生物技术概论 绪论

1、第一章 绪 论主要内容n生物技术含义n现代生物技术的产生n现代生物技术的应用 n现代生物技术的特点 n生物武器生物技术含义n生物技术定义传统：利用生物将原材料转变为产品。 现代：生物技术是指人们以现代生命科学为基础，结合其 它学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，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。利用甜菜作为饲料进行大规模养猪 1、先进的工程技术手段：基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程以及生物分离工程 2、改造生物体：获得优良质量的动物、植物或微生物品系 3、生物原料：指生物体的某一部分或生物生长过程中产生的能利用的物质，如淀粉、糖

2、蜜、纤维素等有机物，也包括一些无机化学品，甚至某些矿石。 4、为人类生产出所需产品：粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等。 5、达到某种目的：包括疾病的预防、诊断与治疗和食品的检验以及环境污染的检测和治理等。微生物工程菌发酵工程基因工程蛋白质或酶蛋白质工程或酶工程产品动、植物个体或细胞细胞工程优良动、植物品系生物技术种类及相互关系n基因工程n细胞工程n酶工程n蛋白质工程n发酵工程n生物分离工程彼此之间互相联系、互相渗透，其中核心技术是基因工程，它能带动其它技术的发展。分离工程按操作对象及技术的不同返回现代生物技术的产生n生物技术的发展简单概括生物技术的发展简单概括纯种发酵：溶剂、有机酸纯种

3、发酵：溶剂、有机酸深层发酵：抗生素、维生素、酶制剂深层发酵：抗生素、维生素、酶制剂基因工程和细胞工程：生物（蛋白质）药物基因工程和细胞工程：生物（蛋白质）药物 Biophamaceuticals；（农业；（农业生物技术；工业生物技术）生物技术；工业生物技术）生物技术的第一阶段生物技术的第一阶段-微生物学微生物学n16世纪中，世纪中， Robert Hooke发明发明显微镜显微镜。n17世纪末，世纪末， Antoine van Leeuwenhoek 关于关于fungi, bacteria and protozoa的最早的纪录。的最早的纪录。n微生物真正的突破在微生物真正的突破在19世纪：世纪：

4、oLouis Pasteur ：The theory of spontaneous generation（用（用雁颈瓶实验雁颈瓶实验推翻了微生物自生论）推翻了微生物自生论）oRobert Koch：The techniques of pure culturen一批纯种（厌氧）发酵的产品的生产开始：一批纯种（厌氧）发酵的产品的生产开始：alcohol, lactic acid, acetone，.罗伯特胡克的显微镜 返回雁颈瓶实验纯培养和Koch法则从动植物的患者体内分离出病原物 进行纯培养 回接到同样类型的动植物体，引起 同样的病症 再分离得到与第二步一致的菌系Robert Koch (184

5、3-1910)生物技术的第二阶段生物技术的第二阶段-工程化的过程工程化的过程nFleming(1928)发现发现Staphylococcus培养受培养受到到Penicillium notatum的抑制的抑制nFlorey and Chain(1939)发现青霉素在对付感发现青霉素在对付感染是有效的。染是有效的。n化学合成证明是困难的。化学合成证明是困难的。n表面培养技术和高产菌株使得青霉素开始生产表面培养技术和高产菌株使得青霉素开始生产（1941-43）青霉素的价格比黄金高生物技术的第二阶段生物技术的第二阶段-工程化的过程工程化的过程n大规模生产技术的突破：深层培养、通气、放大规模生产技术的突

6、破：深层培养、通气、放大技术、过程的优化控制、培养基的优化和菌大技术、过程的优化控制、培养基的优化和菌种的选育和优化等。种的选育和优化等。n生产规模从生产规模从1升到升到100M3以上，发酵液的浓度以上，发酵液的浓度从从0.001g/L(1941)提高到提高到50g/L以上，生产成以上，生产成本降低到约本降低到约100元元/公斤。公斤。n带动了一大批通气发酵的产品生产，如抗生素、带动了一大批通气发酵的产品生产，如抗生素、维生素、酶制剂、有机酸等。维生素、酶制剂、有机酸等。生物技术的第三阶段生物技术的第三阶段-基因工程的应用基因工程的应用n1953年，Watson和Crick发现了DNA双螺旋结

7、构， n1973年，Boyer和Cohen教授建立了DNA重组技术n1978年，Genetech公司在大肠杆菌中表达胰岛素获得批准成功 ；n1982年，世界上第一个基因工程药物-美国Lilly公司的重组人胰岛素获得批准上市。n1990年，美国批准第一个体细胞基因治疗方案，用腺苷脱氨酶基因(ADA)治疗严重综合性免疫缺损症 n1994年，转基因西红柿批准上市n1997年，英国培养出第一只克隆羊多莉。n人类基因组计划药物治疗农业现代生物技术震撼全人类，成为世界举目的焦点。现代生物技术最根本的诱因nDNA重组技术的出现和发展 最早的DNA重组实验是1973年由Boyer和Cohen完成 抗四环素（T

8、Cr）质粒pSC101抗新霉素（Ner）质粒R6-3酶切、重组新 的 质粒，有TCr、 Ner两种抗性返回生物技术树n生物技术是一门多学科互相渗透的综合性学科n生物技术有广阔的应用前景各行业的财政支持13%8%5%69%4%1%农业（植物）农业（动物）化学/食品健康其他能源/环境现代生物技术的应用（一）1、在农业生产上的应用转基因作物植物微繁殖技术生物固氮生物农药新的植物品种转基因动物动物的无性繁殖转基因技术生产培育抗逆作物：如抗寒、抗盐、抗病虫害现代生物技术的应用（二）2、在医疗健康上的应用q开发新型药物：生物疫苗、 基因工程药物、抗生素的生产q疾病的预防和诊断：ELISA、DNA诊断、基因

9、芯片q生物治疗：基因治疗、干细胞治疗3、在能源产业上的应用4、治理环境污染5、制造工业原料6、生产贵重金属7、开发生物材料杂交水稻n利用不育系，保持系和恢复系培养出的高产水稻n解决了全中国人的粮食危机转基因抗虫水稻n在水稻中转入抗虫基因如Bt基因培育成抗虫水稻nBt基因： 苏云金杆菌(Bacillus thuringiensis,Bt)毒蛋白是苏云金杆菌在形成芽孢时产生的一种蛋白质，以结晶出现，称为伴孢晶体(parasporal protein crystal)。这种毒蛋白对鳞翅目昆虫有特异的毒性作用。 金 米n含有维生素A原成份 - 胡萝卜素和其它类胡萝卜素的转基因水稻返回植物种苗的工厂化生

10、产n无性繁殖的一种，也叫植物微繁殖技术；n利用了植物细胞的全能性；n可以在短时间内得到大量遗传稳定的小苗n产量：10平方米的恒温室内，繁殖1万-50万株小苗返回已广泛应用于花卉、果树、蔬菜、药用植物和农作物的快速生产生物固氮，减少化肥使用量n将具有固氮能力的细菌的固氮基因转移到作物根际周围的微生物内，希望由这些微生物进行生物固氮；n日本学者已经将固氮基因转移到水稻根际的微生物内，它们能提供水稻需氮量的五分之一；应用生物农药n生物农药是“可用来防治病、虫、草等有害生物体本身或源于生物，并可作为农药的各种生理活性物质”。n生物农药可分为生物体农药和生物化学农药n生物农药不污染环境、对人和动植物安全

11、生物体农药n生物体农药是指用来防除病、虫、草等有害生物的商品活体生物。n如白僵菌是用于防治多种鳞翅目害虫的真菌制剂，可使昆虫变得僵硬。， 生物化学农药n生物化学农药则是指从生物体中分离出的具有一定化学结构，对有害生物有控制作用的生物活体性物质。如Bt蛋白。蓝玫瑰n基因工程产物n玫瑰本身没有黄酮-35-羟化酶，不能合成兰色素。n转入了转入黄酮-35-羟化酶，可以合成兰色素。n不过还跟液泡中的pH值有关。由于与玫瑰相关，充满了浪漫，商机无限！培育动物的优良品系n利用转基因技术，将与动物优良品质有关的基因转移到动物体内，使动物获得新的品质n转入大鼠生长基因的小鼠转入绿色荧光的兔转入红色荧光的观赏鱼狗

12、头鸟身的转基因怪物可以深入宠物市场，有一定的商机。动物的无性繁殖（克隆）n多利（Dolly）的诞生：从一个6岁母绵羊普通的组织细胞（体细胞）中提取遗传物质，和一个无DNA遗传物质但具有活性的另一只母绵羊的卵细胞进行电击融合，然后将结合后的新细胞经试管分裂。形成胚胎后再移植到第三只母绵羊子宫内生长。然后产出与第一只绵羊一样的羊。n揭示一个全新概念：由成年机体的一个体细胞核，可以复制一个基因完全相同的新生命个体。克隆具有巨大经济价值的动物，阳性率100%生物疫苗n是人体进行主动免疫，预防传染性疾病的有效手段；nEdward Jenner,17491823 首创用牛痘预防天花，是免疫学的发展，开创了

13、疫苗应用的先河。 的先河。疫苗发展n第一代疫苗：利用减毒、弱化或灭活病原体制备的疫苗；n第二代疫苗：将病原体的抗原基因克隆在细菌或真核细胞内，利用细菌或细胞生产病原体的抗原，利用这种抗原作为疫苗；n第三代疫苗：DNA疫苗。将含有编码目的蛋白基因序列的质粒载体，经肌肉注射或微弹轰击等方法导入体内，通过宿主细胞诱导宿主产生对该抗原蛋白的免疫应答，以达到预防和治疗疫病的目的效果持久、制备简单、省时价廉，但免疫力较低疫苗产业特点n疫苗产业呈高速增长的趋势 由于SARS、禽流感的爆发引发的卫生防卫体系的高度重视。n婴幼儿是疫苗市场的主要消费者 计划疫苗策略的作用n疫苗市场被国际大企业所控制 如葛兰素，占

14、全球疫苗市场的24%基因工程药物的研制和审批程序n1、基因工程细胞（细菌）的构建n1） 目的基因的分离n2） 高效表达工程菌株/细胞株的构建n3） 表达产物的鉴定n4） 工程菌株/细胞株培养和遗传稳定性研究n2、实验室小量生产n1） 表达产物有效成分的纯化n2） 有效成分理化和生物学特性的鉴定n3） 产品制备工艺和质量检定的条件和方法n3、中试生产（培养规模、产率、纯化得率、纯度、效价）n1） 其表达量不能低于小试水平n2） 连续三批的产量要能够做临床前研究、质量检定和-期临床试验用n3） 中试确定后不能再做大的变动，要有详细的操作规程和质量指标（效价、纯度、理化特性）基因工程药物的研制和审批

15、程序n4、临床前安全性研究n1） 药效n2） 药理n3） 毒理（急性毒性、长期毒性、药代动力学）n5、申请和进行新药临床研究n1）期临床实验（安全性）10-30例志愿健康受试者n2）期临床实验（疗效、治疗剂量、毒副反应、禁忌症）300例典型病例n6、获“新药证书”n1） 试生产（具备GMP车间和生产许可证），两年n2） 期临床试验（不良反应、疗效、新的适应症）n7、正式生产基因工程药物优点解决蛋白药物的产量问题 2L人血只能生产1ug人白细胞干扰素，而1L细菌发酵液可生产600ug；生产成本大大降低 提取生长激素抑制素一毫克需用十万只羊的下丘脑，所耗资金大约等于经人造卫星从月球上搬回一公斤石头

16、；而用基因工程方法生产这一激素，只需十公斤大肠杆菌培养液，其价格大约为每毫克0.3美元。基因工程药物优点基因工程生产人源的蛋白药物将是安全、有效的，不用担心其他病原体的污染、也不用担心动物源性药物的抗原性；可以对蛋白药物进行改造，使其更稳定、活性更高、副作用更低；目前的基因工程药物市场状况n多数是细菌等微生物系统来生产n已有转基因家畜产品1991年荷兰成功培育了转基因牛，在其乳腺中表达人乳铁蛋白，每头转基因牛的产奶价值约17亿美元。n也有转基因植物产品日本已成功将乙肝抗体转入香蕉中。抗生素生产n寻找新的抗生素 陆地和海洋n半合成新的抗生素 以天然抗生素为母体，在其上添加或去除某些基团以提高其效

17、率或 使细菌的抗药性能失效。n提高抗生素的产量 利用重组DNA技术，可以达到提高抗生素产量和生产效率的目的。细菌耐药性的产生，要求科学家寻找新的抗生素ELISA诊断：酶联免疫吸附检测技术n其原理是：将抗体（原）交联形成抗体（原）-酶复合物，将抗原或抗体吸附在微孔滴定板，使之固定。利用抗原与抗体的特异结合及酶将无色底物催化成有色底物，并根据在一定范围内，酶量与颜色呈正相关的关系进行检测，可定性或定量。 间接ELISA法、 直接ELISA法返回DNA诊断n常用的诊断方法有：RFLP（限制性长度多态性）PCR（聚合酶链式反应）PCR- RFLP技术PCR-ASO技术PCR-ELISA技术LCR技术在

18、PCR技术中详细讲解生物芯片n生物芯片：指能对生物分子进行快速处理和分析的薄型固体器件n包括基因芯片、蛋白质芯片、多糖芯片和神经元芯片n发展生物芯片目的在于制作芯片实验室，把样品制备、生化反应和结果检测三步全部集成所构成的微型分析系统基因芯片原理Affymetrix公司：将P53基因全长序列和已知突变的探针集成在芯片上，制成P53基因芯片基因治疗n将目的基因导入宿主体内，能在细胞中表达以达到对疾病进行治疗的目的。n目前已能治疗由于腺苷脱氨酶基因缺乏引起的严重型联合型免疫缺陷症。干细胞治疗n干细胞是具有多分化潜能和自我复制功能的早期未分化细胞。n在特定的条件下，它能分化成不同的功能细胞，形成多种

19、组织和器官。可以治疗几乎所有的疾病。n治疗白血病时，用脐血移植。解决能源危机-微生物采油n原理：构建能产生大量CO2和甲烷等气体的基因工程菌体，把这些菌体连同它们所需的培养基一起注入到油层中，目的是让这些工程菌能在油层中不仅产生气体增加井压，而且还能分泌高聚物，糖脂等表面活性剂，降低油层表面张力，使原油从岩石、沙土中松开，黏度降低，从而提高采油量。n例：美国德州一口40年井龄的油井中，加入蜜糖和微生物混合物，然后封闭，经细菌发酵后，井内压力增加，出油量提高近5倍。解决能源危机-生产乙醇燃料n乙醇作为燃料的优点：产能效率高、无毒无污染；n用纤维素作为生产原料来生产乙醇可以解决能源危机，其难点在于

20、缺少既能直接利用纤维素又能高产乙醇的基因工程菌；解决能源危机-生物沼气n沼气是生物质能应用的一种n生物质能（biomass energy）：由生物物质（生物量）产生的能量，主要由陆生和水生绿色生物通过光合作用合成能源物质而贮存化学潜能，它在整个物质循环中是“取之不尽，用之不竭”的，只要有太阳、空气和水的存在，地球上的生命有机体均直接地或间接地源源不断地提供各种不同形式的生物质能。n生物量的两面性：生物质能特点 可再生 洁净 易产业化，可规模生产生物质能的两面性n生物量的大量废弃，不转化不利用，必然造成环境污染。n实现转化后，会得到许多有价值的产品，可形成环保产业。n不过传统的转化方式“直接燃烧

21、”，利用率低，易释放有害物质；现代的方式“生物转化”，关键在于充分利用高新技术。如生物沼气环境保护n环境生物技术指直接或间接利用生物体或生物体的某些部分或某些机能，建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者能够高效净化环境污染同时又生产有用物质的工程技术n低层次环境生物技术：指氧化塘、人工湿地等处理技术环境保护n中层次环境生物技术：一些传统的污染治理方法，例如污水处理的活性污泥法和生物膜法及其在新的理论和技术背景下强化的技术与工艺n高层次环境生物技术：以基因工程为主导的近代污染防治技术，例如应用基因工程构建高效降解杀虫剂和除草剂等污染物的基因工程菌，创建抗污染的转基因植物如：美国研究者将4种假单

22、胞杆菌的基因组入到同一个菌株细胞中，构建了一种有超常降解能力的超级菌。它降解石油的速度奇快，几小时内能吃掉浮油中三分之二的烃类；而自然菌则需一年多才能降解。垃圾的发酵处理制造工业原料n应用发酵技术生产食品原料及化工原料氨基酸类，如谷氨酸（味精）、赖氨酸酸味剂，如柠檬酸、乳酸、苹果酸甜味剂，如高果糖浆、氯化砂糖还有乙醇、丙醇、丙烯酰胺等在发酵工程中会详细介绍生产贵重金属n利用细菌浸矿的技术对尾矿进行提炼，可得到多种金属如金、银、铜、铀等n主要通过微生物的溶解作用开发新的生物材料n生物钢：由转基因山羊生产的蜘蛛丝蛋白，并加工成高强度的纤维。n其强度惊人：一根5mm的牵丝蛋白可以强制停止一架全速飞行

23、的波音747已用来生产防盗衣开发新的生物材料n壳聚糖：来自于海洋甲刻类物质废弃物，如虾、蟹的外壳。n可以作为保鲜剂，用于水果蔬菜保鲜。n作为无纺布料。n研制人工皮肤。开发新的生物材料n将蚕丝蛋白用做组织工程中的材料，让各种干细胞在其上生长成所设计的组织。人类基因组计划n人类基因组包括分布于人人类基因组包括分布于人4646条染色体的条染色体的30,000-30,000-35,00035,000个基因。个基因。n人类基因组计划最终目的是测定基因组的全部序列，人类基因组计划最终目的是测定基因组的全部序列，弄清整个基因组的的结构、功能及其表达产物，彻底弄清整个基因组的的结构、功能及其表达产物，彻底了解

24、人类生命活动本质。了解人类生命活动本质。n这一计划的科学意义重大，可与产生原子弹这一计划的科学意义重大，可与产生原子弹的曼哈顿工程和人类登月阿波罗飞行任务相的曼哈顿工程和人类登月阿波罗飞行任务相媲美，是当前国际生物学、医学领域内一项媲美，是当前国际生物学、医学领域内一项引人注目的工程，是人类自然科学史上最重引人注目的工程，是人类自然科学史上最重大的研究项目之一，将推动整个生命科学的大的研究项目之一，将推动整个生命科学的发展。发展。人类基因组计划的意义人类基因组计划的启动n19851985年，美国能源部提出，要将共包含约年，美国能源部提出，要将共包含约3 3109109碱基对的人类基因组全部碱基

25、序列分析碱基对的人类基因组全部碱基序列分析清楚；清楚；n19861986年，美国宣布启动年，美国宣布启动“人类基因组计划人类基因组计划（Human Genome Project, HGPHuman Genome Project, HGP）”。人类基因组计划的发展n19991999年年1212月月1 1日，首条人类染色体完成测序，日，首条人类染色体完成测序，人类第人类第2222号染色体号染色体DNADNA全序列测定宣布完成。全序列测定宣布完成。n20002000年年4 4月月6 6日，美国日，美国CeleraCelera遗传信息公司宣布，遗传信息公司宣布，该公司已破译出一名实验者的完整遗传密码。

26、该公司已破译出一名实验者的完整遗传密码。n20002000年年5 5月，科学家聚集美国冷泉港，宣布人月，科学家聚集美国冷泉港，宣布人类基因组草图的完成。类基因组草图的完成。6国科学家组成的国家人类基因组中心主要研究比例n美国：美国：WASHWASHMITMIT等等7 7家研究中心，贡献率为家研究中心，贡献率为5454。n英国：英国：SANGERSANGER一家研究中心，贡献率为一家研究中心，贡献率为3333。n日本：日本：RIKENRIKEN等两家研究中心，贡献率为等两家研究中心，贡献率为7 7。n法国：法国：GENOSCOPEGENOSCOPE研究中心，贡献率为研究中心，贡献率为2.82.8

27、。n德国：德国：IMBIMB等等3 3家研究中心，贡献率为家研究中心，贡献率为2.22.2。n中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究n 中心等三家，贡献率为中心等三家，贡献率为1 1。 二二000000年六月二十六日克林顿宣布年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成人类基因组草图绘制完成人类基因组研究结论人类基因组研究结论1.1.基因数量少得惊人基因数量少得惊人2.2.人类基因组中存在人类基因组中存在“热点热点”和大片和大片“荒漠荒漠”3.3.三分之一为三分之一为“垃圾垃圾”DNADNA4.4.种族歧视毫无根据种族歧视毫无根据5.5.男性基因

28、突变比例更高男性基因突变比例更高现代生物技术产业特点之一n高技术：主要表现在高知识层次的人才和高新的技术手段。以基因工程药物为例，上游技术（即工程菌的构建）涉及到目的基因的合成、纯化、测序；基因的克隆、导入；工程菌的培养及筛选；下游技术涉及到目标蛋白的纯化及工艺放大，产品质量的检测及保证。现代生物技术产业特点之二n高投入：生物技术是一个投入相当大的产业，主要用于新产品的开发及厂房的建造和设备仪器的配置方面。目前国外研究开发一个新的生物医药的平均费用在13亿美元左右，并随着新药开发难度的增加而增加。现代生物技术产业特点之三n高风险：例新药的投资从生物筛选、药理、毒理等临床前实验、制剂处方及稳定性

29、实验、生物利用度测试直到用于人体的临床的实验及注册上市和售后监督等一系列步骤，耗资巨大。任何一个环节失败将前功尽弃。 而且，某些药物具有“两重性”，可能在使用过程中出现不良反应需要重新评价。 一般，一个生物工程药品的成功率仅有5-10%。时间却需810年，投资13亿美元左右。现代生物技术产业特点之四n高竞争：市场竞争日益加剧，“抢注新药证书、抢占市场占有率”是开发技术转化为产品的关键。也是不同开发商激烈竞争的目标，若被别人优先拿到药证或抢占市场，也会前功尽弃。现代生物技术产业特点之五n高收益：生物技术药物利润回报率很高。一种新生物药品一般上市后2-3年即可收回所有投资。有的利润回报高达10倍以

30、上。 例：美国安进公司EPO 的开发花了3.15亿元，而公司至1996年6月，把EPO给美国医疗保健部门获得18亿美元。医疗保健部门为1000单位EPO付出11美元，而生产成本仅0.4美元，相差达2750%！现代生物技术产业特点之六n高势能：对国家的政治、经济、文化和社会发展有很大的影响，具有很强的渗透性和扩散性，有着很高的态势和潜在的能量。生物技术产业化的三个浪潮n医学生物技术是先导n农业生物技术进入快速生长期n工业生物技术正在兴起科学家沉重的话题科学家沉重的话题生物武器生物武器 n当今世界上有许多国家政府和恐怖分子对生物武当今世界上有许多国家政府和恐怖分子对生物武器表现出越来越大的兴趣，当有人将基因重组和器表现出越来越大的兴趣，当有人将基因重组和转基因技术用于军事目的的时候，令人感到不寒转基因技术用于军事目的的时候，令人感到不寒而栗。运用基因工程手段培育出来的新颖病原体而栗。运用基因工程手段培育出来的新颖病原体可以令当今的疫苗或抗生素对它们不起任何作用。可以令当今的疫苗或抗生素对它们不起任何作用。潜在的生物武器与防御手段：潜在的生物武器与防御手段：n潜在武器潜在武器 炭疽杆菌、沙门氏菌、鼠疫杆菌、肉炭疽杆菌、沙门氏菌、鼠疫杆菌、