科技史：第二十八讲 生物技术的诞生与迅猛发展课件

1、科技史第二十八讲：生物技术的诞生与迅猛发展 历史文化与旅游学院1一. 基因工程二. 细胞工程三. 蛋白质工程四. 酶工程五. 发酵工程2教学目的和要求1. 了解基因工程、细胞工程、蛋白质工程、酶工程和发酵工程的发展概况。2. 重点掌握基因工程技术的发展概况及其重要意义。3. 深入理解转基因技术、克隆技术的发展过程及其社会后果。 3现代生物技术的含义 以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他自然学科的原理，按照预先的设计改造生物体，或利用微生物、动物或植物体对原料进行加工，为人类生产出所需要的产品或达到某种目的的技术。4现代生物技术的目的1. 对生物体进行改造，培育出具有优良品质的动物

2、、植物、微生物新品系。2. 利用微生物、动物、植物为反应器对原料进行加工，生产出人类所需要的产品。3. 进行疾病的防治、诊断和治疗。4. 环境污染的检测5基因工程诞生的背景(理论上的三大发现)1. 40年代发现了遗传物质DNA 1944、TAvery 肺炎双球菌的转化实验 2. 50年代搞清了遗传物质的分子机制 1953 Watson and Crick的DNA结构双螺旋、半保留复制,1958年诺贝尔奖 3. 60年代确立了遗传信息的传递方式 1961 美国 尼伦堡(Ninenberg)确立遗传信息以密码形式传递：3=1=1 (3个核苷酸=1个密码子=1个aa) 1966年破译了64个密码,诞

3、生了“密码字典” 7基因工程的诞生三个典型试验1.世界上第一个重组DNA实验: 实现不同来源DNA的重组2.世界上第一个基因工程实验3.世界上第一个真核基因在原核生物中表达82. 植物微生物工程重组质粒导入植物细胞直接导入原生质体转化细胞培养再生转化植株涉及技术目的基因分离 载体构建DNA 重组原生质体制备目的基因导入原生质体组织培养植株再生转化细胞筛选表达产物生化测定DNA分子杂交 遗传学分析 优良性状鉴定目的基因载体质粒植物细胞或组织102. 动物微生物工程2.1 动物细胞表达系统2.2 动物个体表达系统(转基因动物)转基因是指借助基因工程技术，将外源 DNA 通过生殖细胞或早期胚胎导入动

4、植物个体的染色体，这一 过程称为转基因（Transgenesis)。转基因动物：含有转移基因的动物称为转基因动物（Transgenic animal)。11花粉Bt玉米马利筋帝王蝶幼虫死亡44%（室内）帝王蝶事件动物基因工程的应用改良家畜动物品种和优良性状基因动物的生物反应器生产多肽和蛋白质药物12胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了30%-50

5、%!14干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！过去从人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍贵”程度自不用多说。人造血液、白细胞介素、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。人造血液及其生产15.基因工程与农牧业、食品工业运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国)乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)17导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠导入人基因具特殊用途的猪和小鼠超级动物特殊动物18基因工程引发的争论1. Pusztai事件

6、：1999年英国苏格兰Rowett研究所Arpad Pusztai用转雪花莲凝集素（GNA）基因马铃薯饲喂大鼠，使大鼠体重和器官重量减轻，免疫系统破坏。2. 帝王蝶事件：1999.5美国康乃尔大学研究组报道，Bt玉米花粉以较高浓度撒在马利筋叶上，然后让帝王蝶幼虫摄食，4天后有44的幼虫死亡。3. StarLink玉米事件：苏云金芽孢杆菌的Cry9C基因转入玉米，即StarLink玉米。1998年，美国环保署（EPA）批准只作为家畜饲料和工业用途。2000年未经许可进入了食品中，引起了食用该食品的一部分人的过敏反应。19二、细胞工程 是利用细胞的全能性，在体外条件下，采用组织与细胞培养技术对动物

7、、植物细胞进行修饰，为人类提供优良品种、产品和保存濒危物种20细胞的全能性概念受精卵生殖细胞体细胞细胞离体、一定的营养物质、激素和其他外界条件生物体的细胞具有使后代细胞形成完整个体的潜能的特性，叫做细胞的全能性必要条件原因大小从理论上讲，每个细胞都包含该物种的全部遗传物质（全部基因），所以每个活细胞都应具有全能性。 21细胞分化 细胞在进行分裂产生许多新细胞的过程中，除了一小部分细胞保持原来的形状，具有分裂能力以外，绝大多数细胞不仅通过成长增大了体积，而且在形态和结构方面都逐渐发生了变化，形成具有不同形态、不同功能的细胞群，这种变化的过程叫做细胞分化。22生物技术发展带来的伦理和社会问题 例如

8、：克隆技术如果应用到人身上，会打乱人类社会的伦理纲常；人类基因组计划可能会威胁到个人隐私；基因工程农作物品种的推广也许会带来生态灾难。DNA双螺旋模型 The DNA Helix Model Watson and Crick ，the brash duo were impatient with authority, dismissive of prevailing opinions - and very eager to win the race to unravel the code. Their 900-word paper, published in Nature (171： 737,

9、1953), concluded, famously, It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.24重组DNA技术 Recombinant DNA Technology 1972 P. Berg creates first recombinant DNA molecules in Results of his experiments, r

10、epresented crucial steps in the subsequent development of recombinant genetic engineering. In 1973 H. Boyer and S. N. Cohen reported the construction of functional organisms that combined and replicated genetic information from different species. Their experiments dramatically demonstrated the poten

11、tial impact of DNA recombinant engineering on medicine and pharmacology, industry and agriculture. 25克隆羊“多莉”的诞生I. Wilmut, et al. Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells.Nature 385, 810 - 813, February 27, 199727干细胞-1999，世界十大科技突破之首1. G.Vogel.BREAKTHROUGH OF THE YEAR: Capturing t

12、he Promise of Youth. Science 1999. 286: 2238-22392. In 1999, researchers recognized the extraordinary potential of stem cells, immature cells with the ability to become different kinds of tissue-and perhaps to heal many kinds of illness28蝴蝶兰试管苗工厂化生产29微生物培养与发酵 Microbial Cell Culture and Fermentation3

13、0三、蛋白质工程蛋白质的结构与性质 蛋白质分子中含有C、O、H、N、S等元素。1965年我国科技工作者成功合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素。这是科学史上的一大成就，可以说是科学史上又一“丰碑”。 311. 蛋白质是含氮生物高分子化合物，有C、H、0、N、S等元素，还有一些微量元素，构成的种类有10万种以上。2. 天然蛋白质的结构独特而稳定，按照氨基酸的连接方式分为：一级结构、二级结构、三级结构、四级结构32蛋白质的一级、二级、三级结构33蛋白质的分子图象34蛋白质的空间结构35SARS病毒的电子图片 SARS病的凶手冠状病毒， 有自己的核酸和蛋白质。它进入人体后，借助人体内的原料合成病毒。当我

14、们人体发病时，就是它的蛋白质对我们起了作用。 36四、酶工程1. 生物体、植物无时无刻都在进行着化学反应，并且这些反应在生物体存在的条件下进行，而且会随着环境、身体的情况而随时自动、精确的改变，是什么让这些反应可以实现的？-这就是酶2. 酶的催化特点： 2.1 条件温和，不需加热 2.2 具有高度的专一性 2.3 具有高效催化作用37五、发酵工程1. 什么是发酵? 通过微生物的培养,大量生产代谢产物的过程叫发酵.2. 什么是发酵工程? 采用现代工程技术手段,利用微生物的某些特定功能,为人类生产有用的产品,或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术.38发酵过程(在发酵罐内完成)通气装置搅拌装置接种装置加料装置冷却装置PH装置 从培养基中分离、提取谷氨酸39发酵工程的内容1.菌种的选育(1)最初,从自然界寻找所需菌种(2)20世纪40年代,人工诱变育种人工诱变方法物理:化学:x、r射线、紫外线、激光亚硝酸、硫酸二乙酯(3)开始用细胞工程、基因工程等方法,构建 工程细胞或工程菌优点:能生产出一般微生物所不能生产的产品402.培养基的配制目的要明确营养要协调PH要适宜3.灭菌污染杂菌的危害?导致产量大大下降,甚至得不到产物.灭菌方法:高压蒸汽灭菌高温灭菌414.扩大培养和接种5.发酵过程-发酵的中心阶段随时取样