农业生物工程进展很快。
第一，应用于植物抗病毒。如植物的病毒病引起的草莓品种退化问题、马铃薯的退化、小麦黄矮病等，可以用基因工程来解决，病毒有自己的遗传物质，病毒进入植物细胞后迅速繁殖，数量达到105时，植物细胞就死掉，然后病毒再向临近植物细胞扩散。生物工程在植物中做的就是把病毒的遗传编码重组到植物体内，植物便具有病毒的遗传物质。这时如果再用病毒感染这株植物时，病毒就会认为自己的伙伴已在植物里面，便不再对植物进行感染。这是与动物免疫形式的不同之处。根据病毒的这种特点，有的菜农就往西红柿上喷施一些弱病毒，以少量的损失换取大的收获。
第二，虫害问题。虫害是农业的大敌，历来的防治方法是使用农药，而农药又带来对农产品及环境的污染问题，现在使用了一种生物防治办法——苏云金杆菌喷施农作物。这种菌体内带有苏云金杆菌毒蛋白，害虫感染了这种菌后，由于虫体内没有分解这种毒蛋白的酶，而被毒死。目前，正在研究将细菌体内编码这种毒蛋白的遗传物质用基因工程的办法取出来，再组到植物里面去，植物体内便产生出细菌的毒蛋白，由于害虫消化不了这种植物的叶片，从而不吃这种叶片，达到保护植物的目的，而吃了几口这种叶片的虫子，不久便会死去。
第三，清除杂质。生物工程可以使植物产生抗除草剂的作用，这给农业带来很大好处，小麦、水稻、西红柿都可以成为抗除草剂转基因植物，既节省劳力，又提高产量。
第四，基因工程还可以提高水果的保鲜度，原理主要是破坏水果细胞壁纤维酶，这样可以保证猕猴桃、桃、西红柿成熟但不变软，极大地有利于运输。水果成熟时，产生乙烯，乙烯诱导很多基因表达，其中一点就是水果的细胞壁分解，导致水果变软。现在，通过基因工程，将导致细胞壁分解的基因破坏掉，使水果不产生乙烯，这样的西红柿成熟后，一直可挂在植株上3个月而不变软。这样大大方便了水果的运输，到市场后，加入一点乙烯，水果很快会变软。美国的基因水果已进入市场，如西红柿。但随之产生了一些社会问题。在美国，由于人们不知道转基因水果蔬菜是怎么回事，看到西红柿是硬的，就认为生物学家改变了西红柿的遗传物质。
（二）生物技术的发展给人类带来健康的福音
目前，生物技术在医药方面的应用占全部生物技术的60％以上，已形成产业化的新生物技术产品主要集中在医药上，包括新型疫苗、药物和诊断试剂的研制以及基因治疗等。基因诊治使癌症、艾滋病、肝炎等重大疑难疾病的治疗产生重大突破。有选择地引进入体原来缺少的基因或像换零件一样调换不正常的基因，使根治遗传病成为可能。应词DNA重组法，可利用细菌廉价生产出人体分泌的重要物质。利用基因工程菌，可生产出胰岛素基因、激素基因和干扰素等珍贵药品。现代生物技术在医药、医学领域已显示出其巨大潜力。生物技术在医药卫生领域的应用主要有以下三个方面：
一是解决了过去用常规方法不能生产或者生产成本特别昂贵的药品的生产技术问题，开发出了一大批新的特效药物，如胰岛素、干扰素（IFN）、白细胞介素-2（IL-2）、组织血纤维蛋白溶酶原激活因子（TPA）、肿瘤坏死因子（TNF）、集落刺激因子（CSF）、人生长激素（HGH）、表皮生长因子（EGF）等，这些药品可以分别用于防治诸如肿瘤、心脑肺血管、遗传性、免疫性、内分泌等严重威胁人类健康的疑难病症，而且在避免毒副作用方面明显优于传统药品。
二是研制出了一些灵敏度高、性能专一、实用性强的临床诊断新设备，如体外诊断试剂、免疫诊断试剂盒等，并找到了某些疑难病症的发病原理和医治的崭新方法。我国的单克隆抗体诊断试剂市场前景良好。
