生物技术与医药

1生物技术与医药BiotechnologyandMedicine2第一节生物技术一、生物技术的定义(DefinitionofBiotechnology)1982年国际合作及发展组织对生物技术进行的定义：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来为社会服务的技术3生物技术与其他学科的关系Therelationshipofbiotechnologyandothersubjects分子生物学生物医药技术微生物学农业生物技术生物化学现代生物技术工业生物技术遗传学生物技术诊断细胞生物学家畜生物技术化学工程海洋生物技术4二、生物技术的发展Thehistoryofbiotechnology（一）传统生物技术•1000多年以前人们就开始应用生物技术•公元前6000年前，苏米尔人即古代巴比伦人就已会酿造啤酒•公元前5000年~公元前4000年（即仰韶时期）我国的先人在就利用小口尖底瓮保温发酵酿制谷芽酒•我国的酱油距今已有3000年的历史•1857年巴斯德证明发酵是由于微生物的作用•1917年匈牙利工程师KarlEreky提出生物技术这个词5二、生物技术的发展Thehistoryofbiotechnology（二）近代生物技术•1928年Fleming发现了青霉素•20世纪40年代抗生素工业成为生物技术产业的支柱产业•20世纪50年代氨基酸发酵工业出现•20世纪60年代酶制剂工业开始形成规模•20世纪70年代出现了以基因克隆为代表的现代生物技术近代生物技术的特征是微生物发酵技术6传统与近代生物技术的主要步骤主要是通过微生物的初级发酵来生产产品，它一般包括3个重要的步骤：第一步：上游处理过程指对粗材料进行加工，作为微生物的营养和能量来源第二步：发酵和转化微生物在一个大的生物反应器内大量生长，生产某一目的产品，比如抗生素、氨基酸等第三步：下游加工过程主要是指目的产物的纯化过程7传统与近代生物技术的主要研究内容•菌种的筛选与诱变•适合菌种生长的培养基及培养条件•生物反应器的设计与制造•发酵产物的纯化8（三）传统与近代生物技术的局限性提高产量的幅度非常有限传统的诱变和选择的方法过程烦琐、耗时长、费用高、筛选克隆多只能提高微生物一种已有的遗传性质，不能赋予这种微生物其他遗传特性9（四）现代生物技术1.现代生物技术的出现Theemergeofmodernbiotechnology•1953年Watson和Crick发现了DNA双螺旋结构，奠定了现代分子生物学的基础•1973年美国加利福尼亚大学旧金山分校的HerbertBoyer教授和斯坦福大学的StanleyCohen教授共同完成的基因工程实验为标志10BoyerandCohen11DNA双螺旋结构DoublehelixstructureofDNA12BoyerandCohen的策略132.现代现代生物技术的主要研究内容Thecontentofmodernbiotechnology•基因工程(Geneticengineering)•细胞工程(Cellengineering)•酶工程(Enzymeengineering)•发酵工程(Fermentationengineering)•蛋白质工程、抗体工程、糖链工程、生物转化等14（1）基因工程Geneticengineering基因工程又叫遗传工程，是现代生物技术的核心和主导。所谓遗传工程就是从生物体中把生物遗传物质（基因或DNA分子）分离出来，或人工合成一段基因，用人工的方法对遗传物质进行搭配、组合，然后转入某生物的细胞内，从而通过改变其遗传物质的结构来改变它的遗传特性，使它定向地产生所需的生物品种。由于它在DNA分子水平上动手术，又称为DNA重组技术、分子水平杂交技术或称基因操作。15•基因克隆示意图载体DNA(限制性内切酶切开)目的基因＋宿主细胞＋重组体已转化的宿主细胞阳性克隆株繁殖表达16基因工程Geneticengineering基因工程可以跨越生物远缘不能杂交的鸿沟，实现物种，甚至动物、植物、微生物之间的基因杂交，所获得的生物产品或生物新品种在医药、卫生、农业、畜牧业和环境保护具有广阔的应用前景。17（2）细胞工程Cellengineering细胞工程是指将一种生物细胞中携带的全套的遗传信息的基因或染色体整个地转入另一种生物细胞，从而改变其细胞的遗传特性，改造了生物的性状与功能，从而创造了新的生物类型。由于细胞工程是在细胞水平上动手术，又可称为细胞操作技术。18细胞工程的内容Thecontentofcellengineering•细胞培养（cellculture)•细胞融合(cellfusion)•细胞重组（cellrecombination）•杂交瘤技术（单克隆抗体）(hybridomatechnique)•原生质体融合技术(protoplastfusiontechnology)•组织培养技术(tissueculturetechnology)19细胞培养（Cellculture)指将动物、植物或微生物的细胞或组织经无菌处理后置于人工培养基上，使细胞增殖，进而按需要培养的技术。20细胞融合技术Cellfusiontechnology细胞融合技术是将两个不同种类的细胞，通过化学的、生物的或物理的办法，使它们彼此融合在一起，从而产生出兼有两个亲体的遗传性状的细胞。这实质上是无性杂交，故又称其为体细胞杂交。21细胞重组（cellrecombination）指在体外条件下，运用一定的实验技术从活细胞中分离出各种细胞的结构或组成部件，再把它们在不同的细胞之间重新进行装配，成为具有生物活性的细胞，主要有核移植、叶绿体移植、核糖体重建和线粒体装配等技术。世界上第一例经体细胞核移植成功的动物—多莉的培育过程如图。22杂交瘤技术（单克隆抗体）(hybridomatechnique)是指将产生抗体的细胞与具有无限增殖能力的骨髓瘤细胞相融合，通过有限稀释法及克隆化，使杂交瘤细胞成为纯一的单克隆细胞系，由于这种杂交瘤细胞产生的抗体是针对一个抗原决定簇的抗体，又是单一的淋巴细胞克隆产生的，故又称为单克隆抗体，2324组织培养技术Tissueculturetechnology•人或动物的组织培养•植物的组织培养•2001年2月26日，在北京展览馆'国家863科技成果展'上一只长'人耳'的老鼠正与公众见面。'裸鼠'由上海组织工程研究与开发中心成功培育，体外再生耳廓形状软骨(俗称体外再生耳朵)意味着耳朵不仅可以大规模生产，也可直接移植到病人身上。25（3）发酵工程Fermentationengineering发酵工程是通过现代技术手段，利用微生物的特殊功能生产有用的物质，或直接将微生物应用于工业生产的一种技术体系。这项技术主要包括菌种选育、菌种生产、代谢产物的发酵，以及微生物机能的利用等技术。发酵工程已用于多种产品如酒类、抗生素、氨基酸、微生素、激素、工业用酶等生产。近年来，随着基因工程、细胞工程和酶工程技术向发酵工程的渗透，更拓宽了它的应用领域。26发酵工程的具体过程示意图27（4）酶工程Enzymeengineering酶工程是利用酶的催化特性，通过化工技术进行物质转化的工程技术。它主要包括酶的开发和生产、酶的分离和纯化、酶的固定化、反应器的研制及酶的应用等内容。2829（5）蛋白质工程Proteinengineering蛋白质工程是一门从改变基因入手，制造新型蛋白质的技术。其过程是：先找到一个合成与这种新型蛋白质的基因接近的基因；然后，修改这个基因（用定位突变技术修改这个基因的核酸顺序）；再把修饰好的基因植入细菌或生物的细胞里，让细菌产生出人们想要的新型蛋白质。30用基因的点突变技术改变IFN-的结构和稳定性31它与基因工程的区别在于，前者是利用基因拼接技术用生物生产已存在的蛋白质，后者则是通过改变基因顺序来改变蛋白质的结构，生产新的蛋白质。因此，蛋白质工程又被称为第二代基因工程，也被称为第二代生物技术。32第二节生物技术与药物研究一、生物技术与药物发现•生物技术是药物发现的重要技术手段，现代生物技术的发展深刻地影响着药物发现的策略与研究模式，使得药物的发现取得了快速进展并获得了突破性的成果：•一方面，基因组学、蛋白质组学、转录组学等新兴学科的崛起和发展为药物的发现提供了更为广泛而深刻的理论基础；•另一方面，计算机辅助药物设计、分子对接和虚拟筛选、高通量筛选等技术的发展和完善，为药物发现提供了新的技术手段和有力工具，极大地拓宽了药物发现的途径。33（一）现代组学与药物发现1．基因组学（genomics）•基因组学是研究基因组的结构、功能及表达产物的学科，包括三个不同的亚领域，即结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学。•人类基因组计划的实施和完成提供了更多基因变异与药物个体效应差异之间的关联证据，为从基因水平研究药物反映的个体差异提供了物质基础和技术支持。因此，近年来在药物研究中提出了基因组药物学（或称基因组药理学，pharmacogenomics）的新概念，为新型药物的研究创造了新的契机。•未来的药物不仅要以所治疗疾病的类型作为研究的基础，同时将全面考虑患者的病理特点，包括患者个体的基因特点、代谢特点和功能变化特点，使药物的应用真正实现“量体裁衣”，达到最佳的个体化治疗效果。342．蛋白质组学（proteomics）•蛋白质是基因表达的最终产物，只有完全注释基因组序列所编码的蛋白功能，才能真正实现基因组研究的价值。•蛋白质组学是阐明生物体各种生物基因组在细胞中表达的全部蛋白质的表达模式及功能模式的学科，包括鉴定蛋白质的表达、存在方式（修饰形式）、结构、功能和相互作用等。35•蛋白质组学可以全面检测疾病发生与发展过程中以及药物干预过程中蛋白质表达谱和蛋白质-蛋白质相互作用的变化，从而发现影响疾病或药物作用的关键的具有特异功能的蛋白质，并对这些蛋白进行一级结构和三维结构测定，综合分析其生物学功能，推测新的、潜在的药物作用靶标。•蛋白质组学的研究也能促进人们根据功能蛋白质的空间结构及其变化规律合理设计药物或对其进行结构改造，从而产生新的药物。因此，蛋白质组学是基因组和药物发现的桥梁和纽带。363．转录组学（transcriptomics）•转录组学是一门在整体水平上研究细胞中基因转录的情况及转录调控规律的学科。简而言之，转录组学是从RNA水平研究基因表达的情况。•转录组学通过分析转录谱中的共调节基因，阐明基因选择性表达所依赖的复杂调控信号网络，提示基因组中与某一生命现象或病理状态相关的基因；•基于这些信号网络寻找和发现调控基因的未知生物学功能，提示药物潜在的作用靶点及其发挥作用的分子机制。•转录组学研究在指导新药设计与合成、新药筛选等药物发现过程中也具有重要的应用价值。374．代谢组学（metabonomics）•代谢组学以生物体液(包括尿液、血液、汗液、胆汁、脑脊液等)、细胞提取物以及组织提取物为主要研究对象，通过动态评价机体生物液体中内源性和/或外源性代谢产物的浓度与功能，即代谢产物谱的变化，来研究评价药物对机体产生的生物学作用及机体对药物的代谢途径、代谢特点等。38•代谢产物是机体继基因激活、转录、翻译、修饰等一系列生命活动之后的最终信号载体之一。•因此，代谢组学研究有可能更为准确而全面地揭示药物对机体所产生的生物学效应以及机体对药物的作用。•代谢组学为基因组学、转录组学和蛋白质组学研究的有力补充。•代谢组学技术还可以广泛地参与药物的早期药理学活性及毒性筛选、先导化合物的选择与优化以及药物的临床前安全性评价。39（二）与药物发现密切相关的生物新技术1．生物芯片技术（biochip,microarray）•生物芯片技术是指通过在微小基片（硅片或玻璃）表面固定大量的分子识别探针，或构建微分析单元或检测系统，对标记化合物、核酸、蛋白质、细胞或其他生物组分进行准确、规模化的快速筛选或检测。•目前，生物芯片主要包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片等。40412．表面等离子共振技术（surfacep