生命科学与生物技术：生物技术

1第11讲生物技术

第一节生物技术概述第二节基因工程第三节其它生物技术发光树2第一节生物技术概述生物技术将主导人类历史的第三次技术革命第一次技术革命 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 改造生命本身生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财富，将是未来经济发展的新动力。3生物技术简史传统发酵酿酒、制酱、制醋技术1860年，Pausteur单一霉菌纯粹培养技术1878年，啤酒酵母单一培养技术1881年，细菌的纯粹培养技术1929年，发现抗菌素“盘尼西林”1946年，用细菌生产出氨基酸1952年，用微生物转化荷尔蒙获得成功1953年，Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构1956年，Kornberg发现了DNA聚合酶1966年，破译了氨基酸三联密码子4生物技术简史1970年，发现了核酸限制性内切酶1972年，Stanford大学构建了第一个重组DNA分子1975年，研制出了第一个单克隆抗体1982年，FDA批准了第一个基因工程药物--重组人胰岛素1983年，Mullis发明了聚合酶链式反应(PCR)技术1990年，人类基因组计划(HGP)启动1997年，克隆羊多利诞生2000年，人类基因组序列草图完成2003年，人类基因组计划完成世界上第一个生物技术公司1976年4月7日，HerbBoyer和BobSwanson创建了Genentech公司，标志着生物技术产业的诞生。56什么是生物技术？生物技术的定义（1982年，国际经济合作与发展组织）：生物技术是应用自然科学及工程学原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。研究生物技术的意义：使人类进入了按照自己的需要人工创造新生物的伟大时代。世界新技术革命的三大支柱之一（信息、材料、生物技术），具有相当大的发展潜力。7生物技术的内容和特点生物技术的内容：基因工程细胞工程蛋白质工程发酵工程生物技术的显著特点：高技术（精细和密集的复杂技术）高投入（尤其是前期科研投入高）高利润8第二节基因工程基因工程就是将不同生物的外源DNA(基因）插入到载体分子上，形成“杂种”DNA分子，导入受体细胞中扩增和表达，从而得到期望的由这个外源基因所编码的蛋白质。重组DNA技术，又称为基因或分子克隆技术，是基因工程的核心技术。该技术包括了一系列的分子生物学操作步骤。92.1理论上的三大发现和技术上的三大发明导致了基因工程的诞生理论上的三大发现：DNA为遗传物质DNA双螺旋结构的发现和DNA半保留复制机制遗传密码与中心法则技术上的三大发明：限制性内切酶和连接酶载体逆转录酶10限制性内切酶——DNA的“手术刀”限制性内切酶：生物工程中最重要的工具酶，主要从原核生物中提取；它能识别双链DNA分子中的特异性核苷酸序列，使它在特定的位点水解。Arber、Smith和Nathans因为在发现限制性内切酶方面的开创性工作而共同获得了1978年的诺贝尔奖该种酶已经发现和鉴定了200多种11EcoRI和T4连接酶EcoRI特异识别GAATTC粘性末端常见限制性内切酶1213载体——运送基因的工具载体是运送目的基因片段进入宿主细胞的工具，目前最常用的载体包括细菌质粒、噬菌体、cosmid质粒和YAC载体等。质粒是细菌细胞中自然存在于染色体外可以自主复制的一段环状DNA分子。进入到宿主细胞中的一个质粒可以大量增加其拷贝数。14细菌质粒pUC18多克隆位点152.2重组DNA的一般操作步骤1、获得目的基因2、构建重组DNA分子3、转化受体细胞4、筛选和鉴定转化子5、培养转化细胞获得所需的遗传性状或产物16（1）获得目的基因分离逆转录从生物基因组中分离基因组DNA酶切产物总RNAmRNAcDNA人工合成化学合成PCR17细胞内总DNA的提取18紫外分光光度计测定DNA溶液的纯度和浓度19基因文库的构建20反转录人工合成cDNA21PCR法——同时完成目的基因的寻找和扩增PCR的发明是DNA操作技术的革命美国Mullis教授1988年发明了PCR技术1993年获得诺贝尔奖22（2）构建重组DNA分子外源DNA质粒酶切位点酶切位点酶切酶切混合DNA连接酶23（3）将重组DNA引入宿主细胞转化：某一基因型细胞从周围介质中吸收另一基因型细胞的DNA，而使其基因型和表型发生相应变化的现象。转染：除去蛋白质外壳的病毒核酸感染细胞或原生质体的过程。转导：用噬菌体做载体，将一个细胞的基因传递给另一个细胞的过程.

24基因枪法25显微注射26农杆菌介导27（4）对转化子的筛选筛选：从大量携带重组体DNA的宿主细胞中分离出携带目的基因的细胞。筛选方法：遗传学方法——对于带有抗药性基因的质粒，可通过检测受体菌是否由敏感状态变成抗药状态进行筛选.免疫学方法——用特异性抗体检测基因产物从而筛选阳性克隆的方法28Southern杂交——转化子的分析29将老鼠的基因转到大肠杆菌中抽取DNA切下鼠DNA切开质粒DNA将质粒导入宿主细胞混合、连接30将老鼠的基因转到大肠杆菌中培养基中加抗生素培养裂解细胞释放DNA分子杂交分离扩增目的克隆312.3基因工程应用基因工程在医学上被用于大量生产过去难以得到或几乎不可能得到的蛋白质－肽类药物。10g胰岛素1000磅牛胰200升发酵液干扰素1200升人血1升发酵液2－3万美元/病人200－300美元/病人32基因工程技术提高奶酪产量哺乳小牛胃凝乳酶凝乳酶基因啤酒酵母转入制造奶酪33转基因农作物转基因植物获得新的性状342002年全球转基因作物种植情况35转基因动物转基因动物首先在小鼠获得成功。现在转基因动物技术已用于牛、羊，使得从牛/羊奶中可以生产蛋白质药物。称为“乳腺反应器”工程。例如：从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA蜘蛛山羊转基因山羊能通过乳腺分泌产生有着超强抗张强度的蜘蛛丝，很多科学家把蜘蛛丝叫做“生物钢”。3637环境工程菌美国GE公司构造成功具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。研究人类远古的遗传信息3839第三节其它生物技术3.1细胞工程：是指通过细胞水平上的筛选或改造，获得有商业价值的细胞株或细胞系，再通过规模培养，获得特殊商品的技术与过程。基本原理：将一种生物细胞中携带全套遗传信息的基因组或染色体全部转入另一种生物细胞，从而改变细胞的遗传性，改造生物的性状和功能。包括细胞融合、细胞器移植、染色体工程、细胞和组培技术等。40动物细胞培养41体细胞杂交/细胞融合技术体细胞杂交/细胞融合技术：通过生物学、化学或物理学的方法，使两个不同种类的体细胞融合在一起，从而产生具有两个亲本遗传性状的新细胞。例如：童鱼——世界上第一条没有父母的鱼，“鲫鲤核质杂交鱼”423.2蛋白质工程“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。43蛋白质工程的一般过程从生物体中分离纯化目的蛋白测定其氨基酸序列借助核磁共振和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设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。44通过点突变改造蛋白质的结构蛋白质复性将蛋白质从结构不规则、无活性的状态，恢复到有唯一立体结构、有生物活性的状态的过程称为蛋白质复性。大肠杆菌表达系统效率高、产量大周期短、成本低工艺稳定、质量可控缺点是易形成包含体。因无法有效的解决复性问题，在美国每年造成的经济损失就达十亿美元

原核与真核细胞表达系统比较原核细胞:发酵→包含体→复性→纯化→目的蛋白真核细胞:发酵→上清液→纯化→目的蛋白483.3发酵工程发酵工程是利用微生物的特性，通过现代工程技术，生产有用物质或直接将其应用于工业化生产的一门技术。发酵工程的基本步骤：包括菌种选育、菌种生产、代谢产物发酵和分离以及微生物机能的利用等。优点：投资省；见效快；污染小发酵工程应用广泛：医药工业；食品工业；能源工业；饲料工业；冶金工业；农业发酵工艺组成部分培养基制备↓种子培养→发酵罐→产物的提取精制↑无菌空气50本讲摘要以重组DNA操作为核心技术的过程被称为基因工程。基因工程的发展带动和促进了蛋白质工程、发酵工