现代生物技术进步

现代生物技术进步1第1页，共79页，2023年，2月20日，星期一第一节生物技术概述生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点，主要由于两方面的原因：（1）二十世纪后叶，分子生物学领域一系列突破性成就，使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的变化（2）建立在实验室研究基础上的生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财富。生物技术将是未来经济发展的新动力 第一次技术革命 工业革命 解放人的双手 第二次技术革命 信息技术 扩展人的大脑 第三次技术革命 生物技术 改造生命本身2第2页，共79页，2023年，2月20日，星期一第一节生物技术概述一、何为生物技术

组成生物技术的三个互相关联的基本要素：1、采用现代科学的基本理论和技术生命科学涉及生物学、医学和农学等与生命有关的学科领域。生物学理论和技术是现代生物技术最重要的基础探讨的问题有：从DNA到蛋白质从染色体到细胞从生理现象到遗传变异从受精到凋亡从个体发育到物种进化3第3页，共79页，2023年，2月20日，星期一第一节生物技术概述2、应用生物材料和生物系统开发利用的生物材料有：植物、动物和微生物上述三种的器官、组织、细胞、细胞器无细胞系统、酶系统利用生物特有的方式，在适当的条件下，经济地制备人类所需要的生物活性物质。4第4页，共79页，2023年，2月20日，星期一第一节生物技术概述3、通过一定的工程系统获得产品或提供服务通过工程学途径，规模化地制备市场需要的生物产品。提供治疗预防疾病、改善自然生态环境、消除环境污染等方面的服务。如：药品、细胞、DNA制品、动植物新品种、食品、肥料、试剂等。5第5页，共79页，2023年，2月20日，星期一第一节生物技术概述定义：生物技术是以生命科学为基础，利用生物体及其细胞的、亚细胞的和分子的组成部分，结合工程学、信息学等手段开展研究及制造产品，或改造动物、植物、微生物等，并使其具有所期望的品质，特性，从而为社会提供商品和服务的综合性技术。6第6页，共79页，2023年，2月20日，星期一第一节生物技术概述二、生物技术发展沿革1、近代生物学发展历程三项伟大成就：细胞学说生物进化论遗传定律7第7页，共79页，2023年，2月20日，星期一细胞学说1665年,英国科学家胡克用自己设计与制造的的简易显微镜观察栎树软木塞切片时，发现其中有许多小室，他把这些小室称为细胞，实际上胡克当时看到的是细胞壁。这是人类发现细胞的第一步。1665年8第8页，共79页，2023年，2月20日，星期一细胞学说1838年，德国植物学家施莱登使用分辨率达1µm的显微镜，观察了量的植物组织后提出：“植物，不论发展到多么高级，都是由充分个体化的、各自独立的、分离的物体组成的聚合物，这些物体就是细胞。”1838年9第9页，共79页，2023年，2月20日，星期一细胞学说1839年，德国动物学家施旺通过对鱼、蛙、猪、等多种多细胞的系统观察后提出：“细胞是有机体，整个动物和植物都是细胞的集合体，它们依照一定的规律排列在动植物体内”。1839年10第10页，共79页，2023年，2月20日，星期一细胞学说1858年，德国医生和病理学家魏尔肖指出：“细胞只能来自细胞，细胞是一个相对独立的生命活动的基本单位。这被认为是对细胞学说的重要补充。”1858年11第11页，共79页，2023年，2月20日，星期一生命的起源生物进化论12第12页，共79页，2023年，2月20日，星期一达尔文“贝格尔”号舰的航行13第13页，共79页，2023年，2月20日，星期一达尔文和进化论1859年《物种起源》这部巨著出版了，引起极大的反响。自然界中生物的物种是不断进化的，是不断从低级向高级发展的。自然界进化的规则是物竞天择，适者生存。14第14页，共79页，2023年，2月20日，星期一孟德尔遗传定律从1856-1871年进行了大量植物杂交试验研究；其中对豌豆(严格自花授粉/闭花授粉)差别明显的7对简单性状进行了长达8年研究，提出遗传因子假说及其分离与自由组合规律；1865年2月8日和3月8日先后两次在布尔诺自然科学会例会上宣读发表；1866年整理成长达45页的《植物杂交试验》一文，发表在《布隆自然科学会志》第4卷上。意义：奠定了遗传科学基础15第15页，共79页，2023年，2月20日，星期一2、现代生物技术的兴起1910年，果蝇白眼突变的研究，确证基因在染色体上，创立了基因论。1941年，红色面包霉营养突变体研究，发现基因的功能是制造各种各样的蛋白质，提出“一种基因产生一种酶”的学说。1950年玉米斑驳性状遗传研究，发现转座遗传因子，又叫“跳跃基因”，在染色体之间转移位置，调控基因的表达。在此基础上，10年后另一项重大发现：3种不同的基因，即结构基因、操纵基因和调节基因。16第16页，共79页，2023年，2月20日，星期一2、现代生物技术的兴起1953年，DNA双螺旋结构模型的创立，第一次提示了DNA分子的结构、组成及功能，开创了从分子水平揭示生命现象本质的新纪元。1958年，证明了DNA半保留复制和中心法则1961年，发现DNA的遗传密码是由3个碱基组成的三联体。1967年破译遗传密码，制定对应的密码子表，并适用于所有生物。1970年，分离出第一个核酸限制性内切酶，使得有目的地割成为可能。1972年，利用限制性内切酶和连接酶，得到第一个体外重组的DNA分子，从而建立了重组DNA技术。将生物技术带进了基因工程时代。1976年，世界上第一家应用生物技术开发新药的公司（Genetech）的建立，拉开了现代生物技术产业发展的序幕。1990年10月，正式启动“人类基因组计划”，2000年6月26日，参与该项目的各国科学家公布了科学史上具有里程碑意义的第一张人类基因组工作草图。17第17页，共79页，2023年，2月20日，星期一2、现代生物技术的兴起近20年崛起的各类生物技术：酶或细胞固定化技术细胞或原生质体融合技术细胞大规模培养技术生物反应器技术动植物转基因技术蛋白质工程技术蛋白质组学技术生物芯片技术基因组测序分析技术基因治疗技术等等20多种。应用范围：农业食品、医药卫生、化工环保、资源能源、海洋开发等。解决问题：具有解决人类面临的食物、健康、资源和环境等重大问题的巨大潜力18第18页，共79页，2023年，2月20日，星期一第二节生物技术的主要内容生物技术的主要内容：基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质（酶）工程

此外还有基因诊断与基因治疗技术、克隆动物技术、生物芯片技术、生物材料技术、生物能源技术、利用生物降解环境中有毒有害化合物的技术。直接相关联的学科：分子生物学、微生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、化学工程学、医药学等。对人类和社会生活各方面影响最大的生物技术领域：农业生物技术、医药生物技术、环境生物技术、海洋生物技术。19第19页，共79页，2023年，2月20日，星期一1、基因工程基因工程是指在微观领域（分子水平）中，根据分子生物学和遗传学原理，设计并实施一项把一个生物体中有用的目的DNA(遗传信息)转入另一个生物体中，使后者获得新的需要的遗传性状或表达所需要的产物，最终实现该技术的商业价值。基因工程与建筑工程20第20页，共79页，2023年，2月20日，星期一21第21页，共79页，2023年，2月20日，星期一基因工程的应用稀少珍贵的蛋白质药物：1982年，美国食品与药物管理局批准了首例基因工程产品—人胰岛素投放市场——它标志了基因工程产品正式进入到商业化阶段。人生长激素、表皮生长因子、肿瘤坏死因子、a-干扰素、纤维素酶、抗血友病因子、红细胞生成素、尿激酶原、白细胞介素-2、集落刺激因子、乙肝疫苗等等。22第22页，共79页，2023年，2月20日，星期一基因工程的应用畜牧业中的应用动物疫苗、生长激素等。例：从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA。23第23页，共79页，2023年，2月20日，星期一基因工程的应用种植业中的应用用携带外源基因的农杆菌Ti质粒转化植物原生质体，使外源DNA与植物染色体DNA整合，通过原生质体的培养分化成愈伤组织，最后发育成具有新性状的完整植株——转基因植物24第24页，共79页，2023年，2月20日，星期一基因工程的应用抗化学除草剂基因转基因西红柿固氮酶基因……转基因抗虫杨25第25页，共79页，2023年，2月20日，星期一基因工程的应用生态环境保护环境监测环境污染治理26第26页，共79页，2023年，2月20日，星期一环境监测利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。27第27页，共79页，2023年，2月20日，星期一环境污染治理基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。通常一种假单孢杆菌只能分解石油中的一种烃类。用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。科学家还培育出能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等有毒物质的细菌。28第28页，共79页，2023年，2月20日，星期一2、细胞工程细胞工程(cellengineering)是以细胞生物学和分子生物学为基础理论，采用原生质体、细胞或组织培养等试验方法或技术，在细胞水平上研究改造生物遗传特性，以获得具有新的性状的细胞系或生物体以及生物的次生代谢产物，并发展有关理论和技术方法的学科。细胞工程的核心技术：细胞培养与繁殖目的：获得新性状、新个体、新物质29第29页，共79页，2023年，2月20日，星期一1）植物细胞和组织培养技术①从健康植株的特定部位或组织，如根、茎、叶、花、果实、胚珠、花药和花粉等，选择用于组织培养的起始材料，称之为外植体。②用一定的化学药剂，最常用的有次氯酸钠，升汞和酒精等对外植体表面消毒，建立无菌培养体系。严格控制无菌条件，这是获得培养成功的重要一步。②外植体块在培养基上形成疏松的愈伤组织，由愈伤组织分化出芽并可诱导形成根的小植株。30第30页，共79页，2023年，2月20日，星期一过程离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织根、芽植物体外植体脱分化植物激素：细胞分裂素、生长素再分化植物组织培养植物组织培养条件：

含有全部营养成分的培养基、一定的温度、空气、无菌环境、适合的PH、适时光照等。31第31页，共79页，2023年，2月20日，星期一切取32第32页，共79页，2023年，2月20日，星期一接种33第33页，共79页，2023年，2月20日，星期一愈伤组织：在人工培养基上由外植体长出来的一团无序生长的薄壁细胞（细胞排列疏松、无规则、高度液泡化的无定形的薄壁细胞）。34第34页，共79页，2023年，2月20日，星期一植物组织培养（试管苗的形成）35第35页，共79页，2023年，2月20日，星期一36第36页，共79页，2023年，2月20日，星期一培养室37第37页，共79页，2023年，2月20日，星期一试管苗大规模培养38第38页，共79页，2023年，2月20日，星期一移栽经过炼苗的小苗，可以和一般植物一样进行大规模栽培。39第39页，共79页，2023年，2月20日，星期一请同学们讨论如何实现?40第40页，共79页，2023年，2月20日，星期一2）动物细胞和组织培养技术41第41页，共79页，2023年，2月20日，星期一3）细胞融合技术（体细胞杂交技术）植物细胞A植物细胞B原生质体A原生质体B原生质体融合正在融合的原生质体再生出细胞壁杂种细胞愈伤组织杂种植株去细胞壁纤维素酶果胶酶物理方法化学方法：离心振动电刺激聚乙二醇细胞分裂植物组织培养植物细胞融合酶解法人工诱导方法42第42页，共79页，2023年，2月20日，星期一成果和尚未解决的问题：成果：克服不同生物远缘杂交的障碍，出现自然界没有的新品种。未解决问题：尚未让杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性状43第43页，共79页，2023年，2月20日，星期一4）细胞器移植技术277次乳腺细胞核移植实验；获得29个发育为8细胞的“胚”；1996年7月5日，羊羔6LL3，被命名为“多莉”。44第44页，共79页，2023年，2月20日，星期一预想的克隆人技术路线45第45页，共79页，2023年，2月20日，星期一5）染色体工程技术染色体工程是按人们的需要来添加、削减或替换生物的染色体的一种技术。主要分为动物染色体工程和植物染色体工程。46第46页，共79页，2023年，2月20日，星期一3、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.47第47页，共79页，2023年，2月20日，星期一发酵工程的内容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、氮芥(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48第48页，共79页，2023年，2月20日，星期一发酵工程的内容2.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49第49页，共79页，2023年，2月20日，星期一发酵工程的内容4.扩大培养和接种5.发酵过程----发酵的中心阶段①随时取样检测培养液中的细菌数目,产物浓度等②及时添加必需的培养基成分③严格控制温度、PH、溶氧、通气量、转速等条件6.分离提纯发酵工程产品:代谢产物：菌体：蒸馏、萃取、离子交换法过滤、沉淀法50第50页，共79页，2023年，2月20日，星期一发酵过程示意图51第51页，共79页，2023年，2月20日，星期一52第52页，共79页，2023年，2月20日，星期一53第53页，共79页，2023年，2月20日，星期一发酵工程的应用1.在医药工业上的应用①生产出种类繁多的药品②生产出大量的基因工程药品2.在食品工业上的应用①生产传统的发酵食品,使产品的质量和产量得到明显的提高.②生产各种各样的食品添加剂,改善食品的品质及色、香、味.③为解决人类粮食短缺问题开辟新的途径(单细胞蛋白).54第54页，共79页，2023年，2月20日，星期一传统黄酒酿造工艺筛米——浸米——蒸饭——前发酵——开耙——榨酒——55第55页，共79页，2023年，2月20日，星期一——后发酵——蒸酒——灌成品——封口储酒传统黄酒酿造工艺56第56页，共79页，2023年，2月20日，星期一啤酒酿造工艺流程酵母57第57页，共79页，2023年，2月20日，星期一1，采摘————2，破皮去梗———3，酒槽浸皮发酵——4，榨汁、前发酵5，橡木桶发酵————————6，窖藏———————7，澄清装瓶葡萄酒的酿制工艺58第58页，共79页，2023年，2月20日，星期一1951,在上海建立了第一个抗生素工厂(即后来的上海第三制药厂)，以生产青霉素为主。1958,我国最大的抗生素工厂——华北制药厂亦正式投入生产。青霉素生产流水线59第59页，共79页，2023年，2月20日，星期一4、蛋白质（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：条件温和，不需加热具有高度的专一性具有高效催化作用3、酶工程是利用酶、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，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。60第60页，共79页，2023年，2月20日，星期一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”。61第61页，共79页，2023年，2月20日，星期一4、蛋白质（酶）工程1.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。一级结构二级结构62第62页，共79页，2023年，2月20日，星期一4、蛋白质（酶）工程三级结构四级结构63第63页，共79页，2023年，2月20日，星期一SARS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。当我们人体发病时，就是它的蛋白质对我们起了作用。

甲型H1N1流感病毒64第64页，共79页，2023年，2月20日，星期一5、人类基因组计划一、概述人类基因组计划（HumanGenomeProgram，HGP）是人类生命科学史上最伟大的工程之一，是人类第一次系统全面地解读和研究人类遗传物质DNA的全球性合作计划。人类基因组是指合成有功能的人体各类细胞中蛋白质及（或）多肽链和RNA所必需的全部DNA顺序和结构，包括人类24条染色体（22对常染色体+XY）上全部的DNA所携带的遗传信息的总和，即30亿个碱基对的序列。65第65页，共79页，2023年，2月20日，星期一5、人类基因组计划人类基因组计划是由美国科学家杜尔贝科在1985年首先提出，美国政府1990年10月1日正式启动的，预计用时15年，耗资30亿美元。其最终目标是：通过国际合作，阐明人类基因组全部DNA序列；识别基因；建立储存这些信息的数据库；开发数据分析工具；研究HGP实验所带来的伦理、法律和社会问题；在计划实施过程中，先后又有五个国家加入，最终形成了包括美、英、日、法、德、中六国科学家的国际合作小组。66第66页，共79页，2023年，2月20日，星期一5、人类基因组计划二、野心勃勃的竞争者：然而，人类基因组计划的进展不是一帆风顺的，以全球合作、数据共享为主旨的人类基因组计划面临着来自私营公司的强有力的挑战。1997年，在耗费了巨额资金和一半预定时间之后，多国合作小组仅完成了3%的测序工作。与此同时，1998年5月9日，帕金·埃尔默(PE)这个世界最大的DNA自动测序仪厂家与遗传生物学家克莱格·凡特教授共同组建了塞莱拉(Celera)公司，宣称将在无政府投资的条件下早于多国合作小组完成人类基因组计划。凭借着强大的仪器设备和诸如“散弹枪”等一系列先进的测序方法，塞莱拉公司的确显著地加快了测序速度，很快追上了多国合作小组。由于担心私营公司将人类的重要基因申请专利，将科学成果据为己有，从中谋取利润，国际合作小组不得不加快工作进度，并谋求与塞莱拉公司的合作。67第67页，共79页，2023年，2月20日，星期一5、人类基因组计划三、人类基因组计划的成果由于私营公司的介入，人类基因组计划在竞争压力下被大大加快了。1999年12月1日，第22号染色体被率先破译。2000年4月13日，美国科学家宣布完成第5、第16、第19号染色体的测序工作。截至200年6月，已有90%的碱基序列完成了测定工作，在此基础上，科学家绘制出了基因组“工作框架图”。2001年2月12日，国际合作小组和塞莱拉公司联合召开了新闻发布会，宣布包含99%基因序列的“基因组草图”已经绘制完成。2003年4月14日，美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯·柯林斯博士隆重宣布，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。次日，中国总理温家宝与美、英、日、法、德等国政府首脑联合发表声明，祝贺人类基因组序列图绘制成功。稍感意外的是，测序结果显示，人类基因的数目远远小于先前认为的十万个，而只有约3.4～3.5万个，与小鼠接近，而不到果蝇的基因数的两倍。68第68页，共79页，2023年，2月20日，星期一5、人类基因组计划四、目的、意义阐明人类基因组30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因，并搞清其在染色体上的位置;破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我;解码生命、了解生命的起源、了解生命体生长发育的规律;认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。世纪初完成的这项工作堪与阿波罗11号宇宙飞船登月相媲美。人类基因组是全人类的共同财富。国内外专家普遍认为，基因组序列图首次在分子层面上为人类提供了一份生命“说明书”，不仅奠定了人类认识自我的基石，推动了生命与医学科学的革命性进展，而且为全人类的健康带来了福音。自此，人类社会进入了后基因组时代。69第69页，共79页，2023年，2月20日，星期一5、人类基因组计划五、中国做出的贡献我国的HGP始于1994年，是在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明等人的倡导下启动的。1998年，杨焕明和余军教授组织了中国科学院遗传所，次年七月，遗传所人类基因中心在国际人类基因组HGSI注册，承担了其中1%，即3号染色体上3000万个碱基的测序任务，是我国成为继美、英、德、日、法之后第六个参与该计划的国家，也是唯一的发展中国家。虽然参加时间较晚，但是我国科学家提前两年于2001年8月26日绘制完成“中国卷”，赢得了国际科学界的高度评价，双螺旋的发现者之一詹姆斯·沃森称赞中国已成为“DNA科学的重要角色”。70第70页，共79页，2023年，2月20日，星期一第三节生物技术发展趋势和存在问题一、生物技术研究热点转基因技术基因组学技术生物信息技术71第71页，共79页，2023年，2月20日，星期一转基因技术将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体的性状的可遗传的修饰，这一技术称之为转基因技术（Transgenetechnology）。人们常说的“遗传工程”、“基因工程”、“遗传转化”均为转基因的同义词。经转基因技术修饰的生物体在媒体上常被称为“遗传修饰过的生物体”（Geneticallymodifiedorganism，简称GMO）。

转基因技术是当前、也是今后相当长一段时期内农业、食品、医药、能源、矿产和环境等领域生物技术产业的核心技术。72第72页，共79页，2023年，2月20日，星期一基因组学技术系统研究生物基因组的序列结构，并从序列结构水平来注释(annotation)生命现象的科学。基因组学技术是在“人类基因组计划”带动下飞速发展起来的一门技术。有人预言，基因组学研究将成为整个21世纪生命科学发展的基石。以基因组学为基础的生物技术产业已经迅速崛起，成为世界经济中发展最快的新产业。如仅1991年到1996年，美国管理的核苷酸序列专利从4000件增到50万件。73第73页，共79页，2023年，2月20日，星期一生物信息学技术生物信息学（Bioinformatics）是现代生命科学与计算机科学、数理科学、化学等领域相互交叉而形成的一门新兴学科。它通过对分子生物学实验数据的获取、加工、存储、检索与分析，进而达到揭示这些数据所蕴含的生物学意义的目的。随着人类基因组