现代生物技术第讲

第七章 现代生物技术与环境污染治理,中国科学院大学中国科学院生态环境研究中心,授课内容,现代生物技术概况基因工程与环境污染生物治理细胞工程与环境污染生物处理酶学工程与环境污染生物治理发酵工程在环境污染治理中的应用生态工程与污水处理系统,环境污染的治理途径,物理方法填埋、转移、过滤、吸附，絮凝化学方法化学絮凝、化学吸收、离子交换、中和、沉淀、氧化、还原、焚烧生物方法饲料、微生物降解、酶解生态方法通过构建生态系统，将污染物资源化。,充分说明污染物是放错地方的资源,什么是现代生物技术,生物工程。在分子生物学基础上建立的创建新的生物类型或新生物机能的实用技术，是现代生物科学和工程技术相结合的产物。随着基因组计划的成功，在系统生物学的基础上发展了合成生物学与系统生物工程学，开发生物资源，涉及农业生物技术、环境生物技术、工业生物技术、医药生物技术与海洋生物技术，乃至空间生物技术等领域，将在21世纪开发细胞制药厂、细胞计算机、生物太阳能技术等发挥关键作用。,现代生物技术,生物学发展简史,描述生物学阶段（19世纪中叶）主要是通过外形特征观察、描述、记载各种生物类型（李时珍本草纲目）寻找他们的一通和进化脉络（达尔文物种起源1859）,实验生物学阶段,显微镜（胡克17世纪）人类开始从细胞层面认识生物（识）青霉素发明（用）DNA双螺旋结构（造）蛋白质的三级结构,DNA的发现,1868年瑞士的年青科学家米歇尔发现核酸起，经过不断地研究证明，所有生物细胞都含有核酸(nucleic acid)，生物机体的遗传信息以密码形式编码在核酸分子上20世纪初，核酸中的碱基大部分由科塞尔及其同事所鉴定。1912年列文提出核酸中含有等量的种核苷酸，核酸是由四核苷酸单位聚合而成。1952年，奥地利裔美国生物化学家查伽夫测定了DNA中4种碱基的含量，DNA双螺旋结构发现其中腺嘌呤与胸腺嘧啶的数量相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的数量相等。,核糖,脱氧核糖,腺嘌呤A,鸟嘌呤G,尿嘧啶U,胞嘧啶C,胸腺嘧啶T,严格的T=A, C=G依赖氢键连接螺旋直径2nm；螺旋周期包含10对碱基；螺距3.4nm；相邻碱基对平面的间距0.34nm,DNA双螺旋结构与复制,从特定的起点开始，称之为复制起始点，从起始点双链DNA解旋，形成复制交叉半保留复制高度忠实性，DNA聚合酶具有自我矫正功能,DNA作为遗传物质的优点,（1）信息量大，可以微缩；（2）表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制的机理；（3）核糖的2位脱氧，在水溶液中稳定性好；（4）可以突变，以求进化；（5）有T无U，基因组得以增大，而无C脱氨基成U会带来潜在危险。,DNA双螺旋结构,沃森、克里克立即想到4种碱基之间存在着两两对应的关系，形成了腺嘌呤与胸腺嘧啶配对、鸟嘌呤与胞嘧啶配对的概念。1953年，沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构，开启了分子生物学时代，使遗传的研究深入到分子层次，“生命之谜”被打开，人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径。在以后的近50年里，分子遗传学、分子免疫学、细胞生物学等新学科如雨后春笋般出现，一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了更清晰的阐明，DNA重组技术更是为利用生物工程手段的研究和应用开辟了广阔的前景。,基因认识的意义,DNA双螺旋结构认识，开启了人类的有两个重要工作全面认识基因组成生物的全基因普库基因克隆技术基因改造基因工程发酵技术重大突破“创造和改造”生物,全基因普库,毛细管电泳技术2000：果蝇的基因组图谱绘制完成。2000：人类基因组图谱的绘制工作完成。2002：疟原虫、按蚊的基因组图谱完成。2002：完成水稻、小鼠的基因组图谱。中国科学院北京基因组研究所成立于2003年11月28日。 /genbank/2011年10月由深圳华大基因研究院组建及运营深圳国家基因库。,常用基因组数据库,人类基因组计划,人类基因组计划(human genome project, HGP)是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一预算达30亿美元的人类基因组计划。按照这个计划的设想，在2005年，要把人体内约2.5万个基因的密码全部解开，同时绘制出人类基因的图谱。换句话说，就是要揭开组成人体2.5万个基因的30亿个碱基对的秘密。转录组mRNA测序疾病认识，疾病治疗,克隆技术-“核移植”,1996年7月5日，世界首只克隆羊“多莉”,2015年，我国首批转基因克隆牛成功繁育,北京农学院位于平谷的试验基地,成年羊的体细胞,.克隆猪、克隆猴、克隆牛.克隆人,1998年1月12日，欧洲19个国家签署了禁止克隆人协议。,克隆技术的意义,多莉的诞生证明高度分化成熟的哺乳动物乳腺细胞，仍具有全能性。建立实验动物模型，探索人类发病规律。克隆异种纯系动物，提供移植器官。拯救濒危动物，保护生态平衡。,基因工程,1974年，科恩（Cohen）将金黄色葡萄球菌质粒上的抗青霉素基因转到大肠杆菌体内，揭开了转基因技术应用的序幕基因工程是现代生物技术的核心转基因技术克服了杂交技术的缺陷克服了基因传递物种间的界限转基因是制造生物，不是生物制造,转基因过程的描述,微生物重组在所有转基因技术中，以微生物基因重组技术应用最为宽泛和常见。与动植物不同的是，微生物重组技术通常需要用到专门的重组基因载体质粒。质粒是一种细胞质遗传因子，因此具有不稳定的遗传特性。但相比于动植物，微生物重组技术具有周期短、效果显著、控制性强的特点，因而广泛应用于生物医药和酶制剂行业。,微生物转基因技术的应用,酵母表达系统大肠杆菌表达系统丝状真菌表达系统其中毕赤酵母表达系统和大肠杆菌表达系统最受欢迎，具有表达效率高（外源蛋白占细胞总蛋白的10%至40%）、生产成本低的特点,胰岛素、白细胞介素、-高温淀粉酶、重组人p53腺病毒注射液、啤酒酵母乙肝疫苗、重组疫苗、抗生素、饲料用木聚糖酶、壳聚糖酶等都由这两种表达系统生产的。人造血液、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质（通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。）,基因诊断与基因治疗,基因治疗是把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，这是治疗遗传病的最有效的手段。基该方法是：基因置换、基因修复、基因增补和基因失活等。运用基因工程设计制造的“DNA探针”检测肝炎病毒等病毒感染及遗传缺陷，不但准确而且迅速。通过基因工程给患有遗传病的人体内导入正常基因可“一次性”解除病人的疾苦。但基因治疗技术尚未成熟，未成熟的关键问题在于：如何选择有效的治疗基因；如何构建安全载体，病毒载体效率较高，但却有潜在的危险性；如何定向导入靶细胞，并获得高表达。,基因工程与医疗,CancerCell发表的一篇文章，【用基因工程让免疫细胞“认识”胰腺癌】近日，由美国西雅图华盛顿大学医学院 Sunil R. Hingorani 的研究团队，利用通过基因工程改造的小鼠 T 细胞试图治疗患有胰腺癌的小鼠，成功地在不使用化疗手段的前提下将小鼠存活时间延长了将近一倍。,基因工程在环境领域的应用,石油污染物降解多环芳烃降解卤代芳烃讲解基因工程菌尼龙寡聚物基因工程菌多糖分解基因工程菌抗重金属基因工程菌杀虫剂降解基因工程菌植物基因工程,转基因植物,从表面上看来，转基因作物同普通植物似乎没有任何区别，只是多了能使它产生额外特性的基因。这个基因可以来自任何一种生命体：比如细菌、病毒、昆虫。这样，通过生物工程技术，人们可以给某种作物植入一种靠杂交方式根本无法获得的特性，这是人类9000年作物栽培史上的一场空前革命，将大大促进作物的质量和产量。,转基因植物的历史,1983年，世界上最先问世的人工转基因植物是烟草。比利时人Zambryski发表在EMBO J上。他们将Ti质粒pGV3850通过农杆菌导入烟草细胞，其T-DNA片段整合进入烟草基因，成功获得了转基因烟草。标志着转基因植物获得成功同年，孟山都公司的转基因土豆获得成功。最具商业价值的是转aroA基因的抗草甘膦转基因植物和转Bt基因的抗虫,植物表达载体的选择,植物表达载体能够把目的基因转化到植物细胞，并整合到植物基因组中，最终在植物细胞中表达目的基因。农杆菌Ti质粒Ri质粒植物病毒如烟草花叶病毒（TMV）,植物转化受体,植物基因受体转化系统是指用于转化的外植体通过组织培养途径或非组织培养途径，能高效、稳定地再生无性系，并能接受外源DNA的整合，对转化选择系统敏感的再生系统。成功的基因转化有赖于良好的植物受体系统的建立。高效稳定的再生能力； 较高的遗传稳定性； 具有稳定的外植体来源； 对选择性抗生素敏感(报告基因)； 对农杆菌侵染有敏感性。,植物愈伤组织受体系统植物原生质体系统生殖细胞受体系统（花粉细胞，卵细胞）,外源基因导入植物的方法,DNA直接转移法化学刺激法电击法显微注射法基因枪法脂质体介导法微激光束法花粉通道法农杆菌Ti质粒载体介导法,农杆菌Ti质粒载体,天然Ti质粒的结构可分个区：复制起始区 （ori区），该区段基因调控Ti质粒的自我复制；结合转移区 （Con区），该区段存在着与细菌间接合转移的有关基因，调控Ti质粒在农杆菌之间的转移；,转移 DNA 区（T-DNA区），T-DNA是农杆菌感染植物细胞时，从Ti质粒上切割下来转移到植物细胞的一段DNA；毒性区 （Vir区），该区段上的基因能激活T-DNA转移，使农杆菌显出毒性,质粒T-DNA整合到植物基因组的分子机制,主要的转基因作物,1983年，世界上第一种基因移植作物是一种含有抗生素药类抗体的烟草。它在1983年培植出来；直到10年以后，第一种市场化的基因食物才在美国出现，那是一种可以延迟成熟的西红柿。1996年，由这种西红柿食品制造的西红柿饼才得以允许在超市出售。截止2008年，大约有20多种转基因农作物的种子已经获准在美国播种，包括玉米、大豆、油菜、土豆、和棉花。中国已开展了棉花、水稻、小麦、玉米和大豆等方面的转基因研究已经取得了很多研究成果，尤其是在转基因棉花研究方面成绩突出。,转基因作物种植情况（2008）,转基因植物的安全性,黄金大米/w_19rr0hhnp9.html,生物安全的含义,生物安全是指在一定的时间与空间范围内，由于自然或人类活动引起外来物种迁移，外来物种在定居、建群、繁衍、扩展的连串过程中造成对本土物种和生态系统的威胁、危害，使之衰退，甚至退化和灭绝；或由于人为造成环境的剧烈变化，导致生态环境的破坏或掠夺生物资源，砍伐和捕捞过度，严重时导致物种濒危或灭绝；或由于科学技术研究、开发、生产和应用中造成对人类健康、生存环境和社会生活的有害影响。,基因漂移风险,转基因生物对生态环境的影响,关于基因漂流,美国另一个组织 “科学家关注联盟”曾委托两个独立的实验室分别对广泛种植的转基因玉米、大豆和油菜三种作物的非转基因品种的种子进行基因污染检测，结果发现玉米和大豆有50%、油菜籽有83%被转基因污染。,关于对生物多样性的影响,生物多样性是地球一切来源的生命有机体在各种生态系统中的复杂程度，反映在基因、物种、群落以及生态系统诸多层面上。生物多样性与人类的命运休戚相关。人们也担心转基因农作物对非靶生物造成威胁。在转基因技术中，应用植物病毒DNA片段作为转基因的元件已很普遍。人们担心采用病毒基因元件可能导致病毒DNA片段与已存在的病毒DNA片段发生重组然而令很多学者不解的是，尽管绝大多数种植的转基因作物都含有病毒基因元件，迄今却还从未检测到大田生长的转基因作物与病毒发生重组的例子。,转基因食品对人类健康的影响,没有百分之百安全的食物，传统食物在处理不当时也有毒性目前批准上市的转基因食物均已作过严格的测试，证明对人类是安全的已有十多年安全食用转基因食品的历史，应可作为长期食用安全的证明不能证明是不安全的，就是安全的,目前所有上市的转基因食物都未做过长期毒性测试在美国已经发生过含猪疫苗的转基因玉米污染人食用的玉米和大豆的事件，今后还会有形形色色其他转基因作物通过基因漂流进入人类的食物链不能证明是安全的，就是不安全的，至少是 “不知是否安全”,毒性问题,20世纪90年代中期，一家生物工程公司研制了一种带有雪花莲植物凝集素基因的抗虫转基因马铃薯和玉米。（撤稿）2013年，法国科学家证实了转基因玉米又发肿瘤（ Food and Chemical Toxicology撤稿） 转基因DNA一般约占该种食物所有DNA的25万分之一，DNA转移到人体内的可能性非常小。 在烹饪过程中，已将几乎所有食物中的DNA降解成碎片。它们多数是不具任何遗传信息的片段，并进一步在体内被消化吸收。没有被降解的DNA有一部分随粪便排到体外。 另有极少量的DNA可能被体内吸收进入血液循环，机体严密的防御系统最终会将这些外来DNA消灭掉。,致敏性是一个突出的问题,转基因食品中含有新基因所表达的新蛋白，有些可能是致敏原，有些蛋白质在胃肠内消化后的片段也可能有致敏性。转基因食品致敏性评价研究日益受到人们的重视。联合国经合组织于1996年对转基因食品致敏性评价提出了 “树形判定法”，具体分析内容包括：基因来源；新引入基因的蛋白质与已知致敏原的氨基酸序列的同源性；新引入蛋白质与发生过敏个体血清IgE的免疫结合反应；新蛋白的各种物理化学特性，如是否对热稳定，对胃蛋白酶消化的耐受性等等。,过敏事件,星联玉米事件（杀虫蛋白Cry9）。2000年9月，就发现美国市场玉米面饼等300多种产品中含有微量 “星联玉米”，并且少数人吃了之后引起皮疹、腹泻或呼吸系统的过敏反应并有潜伏效应。此事在美国引发轩然大波。安万特公司花费了约10亿美元。还有一个典型的例子就是对巴西，坚果过敏的人对转巴西坚果基因后的大豆也产生了过敏。,抗生素抗性问题,转