海洋生物技术

1第一章绪论1.1课程介绍海洋生物技术是２０世纪８０年代发展起来的高技术群，是现代生物技术与海洋生物学相交叉的产物。海洋资源丰富，通过海洋生物技术手段可以从海洋中开发利用海洋资源。我国是海洋大国，海洋生物技术专利在我国海洋科技和海洋经济发展中占有重要地位。是生物技术专业的必修课。教学重点：海洋生物技术主要包括海洋微生物生物技术、海洋动物生物技术、海洋大型藻类生物技术、海洋生物资源遗传多样性检测技术、海洋生物资源种质保存技术、海洋环境检测与保护生物技术、病害的检测与防治等生物技术。不同的生物技术侧重点各有不同，重点要清楚原理和技术方法及相关应用。教学难点：生物技术是一个综合学科，海洋生物技术是海洋生物学和生物技术的交叉学科。涉及的知识点较多，需要的背景知识较多，并且生物技术发展较快，因此教学难点是一些较新技术方法及原理的讲解，技术及原理较繁琐，难以理解。1.2课程安排2课程基础2.1海洋生物2.2生物技术2.3海洋生物技术2.4海洋生物技术的发展22.5海洋生物技术主要研究内容2.1海洋生物2.1.1海洋动物海洋动物现知有16～20万种，它们形态多样，包括微观的单细胞原生动物，和长达30余米、重190吨的高等哺乳动物──蓝鲸等；分布广泛，从赤道到两极海域，从海面到海底深处，从海岸到超深渊的海沟底，都有其代表；按生活方式划分，海洋动物主要有海洋浮游动物zooplankton、海洋游泳动物Nekton和海洋底栖动物Benthos三个生态类型；按分类系统划分，动物界共有33个门，海洋中特有15个门。海洋生态系和非海洋生态系中的动物界门类比较浮游动物（zooplankton）浮游生物：是指在水流运动的作用下，被动地漂浮在水层中的生物群。原生动物（protists）浮游甲壳动物（crustaceanplankton）——桡足类、磷虾类、端足类、樱虾类、枝角类、介形类、糠虾类、涟虫类、等足类等水母类和栉水母类毛颚类：又称箭虫被囊动物有尾类也称幼形类原生动物（protists）：游泳动物Nekton包括海洋鱼类、哺乳类(鲸、海豚、海豹、海牛)、爬行类(海蛇、3海龟)、海鸟以及某些软体动物(乌贼)和一些虾类等。底栖动物Benthos底栖生物是由生活在海洋基地表面或沉积物中的各种动物所组成。固着生物：海绵动物、苔藓动物附着生物：贻贝、扇贝、珠母贝匍匐动物：大部分腹足类软体动物、海星类、海胆类污损生物（foulingorganisms）过去也称周丛生物、固着生物或附着生物。藤壶、牡蛎、贻贝等。2.1.2海洋植物海洋植物比陆地植物少，主要包括海藻和海洋种子植物；海洋种子植物种类不多，有130种左右，都属于被子植物，可分为红树植物和海草两类。海草属于沼生目，现知12属49种，隶属于眼子菜科和水鳖科；全世界已知的红树植物共有18科23属80种，分别隶属于双子叶植物纲和单子叶植物纲。海藻包括微藻和大型藻；蓝藻门、甲藻门、金藻门、硅藻门、裸藻门、黄藻门、绿藻门、红藻门、褐藻门。2.1.3海洋微生物海洋病毒海洋细菌海洋真菌海洋古菌海洋真核微藻4海洋微生物的种类2.2生物技术2.2.1概念2.2.2分类2.2.3研究领域2.2.4重要性2.2.1概念“生物技术”一词首先由匈牙利的KarlEreky与1917年提出。生物技术（Biotechnology）：操纵生物（微生物、植物、动物）的细胞、组织或酶，进行生物合成、生物转化或生物降解，大规模地生产预期产品或达到特殊目的的一门技术”。2.2.2分类依历史发展或所用方法的不同，可分成以下两大类：传统生物技术：应用酿造发酵、培育新种等传统的方法生产有用物质。现代生物技术：以生物化学或分子生物方法改变细胞或分子的遗传性质。这是在根本上控制了生物的代谢或生理，以达到生产有用物质之目的。2.2.3研究领域基因工程细胞工程酶工程发酵工程5蛋白质工程基因工程基因工程是指在微观领域（分子水平）中，根据分子生物学和遗传学原理，设计并实施一项把一个生物体中有用的目的DNA(遗传信息)转入另一个生物体中，使后者获得新的需要的遗传性状或表达所需要的产物，最终实现该技术的商业价值。细胞工程概念：应用细胞生物学和分子生物学方法，借助工程学的试验方法或技术，在细胞水平上研究改造生物遗传特性和生物学特性，以获得特定的细胞、细胞产品或新生物体的有关理论和技术方法的学科。研究范畴：广义的细胞工程包括所有的生物组织、器官及细胞离体操作和培养技术，狭义的细胞工程则是指细胞融合和细胞培养技术。根据研究对象不同，细胞工程可分为动物细胞工程、植物细胞工程和微生物细胞工程。细胞工程的理论核心细胞全能性概念1902年，德国植物学家Haberlandt提出了细胞全能性的假想。1934年，White首次定义为:每个植物活细胞在合适的条件下，都有发育为胚的能力。70年代，扩大了以上定义范围，认为：植物活细胞不但能形成胚状体，而且能发育为完整植株。680年代初，认为：任何植物的离体细胞在人工培养下都具有它们母体植株的那种合成药用成分的能力，即培养细胞的药物生物合成的能力。目前细胞全能性定义：每个植物活细胞都具有该物种的新陈代谢、应激性和自体复制等生命基本属性，在合适的离体培养条件下，可以展现这些特征属性。植物活细胞具有生命特征属性生命特征属性细胞具有生命特征属性离体培养细胞展现该物种的生命特性生命特征属性：新陈代谢：是指维持生命各种活动过程中的化学变化的总称。应激性：是指生物体随环境变化的刺激而发生相应反应的特征。自我复制：自我复制：是指生物体利用自身作模板，通过代谢作用，复制出完全相同的结构，或产生也具有相同的自体繁殖能力的突变结构。细胞具有生命特征属性生物体由细胞组成，所以细胞也具有生命特征属性。细胞是生物体结构和功能的基本单位。核酸是构成细胞的重要物质，携带着遗传信息，并具有自我复制的能力，但当单独存在时，不能表现出生命特征属性。只有组成细胞时，才能表现完整的生命7活动。离体培养细胞展现该物种的生命特性1.培养细胞的新陈代谢：在适宜条件下，离体细胞能够存活，则具有新陈代谢特性。如：绿色细胞具有光自养能力；培养细胞具有该物种的药物生物合成的能力。2.培养细胞的应激性：在适宜培养条件下，离体细胞具有应激性：植物组织切割损伤后，应激于培养条件而出现脱分化，并在适宜的条件下再分化（芽和根）。3.培养细胞展现自体复制特性细胞工程的基本技术细胞工程所涉及的主要技术有：细胞培养技术、细胞融合技术、细胞器移植和细胞重建技术、染色体工程技术、体外授精和胚胎移植技术等;细胞工程的基本技术1．细胞培养技术细胞培养技术是指动物和植物细胞在体外无菌条件下的保存和生长。即将机体内某一组织取出，使其分散成单个细胞，在体外人工的生长条件下培养，使细胞生长和不断增殖。细胞工程的基本技术2．细胞融合技术指两种不同亲株经酶法去除细胞壁得到两个原生质体，并在助融剂作用下互相凝集并发生细胞间的融合，进而导致基因重组，获得新8菌株。其融合频率明显高于常规杂交数倍至几十倍。对促进基因重组、遗传育种、选育优良品系，以达到高产优质具有重要实践意义。细胞工程的基本技术3．细胞器移植和细胞重建技术所谓核移植技术就是利用显微操作技术将一个细胞的细胞核移植到另一个细胞中，或者将两个细胞的细胞核（或细胞质）进行交换，从而可能创造无性杂交生物新品种的一项技术。动物细胞与组织培养植物细胞与组织培养细胞融合是指不同的细胞在离体条件下接触，用无性的方法使其成为一体而产生杂种细胞的技术。植物细胞和微生物细胞常因有细胞壁不能直接用于融合，须经酶法除去细胞壁而得原生质体而后再进行融合，又称原生质体融合。细胞融合的过程：细胞在促融因子的作用下，出现凝集现象，然后，细胞之间的质膜发生粘连，细胞开始融合，然后在培养过程中，进而发生核融合，形成杂种细胞。细胞融合细胞融合的方法1）生物学法：采用病毒促进细胞融合。如仙台病毒、疱疹病毒、天花病毒等，能诱导细胞融合。92）化学融合法：采用化学融合剂使细胞融合。如PEG（聚乙二醇）、DMSO（二甲亚砜）、甘油酸酯等；钙离子参与。3）电融合法：电场脉冲刺激，使细胞膜透性增加，促进融合。胚胎工程蛋白质工程“后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究，包括研究蛋白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作用。蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动力学等结构与功能认识的基础上，对蛋白质人工改造与合成，最终获得商业化的产品。蛋白质工程的主要步骤通常包括：从生物体中分离纯化目的蛋白；测定其氨基酸序列；借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构;设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。发酵工程现代发酵工程主要指利用微生物、包括利用DNA重组技术改造的微生物在全自动发酵罐或生物反应器中生产某种商品的技术。10现代发酵工程是生物代谢、微生物生长动力学、大型发酵罐或生物反应器研制、化工原理等密切结合和应用的结果。酶工程应用目的出发研究酶，在一定的生物反应装置中利用酶的催化性质，将相应原料转化成有用的物质。是酶学和工程学相互渗透结合形成的一门新的技术科学，是酶学、微生物学的基本原理与化学工程有机结合而产生的边缘科学。生物技术是当今六大高新技术之一。我国把它列为六大高新技术之首。生物技术是世界各国普遍关注和重视的热点，如1973—1977年全世界约有400多家生物工程公司，到1992年单美国就创办2000多家生物技术公司，每年投入近60亿美元进行研究开发利用。2.3海洋生物技术海洋生物技术：利用海洋生物或其组成部分开发和生产有用的生物产品以及定向改良海洋生物遗传特性的综合性科学技术。2.4海洋生物技术的发展海洋生物技术兴起于20世纪80年代，是海洋生物学的一门新兴的研究领域；1988年，日本最早设立了海洋生物技术研究所，并投资10亿日元，建立两个药物实验室，上市产品“救多善”，1996年销售额达百亿元港币。随着神经生物学、海洋生态学、海洋工程学、深海探测技术、海洋化工、生物技术、分子生物学、基因工程的发展，海洋生物技术的研究领域日益拓宽。112.5海洋生物技术主要研究内容海洋生物活性物质的开发与利用酶、抗生素、毒素、其它活性物质海洋环境生物技术海洋污染的治理与监测海洋动植物、微生物育种、养殖、病害检测与防治、种质保藏、加工,海水养殖研究海洋生物分子过程生命过程的研究小结掌握海洋生物技术的概念和主要研究内容；熟悉海洋中的生物类型；了解生物技术及其涵盖内容的概念及应用。第二章海洋微生物生物技术主要内容海洋微生物的特点海洋微生物的分离与鉴定海洋未培养微生物资源的开发及应用海洋微生物单细胞蛋白海洋微生物单细胞油脂海洋微生物酶海洋微生物活性物质12海洋微生物基因工程海洋微生物基因组学海洋微生物是什么?定义：分布在海洋中的个体微小、形态结构简单的单细胞或多细胞生物。海洋微生物分类：海洋真菌、海洋细菌、海洋放线菌、海洋病毒、海洋蓝细菌。海洋微生物的特定：嗜盐性、嗜冷性、嗜压性、低营养性等。1海洋微生物的特点嗜盐性嗜盐菌能够在盐浓度为15-20%的环境中生长，有的甚至能在32%的盐水中生长。是海洋微生物最普遍的特性。嗜冷性在0℃生长或其最适生长温度低于20℃的微生物称为嗜冷微生物。嗜冷菌主要分布于极地、深海或高纬度的海域中，细胞膜构造、酶活力等适应低温的特点。嗜压性水深每增加10米,静水压力递增1个标准大气压。海洋最深处的静水压力超过1000个大气压56%以上的还有环境处于100-1100大气压中嗜压性--是深海微生物独有的特性。多形性13同一株细菌纯培养中，可以同时观察到多种形态，如：球形、椭圆形、大小长短不一的杆状或各种不规则图形的细胞。这种多形现象在海洋革兰氏阴性杆菌中尤为普遍。这种特性是微生物长期适应海洋复杂化境的产物寡营养性深海中营养物质较为稀少，海洋环境中溶解性有机碳(DOC)水平常年维持在50μmol/l~100μmol