生物技术及其产业化发展前景biotechnologyand.ppt

张义正教授2002级硕士生 基因工程原理PrincipleofGeneEngineering 引言 三大重中之重高技术 生物技术 BT 信息技术 IT 新材料技术 纳米技术 NT 生物技术概念与特征 定义 利用活体生物或它们的产物来生产或修饰一种产品以改良植物和动物 或发展具有特殊用途的微生物的技术 特征 21世纪最具潜力的高新技术多学科 交叉 综合的技术影响最为深远最广泛的技术 生物技术与生物工程的区别 BiotechnologyandBioengineering生物技术侧重于利用生物学方法解决生物体本身的问题生物工程则侧重于利用工程学方法解决生物学问题 生物技术的基础 DNA操作技术基因组计划 人类基因组和其他生物基因组计划蛋白质组生物信息学下游支撑技术与手段 生物技术的类别 传统生物技术 制酒 制醋 制豆瓣工业生物发酵技术 抗生素发酵 氨基酸发酵等现代生物技术 生物技术的内容 基因工程技术蛋白质工程技术细胞 组织 工程技术酶工程技术发酵工程技术 基因工程的概念 利用DNA体外重组或PCR扩增技术从某种生物基因组中分离感兴趣的基因 或是用人工合成的方法获取基因 然后经过一系列切割 加工修饰 连接反应形成重组DNA分子 再将其转入适当的受体细胞 以期获得基因表达的过程 基因工程 geneengineering 常和以下名称混用 遗传工程 geneticengineering 基因克隆 genecloning 分子克隆 molecularcloning 基因操作 genemanipulation 重组DNA技术 recombinationDNAtechnique 克隆 clone 作名词时指含有某目的DNA片段的重组DNA分子或含有该重组分子的无性繁殖系 作动词时是指基因的分离与重组过程 基因工程技术及其应用 基因本身也是一个产业 Rockfeller大学将人肥胖基因出售0 2亿美元 1995年3月 Amgen公司将FKBP神经免疫因子配体转让达3 29亿美元 1997年 Millennium公司以4 65亿美元向Bayer公司转让225种基因的开发权 1998年9月 蛋白质工程的概念 在基因工程技术对编码蛋白质的基因的了解基础上 对蛋白质的氨基酸序列 结构和功能进行分析 进而通过对蛋白质的结构 氨基酸序列和翻译后的修饰等手段改变甚至创造出新的和更有效的蛋白质 蛋白质工程主要内容 主要目标蛋白质氨基酸序列的分析蛋白质晶体结构分析蛋白质功能预测和分析蛋白质组分析 细胞 组织 工程概念 利用工程学原理进行细胞生物学的基础研究和制造使用活细胞的产品 如组织工程和生物加工工程 前者是利用移植的细胞 骨架 DNA 蛋白质或蛋白质片段替代或修复已受伤或损坏的组织和器官 后者是利用活细胞生产生物医药产品 组织工程 人造器官 干细胞 1999年4月 美国的科研人员首次成功地从成年人骨髓的干细胞在体外培养分化出软骨 脂肪和骨骼细胞 标志着干细胞的研究取得了重大进展 以这项技术为代表的组织工程的突破具有广阔的应用前景 在不远的将来为实现人造 器官 成为可能 酶工程的概念 是酶学与工程学的相互渗透和结合所发展起来以酶为研究对象 改造并应用酶的特异催化功能 目标就是通过工程化技术大规模生产和转化相应原料成为有用物质的技术 传统的酶工程主要是指天然酶制剂在工业上的大规模生产与应用 随着科学的发展 尤其是基因工程技术的日趋完善 为酶工程赋予了新的内容 特别是利用DNA操作技术 修饰改造酶分子的结构或活性位点 酶与底物作用位点 重组酶的生产 模拟酶的人工设计与合成等成为新的内容 酶工程的主要内容 酶的分离纯化酶与细胞的固定化技术及反应器酶制剂的发酵生产酶分子化学修饰 遗传突变及结构改造酶抑制剂与激活剂开发与研究人工设计与合成模拟酶及酶分子 发酵工程概念 发酵工程属于生物技术的下游技术 是工业化大规模培养细胞 生产生物制品的一种技术 传统的发酵工程主要用于微生物 现代生物技术还包括动物 植物细胞和工程菌的发酵培养 发酵工程技术 发酵对象 传统微生物发酵 基因工程菌发酵 动物细胞培养 植物细胞培养发酵类型 液体发酵 固体发酵 固定化培养 流式发酵发酵技术设备 生物技术的应用领域 医药 生物制药 基因治疗 人工器官农业和畜牧业转基因植物 抗病虫害新品种 抗逆新品种 高品质新品种转基因动物 生产有用蛋白质和高品质的畜产品生物反应器 利用动植物细胞或组织作为生物反应器 直接生产有用蛋白质 生物技术的应用领域 轻工与食品新型食品 营养食品 保健食品 轻工用酶环境污染治理 废物利用 污染物生物降解 生物技术产业化 生物技术产业 利用细胞和生物分子进行药品 农产品生产开发和环境治理的产业 该产业技术由医药生物技术 农业生物技术和环境生物技术共同组成医药生物技术重点攻克癌症 艾滋病 老年痴呆症 帕金森病 心脏病 糖尿病等危害人类的顽疾农业生物技术着眼于提高农产品的产量和质量 环境生物技术重点用于清除危险废弃物 美国生物技术工业组织 生物制药产业化特点 高技术 高层次人才 高新技术手段 多学科渗透高投入 在国外 一个生物药品平均要投入1 3亿美元 并随着开发难度的增大 有逐步增高的趋势长周期 国际上 一个新的生物药品需要6 8年时间高风险 一个新药品的开发 经过一系列的程序 研发 中试 动物实验 I III期临床实验 上市和严格的药政监督管理 每一步都可能失败 而前功尽弃高回报 开发成功一个新的生物药品 回报很高 如美国Amgen公司 首次开发上市的EPO G SCF到1997年的销售额分别接近和达到20亿美元 基因工程试剂的高回报 碱性成纤维细胞生长因子231元 ug红细胞生成素1072元 ug白细胞介素 2410元 ug巨细胞粒细胞集落刺激因子1960元 ug胰岛素10 2元 mg 全球生物科技公司前10名 1999年 美国生物技术产业发展情况 世界主要生物药品年销售额 亿美元 EPO16 5葡萄糖脑苷酯酶2 15抗CD3MAb0 8人白细胞介素20 40凝血因子VIII2 5 干扰素7 00G CSF9 36 干扰素2 55GM CSF0 41 干扰素0 04tPA3 0人生长激素4 50B型肝炎疫苗10 0人胰岛素7 00 美国生物制药产品种类及数量 PHRAM 疾病种类产品数量疾病种类产品数量感染性疾病39心脏病26神经系统疾病28呼吸系统疾病22艾滋病及相关疾病19自主免疫系统疾病19皮肤病19移植13消化系统疾病11遗传疾病11血液疾病9糖尿病及并发症7不育症5眼病3生长发育不良症3骨质疏松2妊娠预防2肿瘤疾病175 基因治疗人数情况 中国基因工程制药 200多家生物技术公司生物技术药品产值 1996 18亿元 1997 30亿元 2000 72亿元可生产药物品种 约20种 国内产业化生物药品概况 产品种类临床I临床II临床III批准上市凝血因子VIIIXVIII细胞刺激因子SCFTPOG CSF M CSF EPO生长因子骨形成因子肌营养因子FGF GM CSF胰岛素类似物血小板衍生因子HGHEGF干扰素IFN 1b 1b 2a n3 1b 1b白介素1 1 3 6 2 4 1211激素人促卵泡素甲状旁腺素胰高血糖素胰岛素 心钠素降钙素促黄体生成素IGF 1甲状腺刺激素酶羧肽酶尿酸氧化酶葡萄脑苷酯酶脱氧核糖核酸酶链激酶疫苗CEAHSV 流感病毒LymeHBV HCV其他水蛭素松弛素 HB SODTNF tPA 白蛋白 杀菌蛋白单克隆抗体可溶性补体受体I型 中国生物医药产业化问题 缺乏创新 仿制产品重复过多 水平不高投入不足 少而分散产权保护意识淡薄质量管理落后支持技术落后药政管理滞后 生物技术产业化 农业领域 已有35个科120多种植物获得转基因植物 一些重要的农作物获得商品化的转基因品种 种植面积迅猛发展 采用的基因正在从抗除草剂 抗菌素 抗病虫害基因到抗逆境 高品质方向发展 由单个质量性状基因向多基因数量性状转变 植物反应器生产稀有蛋白 世界转基因作物大田释放情况 1987 1 1998 4 中国已获准进入大田的转基因植物 1998 3 转基因作物种植面积 生物技术与传统中药 中药现代化 核心是建立与现代基因学说相应的现代中药理论现代中药理论的建立 确立中药与基因表达的关系中药药靶 基因 或作用位点基因的寻找中药化学组 中药有效成分包括较单一的成分和多种成分中药临床药效的科学评价与分析方法生物技术的应用中药基因组 利用现代生物技术研究分析中药对人体 细胞 基因表达 蛋白质 的影响 技术平台 大规模基因表达分析 基因芯片 SAGE 蛋白质组等技术 以及相关信息数据库的建立中药化学组 利用现代仪器分析技术分析有效成分及其药物代谢 动力学 技术平台 色谱及色谱 质谱 色谱 波谱 波谱 波谱联用等分析技术与层析 临界萃取等分离技术中药新剂型 一 基因工程原理的授课内容 基因工程流程图 第一章分子克隆工具酶及其应用 限制性内切酶 主要用于DNA分子的特异切割DNA甲基化酶 用于DNA分子的甲基化核酸酶 用于DNA和RNA的非特异性切割核酸聚合酶 用于DNA和RNA的合成核酸连接酶 用于DNA和RNA的连接核酸末端修饰酶 用于DNA和RNA的末端修饰其它酶类 用于生物细胞的破壁 转化 核酸纯化 检测等 第二章分子克隆载体 分子克隆载体特点分子克隆载体种类细菌克隆载体 E coli克隆载体 质粒型 噬菌体型 COS质粒型 噬粒型 phagemid G 菌克隆载体 G 菌克隆载体 链霉菌克隆载体酵母菌克隆载体丝状真菌克隆载体植物克隆载体动物克隆载体克隆载体的选择克隆载体的构建 第三章核酸技术 核酸分离纯化技术 DNA 供体 载体 片段 RNA 总RNA mRNA 多聚核糖体RNA核酸电泳技术 DNA和RNA 常规电泳 脉冲场凝胶电泳 毛细管电泳DNA限制酶切和限制酶图谱绘制技术DNA分子的连接技术DNA聚合酶链式反应 PCR技术 核酸杂交技术 原位 斑点 Southern Northern Western核酸测序技术 化学法 酶法 第四章基因文库的构建 基因组文库的构建cDNA文库的构建 第五章基因的分离与鉴定 基因的分离与鉴定方法真核基因分离实例染色体ARS的分离鉴定着丝粒DNA的分高鉴定端粒的分离鉴定 第六章基因的