生物工程

第1节生物工程概述[生物工程]应用生命科学理论和工程科学技术手段，按照预先设计的蓝图，大规模地生产人类所需要的物质和产品的技术称为～1。生物工程的主要领域生命科学工程科学生物工程主要领域主要服务领域发酵工程基因工程细胞工程酶工程人类健康工农业资源能源环境生物工程的学科基础及主要领域生物工程享学课堂微生物工程菌发酵工程酶工程细胞工程产品基因工程酶动植物个体或细胞优良动植物品种生物工程主要领域之间相互关系示意图2。生物工程的特点生物工程，是20世纪70年代初开始兴起的一门新兴的综合性应用学科。[高效性和经济性]：基因工程应用举例与医药卫生（1）生产基因工程药品①优点：高质量、低成本②举例：胰岛素、干扰素、乙肝疫苗等60多种与环境保护（1）用于环境监测：用DNA探针可检测饮水中病毒的含量①方法：使用一个特定的DNA片段制成探针，与被检测的病毒DNA杂交，从而把病毒检测出来。②特点：快速、灵敏基因治疗①含义：把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。②举例：半乳糖血症（病因、研究成果）③发展前景：许多遗传病及疑难病症将被人类征服。细胞工程作为科学研究的一种手段，已经渗入到生物工程的各个方面，成为必不可少的配套技术。在农林、园艺和医学等领域中，细胞工程正在为人类做出巨大的贡献。利用细胞工程技术进行作物育种，是迄今人类受益最多的一个方面。我国在这一领域已达到世界先进水平，以花药单倍体育种途径，培育出的水稻品种或品系有近百个，小麦有30个左右。其中河南省农科院培育的小麦新品种，具有抗倒伏、抗锈病、抗白粉病等优良性状。[清洁和低耗][强调技术设计][可遗传和可扩散][对人类伦理道德观念有影响]生物技术的特点生物技术是以现代生命科学为基础，结合其他基础科学的，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。生物技术的主要内容有：基因工程、细胞工程、酶工程（也有称作蛋白质工程）和发酵工程。所以，也有人将生物技术称作生物工程。但是，生物技术和生物工程还是有区别，生物技术和生物工程同属理科，但是，生物技术更注重于操作和原理，而生物工程更注重于实际操作中的各种参数也就是有较多的工科内容在里面。随着生物技术的发展，现代生物技术正在以上四大基础工程上稳步发展，最明显的特点是由以前的研究型向现在的应用性发展。比如，以前是通过生物技术的手段去研究染色体上某位点基因的功能，而现在，则是在以前的基础上对这个基因进行改良或者创造新的基因来完善或加强生物的某些功能。总之，有进步性的特点。1）更加注重实际应用，实际生产决定研究方向，更多的人把精力放在了优良技术的创造。2）操作先进化，以往的生物技术往往以酶工程和发酵工程为代表，获得的都是一些蛋白或者微生物产物，如青霉素的获得。但是现在更加注重基因工程和细胞工程，从微观去创新。3）理论基础的多样化，现在学生物技术，不是掌握微生物学、动物学就可以了，还要有更多的如生化、分子生物学的基础才行。第2节细胞工程[细胞工程]是生物工程的一个重要方面。总的来说，它是应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的设计蓝图，进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养。当前细胞工程所涉及的主要技术领域有细胞培养、细胞融合、细胞拆合、染色体操作及基因转移等方面。通过细胞工程可以生产有用的生物产品或培养有价值的植株，并可以产生新的物种或品系。高中概念）是指应用细胞生物学和分子生物学的方法，通过某种工程学手段，在细胞水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质，从而获得新型生物或特种细胞产品、或产物的一门综合性科学技术。（大学概念）应用细胞生物学和分子生物学原理和方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平或细胞器水平上，依照人们的需要和设计来改变细胞内遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。（更具体概念）是指应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法，按照人们的需要和设计，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞的结构和内含物，以改变生物的结构和功能，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的生物工程技术。植物组织培养的技术流程（1）首先无菌培养的建立：任何植物细胞或组织培养体系的建立，都必须采制适宜的外植体。（2）诱导外植体生长与分化：将外植体放在培养基里，培养基中含有植物组织正常生长的营养和促使植物进行分化的激素，促使外植体开始分化出新芽。（3）愈伤组织的形成：在组织培养中，受伤组织切口表面在适宜条件下长出的一种脱分化的组织堆块，称为愈伤组织（Callus）。此种愈伤组织在适当的培养基上经一定时间即能诱导生长成整株植物。因此愈伤组织既是某种植物代谢产物的来源，又是诱导成株的主要途径之一。（4）促进中间繁殖体的增殖：在第二阶段培养的基础上所获得的芽、苗、胚状体和原球茎等等，数量都还不多，也难以种植到栽培介质中去，这些培养的材料可统称为中间繁殖体，它们需要进一步培养增殖，使之越来越多，才能发挥快速繁殖的优势。（5）壮苗和生根：在材料增殖到一定数量后，就使部分培养物分流，进入壮苗与生根途径。在生根壮苗培养基上，大多数植物要分离成单苗，有的可分成小丛苗。转移培养后应停止增殖，迅速生根，同时苗也长高，以便于以后移栽。（6）试管苗出瓶种植与苗期管理：经过上面几个阶段，小苗已生根成为完整的再生植株，可以被移植到土壤里了。在这个阶段，湿度要求很高，以使它们适应新的环境。每天将盖在植株上的罩子移开一点，整个过程大约两个星期，让植物慢慢适应外界环境。20世纪50年代初期，美国科学家斯蒂瓦特用悬浮培养法培养野生胡萝卜的轫皮部细胞，1958年培养出具有根、茎、叶的完整植株，首次证实了植物细胞全能性。1964年，印度古哈和马赫施瓦里在离体培养毛叶曼陀罗花药时，首次培育出单倍体的植株。我国科学家在组织培养技术、单倍体育种方面，培育出许多优质高产的小麦、水稻新品种，在国际上处于领先地位。植物细胞具有全能性是植物组织培养的理论基础。目前已有1500多种植物克以用根、茎、叶或花的一部分组织进行培养获得完整植株。植物组织培养需要在无菌条件下进行，并需控制温度、PH和光照条件。人工配制的培养基含有糖类、无机盐、尾生素、植物激素等物质。来自植物体个部分的组织细胞，有着不同的结构和功能，当被接种在人工培养基上，受到植物激素和外界条件的作用，一般先脱分化，成为一团没有特定结构和功能的分生状态的细胞（即愈伤组织）然后在一定条件下再分化长出和芽，形成完整植株。植物组织培养在生产上应用横广，植物的快速繁殖就是其中一个种要方面，如：花卉、果树、林木等多种经济植物的大批量、工厂化生产。2.植物细胞的全能性[细胞的全能性]～细胞分化能力又称为发育潜能。若单个细胞分裂和分化后具有形成完整生物体的潜能，就是细胞的全能性。植物细胞全能性植物体中的每个活细胞，不仅具有亲本的全部遗传信息，而且还有发育成完整植株的能力。因此；植物的一些组织细胞，不论来自根、茎、叶，还是来自子房，只要接种在合适的人工培养基上，在一定的外界条件下，就能长成一株完整的植物，这种技术称为组织培养。[克隆]是英文“clone”的音译，源于希腊文“klom”，原意是指植物幼苗或嫩枝以“无性繁殖‘或营养繁殖”的方式培育，也就是用除种子之外的植物体的任何一部分进行无性繁殖，现在它的范围扩大了，凡是没有受精卵结构过程，而由同一个祖先细胞获得的两个以上的细胞、细胞群或生物体，或由同一个亲本遗传密码产生的子代遗传密码，诸如此得到的后代就是克隆。其分化发育得到的生物体与母体的基因是完全相同的，用科学化的表达，克隆是指生物体通过通过体细胞进行“无性繁殖”以及由“无性发繁殖形成的基因型完全相同的后代个体组成的群体。用现在较常见的卵细胞移植技术，雌核生殖技方法”制作等方法“制造出后代个体都克以的目体都算作克隆。4。有关克隆、动物细胞全能性概念通俗地讲，通过这种方式得到生物体与它们的”母体“在生物学上是同等的它们没有父母亲，只有母体的翻版后代。动物细胞培养的奠基人:美国生物学家哈里森(1907年)用盖玻片覆盖凹窝玻璃悬滴培养法...20世纪40年代以后:动物组织培养的科学家们研究重点集中在培养基方面。2.动物组织和细胞培养技术[动物细胞工程]应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的原理方法与技术，按照人们的需要，在细胞水平上进行遗传操作，包括细胞融合、核质移植等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的生物工程技术。细胞培养：动物细胞培养:从动物机体中取出相关的组织，将它们分散成单个细胞，然后放在适宜的培养基中，生长，增殖。1丶或组织。2，常用方法，物理:剪刀剪碎，化学法:胰蛋白酶，胶原蛋白酶3丶制作细胞悬浮液，方法:加培养液。形成细胞悬浮液4丶培养细胞株，原代培养，传代培养5丶形成细胞系，传代培养，遗传物质的改变。干扰素(IFN)是一种广谱抗病毒剂，并不直接杀伤或抑制病毒，而主要是通过细胞表面受体作用使细胞产生抗病毒蛋白，从而抑制乙肝病毒的复制，其类型分为三类，α-(白细胞)型、β-(成纤维细胞)型，γ-(淋巴细胞)型;同时还可增强自然杀伤细胞(NK细胞)、巨噬细胞和T淋巴细胞的活力，从而起到免疫调节作用，并增强抗病毒能力。干扰素是一组具有多种功能的活性蛋白质(主要是糖蛋白)，是一种由单核细胞和淋巴细胞产生的细胞因子。它们在同种细胞上具有广谱的抗病毒、影响细胞生长，以及分化、调节免疫功能等多种生物活性。3。干细胞技术[干细胞]是动物(包括人)胚胎及某些器官中具有自我修复和多向分化潜能的原始细胞，能分裂，产生出表现型和基因型都和自己完全相同的子细胞，同时还能分化各类细胞，是重建、修复病损或衰老组织、器官功能的理想种子细胞。胚胎干细胞（EmbryonicStemcell,ES细胞）当受精卵分裂发育成囊胚时，内层细胞团（InnerCellMass）的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有全能性，可以自我更新并具有分化为体内所有组织的能力。早在1970年MartinEvans已从小鼠中分离出胚胎干细胞并在体外进行培养。而人的胚胎干细胞的体外培养直到最近才获得成功。进一步说，胚胎干细胞（ES细胞）是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。胚胎干细胞具有与早期胚胎细胞相似的形态结构，细胞核大，有一个或几个核仁，胞核中多为常染色质，胞质胞浆少，结构简单。体外培养时，细胞排列紧密，呈集落状生长。用碱性磷酸酶染色，ES细胞呈棕红色，而周围的成纤维细胞呈淡黄色。细胞克隆和周围存在明显界限，形成的克隆细胞彼此界限不清，细胞表面有折光较强的脂状小滴。细胞克隆形态多样，多数呈岛状或巢状。胚胎干细胞具有多能性，特点是可以通过细胞分化成多种组织(所有组织，包括生殖系细胞)的能力，但无法独自发育成一个个体。它可以发育成为外胚层、中胚层及内胚层三种胚层的细胞组织。ES细胞从理论上讲可以无限传代和增殖而不失去其正常的二倍体基因型和表现型，以其作为核供体进行核移植后，在短期内可获得大量基因型和表现型完全相同的个体，ES细胞与胚胎进行嵌合克隆动物，可解决哺乳动物远缘杂交的困难问题，生产珍贵的动物新种。4。细胞融合技术[细胞融合]细胞融合(cellfusion)，细胞遗传学名词，是在自发或人工诱导下，两个不同基因型的细胞或原生质体融合形成一个杂种细胞。基本过程包括细胞融合形成异核体(heterokaryon)、异核体通过细胞有丝分裂进行核融合、最终形成单核的杂种细胞。细胞融合可作为一种实验方法被广泛适用于单克隆抗体的制备，膜蛋白的研究。5。细胞移植技术移植技术是一种使用健康的细胞来替代或修复病人受损细胞和组织的治疗方式，将体外鉴别、分离、纯化、扩增和培养好细胞，通过穿刺、微创介入或静脉注射等方式将生物免疫细胞植入患者体内之后，利用生物细胞自身具有靶向性的特性，使之直达病变部位，修复肾小球上皮细胞、内皮细胞、系膜细胞、增强肾细胞活性、补充肾营养、恢复肾功能