生物技术概论-绪论

生物技术概论卢大儒[e-mail]朱焕章[e-mail]刘建平[e-mail]复旦大学生命科学学院课程安排•生物技术绪论•重组DNA技术与基因工程•细胞工程与组织工程•蛋白质和酶工程•微生物发酵和分离纯化工程•合成生物学•转基因技术•PCR及各种基因扩增技术*•生物芯片技术*•高通量基因测序技术*•蛋白质组学和代谢组学技术•生物技术应用农业、人类健康、食品、环境能源、司法考古等*也是今天的讲课的主要提纲课程目标：1广义的最新的生物技术2对今后科研有所帮助3为了今后造福人类4不断学习生物新技术什么是生物技术？生物技术（biotechnology）,有时也称生物工程（bioengineering）,是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础科学的原理，采用先进的科学技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。生物技术是人们利用微生物、动植物体对物质原料进行加工，以提供产品来为社会服务的技术。现代生物技术综合生物化学、遗传学、细胞生物学、胚胎学、免疫学、化学、物理学、信息学、计算机等多学科技术，发展到高通量组学（omics）芯片技术、基因组人工设计与合成生物学等技术。绪论B&B生物学科的三个专业生物科学生物技术生物工程一段时期，生物技术与生物工程相互代替；但是在不少高校，生物技术与生物科学相似，生物工程与生物技术隶属不同学科。我的理解：科学问题----生物科学（基础）技术应用----生物技术（广泛）工程化应用---生物工程（部分）技术发展对科学的推动作用•工欲善其事，必须先利其器，•磨刀不误砍柴工•科学技术是第一生产力显微镜、基因重组技术、基因测序、PCR单克隆抗体、微生物发酵生命科学是实验科学，必须掌握各种实验技术：5个层次，分子，细胞，组织，个体，群体生物技术对人类社会的作用古老，不知不觉在应用：发酵，种植，养殖，驯化基因工程：新的标志，企业化生产医药（药和诊断），农业（新品种），食品，环境，能源PCR技术：拓展和加速发展其应用生物信息学：软技术各个学科综合生物技术产品在我们身边•生物技术药物：胰岛素，EPO，干扰素等•转基因农产品：转基因番茄，转基因大豆，转基因棉花等•转基因动物：一般只处于实验室阶段•基因治疗与细胞治疗•干细胞与组织工程：•生物克隆•体外诊断试剂：抗体免疫与基因检测•合成生物：各种产品与物种基因工程:生物技术的核心•基因工程•微生物发酵工程•细胞工程•蛋白质酶生化工程基因工程•20世纪70年代随着DNA重组技术的出现而发展出来。•对基因进行加工，使生物体发展成为新的有机生物体。•是生物工程四兄弟中发展最迅速，威力最大的一个。基因工程原理示意图基因工程的表达系统•原核细胞：大肠杆菌•真核细胞：酵母细胞、•昆虫(家蚕),哺乳动物细胞•生物反应器：转基因植物•(分子农场)、转基因动物•（乳腺生物反应器）基因是生物医药产业的源头基因基因诊断基因治疗反义RNA免疫学诊断基因工程药物化学合成药物设计的靶分子DNA疫苗或核酶等基因工程疫苗•安全无毒：无灭能不彻底，泄漏，回复，病原体蛋白毒副作用等。•可以大量生产；不受来源限制•多价疫苗：同时免疫多种传染病•成本低廉，易于推广•不足：不能完全模仿天然疫苗。•蛋白制备纯化和保纯仍然复杂基因工程乙肝疫苗•人类历史上第一种规模化生产、最为成功基因工程疫苗，95年的全球销售额突破10亿美元；美国1986年正式投放市场。全世界乙肝病毒携带者78％生活在亚洲国家，约有一半是中国人种，乙肝疫苗的年需求量约7000万支，并呈上升趋势。2000年底在中国基因乙肝疫苗全部取代血源乙肝疫苗复旦大学获得世界上第一张O型口蹄疫基因工程疫苗证书！基因工程药物•天然基因:如促进血细胞生长因子•基因衍生物:如肿瘤坏死因子•天然重组和融合:导向性干扰素•人工筛选和合成:如小肽分子•基因工程疫苗:如乙肝疫苗基因药物的优势IL-2,胰岛素，GLP-1，EPO,IFN，EGF……基因工程肿瘤坏死因子单克隆抗体•单克隆抗体的导向治疗:生物导弹•化学药物,毒素和放射性核数作弹头和单克隆抗体(瞄准器)偶联,制成生物导弹.•第一代单克隆抗体:鼠源•基因工程抗体:抗体的人源化•完全人化的单克隆抗体美国批准了10多种单克隆抗体临床上市!进化论在现代科技中应用-模仿进化•地球上几十亿年的勃勃生机充分展示了进化的无所不能，研究人员从进化中借经验，利用定向进化来增强蛋白的有用功能。通过诱导基因发生突变，产生相应蛋白，筛选其功能改变蛋白，从中选取表现最好的基因进行新一轮的突变和检测，如此循环上百万次。•首先，找出用于进化的基因模板池，其次，了解特定基因如何进化。可以改变蛋白上的某个氨基酸，具体位置可以从整条氨基酸链上随机抽取，也可以在某些特定区域内随机选择，甚至可以选定已知的、对蛋白功能很重要的某个特定位点。编码蛋白的基因在结构上由一段段独立片断组成，我们可以调换它们的顺序，创造出具有新功能的蛋白。我们还可以在一个由系统进化方法确定的基因家族中，或者从姐妹物种中，抽取相关基因的结构片段，混合成所谓的“嵌合蛋白”（chimericprotein）。在自然界中，基因片段的重组和重排使蛋白快速进化；如今这一过程在实验室中重现，正在向我们显示它的巨大威力。•人乳头瘤病毒（HPV）疫苗的开发和丙型肝炎疫苗的优化，是定向进化众多成功案例中比较典型的两个。在对20多种人干扰素中的基因片段进行重排之后，一种超强嵌合蛋白已经问世，它减慢病毒复制的能力比原有人干扰素强25万倍。经过改良的人类肿瘤抑制蛋白，在实验室研究中已经显示出比原始蛋白更强的肿瘤生长抑制功能。背后的功臣复旦大学与上海医学遗传所首次报道了凝血因子IX转基因牛，引起热议！在植物中成功表达的药用蛋白植物的次级代谢药物的基因调控是另外一个方向“病毒”也是幸运的使者基因治疗---新的医药革命1991年，复旦大学等进行了世界首次血友病B基因治疗遗传易感性与药物遗传学为什么有些人容易得癌症，高血压，糖尿病？为什么同样的毛病，同样的治疗，疗效和毒性千差万别？SNP(SingleNucleotidePolymorphism)单核苷酸多态性是人类基因组中最常见的基因多态性，是个体差异的最基本因素，是功能基因组学、疾病基因组学、药物基因组学和环境基因组学研究重要内容。DNA损伤修复途径肺癌肺癌易感性肺癌化疗吸烟复旦大学在国际上报道了一批肺癌，肝癌等肿瘤易感基因和化疗药物敏感基因，对于个性化预防和治疗具有重要价值ALDH2基因缺陷饮酒脸红卫生部临检中心批准“硝酸甘油治疗急性心绞痛疗效检测方法和试剂盒”硝酸甘油治疗心绞痛效果差该成果申请了国际专利多家临检中心和医院在应用复旦大学首次报道了ALDH2基因变异导致硝酸甘油治疗心绞痛无效环境基因组学研究物理,化学和生物环境对人体基因组的作用及其易感性.为什么有人抽烟不得肺癌?而另外一部分人却敏感异常?**为什么有些人喝酒海量?而另外一些人一喝酒就醉倒?为什么有人对艾滋病谈笑风生,而一部分人却谈虎色变?基因预测功与过？基因预测疾病风险和指导治疗已经在国际上蓬勃开展，其科学性特别是一些公司的经营模式受到质疑？DPD/5Fu,APOE4…97年以来，克隆技术掀起浪潮胚胎干细胞与治疗性克隆造血干细胞真能干！07年以来，iPS最激动人心之技术，长生不老有望！hfat-1TransgenicPigshfat-1转基因猪富含ω-3多不饱和脂肪酸，能够预防：癌症,糖尿病.冠心病，高血压.风湿关节炎，骨质疏松.忧郁症,老年痴呆。0500100015002000WTfat1Tumormass(mm3)基因打靶与生物克隆体细胞基因打靶,细胞克隆,制备疾病动物模型;转基因动物等.无籽西瓜无籽西瓜的染色体组成，普通西瓜2n＝22诱变成功的四倍体作母本与二倍体父本杂交，获得三倍体西瓜，在形成生殖细胞时，不能正常减数分裂，所以成为无籽西瓜。新世纪的绿色革命转基因植物–棉花转基因抗虫棉CK抗虫CK抗虫抗除草剂大豆，便于运输的西红柿，转基因金色大米，……2010年华中农大两抗虫转基因水稻获得农业部颁发的中国首张安全证书少打农药，少施化肥，抗旱节水，优质高产，对环境生态长远作用问题??编码目的基因表达可能对人体导致的过敏问题??调查发现，国内目前发对转基因的人数超过了赞成者，反对的呼声一浪高过一浪！克雷文特尔于2010年5月宣布,他们已经创造了一种人工合成的基因组,并且使用基因组表达培养出了第一个具有生命的有机体。打开了”潘多拉”之盒!免疫诊断•单克隆抗体•临床诊断的天下•疾病的预测•早期,准确诊断,•导向诊断,指导治疗•临床预后ELISA，免疫组化，荧光，化学发光，流式细胞仪多种形式单克隆抗体制备技术是诊断领域的革命！也是治疗领域的革命基因诊断•从遗传病到肿瘤•从Southern到PCR•从组织到外周血•病毒疾病检测显神威•基因芯片的诞生•DNA指纹神奇的PCR：1变成1000万“扩增RNA”的NASBA技术引物2逆转录酶逆转录酶T7RNA聚合酶逆相RNA扩增物RNaseH引物1引物1延伸RNaseH和引物2延伸RNAT7RNA聚合酶逆转录酶逆转录酶“分子灯塔”杂交AMV-RT(鸟肉瘤病毒逆转录酶):延伸形成RNA-DNA杂交链RNaseH:降解杂交链中的RNAT7-RNA聚合:转录形成的RNA转录产物亲子鉴定-DNA指纹通过用限制性内切酶消化和与特异的核心探针（VNTR）杂交取得不同大小的DNA片段的多区带图谱，DNA指纹图被认为对某一个体是独特的。目前的DNA指纹是指不同的STR特异基因组合,最为常见的是国际通用的15个STR组合。父亲母亲子女1子女2子女3未来的基因芯片具有人体特征FISH技术是疾病诊断和治疗的重要技术DNA损伤和突变检测技术基因芯片-------生物芯片的先锋液相芯片利用微球标记和流式细胞仪的特性进行中高通量的各种分子检测，是检验领域中的革命！SPR技术分子互作仪也值得关注！测序技术飞速发展，一日千里！钱永健改造绿色荧光蛋白，通过改变其氨基酸排序，造出能吸收、发出不同颜色光的荧光蛋白，其中包括蓝色、青色和黄色，并让它们发光更久、更强烈。荧光蛋白成为生命科学研究和应用的重要工具生物素与亲和素在生物分子相互作用中，生物素和亲和素的特异性和牢固性特别受到青睐！蛋白质组学检测和分析技术蛋白质组学对于疾病机制诊断和治疗意义巨大结构生物学是阐明结构和功能关系的学科,技术性很强！计算可发挥更多作用对于生物机制阐明和药物开发至关重要！代谢组学作用日益体现代谢组学是系统研究生物体内各种代谢物质，尤其是小分子代谢物，新陈代谢是生命的基本特征，代谢组学的核心技术包括：1气相色谱－质谱联用(GC/MS)2液相色谱－质谱联用(LC/MS)3核磁共振(NMR)技术发展日新月异•科研的动力在于探求未知的好奇心•技术发展的动力除此还有利益驱动！•技术发展日新月异！（SNP，测序，芯片）•目前我们最缺乏掌握高级技术的人员！•我们的科学家甚至不屑技术，CRO•中国的研究经费大多耗费在试剂，仪器等技术性产品中！•我们最落后的是仪器，是生物技术产业！“生物经济”在国民经济中的地位生物技术催生生物经济，比尔盖茨的预言，中国曾经的首富李锂夫妇；BT&IT医药：从1998年开始，全球生物制药产业的年销售额连续10年增长速度保持在15%~33%，成为发展最快的高技术产业之一。2007年基因工程药物的销售额已达到840亿美元，占整个医药产业销售额的12%左右，并且这一比重逐年递增。•祝大家中秋节快乐