7生物技术

——现代生命科学的革命1.1生物技术的作用与意义•生物技术是生命科学的基础•生命科学的基础学科是生物学•生物技术是现实生产力•生物技术是巨大的潜在生产力•生物技术是21世纪高新技术的核心内容•生物技术产业是21世纪的支柱产业1.2生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点•二十世纪后叶，分子生物学领域一系列突破性成就，使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的变化，成为领先学科•建立在实验室研究基础上的，现代生物技术的发展，为人类带来了巨大的利益和财富1.3生物技术将是未来经济发展的新动力第一次技术革命工业革命解放人的双手第二次技术革命信息技术扩展人的大脑第三次技术革命生物技术改造生命本身高技术高投入高利润高风险1.4生物技术的特点•传统发酵酿酒、制酱、制醋技术•1860年，巴斯德单一霉菌纯粹培养技术•1878年，啤酒酵母单一培养技术•1881年，细菌的纯粹培养技术•1929年，抗菌素盘尼西林发现•1946年，用细菌生产出氨基酸1.5生物技术简史•1952年，用微生物转化荷尔蒙获得成功•1953年，沃森和克里克提出了DNA双螺旋结构•1972年，美国斯坦福大学构建了第一个重组DNA分子•1977年，在美国旧金山建立了世界上第一家遗传工程公司1.6现代生物技术又称生物工程或生物工艺学，是以生命科学为基础，用先进的科学原理和技术手段来研究生物体(材料)，为人类生产出所需要的产品或达到某种目的(如防治疾病、保护环境等)。突破点——DNA双螺旋结构的发现发展方向——分子生物学技术突破——重组DNA技术1982年，国际合作与发展组织的定义为：生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术美国政府技术顾问委员会(OAT)的定义是：应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术，还包括改良有重要经济价值的植物与动物，以及利用微生物改良环境的技术该定义强调了生物技术的商品属性克隆羊“多莉”1.7生物技术定义：1.8什么是生物工程生物工程是生物技术的总称，是对生命有机体在分子水平、细胞水平、组织水平、个体水平进行不同层次的创造性设计和改造，使之能定向组建具有特定性状的新物种或新品系，从而造福人类的现代应用技术研究生物工程的意义•使人类进入了按照自己的需要人工创造新生物的伟大时代•它是世界新技术革命的三大支柱之一（信息、材料、生物工程），具有相当大的潜在生产力2生物技术的四大体系•基因工程•细胞工程•酶工程•发酵工程2.1基因工程定义将不同生物的外源DNA(基因）插入到载体分子上，形成“杂种”DNA分子，导入受体细胞中扩增和表达技术上的三大发明•限制性内切酶和连接酶：DNA的“手术刀”与“缝纫机”•载体：运送遗传物质的工具，如质粒、病毒等•逆转录酶：从mRNA到DNA，使真核基因制备成为可能基因工程的内容•目的基因的获得•目的基因与载体的连接成重组DNA分子•重组DNA分子导入受体细胞•筛选重组克隆•基因表达与产物分离（1）获得目的基因和载体（2）切割、连接形成新的重组DNA分子（3）重组DNA分子导入受体细胞，并能在受体细胞中复制和遗传（4）对转化子筛选和鉴定（5）对获得外源基因的细胞或生物体通过培养，获得所需的遗传性状或表达出所需要的产物基因工程的基本过程从生物基因组中分离得到基因组DNA酶切产物总RNAmRNAcDNA人工合成化学合成PCR（聚合酶链式反应）分离逆转录步骤一—获得DNA片段，取得目的基因质粒DNA外源DNA酶切酶切外切酶外切酶膜端转移酶膜端转移酶DNA聚合酶DNA连接酶变性、复性步骤二—DNA片段和载体DNA在体外连接转化某一基因型细胞从周围介质中吸收另一基因型细胞的DNA，而使其基因型和表型发生相应变化的现象转染除去蛋白质外壳的病毒核酸感染细胞或原生质体的过程转导用噬菌体做载体，将一个细胞的基因传递给另一个细胞的过程步骤三—将重组的DNA引入宿主细胞从大量携带重组体DNA的宿主细胞中分离出携带目的基因的细胞步骤四—选择、筛选遗传学方法对于带有抗药性基因的质粒，可通过检测受体菌是否由敏感状态变成抗药状态进行筛选.免疫学方法用特异性抗体检测基因产物从而筛选阳性克隆的方法筛选方法看新基因能否在新细胞中“定居”下来，能否复制自己稳定传代，能不能产生表达作用，指导蛋白的合成步骤五—培养、观察基因工程的应用制造稀少珍贵的蛋白质药物1982年，美国食品与药物管理局批准了首例基因工程产品——人胰岛素投放市场，它标志着基因工程产品正式进入到商业化阶段人生长激素、表皮生长因子、肿瘤坏死因子、α-干扰素、纤维素酶、抗血友病因子、红细胞生成素、尿激酶原、白细胞介素-2、集落刺激因子、乙肝疫苗等等转基因植物转基因农作物转基因蔬菜转基因果树转基因花卉转基因草类转基因林木1983年世界上第一个问世的转基因植物就是抗除草剂烟草。全球第一个被批准商业化的转基因植物是番茄。转基因动物畜牧业中的应用动物疫苗、生长激素等例：从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA种植业中的应用抗化学除草剂基因转基因西红柿固氮酶基因人类DNA……环境保护等等2.2细胞工程•定义细胞工程是指通过细胞水平上的筛选或改造，获得有商业价值的细胞株或细胞系，再通过规模培养，获得特殊商品的技术与过程。它包括细胞融合、细胞器移植、染色体工程、细胞和组培技术等通过生物学、化学或物理学的方法，使两个不同种类的体细胞融合在一起，从而产生具有两个亲本遗传性状的新细胞童鱼——世界上第一条没有父母的鱼“鲫鲤核质杂交鱼”体细胞杂交/细胞融合技术组织培养/快速无性繁殖利用植物组织、植物细胞的全能性，进行快速无性繁殖。优点可固定杂种优势免除制种环节对珍贵植物的引种生产具有特别意义举例组织培养法再生兰花；人工种子植物组织与细胞培养组织培养叶肉组织愈伤组织新植株快速无性繁殖单个细胞营养培养基克隆植株•细胞育种诱导突变，筛选新品系、新品种植物组织与细胞培养突变与突变体筛选植物组织与细胞培养次生代谢产物生成从培养的植物细胞中提取所需的代谢产物。优点比栽培原料作物更易控制最佳生产条件培养物为无菌、无虫材料，能保证产品质量工艺操作较为简单，可减少劳动费用，提高生产力2.3酶工程•定义利用酶的特异催化功能，将一种物质转化为另一种物质的技术•基本步骤将酶制剂精制成固相的酶，然后将其组装在特殊的器件中形成生物反应器，利用这种反应器将底物转化为人类需要的产品•优点快速；高效；产品回收和提纯工艺简便•酶工程研究的两个方面酶分子的改造与修饰通过这种改造来改变酶的物化性质及其生物活性，甚至赋予新的功能，提高其在不良环境中的稳定性，扩大酶的应用范围酶抑制剂的开发研究所谓酶抑制剂是指能引起酶分子活力下降甚至完全丧失的物质2.4发酵工程•定义现代发酵工程主要指利用微生物、包括利用重组DNA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包括菌种选育、菌种生产、代谢产物发酵和分离以及微生物机能的利用等•优点投资省；见效快；污染小•应用食品药品精细化工产品工业用原料生物降解塑料……2.5生物技术的新浪潮•蛋白质工程•海洋生物工程•生物计算机•农业生物工程•生物传感器蛋白质工程—第二代基因工程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以蛋白质为对象为目的的生物工程必须突破以下几个难关：基因结构的改变基因的高效表达翻译后的蛋白修饰新蛋白的提纯海洋生物工程•以海洋为对象，生产、开发人类所需的新食物、新能源、新药物和新材料的生物工程（如：培育新品种的海鲜、生产海洋生物活性物质、治理海域污染等）生物计算机•特点能制成超高密度的线路、生物芯片能制成半永久性元件以生物化学反应模拟人体机能进行工作，所需能量很少•目前已制成蛋白质薄膜、DNA芯片等农业生物工程•生物工程技术在农业革命中的应用•包括：基因工程改良细胞工程育种快速无性繁殖畜牧业中的生物工程技术等生物传感器•是一类通过各种类型的敏感膜将生物体内的化学信号转化为电、热、光等讯号的传感检测器•第一代：由固定化酶膜和电化学器件组成的酶电极第二代：微生物、细胞器、动植物组织、免疫等生物传感器第三代：生物电子学传感器，将具有智能3克隆1)什么是克隆(clone)？克隆的定义是独立细胞繁殖系，指后代完全由一个细胞复制，具有完全相同的遗传物质。它是特制一种生物学操作。2)单性繁殖就是克隆吗？克隆是无性繁殖，但无性繁殖不一定就是克隆。许多低等动物，都可以在雌雄同体的情况下，进行孤雌生殖。3)无性繁殖是克隆么？也不一定。即使是无性繁殖，也不能保证染色体不发生变化。4)可以利用克隆技术来挽救濒危动物吗？一般来说，不可以。挽救濒危动物需要提高他们的繁殖能力。而克隆做的是另外一件事情：得到遗传结构完全相同的后代。5)克隆是遗传学的重大突破吗？克隆是一种繁殖技术。大家现在所说的克隆，实际是指核移植。6)克隆有什么实际意义？克隆出来的动物个体具有完全相同的遗传结构，他的意义在于：A、生物学和医药研究。B、获得更多的优秀动物个体用于生产。C、复制生产高价药物的动物。7)可以克隆人吗？当然可以。即使是成体细胞核移植，在理论上也是可以的。技术上还没有看到什么不可逾越障碍。但是，很多国家都禁止这种克隆人的产生。3.1克隆羊“多莉”的产生过程3.2克隆人的技术路线实验4.人类基因组计划(HGP)•基因组（genome）是一个单倍体细胞内基因的总和，它分为核基因组、线粒体基因组与叶绿体基因组。基因组内包括编码序列与非编码序列十几年以来，科学家们它在人的二十三对染色体上发现了几千种基因。其中包括：亨迷顿舞蹈病基因（此病多发于中年时期，属致死性神经变性疾病）、遗传结肠癌乳腺癌基因、先天性免疫缺损综合症基因、家族性高血压基因以及肥胖基因、衰老基因、糖尿病基因等等。而且随着人类基因组计划的实施。现在每天都有大量的人体基因被发现鉴定。然而已发现的几千种基因在人类基因组中，有如九牛一毛，微不足道。人类基因研究的启动：人类基因组计划是一项国际性的宏大工程，其规模及意义远在曼哈顿计划之上。这一计划的主要目标是破译人体的几万个基因密码，即绘制人体全部基因图谱。包括染色体物理遗传图谱绘制。基因分离克隆，基因定序及功能鉴定、人类遗传数据库的创建等四大部分的内容。这一计划完成后，人类将拥有一幅自身的遗传蓝图，一本基因密码手册，（若用16开A4纸记录人类全部遗传密码，DNA排列顺序，则需40万页！）利用它，人们可纠正任何基因病或分子病，研究出有效的疾病检测方法和治疗手段。人类基因组计划的实施：美国联邦政府雄心勃勃的人类基因组计划是历时15年，(1991~2005），耗资30亿美元，完成全部人类基因的测序工作。1994年低，一张覆盖整个基因组的人类遗传图谱已经完成，而高质量的物理图谱也已能覆盖95%的基因组。更为精细的物理图谱（每100kb含有一个标记位点）的完成预计在今年年底完成。是欧洲和北美血统的DNA捐赠者，而人类基因组多样性计划是研究人类基因组种族差异性。这种人种差异性为0.1%（约对应于100多个基因）。这些差异基因很可能具有巨大的经济价值。因此我国亦建立了黄种人基因组计划。人类基因组计划的倡导者是美国人类基因组计划的对象基因组计划的实施会带来许多伦理学、法学和社会学问题。人类基因组计划的后果：首先碰到的是专利问题。现在美国好几家大公司均参入人类基因组计划，每克隆鉴定一个基因，他们就将整个基因申请专利，占为己有。致病基因的鉴定将使人们得知自己患某些癌症的概率，如欧美血统的妇女有八分之一的概率患乳腺癌。但若某妇女其近亲有一人患乳腺癌，则她患乳腺癌的概率剧增至85%。同时还具有患卵巢癌的45%的危险。这样，某人的基因鉴定结果常会导致保险公司拒绝保险或恣意提高投保金额的依据，造成严重的社会问题。2.后基因组计划•基因克隆计划:克隆和鉴定人的3-