《生物技术概论》绪论-课件

生物技术概论总论生物技术概论第一节：生物技术的概念第二节：生物技术的发展史第三节：生物技术的技术组成第四节：生物技术的应用与发展第一节：生物技术的概念第一节生物技术的概念第一节Biotechnology生物技术的英语含义Bio(生物)Technology(工程、技术)Bioengineering=Biotechnology生物技术=生物工程

Biotechnology生物技术的英语含义KarlEreky1878-1952HungarianagriculturalengineerBiotechnologyofMeat,FatandMilkProductioninanAgriculturalLarge-ScaleFarm(1919)甜菜(SugarBeet)“Anyproductproducedfromrawmaterialswiththeaidoflivingorganisms.”“在生物体的帮助下，将原材料转化成任何产品的过程”KarlEreky“甜菜养猪”的“生物技术”KarlErekyBiotechnologyofMe古代中国“酿造”的“生物技术”粮食酱油、酒……微生物古代中国“酿造”的“生物技术”粮食酱油、酒……微生物

AlexanderFleming青霉菌(Penicillium)Fleming“制造青霉素”的“生物技术”青霉菌青霉素培养基AlexanderFleming青霉菌(Penicill物料生物体产品物料生物体产品不同国家对生物技术的定义

生物技术是应用分子和生物细胞的工艺来解决问题、进行研究、生产产品并提供服务的一种技术。美国2001年

生物技术是指在自然或人工状态下，直接或间接地将科学和工程学方法应用于有机体的活体或部分组织，以实现对生产和服务过程进行创新或改进现状的目的。加拿大1997年

生物技术是一种技术，它应用或模仿了活体有机物的能力以改变物质。日本1999年

利用科学和工程学的原理，通过生物学方法进行材料加工，以及通过分离、修改和合成，与实际生物性过程相关的基因结构，对生物材料进行处理、加工，以提高生活质量。新西兰1998/1999

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，为人类生产出所需新产品或达到某种目的技术。中国1986年不同国家对生物技术的定义生物技术是应用分子和

应用自然科学和工程学的原理，依靠生物作用剂的作用将物料加工以提供产品为社会服务的技术国际合作发展组织----1982年生物技术Biotechonology生物技术的概念应用自然科学和工程学的原理，依靠生物作用剂的作用将物自然科学和工程学的原理：基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等生物作用剂：生物体、组织器官、细胞、分子等提供产品为社会服务的技术：对社会有用的产品或技术

应用自然科学和工程学的原理，依靠生物作用剂的作用将物料加工以提供产品为社会服务的技术生物技术的概念自然科学和工程学的原理：生物作用剂：提供产品为社会服务的技术从分子水平阐明生命活动规律分子生物学为主的基础学科生物技术是一个应用学科利用生命规律制造产品、提供技术从分子水平阐明生命活动规律分子生物学为主生物技术是利用生命规第二节生物技术发展史第二节生物技术发展的不同阶段生物技术发展的不同阶段传统生物技术(远古—1900s)经验积累阶段动植物的驯养酿造技术食品加工技术传统生物技术(远古—1900s)经验积累阶段旧石器时代：公元前260万年—公元前1万多年。狩猎、采果、捕鱼等传统动植物养殖新石器时代：公元前1万年—公元前5000多年。发明了原始农业、养畜业和手工业。公元前6000年至公元前2000年的新石器时期已饲养“六畜”，即马、牛、羊、猪、狗、鸡旧石器时代：传统动植物养殖新石器时代：

公元前二世纪史书<<吕氏春秋>>云:"仪狄作酒"。汉代刘向编辑的<<战国策>>则进一步说明:"昔者，帝女令仪狄作酒而美，进之禹。(禹乃夏朝帝王)"。"有饭不尽，委之空桑，郁结成味，久蓄气芳，本出于代，不由奇方。“杜康将未吃完的剩饭，放置在桑园的树洞里，剩饭在洞中发酵后，有芳香的气味传出传统的造酒业公元前二世纪史书<<吕氏春秋>>云:"仪狄作

啤酒最早起源于西亚，苏美尔人是酿造啤酒的始祖

葡萄酒的酿造起源于公元前6000年古代的波斯，即现今的伊朗传统的造酒业啤酒最早起源于西亚，苏美尔人是酿造啤酒的始祖

古代中国人、巴比伦人、埃及人将食物发酵制造馒头、面包、酸奶等传统的食品加工古代中国人、巴比伦人、埃及人将食物发酵制造馒粮食酒微生物传统的“酿造”技术是人们按照自己的目的制造产品的“生物技术”粮食酒微生物传统的“酿造”技术是人们按照自己的目的制造产品的？发酵(Fermentation)的含义Fermentation翻涌？发酵(Fermentation)的含义Fermentati近代生物技术(1900s-1970s)微生物发酵工业阶段

荷兰人列文霍克发现显微镜和微生物

法国科学家路易斯·巴斯德发现微生物参与发酵微生物单一培养技术的建立抗生物、氨基酸、化学品发酵工业的建立近代生物技术(1900s-1970s)微生物发酵工业阶段1667年，荷兰人列文霍克发明了显微镜，揭开了微生物世界的秘密。AntoniePhilipsvanLeeuwenhoek1632–1723

1667年，荷兰人列文霍克发明了显微镜，揭路易斯·巴斯德LouisPasteur(1822–1895)法国著名科学家“微生物学之父”“进入科学王国的最完美无缺的人”

发酵工业的奠基人巴氏灭菌法，拯救法国的造酒业蚕病病原体，拯救法国的养蚕业自然发生论的否定炭疽病的疫苗狂犬病疫苗路易斯·巴斯德“微生物学之父”发酵工业的奠基人

立志是一种很重要的事情机遇只偏爱那些有准备的头脑告诉你使我达到目标的奥秘吧，我惟一的力量就是我的坚持精神路易斯·巴斯德的立志名言立志是一种很重要的事情路易斯·巴斯德的立志名言1860s，啤酒、葡萄酒常常会变质，为法国的酿酒业造成巨大损失。1860s，啤酒、葡萄酒常常会变质，为法国的无变质酵母菌变质乳酸杆菌无变质酵母菌变质乳酸杆菌

把封闭的酒瓶放在铁丝篮子里，泡在水里加热到不同的温度，试图即杀死这乳酸杆菌，而又不把葡萄酒煮坏。

最后找到了一个简便有效的方法：把酒放在56℃的环境里，保持半小时，就可杀死酒里的乳酸杆菌。“巴斯德杀菌法”巴氏消毒法的发现把封闭的酒瓶放在铁丝篮子里，泡在水里加热到不《生物技术概论》绪论--课件

建立啤酒酵母分离和培养技术，用于啤酒生产汉逊EmilChristianHansen(1842–1909)丹麦真菌学家、发酵生理学家布雷菲尔德JuliusOscarBrefeld(1839–1925)德国植物学家、真菌学家

建立了“单一霉菌”纯化培养技术微生物单一培养技术的建立建立啤酒酵母分离和培养技术，用于啤酒生产汉逊布雷菲尔德建约瑟夫·李斯特JosephLister(1827～1912)英国外科医生罗伯特·科赫RobertKoch(1843-1910)德国医生和细菌学家

建立“细菌”纯培养技术约瑟夫·李斯特罗伯特·科赫建立“细菌”纯培养技术纯培养：得到无其他杂菌污染的单一微生物平板画线法稀释到平板法平板涂布法分理出纯净、单一的微生物，对于发酵至关重要纯培养：得到无其他杂菌污染的单一微生物平板画线法稀释到平板法丙酮丁醇梭菌乙酰-CoA缩合乙酰-乙酰-CoA丙酮+CO2丁醇丙酮酸丙酮、丁酸的发酵工业20世纪20年代的丙酮、酒精、甘油和等发酵工程丙酮丁醇梭菌乙酰-CoA缩合乙酰-乙酰-CoA丙酮+C抗生素发酵工业青霉菌(Penicillium)亚历山大·弗莱明AlexanderFleming(1881–1955)获得1945年诺贝尔生理学和医学奖抗生素发酵工业青霉菌亚历山大·弗莱明获得1945年塞尔曼·亚伯拉罕·瓦克斯曼SelmanAbrahamWaksman（1888－1973）获得1952年诺贝尔生理学和医学奖链霉菌(Streptomyces)抗生素发酵工业塞尔曼·亚伯拉罕·瓦克斯曼获得1952年链霉菌抗生素发酵工业

至今已发现微生物产生的抗生素约6000个，有实用价值的已有100多种抗生素发酵工业

自20世纪40年代第一个抗生素–青霉素应用以来，逐渐形成了抗生素发酵工业至今已发现微生物产生的抗生素约6000个，有1957年，日本用微生物生产谷氨酸成功，如今20种氨基酸都可以用发酵法生产，建立了氨基酸发酵工业氨基酸发酵工业1957年，日本用微生物生产谷氨酸成功，如今20种氨基酸氨

菌株筛选发酵转化下游处理第一步第二步第三步如何筛选到一个高效、稳定产生目的产物的优良菌株？发酵工业的基本过程菌株发酵下游第一步第二步第三步如何筛选到一个高效、稳定传统筛选菌株的方法和缺陷

自然界分离诱变：物理、化学

筛选困难稳定性差只能用于原核细胞能否按照目的人工改造生物体？传统筛选菌株的方法和缺陷自然界分离筛选困难能否按照目的人现代生物技术(1970s—现在)

基因工程细胞工程发酵工程酶工程和蛋白质工程现代生物技术(1970s—现在)基因工程1866年，孟德尔提出“遗传单位”的概念1909年，约翰森提出了基因的概念1910年，摩尔根认为基因是一个功能单位基因的发展历史1868年，米歇尔分离得到核酸1920s，柯塞尔证实核酸的化学成分及基本结构核酸的发展历史1928年，格里弗斯发现通过转化因子可转化细菌的表型1944年，艾弗里证明了转化因子就是核酸（DNA）1952年，赫希尔和蔡斯进一步证明了DNA就是遗传物质基础1953年，沃森和克里克提出了著名的DNA结构的双螺旋模型1961年，伽莫夫破译了遗传密码子1958年，克里克提出“中心法则”基因工程的发展历史1866年，孟德尔提出“遗传单位”的概念基因的发展历史186

基因的化学本质是DNA

基因（DNA）可以通过RNA编码蛋白质

DNA可以在不同生物间转移，并可以改变生物体的表型“中心法则”（CentralDogma）基因的化学本质是DNA“中心法则”（CentralDo建立基因工程技术（重组DNA技术），获得1980年诺贝尔化学奖PaulBerg(1926-)美国斯坦福大学基因工程技术(重组DNA技术)的建立建立基因工程技术（重组DNA技术），获得1980年诺贝尔化学

利用重组DNA技术，可以对不同生物的基因进行新的组合，得到性状发生改变的新生物。这意味着人类可以根据自己的意愿设计新的生物，并把它构建出来。利用重组DNA技术，可以对不同生物的基因进行MichaelSmith建立基因定位突变技术，获得1993年诺贝尔化学奖KaryB.Mullis建立了PCR技术，获得1993年诺贝尔化学奖

应用上述方法可以从基因水平改变编码蛋白质的DNA序列，从而制备更为优越的蛋白质。为蛋白质工程的发展奠定了基础MichaelSmith建立基因定位突变技术，获得19931838年，德国植物学家施莱登(M.Schleiden)和德国动物学家施万(T.Schwann)认为一切生物都由细胞组成，细胞是生命的结构单位。

1858年，德国病理学微尔啸(RVirchow)证实细胞只能由细胞分裂而来。细胞学说的建立1838年，德国植物学家施莱登(M.Sch1902年，提出了细胞全能性的观点1904年，建立幼胚的立体培养。发现离体幼胚可发育成苗1925年，种间杂交幼胚获得成功，得到杂交种1930s，离体的植物组织可以在人工培养基上不断生长1960s，原生质体原生质体在培养过程中可形成完整植株细胞工程的发展历史植物细胞1902年，提出了细胞全能性的观点细胞工程的发展历史植物细胞1907年，用盖玻片悬滴培养蛙胚神经组织获得成功1952年，把非洲豹蛙囊胚的细胞核一到去核的卵母细胞中，得到了非洲豹蛙的胚胎克隆后代1962年，仙台病毒可诱发细胞融合，形成多核细胞，为动物细胞融合技术的发展奠定了基础1967年，完成第一例骨髓移植1975年，杂交瘤技术的诞生1977年，成功地培养出世界首例试管婴儿1997年，首次克隆出绵羊“多莉”，而后又克隆出多种动物1998年，发现人类生殖干细胞和成体干细胞2006年，诱导性多功能干细胞(iPS,inducedpluripotentstemcells)动物和人类细胞细胞工程的发展历史1907年，用盖玻片悬滴培养蛙胚神经组织获得成功动物和人类细GeorgesJ.F.Köhler，CésarMilstein建立杂交瘤技术，获得1984年诺贝尔生理学和医学奖单克隆抗体技术的建立GeorgesJ.F.Köhler，CésarMilsJohnB.Gurdon，ShinyaYamanaka发现iPS，获得2012生理学和医学诺贝尔奖iPS技术的建立JohnB.Gurdon，ShinyaYamanak生物工程的重大历史事件

传统生物技术：古代的人工驯养技术、酿造技术、食品加工技术

近代生物技术：路易斯·巴斯德(LouisPasteur)发现微生物参与发酵过程

KarlEreky提出“生物技术”的概念丙酮、丁醇发酵工业的兴起

AlexanderFleming发现青霉素，抗生素工业的兴起氨基酸发酵工业的兴起

现代生物技术：伯格(PaulBerg)建立了基因工程技术，获得1980年诺贝尔化学奖

MichaelSmith建立基因定位突变技术，KaryB.Mullis

建立了PCR技术，获得1993年诺贝尔化学奖科勒(GeorgesJ.F.Köhler)米尔斯坦(CésarMilstein)建立杂交瘤技术，获得1984年生理和医学诺贝格登(JohnB.Gurdon)山中深弥(ShinyaYamanaka)发现

iPS，获得2012年生理和医学诺贝尔奖生物工程的重大历史事件传统生物技术：古代的人工驯养技术、酿第三节生物技术的技术组成第三节现代生物技术包含的“4大工程”

基因工程

GeneticEngineering(GE)

细胞工程

CellEngineering(CE)发酵工程

FermentationEngineering(FE)

酶工程和蛋白质工程

EnzymeEngineering(EE)

ProteinEngineering(PE)现代生物技术包含的“4大工程”基因工程基因工程(geneticengineering)

在分子水平上，用人工方法提取不同生物的遗传物质，在体外切割，拼接形成重组DNA与在体的遗传物质重新组合，再将其引入没有该DNA的受体细胞中，进行复制表达，产生出符合人类需要的产品或创造出新的性状，并使之稳定遗传给下一代。基因工程(geneticengineering)基因工程(geneticengineering)重组DNA技术(RecombinantDNATechnology)遗传工程(geneticengineering)基因克隆(genecloning)分子克隆(molecularcloning)基因操作(genemanipulation)基因工程(geneticengineering)基因细菌细胞昆虫植物实现了基因在不同物种间的转移基因细菌细胞昆虫植物实现了基因在不同物种间的转移《生物技术概论》绪论--课件1889，德国医生JosefvonMering（1849–1908）和OskarMinkowski（1858-1931）在研究脏器功能时发现发现切除胰腺的狗可患糖尿病对糖尿病的认识1916年，英国医生EdwardAlbertSharpey-Schafer（1850-1935）提出在胰腺中存在一种调节血糖的化学物质，称为“insulin”，即“岛”的意思，说明产生于Langerhans组成的胰岛1889，德国医生JosefvonMering（184胰岛素的分离纯化1922年，加拿大FrederickGrantBanting（1891-1941）和JohnJamesRichardMacleod（1876-1935）分离胰岛素并用于糖尿病的治疗，获得1922年医学生理学诺贝尔奖。胰岛素的分离纯化1922年，加拿大FrederickGraBeforeInsulinAges3,15lbs15/12/1922AfterInsulinAges3,29lbs15/12/1923第一个使用胰岛素的男孩-LeonardThompsonBeforeInsulinAfterInsulin第一个提取300单位胰岛素

每个病人每天需要

40单位胰岛素远远不能满足需要提取300单位胰岛素每个病人每天需要1978年，通过重组DNA技术，人胰岛素首次在大肠杆菌中合成。1982年，FDA批准重组人胰岛素在美国上市，成为首个基因工程药物。1978年，通过重组DNA技术，人胰岛素首次干扰素的克隆表达1957年，AlickIsaacs和JeanLindenmann发现干扰素从白细胞中提取干扰素：1g=6万升血液1986,Hoffmann-LaRoche,Inc.在大肠杆菌中成功制备干扰素-

-2a，产量高达0.5g/L发酵液干扰素的克隆表达1957年，AlickIsaacs和从白细细胞工程(cellengineering)

根据体细胞的性质，应用细胞生物学的方法，按照预想的方案，在细胞水平上进行精细操作，把一种细胞的染色体或细胞核等移植到另一种细胞中去，从而改变细胞的遗传特性，达到改良物种或创造物中新物种的目的。细胞工程(cellengineering)

细胞和组织培养技术

(Cellandtissueculturetechnology)

细胞融合(Cellfusion)

细胞重组(Cellreconstruction)

染色体工程(Chromosomeengineering)

细胞核移植(Nucleartransplantation)

原生质体诱变(Protoplastmutagenesis)

干细胞技术(stemcelltechnology)

多能干细胞诱导技术

(Inducedpluripotentstemcelltechnology)细胞工程包含的主要技术细胞和组织培养技术细胞工程包含的主要技术淋巴细胞杂交瘤技术抗原免疫小鼠骨髓瘤细胞培养脾细胞（产生抗原）骨髓瘤细胞（无限增殖）细胞融合杂交瘤细胞筛选产生特定抗体的瘤细胞杂交瘤细胞株单克隆抗体淋巴细胞杂交瘤技术抗原免疫小鼠骨髓瘤细胞培养脾细胞骨髓瘤细胞

全抗体：鼠源、嵌合、人源化

抗体导向药物

双功能抗体Ig-Fc融合蛋白抗体工程基因工程与细胞工程的结合，产生了抗体工程全抗体：抗体导向药物双功能抗体Ig-Fc融合蛋白抗体干细胞技术具有自我复制和多向分化潜能的原始细胞分化成多种功能细胞或组织器官干细胞

胚胎干细胞：全能性干细胞，具有形成完整个体的分化潜能

成体干细胞：多能性干细胞：具有分化出多种组织细胞的潜能，如造血干细胞单能干细胞：只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化

诱导的多能干细胞：体细胞经诱导形成的干细胞干细胞技术具有自我复制和多向分化成多种功能干细胞胚胎干细胞

胚胎干细胞在疾病治疗中具有重要应用价值受精卵是孕育中的人类生命体，它存在生存权父母不能同意就其研究目的而使用胚胎许多国家禁止使用胚胎干细胞进行研究胚胎干细胞在疾病治疗中具有重要应用价值受精卵是孕育中的人类E.唐纳尔·托马斯E.DonnallThomas(1920–2012)发现并首次完成的骨髓移植及血液干细胞移植获得1990年度的诺贝尔生理学或医学奖。多能性干细胞—造血干细胞的应用E.唐纳尔·托马斯发现并首次完成的骨髓移植及血液干细胞移植获造血干细胞移植技术造血干细胞移植技术JohnB.Gurdon，ShinyaYamanaka发现iPS，获得2012生理学和医学诺贝尔奖诱导的多能干细胞(iPS)的发现JohnB.Gurdon，ShinyaYamanakiPS技术不使用胚胎细胞或卵细胞，因此没有伦理学的问题避免了成体肝细胞的复杂分离、培养过程利有iPS技术可以用病人自己的体细胞制备专有的干细胞，所以不会有免疫排斥的问题诱导多能干细胞(iPS)的优点iPS技术不使用胚胎细胞或卵细胞，因此没有伦理学诱导多能干iPS技术的应用iPS技术的应用发酵工程(FermentationEngineering)

利用现代工程技术手段，利用微生物或哺乳动物细胞的特殊功能生产有用的物质，或直接将微生物或哺乳动物细胞用于工业生产的一种技术。传统的发酵工程=微生物工程现代发酵工程还包括哺乳动物细胞发酵工程发酵工程(FermentationEngineering)优良的菌种或工程细胞株自然界中分离人工诱变基因工程、细胞工程菌种活化固(液体)大规模发酵生物反应器扩大培养产品纯化发酵工程的基本流程纯化技术优良的菌种或工程细胞株自然界中分离菌种活化固(液体)大规模发酶工程(EnzymeEngineering)

在一定的生物反应器中，利用酶的催化作用，将相应的地物原料转化成所需物质的技术化学酶工程自然酶化学修饰酶固定化酶化学人工酶生物酶工程克隆酶突变酶固定化酶新酶酶工程(EnzymeEngineering)蛋白质工程(ProteinEngineering)

以蛋白质分子结构的规律及其与生物功能的关系为基础，借助计算机分子图像和辅助设计。通过有控制的基因修饰和基因合成，再结合基因工程途径，对现有蛋白质进行定向项改造，设计、构建并最终产生出性能比自然存在的蛋白质更加优良、更符合人类社会需要的新型蛋白质蛋白质工程(ProteinEngineering)蛋白质结构与功能关系研究确定需要改变的氨基酸定位突变或聚合酶链反应（PCR）从基因上改变密码子基因工程制备新蛋白应用蛋白质工程的流程蛋白质结构与功能关系研究确定需要改变的氨基酸定位突变或聚合酶生物技术各工程之间的相互关系基因工程细胞工程转基因蛋白质工程定位突变PCR基因合成酶工程发酵工程提供优良的种子为种子生长提供优良的环境纯化精制产品和应用上游工程下游工程纯化精制技术生物技术各工程之间的相互关系基因工程细胞工程转基因蛋白质工程第四节生物技术的发展和应用第四节医药生物技术(诊断、治疗)农业生物技术(提高粮食产量和品质)工业生物技术(制造工业产品）环境生物技术(降解污染物）海洋生物技术(开发海洋产品）能源生物技术(制造能源，如生物柴油等)军事生物技术……生物技术医药生物技术(诊断、治疗)生物技术R-红色生物技术—医药生物技术1982年，重组胰岛素上市，多种重组蛋白、单克隆抗体、疫苗类药品上市G-绿色生物技术—农业生物技术1996年，转基因大豆、玉米和油菜相继上市W-白色生物技术—工业生物技术2000年聚乳酸上市生物产业Bio-industryR-红色生物技术—医药生物技术G-绿色生物技术—农业批准上市的部分基因工程药物类别名称适应症干扰素IFN-α1b慢性肉芽肿；骨硬化病IFN-α1a多发性硬化症复发感染IFN-α2a毛细胞白血病；丙型肝炎IFN-α2b毛细胞白血病；乙型肝炎IFN-β多发性硬化症IFN-γ风湿性关节炎白细胞介素IL-2恶性肿瘤IL-11化疗引起的血小板减少症集落刺激因子GM-CSF化疗引起的中性粒细胞细胞减少症G-CSF化疗引起的中性粒细胞细胞减少症EPO慢性肾衰性贫血激素GHRF生长激素缺乏症GH生长激素缺乏症FSH女性不孕症Insulin糖尿病生长因子EGF伤口愈合bFGF伤口愈合批准上市的部分基因工程药物类别名称适应症干扰素IFN-α1b批准上市应用的治疗性抗体类药物批准上市应用的治疗性抗体类药物Biopharmaceuticalapprovalnumbersfrom2006to2009.Thetentop-sellingbiopharmaceuticalproductsin2009蛋白质药物的批准数量和市场情况NatBiotechnol.2010;28(9):917-24.BiopharmaceuticalapprovalThe农业生物技术进展转基因作物：商业化的转基因作物有50多种，2011年全球共有29个国

家种植，种植面积达到1.6

亿公顷，占全球耕地的10％

提高产量、改善品质（抗虫、抗病、抗除草剂等）转基因动物：改良动物品质，濒危物种的保护动物反应器—制备药品农业生物技术进展转基因作物：转基因动物：《生物技术概论》绪论--课件植物药厂提取药物直接食用植物药厂提取药物+含有乙肝表面抗原的转基因西红柿=+含有乙肝表面