细胞工程 第一章细胞工程绪论课件

细胞工程概论北方民族大学生物科学与工程学院课件制作与主讲：曹君迈2009.2第一章绪论

第一节生物工程一、掌握生物工程的概念二、了解生物工程的发展史三、生物工程的基本内容四、生物工程在国民经济中的地位五、现代生命科学研究的热点一、生物工程的概念

1.定义：是以生命科学为基础，利用生物体系和工程学原理产生生物制品和创造新物种的一门综合技术。(p1)或者说：利用生物有机体或部分组织、器官、细胞等发展新工艺和制造新产品的一门科学技术。1982年国际合作及发展组织对生物技术进行了重新定义：生物技术是应用自然科学和工程原理，依靠微生物、动物、植物作为反应器将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。二、生物工程的发展史1、古代生物工程阶历史：4000多年前-20世纪30年代。

产品特点：化合物结构较简单，属初级代谢产物。

生产过程：设备要求不高、规模不大、过程较简单，属嫌气发酵。

2、近代生物工程阶段

历史：1928-60年代

产品特点：产品类型多，包括：初级代谢产物、次级代谢产物、以及生物转化、酶反应等产品。

生产过程：技术要求高，需在无菌条件下进行。大多数过程为好气发酵，发酵规模巨大。三、生物工程的基本内容按照生物工程的研究或操作层次分为：微观生物工程：染色体操作、细胞重组等。宏观生物工程：试管植物、发酵罐。按照生物工程改造的对象，主要包括基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞工程、发酵工程和生物化学工程六个方面。p3按照应用的生产部门有农业、环境、医学、卫生、公安等多个方面。基因工程是生物工程的核心。基因工程的核心技术是DNA重组。现阶段生物工程是以核酸和蛋白质为主的工程。

基因工程：对基因加工改造和创新，主要方法是DNA重组。

蛋白质工程：是以人门所需的蛋白质为目的生物工程。通过蛋白质的结构反向设计、选择或修改相应基因，和基因工程获得所需蛋白质。

酶工程：是以人们所需的酶为目的，通过基因工程和蛋白质工程获得所需的酶。已知有的酶本质不是蛋白质而是核酸，目前的酶工程仅限于本质为蛋白质的酶。

细胞工程：是以细胞和细胞器为对象进行操作，最终获得人们所需的细胞、组织或个体。

发酵工程：是生物工程的主要终端，通过反应器的设计和发酵工艺的建立，对获得的工程菌或细胞进行扩大生产，最终分离提取所需的生物工程产品。

生物化学工程：生物化学工程是由生物科学与化学工程相结合的交叉学科，主研究新型生物反应器和新型分离技术以及设备的开发、生物反应过程的数学模型建立和在线检测及控制手段完善。五、现代生命科学研究的的热点1、以蛋白质工程为主要内容的生物大分子结构与功能研究2、以信号传递和相互作用为基础的基因控制细胞机理研究3、在完成人类及所有生物基因测序后对基因结构和遗传语言研究4、开展包括分子水平上的以实现遗传、发育、进化大统一为目的的综合理论研究5、研究神经网络和神经信息处理机制，揭示脑工作原理6、心理、智力、性格、行为模式的行为学机制和量化研究7、生态学在微观与宏观结合、理论与控制结合上进行定量、预测和工程化方向研究8、人体功能(包括潜在功能如经络、气功、特异功能等方面)研究另外：人工生命体的合成第二节

细胞工程一、细胞工程

细胞工程是运用细胞生物学和分子生物学的方法，通过类似工程学的步骤，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿改变细胞内的遗传物质以获得新型生物或特种产品的一门综合性科学技术。(p7)

二、细胞工程的发展历史1838，马勒在脊椎动物肿瘤细胞中观察到多核现象1902，哈泊兰德预言了植物细胞的全能性；1907，美国哈里森培养了蛙胚神经组织；1934，荷兰温特发现生长素；White以番茄根尖为外植体第一个成功的获得了活跃生长的无性繁殖系。1958，Steward利用胡罗卜根尖为外植体成功的获得了单细胞培养的再生植株。证明了植物细胞的全能性。1960，英国诺丁汗大学科金教授使用酶解方法从番茄幼苗根部制备得到大量原生质体；1972，美国卡尔森等用NaNO3为融合诱导剂，将来自不同种的烟草原生质体进行融合，获得世界上第一个体细胞杂种植株；1977，英国胚胎工程技术，首例试管婴儿；1997，多莉克隆羊；2001，首例克隆猪…三、细胞工程的主要研究内容及技术手段1.研究内容(p9-10)动植物细胞与组织培养；细胞融合；染色体工程；胚胎工程；细胞遗传工程

四、细胞工程重要应用及其与其它生物工程的关系 (一)细胞工程重要应用(p11-13)优质植物快速培育与繁殖；动物胚胎工程快速繁殖优良、濒危品种；利用动植物细胞培养生产活性产物、药品；新型动植物品种的培育；供医学器官修复或者移植的组织工程；转基因动植物的生物工程反应器；在遗传学、发育学等领域的理论研究；在能源、环保等领域的应用。(二)细胞工程与其它生物工程之间的关系1.细胞工程的建立依赖于相关科学理论的发展。2.为生物学研究提供新的实验体系。3.细胞工程必须和其它生物技术结合才能更好地发挥作用。(p14)细胞工程与其它生物工程之间的关系图解(p14)

例1：粮食与蔬菜生产利用细胞工程技术进行作物育种，是迄今人类受益最多的一个方面。我国在这一领域已达到世界先进水平，以花药单倍体育种途径，培育出的水稻品种或品系有近百个，小麦有30个左右。其中河南省农科院培育的小麦新品种，具有抗倒伏、抗锈病、抗白粉病等优良性状。在常规的杂交育种中，育成一个新品种一般需要8～10年，而用细胞工程技术对杂种的花药进行离体培养，可大大缩短育种周期，一般提前2～3年，而且有利优良性状的筛选。前面已介绍过的微繁殖技术，在农业生产上也有广泛的用途，其技术比较成熟，并已取得较大的经济效益。例如，我国已解决了马铃薯的退化问题，日本麒麟公司已能在1000升容器中大量培养无病毒微型马铃薯块茎作为种薯，实现种薯生产的自动化。通过植物体细胞的遗传变异，筛选各种有经济意义的突变体，为创造种质资源和新品种的选育发挥了作用。现已选育出优质的番茄、抗寒的亚麻、以及水稻、小麦、玉米等新品系。有希望通过这一技术改良作物的品质，使它更适合人类的营养需求。细胞工程的的技术与应用实例例2：园林花卉在果树、林木生产实践中应用细胞工程技术主要是微繁殖和去病毒技术。几乎所有的果树都患有病毒病，而且多是通过营养体繁殖代代相传的。用去病毒试管苗技术，可以有效地防止病毒病的侵害，恢复种性并加速繁殖速度。目前，香蕉、柑橘、山楂、葡萄、桃、梨、荔枝、龙眼、核桃等十余种果树的试管苗去病毒技术，已基本成熟。香蕉去病毒试管苗的微繁殖技术已成为产业化商品化的先例之一。因为香蕉是三倍体植物，必须通过无性繁殖延续后代，传统方法一般采用芽繁殖，感病严重，繁殖率低；而采用去病毒的微繁殖技术不仅改进了品质，亩产量约提高30％～50％，很容易被蕉农接受。近年来，对经济林木组织培养技术的研究也受到很大的重视。采用这一技术可比常规方法提前数年进行大面积种植。特别是有些林木的种子休眠期很长，常规育种十分费时。据不完全统计，现已研究成功的林木植物试管苗已达百余种，如松属、按树属、杨属中的许多种，还有泡桐、槐树、银杏、茶、棕榈、咖啡、椰子树等。其中桉树、杨树和花旗松等大面积应用于生产，澳大利亚已实现桉树试管苗造林，用幼芽培养每年可繁殖40万株。例3资料：植物基因工程的新进展自1983年首次获得转基因烟草、马铃薯以来，短短十余年间，植物基因工程的研究和开发进展十分迅速。国际上获得转基因植株的植物已达35科，120种以上，包括水稻、玉米、马铃薯等作物；棉花、大豆、油菜、亚麻、向日葵等经济作物；番茄、黄瓜、芥菜、甘蓝、花椰菜、胡萝卜、茄子、生菜、芹菜等蔬菜作物；苜蓿、白三叶草等牧草；苹果、核桃、李、木瓜、甜瓜、草莓等瓜果；矮牵牛、菊花、香石竹、伽蓝菜等花卉；以霸占杨树等造林树种。应该说转基因植物研究取得了令人鼓舞的突破性进展。

2000年，法国科学家利用基因技术“制造”出了一只可以发出绿色荧光的兔子“Alba”。应用了受精卵显微注射技术，从水母身上采集了荧光蛋白，基因改良后，使它的发光率比