第二章-现代生物技术进步

第二章现代生物技术进步1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生命的起源生物进化论12达尔文“贝格尔”号舰的航行13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152、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。162、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。172、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。191、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2021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基因工程的应用生态环境保护环境监测环境污染治理26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。282、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291）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切取32接种33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植物组织培养（试管苗的形成）3536培养室37试管苗大规模培养38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请同学们讨论如何实现?402）动物细胞和组织培养技术413）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434）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预想的克隆人技术路线455）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。463、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发酵过程示意图515253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传统黄酒酿造工艺筛米——浸米——蒸饭——前发酵——开耙——榨酒——55——后发酵——蒸酒——灌成品——封口储酒传统黄酒酿造工艺56啤酒酿造工艺流程酵母571，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581951,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594、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