第十二章《生物学》课件

生物学第十二章生物技术的发展和应用第十二章生物技术的发展和应用第一节生物技术概述第二节生物技术应用第十二章生物技术的发展和应用第一节生物技术概述生物技术（biotechnology），也称为生物工程（bioengineering），是指人们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，为人类生产出所需产品或达到某种目的的技术。发酵工程基因工程细胞工程蛋白质工程酶工程第十二章生物技术的发展和应用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。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，然后将重组了的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第十二章生物技术的发展和应用（二）基因工程所需的基本工具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。（1）限制性内切酶——“分子手术刀”限制酶切割DNA分子示意图1．基因工程的工具酶第十二章生物技术的发展和应用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。（2）DNA连接酶——“分子缝合针”DNA连接酶的连接作用示意图2．基因工程的载体质粒噬菌体的衍生物柯斯质粒单链DNA噬菌体动物病毒第十二章生物技术的发展和应用（三）基因工程的操作过程第十二章生物技术的发展和应用基因工程的操作过程主要包括：①DNA片段的分离、纯化，即目的基因的制备②外源DNA片段与载体DNA分子的体外连接③人工构建的重组体向寄主细胞内的转移④重组克隆的筛选和鉴定。1．目的基因的制备2．基因与载体的连接3．重组DNA导入受体细胞及重组体的筛选与鉴定4．目的基因的表达第十二章生物技术的发展和应用细胞工程是在细胞水平上研究、开发、利用各类细胞的工程，是指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖，或人为地使细胞某些生物学特性按照人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种，加速繁育动、植物个体，以获得某种有用物质的一门综合性科学技术。二、细胞工程植物组织培养（planttissueculture）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，又称植物离体培养。（一）植物细胞工程1．植物组织培养第十二章生物技术的发展和应用组织培养的理论依据是植物细胞具有全能性。细胞的全能性是指离体的体细胞或性细胞在一定的培养条件下，可以长出再生植株，再生植株具有与母株相同的全部遗传信息。2．植物体细胞杂交技术植物体细胞杂交技术（plantsomatichybridization）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。植物细胞杂交示意图第十二章生物技术的发展和应用（二）动物细胞工程动物细胞培养（animalcellculture）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。1．动物细胞培养动物细胞培养示意图第十二章生物技术的发展和应用将动物组织分散后的初次培养称为原代培养。贴满瓶壁的细胞需要重新用胰蛋白酶等处理，然后分瓶继续培养，让细胞继续增殖。这样的培养过程通常被称为传代培养。2．动物体细胞核移植技术和克隆动物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。动物细胞体外培养需要满足无菌、无毒的环境，需要有糖、氨基酸等营养物质，需要适宜的温度和pH值，需要氧和二氧化碳等气体。第十二章生物技术的发展和应用三、蛋白质工程蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基础之上，融合了蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学科知识发展起来的新兴研究领域。蛋白质工程流程图第十二章生物技术的发展和应用四、酶工程（一）酶工程概况酶工程是利用酶的催化作用进行物质转化的技术，是将酶理论与化工技术结合而形成的新技术，也就是利用酶或者微生物细胞、动植物细胞、细胞器的特定功能，借助于工程学手段来为人们提供产品的一门学科。酶工程的基本过程第十二章生物技术的发展和应用（二）酶反应器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以酶作为催化剂进行反应所需的设备称为酶反应器。分批反应器半分批反应器连续流动反应器膜反应器液固反应器气液固三相反应器按功能结构不同按进料与出料方式不同第十二章生物技术的发展和应用五、发酵工程发酵工程是指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。（一）发酵工程概况（二）发酵的一般过程1．菌种制备2．种子扩大培养3．原料处理4．接种培养5．发酵6．下游处理第十二章生物技术的发展和应用第二节生物技术应用一、医学保健（一）开发新型药品生产干扰素的车间基因工程药物主要包括细胞因子、抗体和疫苗等。人生长激素释放抑制激素第十二章生物技术的发展和应用（二）疾病的预防和诊断基因治疗就是将外源基因通过载体导入人体内并在体内（器官、组织、细胞等）表达，从而达到治疗的目的。自从1990年临床上首次将腺苷酸脱氨酶（ADA）基因导入患者白细胞，治疗遗传病——重度联合免疫缺损病以来，已成功利用基因治疗的手段治疗囊性纤维化（CF）、血友病，并且肿瘤和艾滋病基因治疗的临床试验也已数以百计。用基因治疗乙型血友病的临床情况第十二章生物技术的发展和应用二、能源开发生物技术在能源开发方面具有显著的优点：一是以可再生的生物资源为主要原料，可充分利用工农业废料，不受资源贫乏的困扰；二是生物技术产业在常温常压下进行生产，可节省大量的能源。生物能源将是最有希望的新能源之一。第十二章生物技术的发展和应用三、化工与环保（三）生物农药（一）微生物脱硫治理空气污染（二）生物技术处理、净化废污水（四）基因工程可降解塑料第十二章生物技术的发展和应用四、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。第十二章生物技术的发展和应用五、仿生学主要研究动植物的构造、原理，然后将其应用到新的工程技术中去，创造出全新的技术发展途径。（一）鲨鱼皮与泳衣（二）白蚁巢穴和办公楼（三）鸟与飞机（四）甲虫和水收集第十二章生物技术的发展和应用六、食品与农业（一）生物技术与食品1．生物技术在食品原料上的应用2．生物技术在食品加工中的应用3．生物技术在食品检测中的应用（二）生物技术与现代农业1．良种选育，品质改良2．提高植物的抗性3．现代生物农药4．植物种苗的工业化生产快繁苗木的生产车间第十二章生物技术的发展和应用七、人类基因组计划（HGP）人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）是一项规模宏大，跨国、跨学科的科学探索工程，与曼哈顿原子计划、阿波罗登月计划一起被世界各国誉为自然科学史上最伟大的“三计划”，是具有划时代意义的伟大科学工程。1．在医学领域的应用（