渭南师院科学技术概论教案09生物技术

第九章生物技术教学目标：掌握基因工程、克隆技术；熟悉发酵工程应用、与基因工程和克隆技术等生物技术相关的伦理学；了解人类基因组计划、发酵技术历史。教学重点：基因工程、克隆技术。教学难点：基因工程、克隆技术。教学方法与手段：讲授法，多媒体辅助。本章主要阅读文献资料：吴国盛著，《科学的历程》，北京：北京大学出版社2002年10月版。徐丕玉主编，《现代自然科学技术概论》，首都经济贸易大学出版社，2006年7月版。第一节发酵工程发酵工程是生物技术中有着悠久历史的一门技术。近20年来，随着与生物技术相关的诸多基础理论和技术以及实验手段的发展，这门传统的生物技术逐步走出被动、低效的状态，而发展成为主动、高效的当代生物技术，被列入到高技术领域。发酵工程就是给微生物提供最适宜的生长条件，利用微生物的某种特定功能，通过现代化工程技术手段生产人类所需产品的过程，也有人称之为微生物工程。一、传统的发酵技术二、巴斯德的贡献三、青霉素和抗生素四、发酵工程过程发酵工程的步骤一般包括四个阶段：第一阶段：优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶解氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。第二阶段是发酵的准备，分为三步，第一步，培养基的制备和灭菌。第二步，菌种的选育。第三步，接种。第三个阶段是发酵过程；第四个阶段为分离提纯。第二节细胞工程细胞工程是应用细胞生物学和分子生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的设计蓝图，进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养。通过细胞工程可以生产有用的生物产品或培养有价值的植株，并可以产生新的物种或品系。一、细胞培养细胞的全能性概念。二、细胞融合细胞融合是用自然或人工的方法使两个或几个不同细胞融合的为一个细胞（含有原来两个细胞的染色体）的过程。亲缘较远的生物体之间是无法正常杂交的。然而它们之间的体细胞却往往能彼此融合，产生出杂种细胞。三、细胞亚结构移植细胞亚结构移植是指将细胞的亚结构（如细胞核、染色体等）移植到另一个细胞中，从而改变细胞的遗传性状。四、克隆技术克隆技术的设想最早由德国胚胎学家于１９３８年提出，但直到１９９６年，人类才第一次用成年哺乳动物的体细胞克隆成功。完成这次壮举的英国科学家威尔莫特的克隆方法是：先从一头绵羊的体细胞中取出细胞核，然后取第二头绵羊的卵子细胞，把其中掏空，再将先前的细胞核放进去，再通过电刺激使这个拼装成的细胞融合成一体并开始分裂，就如同普通的受精卵一样，待发育到一定程度后移植入第三头羊的子宫。这种移植技术在试管婴儿的实践中早已经成熟。最后生出的小羊具有与第一头羊相同的基因，而从基因角度上看，与生它的妈妈，即第三头羊毫无关系。1998年，以美国科学家为首的国际研究小组克隆技术进行了重大改进。这种技术不再移植整个细胞核，而是利用超细的吸移管仅把基因注入去核卵细胞。其次是不再采用电刺激促进细胞融合和分裂，而是采用化学物质氯化锶来对处理后的卵细胞进行刺激。第三节基因工程一、基因工程的产生和发展（一）基因工程的诞生基因工程是一项新兴的工程技术，它的诞生需要理论和技术上的支持：1.理论上的三大发现：证明了生物的遗传物质是DNA（基因工程的先导）DNA的双螺旋结构和半保留复制机理遗传信息的传递方式（中心法则）和三联体密码子系统的建立2.技术上的三大发现限制性内切酶和DNA连接酶的发现（标志着DNA重组时代的开始）载体的使用1970年，逆转录酶的发现。1973年，Cohen等获得了抗四环素和新霉素的重组菌落TcrNer，标志着基因工程的诞生。（二）基因工程的发展：1.1972-1976年，日本人，somatostatin；2.1978年，美国人，生长激素基因（HGH）；3.1980年，美国/瑞士人，a干扰素－基因；4.1984年，日本人，白细胞介素2（IL-2）；（三）基因工程的腾飞：1.1982年，美国人，大鼠生长激素基因转入小鼠；2.1983年，美国人，Ti质粒导入植物细胞；3.1990年，美国人，腺苷脱氨酶（ADA）基因治疗，重度联合免疫缺陷症（SDID）4.1991年，美国倡导，人类基因组计划，15年时间30亿美元；二、基因工程的基本程序基因工程是利用DNA重组技术进行生产或改造生物产品的技术。是将外源的或是人工合成的基因即DNA片段(目的基因)与适宜的载体DNA重组，然后将重组DNA转入宿主细胞或生物体内，以使其高效表达。限制性内切酶是一种可以切断DNA链的酶，目前被发现的限制性内切酶已有500种以上。当一种限制性内切酶在一个特异性的碱基序列处切断DNA时，就可在切口处留下几个未配对的核苷酸，叫做粘性末端，另外一个用同种限制性内切酶切断的DNA片段也有粘性末端，这两个互补的粘性末端彼此结合就形成了生个重组DNA分子。（一）目的基因的获得目的基因——即人们所要获得某种蛋白质的基因。获得目的基因的方法有：1.从生物基因组中分离。一种办法是用“分子剪刀”剪切供体ＤＮＡ分子，把它切成一些比基因略长的片段，然后再从中找出包含所需目的基因的ＤＮＡ片段。到目前为止，人们用这种方法已分离出４０种大肠杆菌蛋白质的基因和鸡的组蛋白基因等。2.逆转录合成。通常以RNA为模板，在逆转酶下合成DNA，称其为ｃDNA。又称所谓的基因模板合成法，用这种方法人们已先后合成了家兔、鸭和人的珠蛋白基因、羽毛角蛋白基因等。3.人工合成。如果某种蛋白质的基因是已知的。可以通过化学方法合成。（二）目的基因的导入有了目的基因，还不能直接把目的基因送进受体细胞，因为目前存在于地球上的生物，无论是复杂的还是简单的，都是长期历史进化的产物，都是有保卫自身不受异种生物侵害和稳定地延续自己种族的本领。如果外来的ＤＮＡ“单枪匹马”硬冯进受体细胞，受体细胞就会把它“消灭”。当外来的ＤＮＡ这种不速之客进入大肠杆菌体内时，大肠杆菌内部的内切酶就毫不留情地使其“粉身碎骨”或“体无完肤”。因此，目的基因的直接导入难免有“全军覆没”的厄运。在这种情况下，生物工程们就只好采用ＤＮＡ重组技术。首先将目的基因与质粒经过内切酶进行“裁剪”，然后靠“连接酶”的作用，将目的基因和质粒（或病毒ＤＮＡ）重新组合起来形成重组ＤＮＡ。重组ＤＮＡ就是在质粒（或病毒ＤＮＡ）的“带领”下进入受体的过程叫“转化”，得到重组ＤＮＡ的细胞叫“转化细胞”。1.直接导入法有电击、显微注射、直接吸收、基因枪等方法。2.间接导入法常用的载体是质粒、λ噬菌体、科斯质粒。（三）目的基因表达及表达产物分离三、人类基因组计划人类基因组计划与曼哈顿原子弹计划、阿波罗登月计划并称为人类自然科学史上的三大计划，但它对人类自身的影响将远远超过其他两项计划。一整套基因组决定着物种的繁殖、活动、进化与死亡。1990年，人类基因组计划在美国正式启动。1991年，美国建立第一批基因组研究中心。1993年，桑格研究中心在英国剑桥附近成立。1997年，法国国家基因组测序中心成立。1998年，中国在北京和上海设立国家基因组中心。1999年，中国获准加入人类基因组计划，承担1%的测序任务，成为参与这一计划的惟一发展中国家。2000年6月26日，中、美、日、德、法、英等6国科学家宣布首次绘成人类基因组“工作框架图”。2001年2月12日，六国科学家联合在学术期刊上发表人类基因组“工作框架图”及初步分析结果。2001年8月26日，人类基因组“中国卷”的绘制工作宣告完成。2003年4月14日，中、美、日、德、法、英等6国科学家宣布