生物制药第一章绪论课件

生物制药第一章绪论课件生物制药第一章绪论课件上课纪律：按时上课、有事请假，迟到者请从前门走并喊报告，事后说明原因;点名方式：老师点名或点人数，学习委员或班长配合;实验课不得缺席，如有事者应请假，征得教师同意后申请补做。2次无故不参加者不得参加期末考试;出勤、平时上课提问和作业占30%，期中无故迟到扣总分1分/次，旷课扣总分2分/次，10分扣完则扣笔试成绩；缺课、旷课累计超过该课程教学时数三分之一及以上的学生，取消其参加该课程考试的资格，请假手续按学院规定处理。10/29/20223上课纪律：按时上课、有事请假，迟到者请从前门走并喊报10/2第一章绪论生物技术的概念生物技术药物生物技术制药的概念和主要研究内容与任务生物技术与生物技术制药的发展简史10/29/20224第一章绪论生物技术的概念10/22/20224一、生物技术的概念

（一）生物技术的概念生物技术（biotechnology）又称为生物工程（bioengineering），是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，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技术。

10/29/20225一、生物技术的概念（一）生物技术的概念10（二）生物技术与各学科的关系分子生物学

微生物学生物化学

医学生物技术遗传学药物生物技术细胞生物学现代生物技术农业生物技术化学工程

食品生物技术免疫学环境生物技术药学海洋生物技术计算机技术等10/29/20226（二）生物技术与各学科的关系10/22/20226（三）生物技术与医药的关系

1.与药物的关系

生物技术最早应用的产业领域是医药行业。

1977年：第一个重组的生长激素抑制因子(somatostatin)出现。之后，美国成立了第一家遗传工程公司——Genetech，进行小牛和小猪的生长激素的开发研究，与其他公司合作开发了-干扰素的生产技术。

1981年：第一个诊断用单克隆抗体首先在美国正式上市；

10/29/20227（三）生物技术与医药的关系10/22/20227

1982年：第一个基因工程技术生产的人胰岛素得到批准，投放市场，第一个基因工程疫苗也正式上市；

1986年：第一个单克隆抗体新药——抗T细胞分化抗原OKT3单克隆抗体被批准投放市场，用于治疗肾移植后作为抗排斥反应的药物，有效率达94%。此后三十几年中，陆续被批准上市的产品已达几十种，正在临床试验的产品达几百种。10/29/202281982年：第一个基因工程技术生产的人胰

2.与医学的关系（1）从分子水平上去研究和认识疾病：如遗传性疾病、癌症等

（2）疾病的诊断：如酶联免疫吸附测定、DNA诊断系统、遗传疾病的分子诊断、癌症的分子诊断、生物芯片诊断等

（3）疑难病症的防治手段：生物导弹—单克隆抗体、基因工程疫苗、基因治疗等

（4）制造人的器官

人耳鼠10/29/202292.与医学的关系10/22/20229

（四）生物技术所包含的内容按照传统的说法，生物技术包括的内容主要是：基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程这四大工程。由于生物技术与生命科学的飞速发展和学科之间的相互渗透，生物技术所包含的内容不断扩大，如蛋白质工程、抗体工程、糖链工程、海洋生物技术、生物转化等。10/29/202210（四）生物技术所包含的内容10/22/20221.基因工程基因工程（geneticengineering）又叫遗传工程，是现代生物技术的核心和主导。所谓遗传工程就是从生物体中把生物遗传物质（基因或DNA分子）分离出来，或人工合成一段基因，用人工的方法对遗传物质进行搭配、组合，然后转入某生物的细胞内，从而通过改变其遗传物质的结构来改变它的遗传特性，使它定向地产生所需的生物品种。由于它在DNA分子水平上动手术，又称为DNA重组技术、分子水平杂交技术或称基因操作。10/29/2022111.基因工程基因工程（geneticengineering基因工程

基因工程可以跨越生物远缘不能杂交的鸿沟，实现物种，甚至动物、植物、微生物之间的基因杂交，所获得的生物产品或生物新品种在医药、卫生、农业、畜牧业和环境保护具有广阔的应用前景。10/29/202212基因工程基因工程可以跨越生物远缘不能杂交的鸿沟，实2.细胞工程细胞工程（cellengineering）是指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖，或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种，加速繁育动、植物个体，或获得某种有用的物质的过程。由于细胞工程是在细胞水平上动手术，又可称为细胞操作技术。

10/29/2022132.细胞工程细胞工程（cellengineering）是细胞工程的内容细胞融合技术细胞器移植技术原生质体融合技术染色体工程细胞和组织培养技术10/29/202214细胞工程的内容细胞融合技术10/22/202214细胞融合技术

细胞融合技术是将两个不同种类的细胞，通过化学的、生物的或物理的办法，使它们彼此融合在一起，从而产生出兼有两个亲体的遗传性状的细胞。这实质上是无性杂交，故又称其为体细胞杂交。

10/29/202215细胞融合技术细胞融合技术是将两个不同种类的10/29/20221610/22/202216细胞组织培养技术动物细胞培养植物细胞培养人或动物的组织培养植物的组织培养10/29/202217细胞组织培养技术动物细胞培养10/22/2022173.发酵工程

发酵工程(fermentationengineering)是通过现代技术手段，利用微生物的特殊功能生产有用的物质，或直接将微生物应用于工业生产的一种技术体系。这项技术主要包括菌种选育、菌种生产、代谢产物的发酵以及微生物机能的利用等技术。

发酵工程已用于多种产品如酒类、抗生素、氨基酸、微生素、激素、工业用酶等生产。近年来，随着基因工程、细胞工程和酶工程技术向发酵工程的渗透，更拓宽了它的应用领域。10/29/2022183.发酵工程发酵工程(fermentationengi4.酶工程酶工程（enzymeengineering）是利用酶或细胞所具有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。它主要包括酶的开发和生产、酶的分离和纯化、酶的固定化、反应器的研制及酶的应用等内容。10/29/2022194.酶工程酶工程（enzymeengineering）是5.蛋白质工程

蛋白质工程（proteinengineering）是一门从改变基因入手，制造新型蛋白质的技术。

其过程是：先找到一个合成与这种新型蛋白质的基因接近的基因；然后，修改这个基因（用定位突变技术修改这个基因的核酸顺序）；再把修饰好的基因植入细菌或生物的细胞里，让细菌产生出人们想要的新型蛋白质。

它与基因工程的区别在于：前者是利用基因拼接技术用生物生产已存在的蛋白质，后者则是通过改变基因顺序来改变蛋白质的结构，生产新的蛋白质。因此，蛋白质工程又被称为第二代基因工程，也被称为第二代生物技术。

10/29/2022205.蛋白质工程蛋白质工程（proteinengine6.抗体工程抗体工程（antibodyengineering）是应用细胞生物学或分子生物学手段在体外进行遗传学操作，改变抗体的遗传特性和生物学特性，以获得具有适合人们需要的、有特定生物学特性和功能的新抗体，或建立能够稳定获得高质量和产量抗体的技术。10/29/2022216.抗体工程抗体工程（antibodyengineeri7.糖链工程

糖链工程（glycotechnology）是利用化学、生物、仪器等手段，研究糖蛋白糖链的技术，内容包括糖链的制备、糖链结构的分析、糖链与蛋白质的连接方式研究、糖链对蛋白质功能与活性的影响研究以及蛋白质糖基化技术研究等。10/29/2022227.糖链工程糖链工程（glycotechnology）是8.海洋生物技术海洋生物技术（marinebiotechnology）是指运用海洋生物学与工程学的原理和方法，利用海洋生物或生物代谢过程，生产有用物质或定向改良海洋生物遗传特性所形成的高技术。10/29/2022238.海洋生物技术海洋生物技术（marinebiotech9.生物转化

生物转化（bioconversion,biotransformation）也称生物催化(biocatalysis)，是指利用酶或有机体(细胞、细胞器)作为催化剂实现化学转化的过程，是生物体系(包括细菌、真菌、植物组织、动物组织培养体系或生物体系)的酶制剂对外源性底物进行结构性修饰所发生的化学反应。微生物因其培养简单、种类繁多、酶系丰富而成为生物转化中最常见的有机体。10/29/2022249.生物转化生物转化（bioconversion,bi二、生物技术药物

（一）生物技术药物的概念生物药物（biologicaldrug）是指运用微生物学、生物学、医学、化学、生物化学、生物技术、药学等科学的成果、原理和方法，从生物体、生物组织、细胞、体液等制造的一类用于预防、治疗和诊断疾病的制品。这类制品包括生物体的初级和次级代谢产物，或生物体的某一组成部分，甚至整个生物体，主要有蛋白质、核酸、糖类、脂类等。生物技术药物（Biotechnologicaldrug,biotechdrug）是指采用DNA重组技术或其他新生物技术生产的用于预防、治疗和诊断疾病的药物，主要是重组蛋白或核酸类药物，如细胞因子、纤溶酶原激活剂、重组血浆因子、生长因子、融合蛋白、受体、疫苗、单克隆抗体、反义核酸、小干扰RNA等。10/29/202225二、生物技术药物（一）生物技术药物的概念10/22/1.按用途分类：（1）治疗药物（2）预防药物（3）诊断药物2.按作用类型分类：（1）细胞因子类药物（2）激素类药物（3）酶类药物（4）疫苗（5）单克隆抗体（6）反义核酸（7）RNA干扰药物（8）基因药物（二）生物技术药物的分类10/29/2022261.按用途分类：（二）生物技术药物的分类10/22/2023.按生化特性分类（1）多肽类药物（2）蛋白质类药物（3）核酸类药物（4）PEG化多肽或蛋白质药物（二）生物技术药物的分类10/29/2022273.按生化特性分类（二）生物技术药物的分类10/22/20（三）生物技术药物的特性生物技术药物的化学本质一般为通过现代生物技术制备的多肽、蛋白质、核酸及它们的衍生物，与小分子化学药物相比，在理化性质、药理学与作用、生产制备和质量控制方面都有其特殊性。10/29/202228（三）生物技术药物的特性生物技术药物的化学本质一般为通过现代

1.理化性质特性

（1）相对分子质量大：生物技术药物的分子一般为多肽、蛋白质、核酸或它们的衍生物，相对分子质量（Mr）在几千至几万，甚至几十万。如人胰岛素的Mr为5.734kD，人促红细胞生成素（EPO）的Mr为34kD左右，L-天冬酰胺酶的Mr为135.184kD。

（2）结构复杂：蛋白质和核酸均为生物大分子，除一级结构外还有二、三、四级结构。另外，具有糖基化修饰的糖蛋白类药物其结构就更为复杂，糖链的多少、长短及连接位置均影响糖蛋白类药物的活性。

（3）稳定性差：多肽、蛋白质类药物稳定性差，极易受温度、pH值、化学试剂、机械应力与超声波、空气氧化、表面吸附、光照等的影响而变性失活。多肽、蛋白质、核酸（特别是RNA）类药物还易受蛋白酶或核酸酶的作用而发生降解。10/29/2022291.理化性质特性10/22/202229

2.药理学作用特性

（1）活性与作用机制明确（2）作用针对性强（3）毒性低（4）体内半衰期短

（5）有种属特异性（6）可产生免疫原性10/29/2022302.药理学作用特性10/22/202230

3.生产制备特性（1）药物分子在原料中的含量低：生物技术药物一般由发酵工程菌或培养细胞来制备，发酵或培养液中所含欲分离的物质浓度很低，常常浓度低于100mg/L。（2）原料液中常存在降解目标产物的杂质：生物技术药物一般为多肽或蛋白质类物质，极易受原料液中一些杂质如酶的作用而发生降解。

（3）制备工艺条件温和：欲分离的药物分通常很不稳定，遇热、极端pH、有机溶剂会引起失活或分解，稍不注意就会引起失活和降解。

（4）分离纯化困难：原料液中常存在与目标分子在结构、构成成分等理化性质上及其相似的分子及异构体，形成用常法难以分离的混合物。因此，需要用多种不同原理的层析单元操作才能达到药用纯度。（5）产品易受有害物质污染：生物技术药物的分子及其所存在的环境物质均为营养物质，极易受到微生物的污染而产生一些有害杂质，如热原。另外，产品中还易残存具有免疫原性的物质。这些有害杂质必须在制备过程中完全去除。10/29/2022313.生产制备特性10/22/2022314.质量控制特性由于生物技术药物均为大分子药物，其生产菌种（或细胞）、生产工艺均影响最终产品的质量，产品中相关物质的来源和种类与化学药物和中药不同，因此这类药物的质量标准的制定和质量控制项目也与化学药物和中药不同。

（1）质量标准内容的特殊性：生物技术药物的质量标准包括基本要求、制造、检定等内容，而化学药物的质量标准则主要包括性状、鉴别、检查、含量测定等内容。（2）制造项下的特殊规定：对于利用哺乳动物细胞生产的生物技术药物，在本项下要写出工程细胞的情况，包括：名称及来源，细胞库建立、传代及保存，主细胞库及工作细胞库细胞的检定；对于利用工程菌生产的生物技术药物，在本项下要写出工程菌菌种的情况，包括：名称及来源，种子批的建立，菌种检定。本项下还要写出原液和成品的制备方法。

10/29/2022324.质量控制特性10/22/202232（3）检定项下的特殊规定：在本项下规定了对原液、半成品和成品的检定内容与方法。

原液检定项目包括：生物学活性、蛋白质含量、比活性、纯度（两种方法）、分子量、外源性DNA残留量、鼠IgG残留量（采用单克隆抗体亲和纯化时）、宿主菌蛋白质残留量、残余抗生素活性、细菌内毒素检查、等电点、紫外光谱、肽图、N端氨基酸序列（至少每年测定1次）；

半成品检定项目包括：细菌内毒素检查、无菌检查；成品检定项目除一般相应成品药的检定项目外，还要查生物学活性、残余抗生素活性、异常毒性等。10/29/202233（3）检定项下的特殊规定：在本项下规定了对原液、半成品和成品三、生物技术制药的概念和主要研究内容与任务

（一）生物技术制药的概念

生物技术制药（biotechnologicalpharmaceutics）是指利用基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程、蛋白质工程等生物技术，来研究、开发和生产用于预防、治疗和诊断疾病的药物。10/29/202234三、生物技术制药的概念和主要研究内容与任务（（二）生物技术制药的主要研究内容与任务1.生物制药技术的研究、开发与应用2.利用生物技术研究、开发和生产药物（1）应用基因工程技术大量生产天然存在量极微或难以获得的药物（2）应用蛋白质工程技术设计新的药物：（3）应用酶工程改变药用酶的性质（4）应用生物技术改造传统制药工艺10/29/202235（二）生物技术制药的主要研究内容与任务1.生物制药技术的研四、生物技术与生物技术制药的发展简史

生物技术，从广义角度来看，是人类对生物资源(包括动物、植物、微生物)的利用、改造并为人类服务的技术。

人类在古代时就能利用生物体和古老的技术来生产各种产品，并为自身服务，如酿酒、制醋就是人类最早通过实践所掌握的古老的生物技术，还有酱和酱油、泡菜、奶酒、干酪等的制作以及面团发酵、粪便和秸秆沤制、以霉治病等技术。因而，生物技术的发展过程按其技术特征来看，可以分为3个不同的发展阶段:即传统生物技术、近代生物技术和现代生物技术。

（一）生物技术的发展简史10/29/202236四、生物技术与生物技术制药的发展简史生物1．传统生物技术阶段

传统生物技术的应用已有悠久的历史。远在公元前几千年，就有了酿酒和制醋的生产技术，因而它的技术特征是酿造技术。但是，人们在很长的时期内，不知道这些技术的内在原因。

1590年：发明了显微镜。

1675年：知道了自然界有微生物的存在。10/29/2022371．传统生物技术阶段传统生物技术的应用已

1857年：利用实验的方法证明了酒精发酵是活酵母所引起的结果，其他发酵产物则是由其他微生物发酵所形成的。

1897年：发现了磨碎的“死”酵母仍能使糖发酵而形成酒精，并将其中所含的活性物质称为“酶”。

经过这一系列的研究，才揭开了发酵现象的奥秘。10/29/2022381857年：利用实验的方法证明了酒精发酵由于上述研究结果的启示，从19世纪末到20世纪30年代，陆续出现了许多产品的工业发酵，开创了工业微生物的新世纪。

生产出的产品有:乳酸、酒精、丙酮、丁醇、柠檬酸、淀粉酶等。这些产品的生产过程比较简单，大多数属于嫌气发酵或表面培养，生产设备的要求也不高。产品的化学结构较为简单，属于微生物的初级代谢产物。10/29/202239由于上述研究结果的启示，从19世纪末到20世传统生物技术大事记500B.C.：TheChineseusedmoldysoybeancurdsasanantibiotictotreatboils（疖）.A.D.100：PowderedchrysanthemumwasusedinChinaasaninsecticide.1590：ThemicroscopewasinventedbyJanssen.1663：CellswerefirstdescribedbyHooke.1675：Leeuwenhoekdiscoveredbacteria.1797：Jennerinoculatedachildwithaviralvaccinetoprotecthimfromsmallpox.10/29/202240传统生物技术大事记500B.C.：TheChinese1830：Proteinswerediscovered.1833：

Thefirstenzymewasisolated.1855：TheEscherichiacoli(E.Coli)bacteriumwasdiscovered.Itlaterbecomesamajorresearch,developmentandproductiontoolforbiotechnology.

1863：Mendel,inhisstudyofpeas,discoveredthattraits（性状）aretransmittedfromparentstoprogenybydiscrete（分立的）,independentunits,latercalledgenes.Hisobservationslaidthegroundworkforthefieldofgenetics.

10/29/2022411830：Proteinswerediscovered1869：MiescherdiscoveredDNAinthespermoftrout（鳟鱼）.1877：AtechniqueforstainingandidentifyingbacteriawasdevelopedbyKoch.

1878：ThefirstcentrifugewasdevelopedbyLaval.1879：Flemingdiscoveredchromatin,therod-likestructuresinsidethecellnucleusthatlatercametobecalledchromosomes.

10/29/2022421869：MiescherdiscoveredDNAi1900：Drosophila(fruitflies)usedinearlystudiesofgenes.1902：Theterm"immunology"firstappeared.

1906：Theterm"genetics"wasintroduced.

1911：Thefirstcancer-causingviruswasdiscoveredbyRous——Roussarcomavirus(RSV)..10/29/2022431900：Drosophila(fruitflies)1914：BacteriawereusedtotreatsewageforthefirsttimeinManchester,England.1915：Phages,orbacterialviruses,werediscovered.1917：Theword"biotechnology"wasfirstusedbyaHungarianagriculturalengineer.

1920：ThehumangrowthhormonewasdiscoveredbyEvansandLong.1928：Flemingdiscoverspenicillin,thefirstantibiotic.1938：Theterm"molecularbiology"iscoined.

10/29/2022441914：Bacteriawereusedtotre1940：

AmericanOswaldAverydemonstratesthatDNAisthe"transformingfactor"andisthematerialofgenes.1941：

Theterm"geneticengineering"isfirstusedbyDanishmicrobiologistA.JostinalectureonsexualreproductioninyeastatthetechnicalInstituteinLwow,Poland.

1942：Theelectronmicroscopeisusedtoidentifyandcharacterizeabacteriophage-avirusthatinfectsbacteria.10/29/2022451940：AmericanOswaldAveryde近代生物技术阶段

近代生物技术主要是大规模沉没培养法生产技术以及相关的发酵新技术，如无菌技术、控制技术、补料技术等为标志，主要生产抗生素。

20世纪40年代初，由于第二次世界大战的爆发，急需疗效好而毒副作用小的抗细菌感染药物。

1941年，美国和英国合作开发研究了1928年英国Fleming发现的、并于1940年经Florey及Chain等提取、又经临床证明具有卓越疗效且毒性低的青霉素。

10/29/202246近代生物技术阶段近代生物技术主要是大规模沉AlexanderFlemingisoneofthemostfamousscientistsintheworld,duetoitsdiscoveryofpenicillin.Penicillinwasthefirstantibioticusedingreatamountstotreatbacterialinfections,savingmillionsoflives.

ErnstChainSirHowardFlorey

Flemingdiscoveredalsolysozyme,anantibacterialenzymepresentinmucoussecretions.AlexanderFlemingwasbornatLochfield(Scotland)onAugust6th,1881.Attheageof14hemovedtoLondon,wherehestudiedmedicine.HisscientificworkwasdevelopedatSt.Mary'sMedicalSchool,LondonUniversity.Flemingdiscoveredpenicillinin1928,whenheobservedthatgrowthofStaphylococcusbacteriawasinhibitedbyaPenicilliummouldthataccidentallycontaminatedthecultureplate.HenamedpenicillintheactivesubstanceproducedbythePenicilliummould.Flemingleftthestudyofpenicillintostudylysozyme,thatseemedtohimmorepromising.Luckily,ChainandFloreycontinuedthestudyofpenicillin,provinginclinicaltestsitseffectivenessinthetreatmentofdiversebacterialinfections.AttheendofWorldWarII,alotofhurtsoldiersofthealliedtroopssavedtheirlivesthankstopenicillin.Fleming,ChainandFloreywonthe1945Nobelprizeofphysiologyandmedicine.AlexanderFlemingdiedin1955.10/29/202247AlexanderFlemingisoneofth表面培养法生产青霉素：需花费大量劳动力和占用大量空间(生产lkg含量为20%的青霉素要用约80000个1L的培养瓶)、产品的价格非常昂贵。搅拌发酵的沉没培养法生产青霉素：生产效率高、产品质量好，发酵罐的体积最初即达5m3，产品的产量和质量、生产效率大幅度提高，成本显著下降。这给发酵工业带来了革命性的变化，因而微生物发酵技术是近代生物技术的基础技术。以后，又开发了一系列发酵新技术，如无菌技术、控制技术、补料技术等。这就开始了当代微生物工业的兴旺发达。10/29/202248表面培养法生产青霉素：需花费大量劳动力和占用大量空间(生产

以后，链霉素、金霉素、红霉素等抗生素相继问世，兴起了抗生素工业，促使工业微生物的生产进入了一个新的阶段。抗生素生产的经验很快促进了其他发酵产品的发展，最突出的是20世纪50年代的氨基酸发酵工业、20世纪60年代的酶制剂工业以及一些原来用表面培养法生产的产品生产都开始改用沉没培养法。

近代生物技术产业的主要产品有:

医药业：抗生素、维生素、淄体激素、氨基酸;轻工食品业：工业酶制剂、食用氨基酸、酵母、啤酒;化工业：酒精、丙酮、丁醇、沼气;农林业：农用抗生素等农药;环境保护业：生物治理污染等。10/29/202249以后，链霉素、金霉素、红霉素等抗生素相继问世近代生物技术时期的特点

产品类型多

不但有生物体的初级代谢产物(氨基酸、有机酸、酶制剂、多糖等)，还有次级代谢产物(抗生素等)等产品。生产技术要求高

主要表现在发酵过程中，要求在纯种或无杂菌条件下进行运转;大多数生物体是需氧菌，需要通入无菌空气进行好气发酵;发酵产品不少是医药用品或食用品，产品质量要求也非常严格。生产设备规模巨大从发酵罐看，常用的搅拌通气罐可大至500m3;技术最高、规模最大的单细胞蛋白工厂的气升式发酵罐的容积已超过2000m3。技术发展速度快以发酵工业中提高产品的产量和质量所需的关键物质菌种为例，其活力和性能获得了惊人的提高。如青霉素发酵菌种，初期的发酵效价仅为200U/ml，目前国际上已达80000U/ml，可见其发展速度之快。发酵控制技术等也得到了前所未有的提高。10/29/202250近代生物技术时期的特点产品类型多不但有生物体的初级代谢近代生物技术时期大事记1944

Waksmanisolatedstreptomycin,aneffectiveantibioticforTB.1946

Discoveredthatgeneticmaterialfromdifferentvirusescanbecombinedtoformanewtypeofvirus,anexampleofgeneticrecombination.1947

McClintockdiscoveredtransposableelements,or"jumpinggenes"incorn.10/29/202251近代生物技术时期大事记1944Waksmanisol1949

Paulingshowedthatsicklecellanemia（镰状细胞贫血）isa"moleculardisease"resultingfromamutationintheproteinmoleculehemoglobin.1950

Artificialinseminationoflivestockusingfrozensemen(alongtimedreamoffarmers)wassuccessfullyaccomplished.1953NaturepublishedJamesWatson'sandFrancisCrick'smanuscriptdescribingthedoublehelicalstructureofDNA,whichmarksthebeginningofthemoderneraofgenetics.10/29/2022521949PaulingshowedthatsickFrancisCrickandJamesWatsonThedeoxyribonucleicacid(DNA)moleculeisthegeneticblueprintforeachcellandultimatelytheblueprintthatdetermineseverycharacteristicofalivingorganism.In1953AmericanbiochemistJamesWatson,left,andBritishbiophysicistFrancisCrick,right,describedthestructureoftheDNAmoleculeasadoublehelix,somewhatlikeaspiralstaircasewithmanyindividualsteps.TheirworkwasaidedbyX-raydiffractionpicturesoftheDNAmoleculetakenbyBritishbiophysicistMauriceWilkinsandBritishphysicalchemistRosalindFranklin.In1962Crick,Watson,andWilkinsreceivedtheNobelPrizefortheirpioneeringworkonthestructureoftheDNAmolecule.10/29/202253FrancisCrickandJamesWatson1954

Cell-culturingtechniquesweredeveloped.1955

Anenzymeinvolvedinthesynthesisofanucleicacidwasisolatedforthefirsttime.1956

ThefermentationprocesswasperfectedinJapan.KornbergdiscoveredtheenzymeDNApolymeraseI,leadingtoanunderstandingofhowDNAisreplicated.10/29/2022541954Cell-culturingtechnique1959Systemicfungicidesweredeveloped.Thestepsinproteinbiosynthesisaredelineated.1960

Exploitingbasepairing,hybridDNA-RNAmoleculeswerecreated.MessengerRNAisdiscovered.1964

TheInternationalRiceResearchInstituteinthePhilippinesstartstheGreenRevolutionwithnewstrainsofricethatdoubletheyieldofpreviousstrainsifgivensufficientfertilizer.10/29/2022551959Systemicfungicideswere1965

HarrisandWatkinssuccessfullyfusemouseandhumancells.1966Thegeneticcodewascracked,demonstratingthatasequenceofthreenucleotidebases(acondon)determineseachof20aminoacids.1967

Thefirstautomaticproteinsequencerwasperfected.1969

Anenzymewassynthesizedinvitroforthefirsttime.10/29/2022561965HarrisandWatkinssucce1970

Specificrestrictionnucleaseswereidentified,openingthewayforgenecloning.

Firstcompletesynthesisofagene.1971

Discoveryofrestrictionenzymesthatcutandsplicegeneticmaterial.1972TheDNAcompositionofhumanswasdiscoveredtobe99percentsimilartothatofchimpanzeesandgorillas.Initialworkwithembryotransfer.10/29/2022571970Specificrestrictionnuc传统与近代生物技术所包含的过程第一步：上游处理过程

指对粗材料进行加工，作为微生物的营养和能量来源

第二步：发酵和转化

微生物在一个大的生物反应器内大量生长，生产某一目的产品，比如抗生素、氨基酸等

第三步：下游加工过程

主要是指目的产物的纯化过程10/29/202258传统与近代生物技术所包含的过程第一步：上游处理过程10/22传统与近代生物技术的主要研究内容菌种的筛选与诱变适合菌种生长的培养基及培养条件生物反应器的设计与制造发酵产物的纯化10/29/202259传统与近代生物技术的主要研究内容菌种的筛选与诱变10/22/传统与近代生物技术的局限性提高产量的幅度非常有限传统的诱变和选择的方法过程烦琐、耗时长、费用高、筛选克隆多只能提高微生物一种已有的遗传性质，不能赋予这种微生物其他遗传特性10/29/202260传统与近代生物技术的局限性提高产量的幅度非常有限10/22/现代生物技术

1953年Watson和Crick发现了DNA双螺旋结构，奠定了现代分子生物学的基础1973年美国加利福尼亚大学旧金山分校的HerberBoyer教授和斯坦福大学的StanleyCohen教授共同完成的基因工程实验为标志10/29/202261现代生物技术1953年Watson和Crick发现了DNADNA双螺旋结构10/29/202262DNA双螺旋结构10/22/20226210/29/20226310/22/2022631973

CohenandBoyerperformthefirstsuccessfulrecombinantDNAexperiment,usingbacterialgenes.1974

TheNationalInstituteofHealthformsaRecombinantDNAAdvisoryCommitteetooverseerecombinantgeneticresearch.1975ColonyhybridizationandSouthernblottingaredevelopedfordetectingspecificDNAsequences.Thefirstmonoclonalantibodiesareproduced.1976ThetoolsofrecombinantDNAarefirstappliedtoahumaninheriteddisorder.Molecularhybridizationisusedfortheprenataldiagnosisofalphathalassemia.YeastgenesareexpressedinE.colibacteria.1977Geneticallyengineeredbacteriaareusedtosynthesizehumangrowthprotein.1978NorthCarolinascientistsHutchinsonandEdgellshowitispossibletointroducespecificmutationsatspecificsitesinaDNAmolecule.1979Thefirstmonoclonalantibodiesareproduced.10/29/2022641973CohenandBoyerperformt四、生物技术与生物技术制药的发展简史

1917年在匈牙利的AgriculturalEngineer杂志上首次使用“生物技术”一词。其间经过了漫长的50年，生物技术基本上在发酵工程这一块发展，医药工作者通过微生物发酵获得了“抗生素”，用于治疗感染性疾病。1968年，RoberYuan和MatthewMeselson发现限制性核酸内切酶，使基因工程成为生物技术上的一个耀眼的亮点，并且启动了生物技术制药工业飞速发展的40年。

（二）生物技术制药的发展历程与展望10/29/202265四、生物技术与生物技术制药的发展简史19第一个十年——生物时代

20世纪70年代中期~80年代中期在这十年中，生物技术包括重组DNA、DNA的合成、蛋白质的合成、DNA和蛋白质的微量测序等技术得到了迅猛的发展，并且出现了重组蛋白和单克隆抗体等新型药物。1982年第一个生物技术药物——利用细菌生产的人胰岛素获得FDA批准并投放市场，它标志着现代生物技术医药产业的兴起。10/29/202266第一个十年——生物时代

20世纪70年代中期~80年代中期在第二个十年——技术平台时代

20世纪80年代中期~90年代中期在此期间建立了高通量筛选、组合化学、胚胎干细胞技术等平台。治疗的新模式有反义药物、基因治疗以及在治疗中添加使用重组蛋白。在那个时代，很多生物技术及平台被用于药物的探索性研究。开发的产品有干扰素、EPO、细胞集落刺激因子（CSF）、人生长激素等。10/29/202267第二个十年——技术平台时代

20世纪80年代中期~90年代中第三个十年——基因组时代

20世纪90年代中期~2019年技术的发展包括基因组、高通量的测序、基因芯片、生物信息、生物能源、生物光电、生物传感器、蛋白质组学和功能基因组学等新技术。在这个时代，更多的技术被应用于制药工程，药物研发的思路和策略也有突破性的进展或改变，更多的新药被成功开发。10/29/202268第三个十年——基因组时代

20世纪90年代中期~2019年技第四个十年——后基因组时代

2019年~今技术发展包括功能基因与功能蛋白的发现、功能蛋白的改造、人原化单克隆抗体的制备、基因工程疫苗的制备、基因治疗剂与RNA治疗剂的设计与开发、干细胞治疗与组织工程的研究与应用等。10/29/202269第四个十年——后基因组时代

2019年~今技术发展包括功能基生物技术制药的发展趋势经过近40年的飞速发展，生物技术制药已成为制药业中发展最快、活力最强和技术含量最高的领域，已成为21世纪发展前景最诱人的产业之一。生物技术药物在制药产业中所占的市场份额以及全球生物技术药物年销售额也是呈现逐年上升趋势。根据正在进行临床试验的生物技术药物的临床应用范围可以反映其发展动向。以美国为例，2019年FDA批准的处于临床研究的生物技术药物有631种,其中疫苗223种,治疗性抗体192种，重组蛋白激素类66种。10/29/202270生物技术制药的发展趋势经过近40年的飞速发展，生物技术制药已生物技术药物的发展趋势为：

（1）采用蛋白质工程技术和PEG化技术对蛋白质药物进行分子改造已成为近年来生物技术药物发展的新趋势；（2）治疗性抗体药物发展迅猛，已成为种类最多和销售额最大的一类生物技术药物；（3）以基因工程疫苗为代表的新型不断出现，疫苗的作用已从单纯的预防传染病发展到预防或治疗疾病(包括传染病)以及防、治兼具；（4）反义寡核苷酸、siRNA、基因治疗药物在治疗肿瘤、遗传性疾病方面将发挥重大作用。此外，生物技术药物新剂型、干细胞治疗与组织工程、基于基因组学和蛋白组学的药物新靶点及用于疾病检测的生物芯片的开发也是生物技术药物研究的重点。10/29/202271生物技术药物的发展趋势为：10/22/202271生物制药第一章绪论课件生物制药第一章绪论课件生物制药第一章绪论课件上课纪律：按时上课、有事请假，迟到者请从前门走并喊报告，事后说明原因;点名方式：老师点名或点人数，学习委员或班长配合;实验课不得缺席，如有事者应请假，征得教师同意后申请补做。2次无故不参加者不得参加期末考试;出勤、平时上课提问和作业占30%，期中无故迟到扣总分1分/次，旷课扣总分2分/次，10分扣完则扣笔试成绩；缺课、旷课累计超过该课程教学时数三分之一及以上的学生，取消其参加该课程考试的资格，请假手续按学院规定处理。10/29/202275上课纪律：按时上课、有事请假，迟到者请从前门走并喊报10/2第一章绪论生物技术的概念生物技术药物生物技术制药的概念和主要研究内容与任务生物技术与生物技术制药的发展简史10/29/202276第一章绪论生物技术的概念10/22/20224一、生物技术的概念

（一）生物技术的概念生物技术（biotechnology）又称为生物工程（bioengineering），是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，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技术。

10/29/202277一、生物技术的概念（一）生物技术的概念10（二）生物技术与各学科的关系分子生物学

微生物学生物化学

医学生物技术遗传学药物生物技术细胞生物学现代生物技术农业生物技术化学工程

食品生物技术免疫学环境生物技术药学海洋生物技术计算机技术等10/29/202278（二）生物技术与各学科的关系10/22/20226（三）生物技术与医药的关系

1.与药物的关系

生物技术最早应用的产业领域是医药行业。

1977年：第一个重组的生长激素抑制因子(somatostatin)出现。之后，美国成立了第一家遗传工程公司——Genetech，进行小牛和小猪的生长激素的开发研究，与其他公司合作开发了-干扰素的生产技术。

1981年：第一个诊断用单克隆抗体首先在美国正式上市；

10/29/202279（三）生物技术与医药的关系10/22/20227

1982年：第一个基因工程技术生产的人胰岛素得到批准，投放市场，第一个基因工程疫苗也正式上市；

1986年：第一个单克隆抗体新药——抗T细胞分化抗原OKT3单克隆抗体被批准投放市场，用于治疗肾移植后作为抗排斥反应的药物，有效率达94%。此后三十几年中，陆续被批准上市的产品已达几十种，正在临床试验的产品达几百种。10/29/2022801982年：第一个基因工程技术生产的人胰

2.与医学的关系（1）从分子水平上去研究和认识疾病：如遗传性疾病、癌症等

（2）疾病的诊断：如酶联免疫吸附测定、DNA诊断系统、遗传疾病的分子诊断、癌症的分子诊断、生物芯片诊断等

（3）疑难病症的防治手段：生物导弹—单克隆抗体、基因工程疫苗、基因治疗等

（4）制造人的器官

人耳鼠10/29/2022812.与医学的关系10/22/20229

（四）生物技术所包含的内容按照传统的说法，生物技术包括的内容主要是：基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程这四大工程。由于生物技术与生命科学的飞速发展和学科之间的相互渗透，生物技术所包含的内容不断扩大，如蛋白质工程、抗体工程、糖链工程、海洋生物技术、生物转化等。10/29/202282（四）生物技术所包含的内容10/22/20221.基因工程基因工程（geneticengineering）又叫遗传工程，是现代生物技术的核心和主导。所谓遗传工程就是从生物体中把生物遗传物质（基因或DNA分子）分离出来，或人工合成一段基因，用人工的方法对遗传物质进行搭配、组合，然后转入某生物的细胞内，从而通过改变其遗传物质的结构来改变它的遗传特性，使它定向地产生所需的生物品种。由于它在DNA分子水平上动手术，又称为DNA重组技术、分子水平杂交技术或称基因操作。10/29/2022831.基因工程基因工程（geneticengineering基因工程

基因工程可以跨越生物远缘不能杂交的鸿沟，实现物种，甚至动物、植物、微生物之间的基因杂交，所获得的生物产品或生物新品种在医药、卫生、农业、畜牧业和环境保护具有广阔的应用前景。10/29/202284基因工程基因工程可以跨越生物远缘不能杂交的鸿沟，实2.细胞工程细胞工程（cellengineering）是指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖，或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种，加速繁育动、植物个体，或获得某种有用的物质的过程。由于细胞工程是在细胞水平上动手术，又可称为细胞操作技术。

10/29/2022852.细胞工程细胞工程（cellengineering）是细胞工程的内容细胞融合技术细胞器移植技术原生质体融合技术染色体工程细胞和组织培养技术10/29/202286细胞工程的内容细胞融合技术10/22/202214细胞融合技术

细胞融合技术是将两个不同种类的细胞，通过化学的、生物的或物理的办法，使它们彼此融合在一起，从而产生出兼有两个亲体的遗传性状的细胞。这实质上是无性杂交，故又称其为体细胞杂交。

10/29/202287细胞融合技术细胞融合技术是将两个不同种类的10/29/20228810/22/202216细胞组织培养技术动物细胞培养植物细胞培养人或动物的组织培养植物的组织培养10/29/202289细胞组织培养技术动物细胞培养10/22/2022173.发酵工程

发酵工程(fermentationengineering)是通过现代技术手段，利用微生物的特殊功能生产有用的物质，或直接将微生物应用于工业生产的一种技术体系。这项技术主要包括菌种选育、菌种生产、代谢产物的发酵以及微生物机能的利用等技术。

发酵工程已用于多种产品如酒类、抗生素、氨基酸、微生素、激素、工业用酶等生产。近年来，随着基因工程、细胞工程和酶工程技术向发酵工程的渗透，更拓宽了它的应用领域。10/29/2022903.发酵工程发酵工程(fermentationengi4.酶工程酶工程（enzymeengineering）是利用酶或细胞所具有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。它主要包括酶的开发和生产、酶的分离和纯化、酶的固定化、反应器的研制及酶的应用等内容。10/29/2022914.酶工程酶工程（enzymeengineering）是5.蛋白质工程

蛋白质工程（proteinengineering）是一门从改变基因入手，制造新型蛋白质的技术。

其过程是：先找到一个合成与这种新型蛋白质的基因接近的基因；然后，修改这个基因（用定位突变技术修改这个基因的核酸顺序）；再把修饰好的基因植入细菌或生物的细胞里，让细菌产生出人们想要的新型蛋白质。

它与基因工程的区别在于：前者是利用基因拼接技术用生物生产已存在的蛋白质，后者则是通过改变基因顺序来改变蛋白质的结构，生产新的蛋白质。因此，蛋白质工程又被称为第二代基因工程，也被称为第二代生物技术。

10/29/2022925.蛋白质工程蛋白质工程（proteinengine6.抗体工程抗体工程（antibodyengineering）是应用细胞生物学或分子生物学手段在体外进行遗传学操作，改变抗体的遗传特性和生物学特性，以获得具有适合人们需要的、有特定生物学特性和功能的新抗体，或建立能够稳定获得高质量和产量抗体的技术。10/29/2022936.抗体工程抗体工程（antibodyengineeri7.糖链工程

糖链工程（glycotechnology）是利用化学、生物、仪器等手段，研究糖蛋白糖链的技术，内容包括糖链的制备、糖链结构的分析、糖链与蛋白质的连接方式研究、糖链对蛋白质功能与活性的影响研究以及蛋白质糖基化技术研究等。10/29/2022947.糖链工程糖链工程（glycotechnology）是8.海洋生物技术海洋生物技术（marinebiotechnology）是指运用海洋生物学与工程学的原理和方法，利用海洋生物或生物代谢过程，生产有用物质或定向改良海洋生物遗传特性所形成的高技术。10/29/2022958.海洋生物技术海洋生物技术（marinebiotech9.生物转化

生物转化（bioconversion,biotransformation）也称生物催化(biocatalysis)，是指利用酶或有机体(细胞、细胞器)作为催化剂实现化学转化的过程，是生物体系(包括细菌、真菌、植物组织、动物组织培养体系或生物体系)的酶制剂对外源性底物进行结构性修饰所发生的化学反应。微生物因其培养简单、种类繁多、酶系丰富而成为生物转化中最常见的有机体。10/29/2022969.生物转化生物转化（bioconversion,bi二、生物技术药物

（一）生物技术药物的概念生物药物（biologicaldrug）是指运用微生物学、生物学、医学、化学、生物化学、生物技术、药学等科学的成果、原理和方法，从生物体、生物组织、细胞、体液等制造的一类用于预防、治疗和诊断疾病的制品。这类制品包括生物体的初级和次级代谢产物，或生物体的某一组成部分，甚至整个生物体，主要有蛋白质、核酸、糖类、脂类等。生物技术药物（Biotechnologicaldrug,biotechdrug）是指采用DNA重组技术或其他新生物技术生产的用于预防、治疗和诊断疾病的药物，主要是重组蛋白或核酸类药物，如细胞因子、纤溶酶原激活剂、重组血浆因子、生长因子、融合蛋白、受体、疫苗、单克隆抗体、反义核酸、小干扰RNA等。10/29/202297二、生物技术药物（一）生物技术药物的概念10/22/1.按用途分类：（1）治疗药物（2）预防药物（3）诊断药物2.按作用类型分类：（1）细胞因子类药物（2）激素类药物（3）酶类药物（4）疫苗（5）单克隆抗体（6）反义核酸（7）RNA干扰药物（8）基因药物（二）生物技术药物的分类10/29/2022981.按用途分类：（二）生物技术药物的分类10/22/2023.按生化特性分类（1）多肽类药物（2）蛋白质类药物（3）核酸类药物（4）PEG化多肽或蛋白质药物（二）生物技术药物的分类10/29/2022993.按生化特性分类（二）生物技术药物的分类10/22/20（三）生物技术药物的特性生物技术药物的化学本质一般为通过现代生物技术制备的多肽、蛋白质、核酸及它们的衍生物，与小分子化学药物相比，在理化性质、药理学与作用、生产制备和质量控制方面都有其特殊性。10/29/2022100（三）生物技术药物的特性生物技术药物的化学本质一般为通过现代

1.理化性质特性

（1）相对分子质量大：生物技术药物的分子一般为多肽、蛋白质、核酸或它们的衍生物，相对分子质量（Mr）在几千至几万，甚至几十万。如人胰岛素的Mr为5.734kD，人促红细胞生成素（EPO）的Mr为34kD左右，L-天冬酰胺酶的Mr为135.184kD。

（2）结构复杂：蛋白质和核酸均为生物大分子，除一级结构外还有二、三、四级结构。另外，具有糖基化修饰的糖蛋白类药物其结构就更为复杂，糖链的多少、长短及连接位置均影响糖蛋白类药物的活性。

（3）稳定性差：多肽、蛋白质类药物稳定性差，极易受温度、pH值、化学试剂、机械应力与超声波、空气氧化、表面吸附、光照等的影响而变性失活。多肽、蛋白质、核酸（特别是RNA）类药物还易受蛋白酶或核酸酶的作用而发生降解。10/29/20221011.理化性质特性10/22/202229

2.药理学作用特性

（1）活性与作用机制明确（2）作用针对性强（3）毒性低（4）体内半衰期短

（5）有种属特异性（6）可产生免疫原性10/29/20221022.药理学作用特性10/22/202230

3.生产制备特性（1）药物分子在原料中的含量低：生物技术药物一般由发酵工程菌或培养细胞来制备，发酵或培养液中所含欲分离的物质浓度很低，常常浓度低于100mg/L。（2）原料液中常存在降解目标产物的杂质：生物技术药物一般为多肽或蛋白质类物质，极易受原料液中一些杂质如酶的作用而发生降解。

（3）制备工艺条件温和：欲分离的药物分通常很不稳定，遇热、极端pH、有机溶剂会引起失活或分解，稍不注意就会引起失活和降解。

（4）分离纯化困难：原料液中常存在与目标分子在结构、构成成分等理化性质上及其相似的分子及异构体，形成用常法难以分离的混合物。因此，需要用多种不同原理的层析单元操作才能达到药用纯度。（5）产品易受有害物质污染：生物技术药物的分子及其所存在的环境物质均为营养物质，极易受到微生物的污染而产生一些有害杂质，如热原。另外，产品中还易残存具有免疫原性的物质。这些有害杂质必须在制备过程中完全去除。10/29/20221033.生产制备特性10/22/2022314.质量控制特性由于生物技术药物均为大分子药物，其生产菌种（或细胞）、生产工艺均影响最终产品的质量，产品中相关物质的来源和种类与化学药物和中药不同，因此这类药物的质量标准的制定和质量控制项目也与化学药物和中药不同。