《海洋生物技术》第一章绪论

海洋生物技术河北农业大学海洋学院海洋科学系李代宗

TEL-mail:lidaizong@126.comMarineBiotechnology2/3/2023内容提要海洋生物技术，是利用海洋生物或其组成部分，生产有用的生物产品、定向改良海洋生物遗传特性的综合性技术。研究内容主要以海洋生物为对象，综合应用基因工程、细胞操作技术和细胞培养技术等手段，对海洋生物资源进行研究、开发利用和保护。课程目的和要求通过本课程的学习，使学生从宏观角度了解整个海洋生物技术科学领域的基本知识、研究内容和研究前沿，力求使学生掌握海洋生物技术的基本技术和方法，了解该学科的最新科研进展，为学生将来能够在生物工程、海洋生物技术或相关领域从事工作和科研打下坚实的基础。教材：自编讲义参考资料：范晓等，海洋生物技术新进展，海洋出版社，1999王长海等，海洋生物技术研究进展，化学出版社，2005童裳亮，海洋生物技术，海洋出版社，2003现代生物技术,瞿礼嘉主编,高等教育出版社，2004Google&百度（引用图片）教材和参考书本课程学习目标掌握基因工程操作的基本原理；掌握细胞工程操作的基本原理；掌握并熟悉生物技术在海洋生物中的应用。第一章海洋生物技术概论本章重点提示生物技术的概念、内容生物技术的特点和重要性海洋生物技术的定义及其研究内容

第一节

现代生物技术概述

19世纪：

细胞是生命的基本单位。细胞学说：

细胞是动植物结构和功能的基本单位，一切生命现象都是以细胞为基础表达。遗传密码蛋白质三维结构基因转录线性多肽链

（无功能活性）翻译生命活动的分子基础以核酸和蛋白质为中心的生物大分子是生命现象的共同物质基础，细胞和有机体所有生命活动都是以这些生物大分子及其复合物的结构、运动和相互作用来实现的。结构与功能分子生物学、分子遗传学：20世纪生物学的主流

人类对自然界的要求：

认识——利用——再造——改造

——创造

随着反向生物学的问世,在20世纪80年代诞生了生物技术(Biotechnology)这门新学科。生物技术学科的地位世界新技术革命的主角之一,

生物技术与新材料,信息技术(包括微电子、计算机)一起已成为新产业革命三大支柱；阳光技术，朝阳产业，黄金工程，倍受世界各国重视。21世纪是生命科学的世纪，生物技术将成为21世纪高技术革命的核心内容。生物技术的重要性有助于解决全球的重大难题：资源（能源）、人口、粮食、生态环境、健康与疾病和战争与灾害；促进传统产业的技术改造和新产业的形成，对人类社会生活产生深远的革命性影响；生物技术正迅速走向老百姓日常生活各个方面,将对人类的发展做出贡献。

一.生物技术的定义与内涵

生物技术(Biotechnology,BT),

又称为生物工程（bioengineering),

现统一称:生物技术。1.生物技术定义传统定义：应用生物科学及工程学原理，依靠生物体系作为反应器，将物料进行加工改造，获得人类所需产品的技术。现代生物技术定义：

以现代生命科学为基础,把生物体系与工程学技术有机结合在一起，按照预先的设计，定向地在不同水平上改造生物遗传性状或加工生物原料,产生对人类有用的新产品(或达到某种目的)的综合性科学技术。2.要点:

①

对象是具遗传特性的生命类物质:包括病毒、细菌、植物、动物以及人类。②

生物体系多个不同水平研究:从大分子(DNA，RNA，蛋白质，酶)、亚细胞、细胞、组织、器官到整个机体。③应用工程学原理:经人类思维,设计方案、定向修饰、加工制作过程、经过体外环节。④

有目的产品:目的产品有三新特征:新遗传功能、新遗传性状、新物种。要有合乎人类所需的工业、农业、医疗和食品产品。⑤高新技术起重要作用。二.生物技术的产生与发展

生物技术发展的两个阶段：

传统生物技术。现代生物技术两个阶段。

传统生物技术

传统生物技术的发展（经典+近代）一千多年前,人类用发酵的方法制备酒、醋、酱及食品等,此阶段属于生物技术的经验阶段。19世纪人们意识地大规模利用酵母发酵，并形成产业。20世纪初，提出生物技术这一概念。1928年，青霉素的发现使生物技术从单纯的食品、饲料制备扩展到抗生素产品，该产业至今长盛不衰。20世纪50年代和60年代，生物技术扩展到氨基酸发酵和酶制剂工业。

传统生物技术的特点：①主要通过微生物初级发酵获得产品，局限在微生物发酵和化学工程领域。②没有改变微生物的遗传物质，也没有产生新的遗传性状。③生产过程简单，上游主要是微生物的发酵培养及产品转化，通过诱变选育良种；下游主要对产品进行纯化。④生产周期长，费用高，产量低，效率差。2.现代生物技术

自1953年起，分子遗传学开始兴起并迅速发展，①DNA转移和重组工程（基因重组技术）②有性繁殖，转基因技术

③无性繁殖，克隆技术细胞工程；转基因药物；转基因动植物。

改变生物的遗传性状

扩大反应器范围

特别是DNA重组技术可以：使分离高产量的工程菌变的容易，简化了生产过程。从发酵罐扩展到细胞、植物及动物个体等天然生物反应器。现代生物技术的四大支柱20世纪未，随着计算生物学、化学生物学与合成生物学的兴起，发展了系统生物技术（systemsbiotechnology），包括生物信息技术、纳米生物技术与合成生物技术等。

基因工程核心和关键、主导技术

细胞工程基础

酶工程条件

发酵工程产品获得手段

生化工程分离、纯化、衍生……三.生物技术的特点(八高一低)高水平：即学科具有先进性，是知识、技术密集型产业,处分子水平、新技术前沿。高综合：跨学科专业,位多学科发展的交叉点上，涉及的行业多、范围广。高投入：与其他技术比较,在资金、人员、设备、试剂及研发上投资大。高竞争：各国、各行业、个单位之间，在技术、时效性、知识及人才上竞争激烈。

高风险：上述原因造成一定风险，加上技术风险带来高风险。

高效益,

应用性强,有目的产品,易商业化。

如干扰素的投入虽然高达数百万美元,但产值数年达30亿美元,用于治病将产生巨大经济和社会效益。生物技术在解决人类面临众多难题上是没有任何产业可比的。

美国生物制药产品种类及数量疾病种类产品数量疾病种类产品数量感染性疾病39心脏病26神经系统疾病28呼吸系统疾病22艾滋病及相关疾病19自主免疫系统疾病19皮肤病19移植13消化系统疾病11遗传疾病11血液疾病9糖尿病及并发症7不育症5眼病3生长发育不良症3骨质疏松2妊娠预防2肿瘤疾病175

基因工程试剂的高回报碱性成纤维细胞生长因子231元/ug红细胞生成素1072元/ug白细胞介素-2410元/ug巨细胞粒细胞集落刺激因子1960元/ug胰岛素10.2元/mg高智力：

具有创新性和突破性,可按人类需要定向改变和创造生物的遗传特性，要求在人才、计划、设计、工艺和产品上都要与众不同。从认识、利用、再造阶段上升到改造和创造阶段。高控性：采用工程学手段，易自动化、程控化及连续化生产。低污染：生物技术以生物资源为对象,生物资源具有再生性,是再生资源。具有不受限制、污染小、周期短的优点。美国生物技术产业发展情况

四.生物技术与

诸学科关系

五.生物技术的内容

医学生物技术

药学生物技术

动物生物技术

农业生物技术

海洋生物技术

微生物生物技术

①上游工程:

是生物技术的实验室基础研究阶段。②下游工程:

是生物技术的扩大生产,加工应用阶段,使产品能达到三化:商品化、工程化、企业化,是效益阶段。生物技术的上、中、下游上游工程：实验室研究和开发阶段，包括基因、细胞、干细胞、转基因生物、组织工程等获得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等。中游工程：中游加工以生物反应器为中心，优化和放大生产工艺。下游工程：从反应液中提取目的产物，加工精制成合格产品。生物技术涉及的具体技术包括:

DNA重组技术,细胞培养及融合技术,

抗体制备技术,

干细胞培养及定向分化,显微注射技术,

动物饲养技术,

转基因技术,胚胎克隆,细胞及酶的固定化技术,

发酵技术,

生物反应器,蛋白质分离纯化,生物大分子合成及纯化,

生物大分子修饰,生物物理、生物信息及其他相关领域技术。六.生物技术诸工程

的内容及种类

(十大工程)(一)

基因工程

(Geneengineering)1.对象:

在核酸分子(DNA或RNA)或基因上操作。2.定义:

在体外对DNA进行切割、拼接,使遗传物质重新组合,经载体转移到细胞中扩增表达,获得人类所需产品,或组建新生物类型的技术。文献上常见到DNA重组、分子克隆、基因克隆、遗传工程等名词与基因工程混用,事实上主要内容相似,不同之处在于所突出的内容有异。

目的基因基因载体重组体分切接转筛表总体技术路线(二)细胞工程

(cellengineering)

1.对象:

细胞,在细胞水平上实现基因转移或改变生物学性状。2.定义:

(1)广义（细胞融合技术）

(2)狭义（淋巴细胞杂交瘤技术）

骨髓瘤细胞＋淋巴细胞融合(制备单克隆抗体，McAb)。在特定的条件下(环境、融合技术),使不同的细胞融合,获得具有来自双亲代基因的杂交细胞,杂交细胞的遗传物质发生改变,达到改造物种、创建新种的目的。

(3)现代概念:

将广义的概念延展,

指在体外条件对细胞进行培养、繁殖，按人们的意愿改变细胞某些生物学特性，获得有用的产品或达到改良生物品种的技术。

细胞工程包括：

①细胞融合技术；②工程细胞移植,即有目的地改造细胞遗传特性后,植入机体；

③细胞拆合；④染色体导入及细胞器导入技术；⑤胚胎细胞植入。

3.分类:

①微生物细胞工程,如原生质体融合,试管菌。②植物细胞工程，如1978年培育出土豆西红柿新物种。③动物细胞工程,单克隆抗体制备技术。

4.应用:

单克隆抗体制备成绩突出,

诊断、治疗。细胞工程授体基因(大肠杆菌)(干扰素基因)受体基因重组基因植入受体细胞核(大肠杆菌，酵母菌)发酵分离生物药剂（干扰素、胰岛素等）废液

(三)蛋白质工程

(Proteinengineering)1.对象:

基因序列——DNA分子中改造,最终导致蛋白分子氨基酸序列改变。2.定义:

在利用X衍射和晶体分析技术了解蛋白质三维空间结构和功能关系基础上,

借用计算机和分子设计辅助技术,在DNA分子水平上操作更换或改变其序列,

达到改变蛋白质分子氨基酸序列,从而改变蛋白质分子形状及功能,使之具有新遗传学特性。

(四）抗体工程（Antibodyengineering）1.对象：免疫球蛋白（Ig）基因2.定义：通过对抗体分子结构和功能关系的研究，有计划地对抗体基因序列进行改造，改善抗体的某些功能的技术。如基因工程抗体技术。

在80年代初，抗体基因结构和功能的研究成果与重组DNA技术相结合，产生了基因工程抗体技术。基因工程抗体即将抗体的基因按不同需要进行加工、改造和重新装配，然后导入适当的受体细胞中进行表达的抗体分子。3.抗体工程的内容完整抗体，及抗体的人源化

完整抗体与抗体片段的药代动力学比较

改造抗体片段的多种特异性

双功能抗体

抗体库的构建、展示和筛选

噬菌体展示技术

mRNA-蛋白质复合物库

细胞表面库

转基因鼠

抗体的生产、稳定性和表达水平

亲和力成熟

骨架替换

临床应用中和病原体及抗病毒治疗细胞内抗体肿瘤治疗与细胞补充疗法疫苗应用用于未来诊断的生物传感器和微矩阵技术(五)组织工程

(Tissueengineering)

1.对象：干细胞、组织和器官。

2.定义：

运用工程学和生命科学原理和方法，在了解正常和病理学组织结构与功能关系和生长机理的基础上，研制生物学组织器官替代品，通过移植，

达到重建、恢复、维持和改进组织功能学科。3.要点：

①

依据正常组织结构、功能设计方案；②选择种子细胞培养；③选择细胞外基质、生物支架材料；④体外构建三维结构替代品；⑤植入机体，替代病理组织。4.应用：

组织器官移植。(六)干细胞工程

(stemcellengineering)干细胞是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在一定条件下，可以分化成多种功能细胞。根据干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞。根据干细胞的发育潜能分为三类：全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。干细胞的主要特征：

未分化的早期细胞；具有分化成各种特定细胞的能力；可无限地分裂增值，产生大量后裔;

其子细胞有两种命运，保持为干细胞或分化为特定细胞。供卵母羊供体细胞羊卵子体细胞体细胞核去核卵子植入受体去核卵中克隆羊多莉外源核卵子植入代育母羊子宫发育、成长、降生克隆技术

(七)转基因动物(亦称:胚胎工程Transgeneticanimal）1.对象:

胚胎早期细胞上实现基因转移。受体基因（乳腺基因）授体基因(干扰素基因)植入受体受精卵核转基因受精卵植入受体动物子宫

发育，降生拥有外源基因的转基因动物(分泌乳汁含有干扰素)重组基因

2.定义:

把新的遗传信息(DNA序列)用特定技术导入胚胎早期受精卵,经发育后,外源遗传信息分布到所有体细胞生殖细胞中去,这种使动物带有新遗传信息的基因转移技术称胚胎工程。

所得动物称转基因动物。3.过程:①提取人所需要蛋白质基因、cDNA；②基因重组(cDNA＋控制基因＋载体)；③分离、培养人工受精的卵细胞(如牛)；④把重组体转入到受精的卵细胞；⑤植入子宫,使之发育为个体(每一个体细胞均含有新的基因)；⑥活化植入新基因,使之表达(如在乳腺中表达)；⑦提取目的基因表达产物,进行验证(定性、定量)；⑧进行安全性及临床试验。4.要点:①必须有外源新基因转移；②在早期生殖细胞整合；③发育成新个体中有外源基因正常表达；④可遗传后代。

(八)生物医学工程

(Biomedicalengineering)

1．对象:

人体

2．定义:

从工程学角度研究人体结构、功能及生命现象,为防治疾病提供新技术、新方法、新仪器和新材料的科学。

3．内容:

生物材料(人造器官、起搏器的材料)、康复工程、医学成像(超声、CT、核磁)、生物传感、监护系统等。(九)生物制药／化学制药工程

(Biochemicalpharmaceuticalengineering)

1．生产对象:

药物(活性多肽、酶、抗生素等)2．定义

利用现代生物技术,以生物反应器（微生物、动物细胞、植物及动物个体），大规模地制备高纯度的药物。如基因工程药物、同份异构体的拆分（利用抗体酶特异结合、特异地进行酶消化来完成）等。

(十)酶工程

(Enzymeengineering)1.对象:

酶分子修饰、生产应用和酶的固定化

2.定义:

在给定的生产工艺和生物反应器中,利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造提高酶的转化率,把对应的原料高效地转化成所需有用的物质。3.要点:

固定化酶、酶分子修饰和酶反应器的设计是当前酶工程的重点。近年把酶电极生物传感器也归到酶工程范围内。如:底物＋固定化酶—→化学信号—→电信号—→人视觉—→控制反应。

(十一)发酵工程

(Fermentationengineering)1.对象:

微生物。

在常规发酵工艺上发展而成。有时也称微生物工程。2.定义:

利用微生物的特点（生长快、培养简单和代谢过程特殊等）,通过现代化工程技术,快速、连续生产人类所需物质的技术。

3.要点:

①核心是提高产率。②过程包括:菌种选育、生产、代谢产物的利用。③

所用技术包括大规模悬浮培养,细胞固定化,产物分离提取。

4．应用:

药物生产(活性多肽、抗生素)、单细胞蛋白生产、环境保护、微生物冶金技术。

(十二)生化工程

(Biochemistryengineering)

1．对象:①生化反应器(反应环境与装置)，②产品的分离提纯技术

2.定义:

为活细胞和酶提供适宜反应环境,能大规模自动化生产、分离、精制出所需产品的技术。

3.内容包括:

生物反应器的设计、传感器的制造、电泳、离心、层折、免疫层析等。这是下游工程的关键一环。注：

1.十二大工程相互联系,相辅相成。

上游中,基因工程是基础、核心,通过它才能真正按人的意向通过设计、改造、生产特定生物工程产品。下游工程中关键是发酵工程的生产和利用生化工程对产物进行提纯,它们是生物技术产生效益的必要条件。其他工程相互配合,共同组成生物技术体系。2.生物技术发展迅速,任务内容不断丰富更新。第二节

海洋生物技术

（MarineBiotechnology）

1.定义：海洋生物技术是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的生物制品或定向改良海洋生物遗传特性的综合性科学技术。一、海洋生物技术的定义和研究内容2.海洋生物技术的研究内容：①开发、生产和改造海洋生物天然产物，以便用作药物、食品、新材料；②定向改良海洋动物、植物遗传特性，为海水养殖业提供具有生长快、品质高和抗病害的优良品种；③培养具有特殊用途的“超级细菌”，用来清除海洋环境的污染，或者生产具有特定生物治理的物质。主攻方向：

利用生物技术，改良具有重要经济价值的海水养殖生物遗传特性（海洋生物遗传育种）。在对快速生长的转生长激素基因鱼研究上，生长激素促生长作用非常明显，尤其是鲑科鱼类。Due等用由美洲大绵鳚

抗冻蛋白启动子结合大鳞大马哈鱼生长激素cDNA组成的“全鱼”基因转移到鲑科鱼类的胚胎中。1.促进鱼类生长二、海洋生物技术的利用和开发现状（一）海洋动物世界第一个转基因鱼世界第一个转基因鱼，是把人的一种生长基因转到鱼基因中。这种转基因鱼的个体比一般同类鱼要大得多。这项技术１９８５年由中国科学院水生所首次使用。鲑鱼转基因鲑鱼转水母绿和珊瑚虫红色萤光蛋白基因斑马鱼在紫外照射下发出荧光（荧光鱼）携带水母绿色荧光蛋白的转基因猪（2006年，东北农业大学）2.控制繁殖行为单性养殖

方法:激素诱导和温度诱导。多倍体诱导

方法:在精子已入卵但卵的第二极体排出之前，对卵进行物理（如冷或热休克、静水压等）和化学药物（如秋水仙素等）的处理，阻止第二极体排放从而诱导产生具有3组染色体的三倍体。3.提高抗病力基因工程疫苗的制备及应用。将弧菌、产气单胞菌、爱德华氏菌等鱼类病原菌制备成全细胞灭活疫苗，并且用从菌体中提取的脂多糖、胞外蛋白等有效抗原，制备出了单克隆抗体等生物工程疫苗并商业化生产。如Gilmore等1988年将从传染性造