2013/12/11 1 现代生物技术 Modern Biotechnology 主要内容 生物技术概述 细胞工程 基因工程 酶工程 发酵工程 生物技术 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。 一般分为：细胞工程、基因工程、酶工 程、发酵工程四个部分。 生物技术的基本特征 1.高效益 2.高智力 3.高投入 4.高竞争 5.高风险 6.高势能 2013/12/11 2 生物技术发展简史 传统生物技术 石器时代后期 谷物造酒 公元10世纪 预防天花活疫苗 1676年， 显微镜 微生物 19世纪60年代 发酵由微生物引起 生物技术发展简史 第一代（19世纪到20世纪30年代） 微生物厌氧发酵微生物厌氧发酵 初级代谢产物初级代谢产物 第二代（近代，40年代-60年代） 产品类型多产品类型多 技术要求高技术要求高 规模巨大规模巨大 技术发展迅速技术发展迅速 第三代（现代，70年代之后） DNA 重组技术重组技术 细胞融合及染色体重组细胞融合及染色体重组 细胞及酶固定技术细胞及酶固定技术 生物技术的影响 一改善农业生产，解决食品短缺 1.培育抗逆作物 2.植物种苗的快速繁殖 3.提高粮食品质 4.动物的无性繁殖 5.培育动物的优良品系 生物技术的影响 二提高生命质量，延长人类寿命 1.新型药物开发 2.疾病预防诊断 3.基因治疗 4.人类基因组计划 2013/12/11 3 基因治疗 1991年，美国批准了人类第一个年，美国批准了人类第一个 对遗传病进行对遗传病进行体细胞基因治疗体细胞基因治疗的的 方案，即将腺苷脱氨酶（方案，即将腺苷脱氨酶（ADA） 导入一个导入一个4岁患有严重复合免疫缺岁患有严重复合免疫缺 陷综合征（陷综合征（SCID）的女孩。）的女孩。 从患者身上抽血，分离出从患者身上抽血，分离出T淋巴细淋巴细 胞，在体外培养扩增，通过一种胞，在体外培养扩增，通过一种 改造的逆转录病毒把正常的改造的逆转录病毒把正常的ADA 基因转移进去，然后把改造过的基因转移进去，然后把改造过的 能正常表达能正常表达ADA酶的细胞再输回酶的细胞再输回 到女孩体内。到女孩体内。 羊奶中提取药物羊奶中提取药物 人类基因组计划 1990年年10月，国际人类基因组计划启动。月，国际人类基因组计划启动。 1999年年9月，中国获准加入人类基因组计划。月，中国获准加入人类基因组计划。 1999年年12月月1日，人类首次成功地完成人体染色体基因日，人类首次成功地完成人体染色体基因 完整序列的测定。完整序列的测定。 2000年年4月底，中国完成月底，中国完成1人类基因组的工作框架图。人类基因组的工作框架图。 2000年年5月月8日，由多国科学家组成的国际科研小组宣日，由多国科学家组成的国际科研小组宣 布，他们已基本完成了人体第布，他们已基本完成了人体第21对染色体的测序工作。对染色体的测序工作。 2000年年6月月26日，科学家公布人类基因组工作草图。日，科学家公布人类基因组工作草图。 2001年年2月月12日，人类基因组图谱及初步分析结果首次日，人类基因组图谱及初步分析结果首次 公布。公布。 人类基因组计划的影响 数据共享，加速了科技发展； 发展了生物信息学； 发展了生物芯片技术； 蛋白质组学研究的开展； 基因隐私？ 基因专利？ 基因武器？ 人类基因组与伦理 人类基因组计划一开始就包含着一个子计划，称人类基因组计划一开始就包含着一个子计划，称 为为HGP的伦理、法律和社会含义，目标是预测和考虑的伦理、法律和社会含义，目标是预测和考虑 人类基因组计划对个人和社会的含义；考查将人类基人类基因组计划对个人和社会的含义；考查将人类基 因组绘图和排序的后果。因组绘图和排序的后果。 1990年国际人类基因组研究所建立了年国际人类基因组研究所建立了ELSI研究计研究计 划。研究计划主要资助在划。研究计划主要资助在4个领域：（个领域：（1）利用和解释）利用和解释 遗传信息时如何保护隐私和达到公正；（遗传信息时如何保护隐私和达到公正；（2）新基因技）新基因技 术应用到临床时，如何处理知情同意等问题；（术应用到临床时，如何处理知情同意等问题；（3）对）对 于参与基因研究的人类受试者，如何做到知情同意，于参与基因研究的人类受试者，如何做到知情同意， 保护个人隐私；（保护个人隐私；（4）公众和专业人员的教育。）公众和专业人员的教育。 人类基因组计划的管理者认为，人类基因组计划的管理者认为，ELSI研究计划对研究计划对 HGP的成功与否至关重要。的成功与否至关重要。 2013/12/11 4 生物技术的影响 三解决能源危机，治理环境污染 可供发酵生产乙醇的材料包括：可供发酵生产乙醇的材料包括： 含糖的基质含糖的基质 含淀粉的基质含淀粉的基质 纤维和半纤维基质纤维和半纤维基质 生物技术的影响 三解决能源危机，治理环境污染 吃汞勇士吃汞勇士假单孢杆菌假单孢杆菌 生物技术的影响 四提高生产效率，制造工业原料 高温 高压 高能耗 毒性 危害性 常温 常压 高效性 毒性小 友好性 传统化工 生物反应器 微生物发酵床养猪技术 2013/12/11 5 生物技术的影响 五生物技术安全性及社会伦理问题 美国时代周刊刊登了有关人类 克隆的文章 一对可爱的 孪生试管婴儿 细胞工程 在细胞水平上运用各种生物技术，能够达到细 胞生产或细胞及组织本身的规模生产，这一方 面的研究和应用统称为细胞工程。 细胞工程所注重的技术主要有： 细胞培养 细胞融合 核移植 细胞培养 动植物细胞培养 培养的目的 1. 获得细胞产物（培养黄连细胞获得黄连素； 培养红豆杉树细胞生产紫杉醇） 2. 获得细胞本身（脐血造血干细胞的培养） 植物细胞工程 快速繁殖 人造种子 植物脱毒（茎尖培养法） 人 造 种 子 2013/12/11 6 利用植物细胞工程生产的部分商品 生物碱 青蒿素 黄酮类 紫杉醇 橡胶乳液 甜味素 植物多糖 抗过敏剂 抗病毒剂 麻醉剂 苯醌 抗肿瘤因子 强心苷 芳香剂 天然杀虫剂 各种激素 各种蛋白酶 各种维生素 苯酚 植物生长调节剂 酶抑制剂 动物细胞培养 1.组织 2.切片 3.酶解 4.离心分离 5.培养 6.扩大培养 7.液氮保存 8.复活培养 9.扩大培养 10.大规模培养 细胞融合 细胞融合是指两个或两个以上的细胞融 合为一体的现象,又称体细胞杂交。 自然融合与人工诱导融合 促融合剂（仙台病毒、聚乙二醇） 动物细胞融合（单克隆抗体技术） 植物细胞融合（植物体细胞杂交） 单克隆抗体技术 杂交瘤细胞保持 了二者的优点。 B细胞可产 生抗体 骨髓瘤细胞可 无限繁殖 细胞融合 2013/12/11 7 单克隆抗体技术 1975年 英国科学 家Milstein和Kohler 发明 1984年 诺贝尔医 学奖 克隆动物 克隆是指生物体通过无性繁殖方式产生遗传物 质与母本相同的后代。 动物克隆技术分为：胚胎细胞克隆和体细胞克 隆。 体细胞克隆动物研究发展历程 20世纪世纪50年代年代 两栖类动物试验成功两栖类动物试验成功 20世纪世纪80年代年代 哺乳类动物哺乳类动物(小鼠小鼠)试验成功试验成功 1997年年 克隆羊试验成功克隆羊试验成功 2001年年 克隆人类胚胎问世克隆人类胚胎问世 克隆动物技术的用途 大量繁殖具有优良特性的动物 繁殖濒临灭绝的珍稀动物 结合转基因技术，培育用于器官移植的 动物供体 克隆动物技术的用途 2013/12/11 8 基因工程 基因工程原理 理论上的三大发现 1.20世纪40年代 遗传物质是DNA 2.20世纪50年代 双螺旋结构和半保留 复制机理 3.20世纪60年代 遗传信息的传递 基因工程 基因工程原理 技术上的三大发明 1.限制性核酸内切酶和DNA连接酶 2.基因工程载体 3.逆转录酶的发现 限 制 性 内 切 酶 识 别 特 定 的 碱 基 序 列 1970年年 限制性内切酶造成限制性内切酶造成粘性末端粘性末端 有利于重组有利于重组DNA 分子的构建分子的构建 2013/12/11 9 限制性核酸内切酶 DNA连接酶 1967年，世界上5个实验室几乎同时发现 DNA连接酶，该酶能够参与DNA裂口的 修复。 1970年，美国的Khorana实验室发现了 一种T4 DNA连接酶，具有更高的连接活 性。 限制性核酸内切酶和限制性核酸内切酶和DNA连接酶对连接酶对DNA分子的分子的 操作过程操作过程 大多数的DNA片段不具备自我复制 能力，为了能够在寄主细胞中进行繁殖， 就必须将DNA片段连接到一种具有自我 复制能力的DNA分子上，这种DNA 分子 就是载体。 2013/12/11 10 载 体 载体有好几种，常用的有： 质粒存在于细胞内、独立于染色体的、自 主复制的遗传物质，能携带的外源DNA比较小。 噬菌体DNA噬菌体是细菌病毒的总称。噬 菌体的核酸，最常见的是双链线状DNA。负载 外源DNA比较大。 用质粒 构建 重组 DNA分 子 用噬菌体 DNA构建 重组DNA 分子 逆转录酶的发现 逆转录酶又称RNA指导的DNA聚合 酶，是以RNA为模板合成DNA的酶。 1970年，Temin和Baltimore在RNA 肿瘤病毒中发现了逆转录酶（1975 年获得诺奖），使真核基因的制备 成为可能。 2013/12/11 11 逆转录病毒的作用过程 鸟类劳氏肉瘤病毒进入宿主细胞后，其逆转录酶先催 化合成与病毒RNA互补的DNA单链，继而复制出双螺 旋DNA，并经另一种病毒酶的作用整合到宿主的染色 体DNA中，此整合的DNA可能潜伏（不表达）数代， 待遇适合的条件时被激活，利用宿主的酶系统转录成 相应的RNA，其中一部分作为病毒的遗传物质，另一 部分则作为mRNA翻译成病毒特有的蛋白质。最后， RNA和蛋白质被组装成新的病毒粒子。在一定的条件 下，整合的DNA也可使细胞转化成癌细胞。 基因工程 1972年，美国斯坦福大学Berg博士领导 的一个研究小组，率先完成了世界上第 一次成功的DNA体外重组实验，基因工 程从此诞生。 伯格本人因“研究操纵基因重组DNA分 子”获1980年诺贝尔化学奖。 基因工程 基因工程就是通过体外的基因操作，使 外源DNA片段与载体DNA分子连接，然 后引入细胞，使其得到扩增和表达，从 而达到改变生物的遗传性状、造福人类 的目的。 基因工程的主要步骤 从生物有机体的基因组中，分离出带目的基因 的DNA片段 将带目的基因的外源DNA片段，连接到能自我 复制的载体分子上，形成重组DNA分子 将重组DNA分子转移到适当的受体细胞内 筛选获得了重组DNA分子的受体细胞进行克隆 克隆基因的表达，产生出人类所需要的物质 2013/12/11 12 基 因 工 程 的 操 作 流 程 目的基因的获得 获得目的基因的方法： 化学方法合成 从构建的基因文库中钓取 PCR法 mRNA逆转录法合成cDNA，获得真核 目的基因 基因的转移 转化 转导 显微注射 电穿孔 基因的表达 克隆基因表达的三个条件： 基因的编码区不能被插入序列所中断。 基因转录要有启动子，而启动子必须能 被宿主细胞的RNA多聚酶有效地识别。 mRNA必须相当稳定，并有效地被翻译， 产生的外源蛋白质必须不被宿主细胞的 蛋白酶所降解。 2013/12/11 13 基因工程的应用 转基因动物转基因动物 巨型转基因小鼠 已成功培育的能生产人体血液蛋 白的转基因猪 牛奶中含有与人乳相同成分的 乳清蛋白的转基因奶牛 会吐彩色蚕丝的蚕 基因工程的应用 转基因植物转基因植物 会发荧光的转基因烟草 抗虫基因棉 富含