生物技术总论

生物技术总论生物技术概论

1生物技术总论生物技术包括传统生物技术和现代生物技术两部分。当前所称的生物技术基本上都是指现代生物技术。它是在20世纪70年代末80年代初发展起来的，以现代生物学研究成果为基础，以基因工程为核心的新兴学科。本课程主要讨论现代生物技术。1.1生物技术的含义1.1.1生物技术的定义生物技术（biotechnology）有时也称生物工程（bioengineering），是指人们以现代生命科学为基础，结合其他学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，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。生物技术是一门新兴的、综合性的学科。先进的工程技术手段：基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程等改造生物体：获得优良品质的动物、植物或微生物生物原料：生物体的某一部分或产生的能利用的物质，包括有机物及无机物多学科：生物化学、微生物学、细胞生物学、敏疫学、遗传学、分子生物学等1.1.2生物技术的种类及其相互关系基因工程geneengineering

应用人工方法把生物的遗传物质（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，从而改变它们的一品性，或获得基因产物。也称DNA重组技术。细胞工程cellengineering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人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种或创造新品种；或加速繁育动、植物个体；或获得某种有用的物质的过程。包括体外培养技术、细胞融合技术、细胞器移植技术、克隆技术、干细胞技术。酶工程enzymeengineering利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。包括：酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。发酵工程fermentationengineering利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能产生出人类所需的产品。也称微生物工程。蛋白质工程proteinengineering指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质的技术。微生物工程菌基因工程发酵工程蛋白质工程或酶工程蛋白质或酶优良动植物品系细胞工程动植物个体或细胞产品相互关系1.1.3生物技术涉及的学科以几乎所有生物学科的次级学科为支撑，又结合了化学、化学工程学、数学、微电子技术、计算机科学、信息学等生物学领域之外的尖端基础学科，从而形成一门多学科相互渗透的综合性学科。生物技术的“六高”特征：高效益、高智力、高投入、高竞争、高风险、高势能。应用领域广泛：医药、农业、畜牧业、食品、化工、林业、环境保护、采矿冶金、材料、能源等领域。涉及的八大类型行业：疾病治疗、检测与诊断、农业林业与园艺、食品、环境、能源、化学品、设备。1.2生物技术发展简史传统生物技术的产品及年代公元前3020世纪：面包发酵，果汁酿造，醋等；公元前10世纪：酱油；公元前6世纪：以霉治疗外伤；公元11世纪：人痘接种；公元12世纪：酒精；公元17世纪：人工培育蘑菇；公元18世纪：牛痘接种；1880-1920：乳酸，面包酵母，乙醇，转化酶等；1920-1940：柠檬酸，葡萄糖酸，蛋白酶，核黄素，山裂糖等；1940-1950：青霉素，短杆菌肽，链霉素，金毒素，新霉素，两性霉素，衣康酸，纤维索酶等；1940-1950：青霉素，短杆菌肽，链霉素，金毒素，新霉素，两性霉素，衣康酸，纤维索酶等；1950-1960：谷氨酸，赖氨酸，士霉素，四环素，新生霉素，红霉素，制霉菌素，卡那霉素，葡萄糖酸等；1960-1970：葡萄糖异构酶，糖化酶，氨基酰化酶，脂肪酶，乳糖酶，头孢霉素，庆大霉素，林可霉素，利福霉素，万古霉素，核糖霉素，甾体生物转化物等；1970-1980：博莱霉素，阿霉素，杀念珠菌素，交沙霉素，西梭霉索，有效霉素，门冬氨酸，苏氨酸，普鲁兰多糖等；1980以后：阿维菌素，苯丙氨酸，环氧乙烷，两烯酷胺，聚经基丁酸酯等。现代生物技术的发展现代生物技术是以20世纪70年代DNA重组技术的建立为标志的1953年，沃森和克里克提出了DNA双螺旋结构.1972年，美国斯坦福大学构建了第一个重组DNA分子.1977年，在美国旧金山建立了世界上第一家遗传工程公司.今天，人们在超市货价上可以买到保质期很长的转基因土豆，“多利”克隆绵羊走进实验室，基因工程正在使整个人类生活方式发生重大变革。2000.6.26宣告人类基因组“工作框架图”绘制完毕。目前还有许多有价值的微生物，动物，植物的测序工作正在进行中。现代生物技术的主要领域

生物技术经历了数千年的发展，已经达到可以用细胞融合和DNA重组等现代生物技术，从细胞水平和分子水平改良已有生物品种和组建新的生物品种的地步，这将较大幅度地提高农业的产量和质量，以及利用生物资源为原料或应用生物技术为手段的工业赋予新的生命力，并为生物技术的应用带来福音，人们期望着生物技术的进一步发展，它将会对工农业生产，人民保健和社会福利事业带来更深远的影响，为此，世界各国都把生物技术的研究开发列入高新技术发展规划，我国也已经把生技术和航天技术，信息技术，激光技术，自动化技术以及新材料技术并列为优先发展的七个高新技术领域。现代生物技术的主要领域有：（一）医药生物技术

医药上大量应用的各种抗生素，包括抗细菌的抗生素，抗真菌的抗生素，抗原虫的抗生素，抗肿瘤的抗生素以及天然抗生素的半合成产物，各种氨基酸，维生素，生物制品，单克隆抗体，治疗用的酶类，酶抑制剂等与现代生物技术的发展密不可分。基因工程在医药方面应用广泛，可以作为治求遗传病的一种手段.利用基因工程技术对产生抗体的基因、抗药性因子、癌病毒的基因进行研究，可以加深对免疫学、抗药性和癌症等医学问题的了解；利用基因工程可生产有价值的医药等。（二）农业生物技术生物技术在农业生产中有十分广泛的发展潜力，主要表现在应用现代生物技术对农作物，牲畜，水产品进行品种改良或组建新品种，以及发展生物农药。主要应用在以下七个领域：（1）无性快速繁殖：利用某些植物组织，特别是未经过分化含有所有基因信息的幼芽组织，经过细胞培养后获得的愈伤组织加以扩大培养，进而获得大量植株，已经成功地用于兰花，烟草等的快速繁殖。（2）脱毒植株的获得：通过未受病菌侵袭的顶端分生组织的细胞培养，获得无毒植株，也可以通过愈伤组织或悬浮细胞用植物毒素筛选抗性细胞。（3）单倍体育种：利用花粉细胞培养，培育单倍体植株，然后用秋水仙素等处理，使单倍体植株的染色体加倍，称为纯种的二倍体，单倍体植株只有一套染色体，所以遗传性单一，没有分离现象。(4）原生质体融合：可以用不同种间，属间的原生质体进行融合获得杂交体细胞，使不同种，属的优良性状组合在一起，克服了种间核属间的生殖隔离。（5）人工种子：用人工种皮包埋体细胞胚状体或芽，鳞，茎而制成的有高度萌发性能并且发育为植株的种子，可以使性能优良的植物品种得以大规模种植。（6）优良牲畜的扩大繁殖：扩大繁殖优良牲畜可以用胚胎移植，胚胎分割，受精卵注射生长激素和细胞克隆技术等方法。核移植，染色体组改造等手段也可以用于畜种，鱼种的改良以及性别控制。（7）植物品种改良：将抗性基因，植物蛋白储藏蛋白基因，固氮基因等人们所要求的基因导入植物细胞并且获得表达，将对农业生产产生巨大的影响。（三）动物生物技术动物生物技术也是近些年来发展较快的领域之一，主要体现在以下几个方面：（1）控制动物传染病（2）增加产量（3）改良品质（4）药物生产反应器（5）克隆技术（四）植物基因工程

遗传工程在农业上最广泛应用的是转基因植物。自从1984年首次报道了在烟草中有效地引进和表达外源目的基因之后，现在已经延伸到35科中的120多个植物种。主要包括农作物、蔬菜、园艺植物、药用植物、果树和树木等。主要目标涉及抗病虫害和除草剂，改良农作物和经济作物的重要经济性状，改善品质，创造全新植物种等。迄今为止，超过3000个转化植物品种的田间试验至少在30个国家中进行或已经完成。这些大田试验包括40个以上植物种的各种性状改良。（五）现代微生物农药生物农药是指由生物体产生的具有防治病、虫害和除杂草等功能的一大类物质的总称，从狭义的角度来看，它们是微生物体本身的制剂形式，广义的定义也包括微生物的代谢产物。微生物农药主要包括微生物杀虫剂、生物杀菌剂、农用抗生素制剂和微生物除草剂等。应用生物农药来对病虫害和杂草进行防治称为生物防治.在目前污染严重，人们对各种"绿色"商品的需要不断高涨的情况下，生物农药可说是顺应了这一潮流，它对人、畜及害虫的天敌极少或完全没有毒害作用,同时又能有效地控制植物病害、害虫和杂草，有助于减少化学污染，保持生态平衡。由于上述优点，从、20世纪70年代开始生物防治逐步受到了各国政府的高重视，生物农药也在各国有了较为广泛的应用。（六）现代微生物肥料

利用微生物促进植物生长，解离土壤中被固定的钾和磷，以及固定大气中的氮，是微生物肥料发展的主要方向。科研人员希望能够创造出能够更有效地促进植物生长的菌株作为菌肥，因此积极研究以下几个方面：1）固氮的分子基础以提高微生物的固氮水平2）通过DNA重组技术改造共生细菌，提高其竞争力，使之能超过天然共生细菌，促进根瘤的形成3）产生有用的微生物菌株，合成噬铁素，阻止植物病原微生物的生长4）寻找并改造产生植物激素的微生物，使之能释放特定水平的某种激素，以促进植物的生长和繁殖。（七）海洋生物技术海洋生物界的多样性为生物医药新产品的开发提供了极其广泛的资源。自从80年代医药厂家和海洋生物学家联手合作以来，海洋新药和制剂开发的商业性发展达到空前地步，其中海绵和巨海藻是海洋生物活性产物的最主要资源。目前，已有一大批抗肿瘤制剂、免疫抑制制剂和抗感染制剂已被开发出来。根据已有的文献报道，至少有几百种不同的海洋生物活性物质已被发现。美国和日本在这方面的研究和开发处于领先地位。由于医药市场的激烈竞争和商业保密性，很难统计现有多少种海洋新药已用于临床实践。（八）化工与能源生物技术

生物技术在化工能源产品中的应用也很广泛。利用发酵和生物转化或酶法可以生产下列产品：烷烃和甲烷，醇和溶剂，有机酸，多糖等。在能源产品和新能源开发中，除了甲烷和乙醇外，黄原胶可以用于油田的三次采油，有关微生物产氢和生物电池也在探索过程中。（九）环境保护生物技术

微生物对生物的排泄物和尸体的分解有重要作用，利用生物技术处理生产和生活中的有机废弃物，可以加速分解过程，起到迅速净化环境的作用。农药残毒，也主要依靠微生物的降解作用从自然界消失。用嫌气和好气发酵方法可以对许多有机废弃物进行处理，产物可以作为肥料，能源物质等。目前正在寻找更为合适的微生物，用于降解酚类物质，有机氮，有机磷，以及清除有机金属化合物。利用绿色植物清除重金属、放射性元素（核污染）以及有毒有机物的研究，也已经起步，并显示出良好的前景。石油及其相关产品对土壤、水体以及工作场所的污染现在也采取微生物降解的方法进行处理，成本低廉，对环境和人类自身又没有副作用。（十）贵金属提取以及海水淡化利用氧化亚铁硫杆菌等自养细菌可以把亚铁氧化为高铁，把疏和低价硫化物氧化为硫酸的特性，将含疏金属矿石中的金属离子形成硫酸盐的形式释放出来，可以用这个方法浸取的金属有铜，锌，铅，铀，金等。目前在美国约有10%的铜采用该方法生产，我国有些地方用此方法生产铜和金。具有光合作用的细菌可以连续利用太阳能进行海水的淡化。如果通过基因工程获得一种能富集钠和镁的微生物，就可以简化淡化的工作。如能成功，就可用取之不尽的海水作饮用水、工农业用水，这将是对人类生存有重大意义的研究课题。（十一）核酸分子探针和生物芯片核酸分子探针

用放射性同位素或荧光物质标记的特异DNA或RNA分子，通过分子杂交技术检测与之互补的核苷酸顺序的技术。生物芯片随着人类基因组（测序）计划（Humangenomeproject）的逐步实施以及分子生物学相关学科的迅猛发展，越来越多的动植物、微生物基因组序列得以测定。怎样研究如此众多基因在生命过程中所担负的功能因此成为全世界生命科学工作者共同的课题。为此，建立新型杂交和测序方法以对大量的遗传信息进行高效、快速的检测、分析就显得格外重要。生物芯片就是顺应这一科学发展要求的产物，它是将生命科学研究中所涉及的许多分析步骤，利用微电子、微机械、化学、物理技术、计算机技术，使样品检测、分析过程连续化、集成化、微型化。生物芯片主要包括：芯片实验室(Lab-on-a-chip)、基因芯片(Genechip，DNAchip,DNAmicro-array)、蛋白芯片(Proteinchip)等。(十二）人类基因组计划人类基因组（测序）计划（HGP,英文全称为Humangenomeproject）由美国科学家RenatoDulbeco于1986年率先提出，旨在阐明人类基因组的核苷酸序列，破译人类全部遗传信息，使得人类第一次在分子水平上全面认识自我。本研究的主要任务有两个：(l)“读出”人类基因组全部ATCG语言，即全基因组核苷酸顺序的测定；(2)“读懂”人类基因组全部ATCG语言，即人类全部基因的编码及功能研究。HGP研究的核心是人类基因组全部DNA顺序的测定。过去十年中，随DNA标本的制备，测定方法及手段的不断改进，大规模DNA测序己成为现实。目前，核苷酸序列正以每年2亿多碱基对的速度增加到数据库中。HGP的意义十分重大，已经成为全球性的重大国际合作项目，它将不仅通过提示人类生命活动的遗传学基础而带动整个生命科学的发展，而且将为二十一世纪的分子医学奠定基础，六千多种人类单基因遗传病和那些严重危害人类健康的多基因病将有可能由此得到预测、预防和治疗，农工和环境科学也将从中受益。（十三）可再生资源生物转化

纤维性材料是自然界存在量最大的一类可再生资源，且可无限再生。全世界农作物秸秆年产量超过500亿吨，我国每年仅主要农作物秸秆的产量就达到8亿吨。因此，利用现有资源开发新的食物和能量资源是解决粮食和能源短缺的重要途径。开展生物转化纤维性材料，解决蛋白质短缺，并富集出大量的蛋白质，不仅可以解决动物（特别是单胃动物）饲料需求上的缺口，提高和改善饲料中的蛋白含量和营养价值，而且最终可能会用于人类的食物。利用这类材料发酵生产酒精等燃料物质，可以缓解甚至解决世界上日益突出的能源问题。1.3生物技术对经济社会发展的影响改善农业生产、解决食品短缺提高农作物产量及其品质发展畜牧业生产提高生命质量、延长人类寿命开发制造奇特而又贵重的新型药品疾病的预防和诊断基因治疗人类基因组计划解决能源危机、治理环境污染解决能源危机环境保护制造工业原料、生产贵重金属制造工业原料生产贵重金属生物技术的安全及其对伦理、道德、法律的影响1.421世纪农业生物技术的发展趋势基因组学将得到前所未有的发展单基因生物性抗逆将向持久性抗逆转化生物性抗逆将向非生物持久性抗逆转化目标性状的研究重点将从“抗性”向“品质”转移由质量性状向数量性状转移利用转基因植物生产稀有蛋白转基因技术的改进与提高21世纪生物技术的三座金矿

随着基因技术的突飞猛进，21世纪已经被认为是生物技术的世纪。综观全球生物技术产业，目前它的三座金矿已经日渐凸现。金矿一：基因技术

据专家分析，生物技术发展史上，三项获得诺贝尔奖的技术性大突破都是基因技术，它们都具有亿万美元的商业价值。第一项是上个世纪70年代的基因重组技术，全球最大的生物技术公司美国的Amgen公司，借助这项技术开发出抗贫血的新药，获得了63亿美元的销售收入。第二项也是上个世纪70年代的单细胞抗体技术，美国历史最久的生物技术公司Genentech2002年获得的28亿美元的销售收入，就主要来源于这项技术的应用。最新一项是被权威科学杂志《科学》杂志评为生物技术界最伟大突破的RNA干扰技术，同样具有巨大的商业应用价值，《财富》杂志评论它是生物技术新药的下一个热点。此外，利用转基因技术正在创造新的奇迹。据国际农业生物技术应用服务机构的统计，2003年全球18个国家的700多万个农场种植了转基因作物，种植面积达数千万公顷，近7年增长了40倍。中国的转基因技术发展很快，转基因棉花已占总面积的一半，每年为农民增收50亿元。其他如转基因水稻、玉米、大豆、蔬菜等400多个品种已进入安全性评价阶段，并有若干个品种具备了产业化条件。金矿二：新药开发

利用生物技术开发新药，是目前最为热门也是最赚钱的领域之一。前年全球生物技术新药的销售额达到了200亿美元，同比增长23%。美国一家医药专业杂志针对全球制药公司所做调查结果显示，全球前25名的大公司研发的新药共1932个，其