《生物》第九章课件

生物第九章生物技术的发展和应用目录01生物技术概述02生物技术的应用目录01生物技术概述一、基因工程

基因工程是指在体外将目的基因插入质粒或其他载体分子中构成遗传物质的新组合，并导入到原先没有这类基因的寄主细胞内，让其持续稳定地使目的基因在寄主细胞内表达，产生出人类需要的基因产物。由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又称为DNA重组技术。基因工程、细胞工程、蛋白质工程、酶工程和发酵工程之间的相互关系一、基因工程基因工程的主要原理是应用人工方法把生物的遗传物质（通常是DNA）分离出来，在体外进行切割、拼接和重组，然后将重组后的DNA导入某种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传特性；并且使新的遗传信息在宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物（多肽或蛋白质）。（一）基因工程的基本原理一、基因工程1）限制性内切酶——“分子手术刀”限制性内切酶是一类以环形或线性双链DNA为底物，能识别DNA中特定核苷酸序列，并在合适反应条件下切割DNA双链的内脱氧核苷酸酶。

DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式——黏性末端和平末端。（二）基因工程所需的基本工具1．基因工程的工具酶一、基因工程（二）基因工程所需的基本工具1．基因工程的工具酶限制酶切割DNA分子一、基因工程2）DNA连接酶——“分子缝合针”DNA连接酶是一种能够在两条DNA链之间催化形成磷酸二酯键并把两段DNA连接起来的核酸酶。应用DNA连接酶的这种特性，可在体外将具有黏性末端的DNA片段，插入到适当的载体分子上，从而可以按照人们的意图构建出新的DNA杂种分子，如图9-3所示。常见的DNA连接酶为T4DNA连接酶。（二）基因工程所需的基本工具1．基因工程的工具酶一、基因工程（二）基因工程所需的基本工具1．基因工程的工具酶DNA连接酶的连接作用示意图一、基因工程在基因工程中，通常利用运载工具把外源DNA片段送入生物细胞。携带外源基因进入受体细胞的工具称为载体，其本质是DNA。基因工程中所用的载体主要有以下五类：（二）基因工程所需的基本工具2．基因工程的载体①质粒；②噬菌体的衍生物；③柯斯质粒；④单链DNA噬菌体；⑤动物病毒。一、基因工程基因工程主要是通过人工的方法，分离、改造、扩增并表达生物的特定基因，从而深入开展核酸遗传研究或者获取有价值的基因产物。其中，插入到载体内的特定片段基因称为外源基因，已被或者准备要被分离、改造、扩增或表达的特定基因或DNA片段称为目的基因。（三）基因工程的操作过程1．目的基因的制备一、基因工程

在通过不同的途径获取了目的基因，选择或构建适当的基因载体之后，工作的重点是如何将目的基因与载体连接在一起，即完成DNA的体外重组。DNA分子体外重组技术主要是依赖于限制性内切酶和DNA连接酶。（三）基因工程的操作过程2．基因与载体的连接一、基因工程

带有外源DNA片段的重组体分子在体外构成之后，需要导入适当的寄主细胞进行繁殖，才能够获得大量纯一的重组体DNA分子，这个过程习惯上称为基因的扩增。鉴定含重组质粒的细菌菌落常用五种方法：（三）基因工程的操作过程3．重组DNA导入受体细胞及重组体的筛选与鉴定①小规模制备质粒DNA进行限制酶切分析；②α-互补；③插入失活；④电泳筛选法；⑤杂交筛选，常用的有Southern杂交和Northern杂交。一、基因工程

基因工程的最终目的是获得目的基因的表达产物，也就是说，要使目的基因在受体细胞中能准确地转录和翻译。目的基因插入载体后，若其具有能被受体细胞识别的启动基因序列以及能与核糖体结合的序列，则该目的基因就可以表达，从而获得理想的产物。（三）基因工程的操作过程4．目的基因的表达二、细胞工程

植物组织培养又称植物离体培养，是指在无菌和人工控制的环境条件下，利用适当的培养基，对离体的植物器官、组织、细胞及原生质体进行培养，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。（一）植物细胞工程1．植物组织培养二、细胞工程植物体细胞杂交技术是指将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合形成杂种细胞，并将杂种细胞培育成新的植物体的技术方法。植物体细胞杂交技术主要包括原生质体的制备、原生质体的融合、杂种细胞的选择、杂种细胞的培养、由愈伤组织再生植株、杂种植株的鉴定等步骤。（一）植物细胞工程2．植物体细胞杂交技术植物体细胞杂交示意图二、细胞工程

动物细胞培养就是从动物机体中取出相关的组织，将它分散成单个细胞（使用胰蛋白酶或胶原蛋白酶），然后，在适宜的培养基中，让这些细胞生长和增殖。这种将动物组织分散后的初次培养称为原代培养。（二）动物细胞工程1．动物细胞培养动物细胞培养示意图二、细胞工程动物体细胞核移植技术是将动物一个细胞的细胞核，移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育成一个新的胚胎，这个新胚胎最终发育成动物个体。用核移植方法得到的动物称为克隆动物。（二）动物细胞工程2．动物体细胞核移植技术和克隆动物体细胞核移植过程三、蛋白质工程蛋白质是一切生命活动存在的物质基础和唯一形式，同时也是诊断和治疗疾病的物质基础。人类蛋白数量不仅远超过基因数量，而且由于蛋白质的可变性和多样性，导致蛋白质研究技术远比核酸技术要复杂和困难得多。因此，人类蛋白质构成了后基因组时代最重要的研究内容，具有广阔的研究前景。三、蛋白质工程从广义上来说，蛋白质工程是通过物理、化学、生物和基因重组等技术改造蛋白质或设计合成具有特定功能的新蛋白质。蛋白质工程流程图四、酶工程酶是一种生物催化剂，生物体内的生物化学过程几乎都是在酶的催化作用下进行的，其催化效率是一般无机催化剂的数百万倍以上。可以说，没有酶就没有生物体的一切生命活动。（一）酶工程概况四、酶工程（一）酶工程概况酶工程的基本过程四、酶工程（一）酶工程概况将酶吸附在固体表面上将酶相互连接起来将酶包埋在细微网格里酶的几种固定方式四、酶工程酶反应器是指以酶作为催化剂进行反应所需的设备。酶反应器为酶催化反应提供合适的场所和最佳的反应条件，以便在酶的催化下，将原料最大限度地转化为产物。（二）酶反应器

酶反应器有多种分类方式。例如，按进料与出料方式不同，酶反应器可分为分批反应器、半分批反应器和连续流动反应器；按功能结构不同，酶反应器可分为膜反应器、液固反应器及气液固三相反应器。五、发酵工程认为发酵是酵母在无氧状态下的呼吸过程。而生物化学上将发酵定义为“微生物在无氧时的代谢过程”。目前，人们把利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程统称为发酵。（一）发酵工程概况它将微生物学、生物化学和化学工程的基本原理有机地结合起来，是一门利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。由于它以培养微生物为主，所以又称微生物工程。五、发酵工程生物发酵工艺多种多样，其主要过程包括以下几个方面。（二）发酵的一般过程发酵工程生产产品的流程五、发酵工程（二）发酵的一般过程在进行发酵生产之前，首先必须从自然界分离得到能产生所需产物的菌种，只有经分离、纯化及选育后或是经基因工程改造后的工程菌，才能供给发酵使用。1．菌种制备种子扩大培养是指将保存在砂土管、冷冻干燥管或冰箱中处于休眠状态的生产菌种，接入试管斜面活化后，再经过摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种的过程。2．种子扩大培养五、发酵工程（二）发酵的一般过程发酵原料来源丰富，成分粗放，状态不一，通常不能直接为微生物所利用，因而要进行预处理，才能作为微生物发酵用的培养基成分。3．原料处理发酵是微生物合成大量产物的过程，是整个发酵工程的中心环节。4．接种培养五、发酵工程（二）发酵的一般过程菌种接好后，提供必要的生长条件，菌体开始生长繁殖，进行新陈代谢，发酵累积代谢产物。5．发酵发酵结束后，要对发酵液或生物细胞进行分离和提取精制，将发酵产物制成合乎要求的成品。6．下游处理目录02生物技术的应用一、医学保健抗生素是人们最为熟悉、应用最为广泛的生物技术药物。人们目前已分离出6000多种不同的抗生素，其中约100种被广泛使用。

用基因工程生成的药物，除了人生长激素释放抑制激素外，常用的还有人胰岛素、人生长激素、人心钠素、人干扰素为生产干扰素的车间）、肿瘤坏死因子、集落刺激因子等。生产干扰素的车间（一）开发新型药品一、医学保健我国人民早在公元10世纪就已开始种痘预防天花，这是利用生物技术手段预防疾病的最早例子。但由于传统的疫苗生产方法存在着免疫效果不够理想、被免疫者有被感染的风险等不足之处，科学家们一直在寻找新的生产手段和工艺。（二）疾病的预防和诊断二、能源开发我们日常生活中的每一个方面，包括衣、食、住、行都离不开能源。目前，石油和煤炭是我们生活的主要能源。然而，地球上的这些化石能源是不可再生的，终将会枯竭。寻找新的替代能源将是人类面临的一个重大课题，生物能源将是最有希望的新能源之一。三、化工与环保生物学家利用微生物脱硫，把二价铁变成三价铁，把单体硫变成硫酸，取得了良好效果。美国煤气研究所筛选出一种新的微生物菌株IGIST，它能从硫中分离有机硫而不降低煤的质量。目前，科学家发现，能脱去黄铁矿中无机硫的微生物还有氧化亚铁硫杆菌、氧化硫杆菌等。（一）微生物脱硫治理空气污染三、化工与环保废污水处理方法有物理法、化学法和生物法三种，其中生物法应用最广，效果也最好。如活性污泥法，即用含有多种微生物的活性污泥，在通气条件下进行吸附、沉淀和氧化分解，解除水中的污染物，使废污水得到净化。（二）生物技术处理、净化废污水三、化工与环保国际上从20世纪60年代开始发展起来的生物农药是生物防治病虫害的一支新军。传统的生物防治是利用“天敌”来杀虫除害，这虽然可减少化学农药的使用，减少农药的化学污染，但饲养和释放“天敌”，不仅费时费工、耗资巨大，而且在突发性病虫害面前常无能为力。（三）生物农药三、化工与环保传统塑料难以降解，给农牧渔业、电力设备、河流和生活环境带来了严重的危害。近年来，许多国家的科学家利用生物技术培育能生产塑料的生物和细菌，已取得可喜的成绩。生物塑料的最大优点是易于降解，生产时耗能少，不污染环境。（四）基因工程可降解塑料四、生物材料生物材料也称生物医用材料，是一类具有特殊性能、特种功能，能用于人工器官制造、人体组织修复或再生、理疗康复、诊断检查、治疗疾患等医疗、保健领域的特殊功能材料。生物材料与人体组织、体液或血液相接触或作用时对人体无毒，无副作用，不凝血，不溶血，不引起人体细胞突变、畸变和癌变，不引起免疫排异和过敏反应。五、仿生学从电子显微镜下看，鲨鱼皮是由称为“皮质鳞突”的无数重叠的鳞片组成的，这些鳞突在长度方向有凹槽，可以调整水在其表面的流动，同时可阻止漩涡或是湍流漩涡的形成。科学家便在泳衣设计和船的底部设计中利用了“皮质鳞突”的特点。（一）鲨鱼皮与泳衣鲨鱼皮与泳衣五、仿生学津巴布韦建筑师米克•皮尔斯研究了白蚁巢穴的“烟囱”和“隧道”，将白蚁巢穴的建筑理念用于伊斯特盖特中心的建筑上，使其比一般建筑更凉爽，而且比一般建筑节能90%。（二）白蚁巢穴与办公楼白蚁巢穴与办公楼五、仿生学科学家研究发现，当鸟群采用熟悉的“V”形飞行时，第一只鸟拍动翅膀可以产生上升的气流，为后面的鸟所用，从而能够增加70%的飞行距离。研究人员认为，客运航空飞机采用类似鸟的这种策略，可比单独飞行减少15%的燃油量。（三）鸟与飞机鸟与喷气式飞机五、仿生学

沙漠甲虫是收集水的专家，它们因此可以生活在干燥的沙漠环境中。沙漠甲虫的背部有小而平整的隆起且覆盖着光滑的蜡状物，这种独特的外壳可以充当冷凝水的收集站，收集的冷凝水可以从背部流入甲虫的口里。（四）甲虫与水收集六、食品与农业（一）生物技术与食品（1）在原料性能改变上，利用反义核酸技术研发出来的延熟番茄是国际上首个被批准商业化推广的转基因食品。（2）基因工程生产的动物生长激素在加速动物的生长、改善饲养动物的效率、改变畜产动物及鱼类的营养物质等方面具有广阔的应用前景。（3）将食品转变成疫苗方面，如转基因土豆可含乙肝疫苗、香蕉可含霍乱疫苗、莴苣可含麻疹疫苗等。1．生物技术在食品原料上的应用六、食品与农业（一）生物技术与食品1）增加食品种类，提高产品质量目前，微生物发酵技术能够生产出门类众多的发酵食品，主要包括饮料酒（啤酒、葡萄酒、黄酒、日本清酒、白酒、白兰地、威士忌、果露、奶酒等）、酱、酱油、醋、乳酪、酸奶等。2）利用生物技术及其制品生产新型食品或食品添加剂当今社会，人们要求食品更加天然、低脂低热、低胆固醇、不用或少用化学合成的添加剂。2．生物技术在食品加工中的应用六、食品与农业（一）生物技术与食品

随着生物技术的发展，人们已逐步认识到生物技术在食品检测中的重要作用及其意义，生物技术检测方法以自身的独特优势在食品检测中显示出巨大的应用潜力，其应用几乎涉及了食品检测的各个方面，包括食品的品质评价、质量监督及食品科学研究。3．生物技术在食品检测中的应用六、食品与农业（二）生物技术与现代农业1．良种选育，品质改良目前，在农作物品质改良上采取的主要方法仍然是杂交育种，但杂交育种周期长、效率低，经多次回交转育很难在短时期内选出优质又高产的新品种。2．提高植物的抗性1）抗虫；2）抗病毒；3）抗寒；4）抗除草剂；5）抗重金属六、食品与农业（二）生物技术与现代农业3．现代生物农药生物农药具有对人畜安全、不破坏生态平衡、害虫不易产生抗性等优点，但也存在着药效速度慢、专一性强、受自然条件影响大的缺点。而利用基因工程改造微生物菌种，创造出自然界不存在的新型菌种就可以克服这些缺点。六、食品与农业（二）生物技术与现代农业4．植物种苗的工业化生产利用细胞工程技术对优良品种进行大量的快速无性繁殖，可实现植物种苗的工业化生产，该项技术又称为植物的微繁殖技术。植物种苗的工业化生产七、人类基因组计划（一）人类基因组计划概述破译人类遗传信息，将对生物学、医学，乃至整个生命科学产生无法估量的深远影响。虽然目前基因组信息的注释工作仍然处于初级阶段，但随着将来人类对基因组理解的更加深入，会使医学和生物技术领域发展更为迅速。七、人类基因组计划