细胞工程 第一章 绪论

细胞工程李志勇编著讲课

26学时，实验

6学时课外

0学时，合计32学时

1当前第1页\共有59页\编于星期四\21点成绩期末考试成绩70%实验成绩10%平时成绩20%(根据考勤,按照点名次数平均分配)2当前第2页\共有59页\编于星期四\21点第一章绪论3当前第3页\共有59页\编于星期四\21点细胞是生物体的基本结构单位和功能单位，随着细胞生物学和分子生物学突飞猛进的反战，20世纪70年代末至80年代初出现了细胞工程这一新型学科。细胞工程(cellengineering)是应用细胞生物学和分子生物学的方法，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质以获得新型生物或特种细胞产品的一门综合性科学技术。细胞工程当前第4页\共有59页\编于星期四\21点1生物工程也称生物工艺学，一般称为生物技术。以生命科学为基础，利用生物体系和工程学原理生产生物制品和创造新物种的一门综合技术。换言之，就是利用生物有机体（从微生物直至高等动物）或其组成部分（器官组织细胞）发展新工艺或制造新产品的一种科学技术。当前第5页\共有59页\编于星期四\21点发展历程第一代生物工程4000年前

酿酒1680显微镜列文胡克制成显微镜

清康熙十九年当前第6页\共有59页\编于星期四\21点7当前第7页\共有59页\编于星期四\21点8当前第8页\共有59页\编于星期四\21点古代的中国是怎么酿酒蒸煮粮食，是中国人酿酒的第一道程序，粮食拌入酒曲，经过蒸煮后，更有利于发酵，在传统工艺中，半熟的粮食出锅后，要铺撒在地面上，这是酿酒的第二道程序，也就是搅拌、配料、堆积和前期发酵的过程。晾晒粮食的地面有一个专门的名字，叫晾堂。酒窖，内壁和底部都用纯净的黄泥土涂抹，窖泥厚度8厘米到25厘米不等。酒窖里进行的是酿酒的第三道程序，对原料进行后期发酵。经过窖池发酵老熟的酒母，酒精浓度还很低，需要经进一步的蒸馏和冷凝，才能得到较高酒精浓度的白酒，传统工艺采用俗称天锅的蒸馏器来完成。在基座上架着巨大的天锅，天锅分上下两层，下面的锅里装酒母，上面的锅里装冷水，基座上柴火旺盛，蒸煮酒母，含有酒精的气体被上面的冷水冷却，凝成液体，从管道流出，这就是蒸馏酒。

当前第9页\共有59页\编于星期四\21点1857巴斯德清朝咸丰年间(1850～1861)证实酒精发酵是由活酵母引起的，其他发酵产物也是由不同微生物的作用而形成。19世纪末到20世纪30年代,工业发酵过程陆续出现，如，乳酸,酒精,丙酮,柠檬酸,淀粉酶等的生产。但是，上述产品大多数是嫌气发酵过程的产物，产物的化学结构比较简单，属于初级代谢产物，同时生产过程也比较简单，对设备的要求不高，规模不大。当前第10页\共有59页\编于星期四\21点第二代生物工程(近代生物工程)1928发现青霉素，1943年,工业化20世纪40年代第二次世界大战时期，军队需要一种有效而副作用小的抗细菌感染的药物治疗因创伤引起的感染及继发性疾病。1928弗莱明发现青霉素，1940年证明具有卓越疗效和低毒。但是大规模制备困难。1941年，美国和英国合作对青霉素的大规模生产技术进行研究和开发，1943年开发出一条青霉素沉浸培养工艺。不久，链霉素，金霉素，新霉素等相续问世，抗生素工业的兴起标志着工业微生物的生产进入了一个新的阶段。当前第11页\共有59页\编于星期四\21点抗生素生产的经验促进其他发酵产品的发展，最突出的是20世纪50年代氨基酸发酵工业和60年代的酶制剂工业，与第一代生物工程产品相比，这一时期的特点是：1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。2技术要求高,生产过程需在无菌条件下进行3大多数为好气发酵4发酵规模大12当前第12页\共有59页\编于星期四\21点第三代生物工程(现代生物工程)1953年,美国的沃森和克里克发现了DNA双螺旋结构，为DNA重组奠定了基础，1974年美国的波依耳和科恩首次在实验室中实现了基因转移，从而使人们有可能在实验室中组建按照人们意志设计新的生命体。

20世纪70年代后，随着基因重组，细胞和组织培养，酶的固定化，动物植物细胞的大规模培养，现代化生物反应器和计算机的应用，以及产品分离，纯化等技术的发展，生物工程进入了一个新的发展阶段------现代生物工程阶段。当前第13页\共有59页\编于星期四\21点这期间的现代生物技术以及产品的特点是运用了DNA重组技术产品有：干扰素，胰岛素，生长激素及其相关因子，淋巴细胞活素，血纤维蛋白溶解剂，疫苗，胸腺素，白蛋白，血因子，促红细胞生长素，促血小板生长素，降血钙素，绒帽促性腺激素，抗血友病因子，乙型肝炎疫苗，以及氨基酸，食品加工酶，单细胞蛋白，生物杀虫剂，生物杀菌剂，生物完全降解塑料等等。14当前第14页\共有59页\编于星期四\21点15当前第15页\共有59页\编于星期四\21点其中最具代表性生物技术产品为转基因生物和克隆动物。目前，美国40％以上的农田种植了经过基因改良的作物。我国的转基因农作物和林木已有22种，转基因棉花，大豆，菠菜等已经进行田间试验。其中抗虫棉已经开始规模化商品生产。1996年7月英国成功采用成体体细胞克隆出绵羊多莉更是一项里程碑的现代生物工程成果。16当前第16页\共有59页\编于星期四\21点17当前第17页\共有59页\编于星期四\21点现代生物工程的特点和组成生物工程与生物学,化学等基础理论科学的区别显而易见,后者主要为前者提供某种生物产品的制造的理论支撑。生物工程操作的对象是有生命的物质,这是与化学工程等其他工程类学科最明显的不同。当前第18页\共有59页\编于星期四\21点19当前第19页\共有59页\编于星期四\21点2生物技术的组成发酵工程酶工程蛋白质工程基因工程生化工程细胞工程当前第20页\共有59页\编于星期四\21点现代发酵工程主要指利用微生物、包括利用DNA重组技术改造的微生物在全自动发酵罐或生物反应器中生产某种商品的技术。现代发酵工程是生物代谢、微生物生长动力学、大型发酵罐或生物反应器研制、化工原理等密切结合和应用的结果。发酵工程当前第21页\共有59页\编于星期四\21点当前第22页\共有59页\编于星期四\21点23当前第23页\共有59页\编于星期四\21点酶工程酶是由生物体产生的具有催化剂活性的蛋白质，他们可特定地促成某个化学反应而他们本身却不参与反应，具有反应效率高，反应条件温和，反应产物污染小，能耗低，反应容易控制等特点。酶工程就是利用酶的催化作用，采用适当的神巫反应器工业化地生产人类所需的产品或是达到某一特殊目的的一门生物工程技术。它是酶学原理和化工技术相结合而形成的一项高新技术。酶工程种开发生产的酶主要6大类，氧化还原酶，转移酶，水解酶，裂解酶，连接酶，异构酶当前第24页\共有59页\编于星期四\21点蔗糖转葡糖基酶当前第25页\共有59页\编于星期四\21点酶工程的研究和应用范围包括：1、天然酶的分离纯化以及鉴定和生产2、酶的固定化3、酶生物反应器的研制和应用蛋白质种类繁多，可以根据他们在生物体内所起的作用不同，分成5大类：酶蛋白：专一高效生物催化剂运载蛋白结构蛋白抗体激素26当前第26页\共有59页\编于星期四\21点蛋白质工程的主要步骤通常包括：（1）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2）测定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构;(4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。蛋白质工程proteinengineering当前第27页\共有59页\编于星期四\21点28当前第28页\共有59页\编于星期四\21点“后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究，包括研究蛋白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作用。蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动力学等结构与功能认识的基础上，对蛋白质人工改造与合成，最终获得商业化的产品。当前第29页\共有59页\编于星期四\21点蛋白质工程研究方向包括以下两个方面：1基因工程水平上的蛋白质改造：通过基因融合或基因定位诱变等手段改变蛋白质的结构和功能；降DNA合成技术用于蛋白质功能片断多肽基因的合成，可创造结构和功能全新的蛋白质。2蛋白质修饰：酶工业上，对蛋白质分子进行化学修饰，提高蛋白质的稳定性或催化能力，或更适合酶固定化而用于实践。在医学临床应用上，可延长蛋白质药物的生物半衰期，改变其免疫原性，提高对蛋白酶的抗性。当前第30页\共有59页\编于星期四\21点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。基因工程基因工程与建筑工程当前第31页\共有59页\编于星期四\21点基因工程与建筑工程当前第32页\共有59页\编于星期四\21点生化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，主要研究将生物技术的实验室研究成果转化为生产力过程带有共性的工程技术问题，是生物技术的一个重要组成部分。早期的生物化学工程曾经为发酵和酶反应过程的产品迅速发展做出杰出贡献。20世纪80年代后，生物化学工程则主要转向为基因工程，细胞工程等现代生物技术产品的产业化服务。当前第33页\共有59页\编于星期四\21点34当前第34页\共有59页\编于星期四\21点今后生物化学工程重点研究方向大致包括以下4个方面：1、新型生物反应器系统以及相关培养和放大技术,工艺的研究与开发;2、新型分离方法和设备的研究开发;

3、描述生物反应过程的数学模型的建立;4、生产过程在线检测和控制手段的完善.当前第35页\共有59页\编于星期四\21点36当前第36页\共有59页\编于星期四\21点二、细胞工程37当前第37页\共有59页\编于星期四\21点多核细胞发现植物学：1902年德国植物学家发现植物细胞全能性。

1934年生长素发现

1937年离体培养胡萝卜组织，并使细胞增殖1960年原生质体制备

1972年体细胞杂种植株动物学

1907年培养蛙胚神经组织

1965年动物细胞融合诱导细胞工程的发展历史当前第38页\共有59页\编于星期四\21点细胞工程发展到今天，人们借助于细胞工程技术可以把生命像积木那样组装起来，进行细胞水平上的生命组合。一只老鼠有3个父亲、4个母亲，而且还都是绝对有“血缘”关系的。这些听起来有些令人难以置信，但科学家已经将它变成了现实。这是细胞工程在动物身上取得的一次成功试验。1977年英国采用胚胎工程技术培育出世界首例试管婴儿；1997年英国利用成年动物体细胞克隆出绵羊多莉。2001年培育出转基因克隆猪。当前第39页\共有59页\编于星期四\21点2主要研究内容对象：微生物，植物，动物技术：融合，拆合，染色体导入，胚胎和细胞核移植水平：细胞，组织，细胞器，基因

分类不同：40当前第40页\共有59页\编于星期四\21点2细胞工程的研究内容1动植物细胞与组织培养2细胞融合3染色体工程4胚胎工程5细胞遗传工程随着细胞生物学，分子生物学，遗传学等学科发展核研究的日益深入，细胞工程近年来得到快速的发展，以及成为现代生物工程的一个重要代表性领域，具体而言，细胞工程的一些研究领域包括：41当前第41页\共有59页\编于星期四\21点1动植物细胞与组织培养该技术最显著的价值在于优良植物的快速繁育与代谢产物的大量制备方面。动植物细胞与组织培养可分为三个层次上的培养：细胞培养，组织培养和器官培养。以工业生产为目的细胞培养不受气候季节限制，可以大量培养细胞获得药物和其他有用物质，无论在生物学基础研究，还是生产实践中都发挥着越来越大的作用。例如利用生物反应器生产人参等高价值生物的细胞，生产有药效用成分。42当前第42页\共有59页\编于星期四\21点当前第43页\共有59页\编于星期四\21点2细胞融合细胞融合最大的贡献是在动植物，微生物新品种的培育方面。原生质体融合有可能克服有性杂交的不亲和性而使叶绿体，线粒体等细胞基因组合在一起。利用原生质融合并配合原生质培养已得到了一些体细胞杂种植株。采用自然或人工的方法使两个或几个不同细胞（或原生质体）融合为一个细胞，用于产生新的物种或品系及产生单克隆抗体。44当前第44页\共有59页\编于星期四\21点3染色体工程45当前第45页\共有59页\编于星期四\21点46当前第46页\共有59页\编于星期四\21点染色体工程师按照人们的需要来添加，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两种。动物染色体工程主要采用对细胞进行微操作的方法来达到转移基因的目的。植物细胞工程主要利用传统的杂交，回交的方法达到改变染色体的目的。染色体工程技术最大的价值体现在新品种的选育，主要是单倍体和多倍体育种方法，四倍体小麦，八倍体小黑麦等。3染色体工程47当前第47页\共有59页\编于星期四\21点48当前第48页\共有59页\编于星期四\21点49当前第49页\共有59页\编于星期四\21点4胚胎工程

50当前第50页\共有59页\编于星期四\21点4胚胎工程这项技术主要对哺乳动物的胚胎进行某种人为的工程技术操作获得人们所需要的成体动物。胚胎工程采用的新技术包括胚胎分割技术，胚胎融合技术，卵核移植技术，体外受精技术，胚胎培养，胚胎移植，以及性别鉴定技术，胚胎冷冻技术等。胚胎工程的最成功的应用领域体现在畜牧业，主要是胚胎移植技术进行优良品种的快速繁殖和胚胎保存。对于人类，试管婴儿培育技术也为人类做出了贡献。当前第51页\共有59页\编于星期四\21点5细胞遗传工程主要包括克隆和转基因技术，前者主要是指无性繁殖，如动物克隆是指由一个动物经无性繁殖而产生的遗传性状完全相同的后代个体。后者是指将外源基因整合到生物体内，得到稳定表达，并使该基因能稳定地遗传给后代的实验技术，是改变物质遗传性状的有效途径。当前第52页\共有59页\编于星期四\21点细胞工程重要应用当今，细胞工程已经称为生物学家手中经常应用的技术之一。并已经成为生物工程的重要组成部分和主导领域之一，涉及面及其广泛，在许多领域都有非常重要的应用价值，并且已经取得了惊人成就。如多倍体与单倍体育种，体细胞杂交和染色体工程等。此外细胞器移植，体外受精，胚胎培养等为植物和家畜的品种改良提供了新的途径。当前第53页\共有59页\编于星期四\21点细胞工程应用1优质植物快速培育与繁殖基于植物细胞的全能性，