《自然科学基础》第十九章课件

1、生物技术的产生与发展现代生物技术的特点与影响01 现代生物技术概述 从史前时代起，生物技术就一直为人们所开发利用，造福于人类。 20世纪70年代，细胞工程兴起，用于进行大规模动植物细胞培养、农业育种和药品生产，口蹄疫苗、狂犬病疫苗、脊髓灰质炎等病毒疫苗的批量生产，使人类征服了几千年来深受其害的顽症。 20世纪下半叶，基于基因工程，现代生物技术取得了突破性进展。20世纪50年代，DNA双螺旋结构模型的发现及后来中心法则的提出、遗传密码破译奠定了基因工程的理论基础。以20世纪70年代的DNA重组技术为开端，基因工程迅速发展，并于1883年发展出蛋白质工程。 代生物技术是指运用现代生物科学、工程学等

2、基础学科的知识，按照预先设计，对生物进行控制和改造或模拟生物及其功能，用于发展商业性加工、产品生产和社会服务的高新技术。其特点是： 打破了几千年来遗传学上远缘不能杂交的规律（即种属间的屏障）； 提供了一种手段，可直接进行基因或蛋白质的人工台成； 在基因水平上治病防病，包括遗传病、恶性肿瘤等。 现代生物技术的诞生和发展给人类社会带来了一次重大的产业革命，对人类的生产和生活方式带来了巨大影响：（1） 基因工程制药产业正在世界各国迅速崛起，它不但革新了生化药物的生产方式和生产规模，而且创造出许多新一代的生化药品。（2） 生物技术在农业上的应用，有望改变农作物的品种，提高产量和品质，如抗棉铃虫的棉花、

3、抗腐烂的西红柿等。（3） 生物技术在医学上的应用，极大地推动了人类遗传病的基因诊断和基因治疗研究。发酵工程酶工程02 现代生物技术的主要内容基因工程蛋白质工程细胞工程 微生物是生物的一大组成部分。利用微生物及其内含酶系的生理特性，应用现代工程技术手段生产或加工人类所需的产品的技术体系，就叫发酵工程，又称微生物工程。发酵工程以传统发酵为核心，目前在整个生物产业中仍是最重要的组成部分。 传统发酵工程经过基因工程的改造和现代技术的武装，整个技术体系有了很大的不同。传统的工业菌株培育是利用自然界现有的菌种，而现在则可运用细胞融合技术和重组DNA技术，选育出人们所需要的类型。化学酶工程也称初级酶工程，通

4、过对酶进行化学修饰和固定化处理，甚至化学合成等手段来改善酶的性质，以提高催化效率，降低成本。生物酶工程基于化学酶工程，是酶科学和以基因工程为主的现代分子生物技术相结合的产物，也称高级酶工程。它通过对酶基因的修饰改造或设计，产生自然界不曾有过的、性能稳定、催化效率更高的新酶。 酶是一种具有特定生物催化功能的蛋白质。酶工程简单地说就是酶制剂在工业上的大规模生产及应用，包括酶制剂的开发和生产、多酶反应器的研究和设计，以及酶的分离提纯和应用的扩大。酶工程一般可分为两类： 基因是具有遗传效应的DNA片段，是遗传物质的功能单位和结构单位。基因工程是基因水平上的遗传工程，是指利用DNA体外重组技术，按预先设

5、计要求剪接基因，从而改造遗传特性的现代生物技术。它的问世标志着人类已从分子水平上认识遗传物质发展到能在分子水平上操纵并改造遗传物质。 基因工程的基本程序包括下列步骤：分离目的基因构建基因载体DNA体外重组重组DNA的转化基因克隆 基因工程的最终目的是使目的基因在受体细胞内表达，以及获得人们所需的表达产物蛋白质或多肽。因此，目的基因的高水平表达是基因工程能否获得实际效益的先决条件。 人们希望能创造出比天然蛋白质性能更好的蛋白质，于是在基因工程基础上，发展形成了蛋白质工程。这是一种根据蛋白质结构与功能关系，运用基因工程技术获得具有特定功能的新型蛋白质的生物技术，故蛋白质工程又称为第二代基因工程。（

6、一）蛋白质工程的原理与一般方法 20世纪80年代以来，由于蛋白质、核酸等生物大分子结构与功能的研究有了长足的进步，目前已获得了大量天然蛋白质结构与功能的信息，并可借助电子计算机预测蛋白质分子中某个氨基酸被替代后引起的功能变化，继而利用基因工程方法（如定点变异技术）改变蛋白质分子中的氨基酸，使蛋白质分子获得新的功能。因此，蛋白质工程的关键，是在对一个蛋白质结构与功能关系深入理解的基础上，通过严格的分子设计，用定位突变基因的方法改造基因，从而定向地改变蛋白质分子中的氨基酸，使其具有人们所希望的功能的新型蛋白质。（二）蛋白质工程的实际应用 2在生化药物生产中的应用1提高酶制剂的稳定性 细胞工程是一项

7、细胞水平上的现代生物技术。概括地讲，细胞工程是按人们预先设计，应用实验的方法改造细胞遗传特性，以获得新的物种或生物产品的生物技术。其主要内容包括体细胞杂交、染色体工程以及在离体条件下的大规模细胞培养等技术。（一）细胞杂交技术 细胞杂交技术又称细胞融合技术，是指利用某些病毒或化学物质作媒介，使不同细胞并合在一起形成杂交细胞（即融合细胞）的技术。细胞杂交技术作为一种现代生物技术，是20世60年代才真正发展起来的，它在理论研究和生产实践上都有广阔的前景。在医学方面，细胞杂交技术也有诱人的前景。（二）杂交瘤细胞技术 杂交瘤细胞技术是在动物体细胞杂交基础上发展起来的现代生物技术。杂交瘤细胞是由动物体细胞

8、和肿瘤细胞两个亲本细胞通过细胞融合产生的杂交细胞，这种杂交瘤细胞兼有两个亲本细胞的特性。杂交瘤细胞技术是英国科学家米尔斯坦和科勒于1975年发明的，他们首先创建了淋巴细胞杂交瘤细胞技术。（三）细胞培养技术 细胞培养是指动植物细胞在人工条件下进行离体培养的技术。动植物细胞培养与微生物培养（发酵）有很大不同。相比之下，植物细胞对营养的要求比动物细胞简单。 20世纪70年代以来，细胞培养技术已取得了迅速发展。人们已能通过大规模细胞培养来生产各种酶、抗生素、蛋白质等产物。 （四）干细胞与组织工程 干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。按细胞发育阶段分，干细胞可分为胚胎干细胞和成体干细胞。按分化潜能

9、的大小分，干细胞可分为三种类型：第一类是全能性干细胞；第二类是多能性干细胞；第三类是定向干细胞，又称专能干细胞。组织工程是在干细胞研究的基础上，结合工程学和生命科学原理和方法，研究开发能够修复、维持或改善损伤组织的人工生物替代物的一门学科。现代生物技术的应用生物技术的发展前景 03 现代生物技术的应用及前景1现代生物技术是实现高效农业和可持续发展农业的重要手段2生物技术的发展给人类带来健康的福音3进行生物治理是环境保护的根本出路4现代生物技术的渗透将使传统工业大大改观 21世纪将是生物学的世纪。展望未来，生物技术给人们昭示了美好的前景，但也让人不无忧虑。概括起来，其发展前景如下： （2）生物治疗将突飞猛进。基因工程药物将成为竞相开发的领域，应用将日趋普及，基因治疗方法有望治愈现在一些人们对之束手无策的重大疾病和遗传病，人类的平均寿命将因之大大延长。（3）转基因植物和动物将有重大突破。（1）基因操作技术日新月异，不断完善，并将通过商业渠道大力推广。（4）阐明生物体基因及其编码