生物技术与人类生活1-总论

1、2020/8/12,生物技术与人类生活课程,1,生物技术与人类生活(二)-生物技术的发展简史,李 云 海,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,2,4、生物技术发展简史,4.1 传统生物技术的产生和发展 东方和西方均历史悠久，但当时并不具备高技术的诸要素。 传统生物技术 是指旧有的制造酱、醋、酒、面包、奶酪、酸奶及其他食品的传统工艺(包括上游处理过程发酵和转化下游处理过程等)。,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,3,东方,东方传统生物技术发展简史： 石器时代我国人民用谷物酿酒(可能是迄今发现的最早的发酵技术)； 公元前221年(周代后期)我国人民开始制作豆腐、酱和醋； 公元10

2、世纪我国开始有治疗天花的活疫苗； 到了明代我国已广泛种植痘苗预防天花； 16世纪我国的医生已知道被疯狗咬伤可传播狂犬病。,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,4,西方,西方传统生物技术发展简史: 公元前6000年-苏美尔人和巴比伦人开始啤酒发酵。 公元前4000年-埃及人民开始制作面包。 1676年-荷兰人Leeuwen Hoek（16321723年）制成显微镜，观察到了微生物。 1860年-法国科学家Pasteur（1822-1895年）首先证明“发酵由微生物引起”，并建立了微生物纯种培养技术，为发酵技术的发展提供了理论基础，使发酵技术真正纳入了科学轨道。 20世纪20年代-工业生产

3、中开始采用大规模的微生物纯种培养技术，出现了大规模发酵制作化工原料丙酮、丁醇。,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,5,20世纪50年代-青霉素的大规模发酵生产，发酵工业、酶制剂工业大量涌现；发酵技术和酶技术被广泛应用于医药、食品、化工、制革和农产品加工。 20世纪60年代-遗传育种学取得辉煌成就，被誉为“第一次绿色革命”；同时细胞学的理论被应用于生产而产生了细胞工程，细胞工程初现。 但上述诸方面的发展还不具备高技术的各要素，只能被视为传统的生物技术。,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,6,4.2 现代生物技术的发展,现代生物技术发展的三个重要基础： （1）以传统生物技术为基

4、础,改造提升；或以现代生命科学技术的最新理论成就为基础，新兴产业而来。 （2）以20世纪70年代的DNA重组技术的建立为标志。其中，1944、1953、1961、1972年的理论或技术的重大突破尤其重要。 （3）以基因工程（DNA重组）技术为核心，使人们可以按照意愿在试管内切割DNA，分离基因并经重新组合后导入其他生物或细胞，生产所需产品或达到为人类服务的目的，带动现代生物技术及相关产业的迅速发展。具有划时代的意义和战略价值。,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,7,1.2.2 现代生物技术的发展 生物技术（Biotechnology）由匈牙利工程师Karl Ereky 1917年提出

5、，经过近百年的发展，形成了现代生物技术（Modern Biotechnology）。,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,8,现代生物技术是以70年代DNA重组技术的建立为标志的。 1944年Avery等人阐明了DNA是遗传信息的携带者。 1953年Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型，阐明了DNA的半保留复制模式，开辟了分子生物学研究的新纪元。 一切生命活动都是由酶和非酶蛋白质行使其功能的结果，遗传信息与蛋白质的关系成为了问题。,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,9,分子生物学先驱Whatson和Crick提出DNA双螺旋结构模型，奠定了分子生物学发展的基础

6、。,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,10,1961年M.Nirenberg等破译了遗传密码。 1972年Berg首先实现了DNA体外重组技术 生物技术的核心技术。 人们可以按照意愿在试管内切割DNA、分离基因并经重组后导入其他生物或细胞，生产大量作为药物、疫苗等有用的蛋白质，或藉以改造农、畜品种；也可以直接导入人体内进行基因治疗。 以基因工程为核心，带动了现代发酵工程、酶工程、细胞工程以及蛋白质工程的发展，形成了具有划时代意义和战略价值的现代生物技术。,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,11,现代生物技术的基本概念也可归纳为： 现代生物技术是指70年代末80年代初发展起来

7、的，以现代生物科学研究成果为基础，以基因工程为核心的一门新兴的综合性学科。当前所称的生物技术基本上都是指现代生物技术。,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,12,现代生物技术包含了如下应用领域和技术 农业生物技术 医药生物技术 航天生物技术 军事生物技术 环境生物技术 海洋生物技术 能源生物技术,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,13,现代生物技术生产出的产品有：粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等。 拟达到的目的包括：疾病的预防、诊断与治疗、环境污染的检测和治理等。,现代生物技术发展的基础： 生命科学在分子、亚细胞、细胞、组织和个体等不同层次上，揭示了生物的结构和功能的

8、相互关系，从而人们可对生物体进行不同层次的设计、控制、改造或模拟，并产生了巨大的生产能力。 几乎所有与生命科学有关的学科，特别是现代分子生物学的最新理论成就，是生物技术发展的基础。,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,14,基 因 工 程 与 建 筑 工 程,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,15,现代生物技术的主要发展趋势 不断完善操作技术 基因工程药物和疫苗研究 转基因动植物研究 基因组研究（基因组学） 基因治疗研究 蛋白质工程研究（蛋白质组学） 生物信息学在生物技术领域中的应用研究,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,16,现代生物技术的商业化 商业化前景：世界

9、各国成立众多生物技术公司 商业化特点,技术密集型产业 市场迅速扩张 政府高度重视，巨额资金投入 生物及制药是生物技术产业化的支柱 产品不断增加 产业竞争更加激烈 产品更加专一 医学生物技术产业化进程最快,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,17,现代生物技术的前景,生物技术的发展： 使人们对客观世界的认识产生了一次飞跃。 使人们改造自然的能力和推动社会发展的力量提高到一个新的水平。 越来越深刻地影响着世界经济、军事和社会发展的进程。,4. 改善农业生产、解决食品短缺。 5. 环境污染治理，缓解能源危机等。,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,18,1. 生物技术总论,学习目的

10、了解生物技术的含义、特点以及生物技术的发展史。掌握生物技术的各项技术及其相互关系。认识生物技术的应用领域及其对人类社会发展的影响。,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,19,生物技术被世界各国视为一项高新技术，它广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工、食品、化工和能源等领域，促进传统产业的技术改造和新兴产业的形成，对人类社会生活将产生深远的、革命性的影响。 生物技术不完全是一门新兴学科，它包括传统生物技术和现代生物技术两部分。,生物技术总论 引言,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,20,1.1 生物技术的含义 1.1.1 生物技术的定义 生物技术(biotechnology),有

11、时也称生物工程(bioengineering)， 是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，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。因此，生物技术是一门新兴的、综合性的学科。,生物技术总论 1 生物技术总论,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,21,微生物 工程菌 发酵工程 基因工程 蛋白质或酶 蛋白质工程或酶工程 产品 动、植物个体或细胞 细胞工程 优良动、植物品系,1.1.2 生物技术的种类及其相互关系,生物技术总论 1.1 生物技术的含义,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,22,1.1.2.1

12、基因工程(gene engineering) 应用人工方法把生物的遗传物质，通常是脱氧核糖核酸(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品性； 有时还使新的遗传信息在新的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)。也称DNA重组技术。,生物技术总论1.1.2 生物技术的种类及其相互关系,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,23,1.1.2.2 细胞工程(cell engineering) 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

13、和创造新品种；或加速繁育动、植物个体；以获得某种有用的物质的过程。 细胞培养 细胞融合 细胞重构,生物技术总论 1.1.2 生物技术的种类及其相互关系,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,24,1.1.2.3 酶工程(enzyme engineering) 利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能, 或对酶进行修饰改造，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。它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。,生物技术总论 1.1.2 生物技术的种类及其相互关系,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,25,1.1.2.4 发酵工程(f

14、ermentation engineering) 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生产出人类所需的产品称为发酵工程，也称微生物工程。,生物技术总论 1.1.2 生物技术的种类及其相互关系,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,26,1.1.2.5 蛋白质工程（protein engineering） 是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。,生物技术总论

15、 1.1.2 生物技术的种类及其相互关系,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,27,1.1.3 生物技术所涉及的学科 现代生物技术是所有自然科学领域中涵盖范围最广的学科之一。它以包括分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫生物学、人体生理学、动物生理学、植物生理学、微生物生理学、生物化学、生物物理学、遗传学等几乎所有生物科学的次级学科为支撑，又结合了诸如化学、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互相渗透的综合性学科。其中又以生命科学领域的重大理论和技术的突破为基础。,生物技术总论 1.1 生物技术的含义,2020/8/12,生

16、物技术与人类生活课程,28,生物技术总论 1.1.3 生物技术所涉及的学科,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,29,生物技术所涉及的行业种类 行业种类 经营范围 疾病治疗 用于控制人类疾病的医药产品及技术,包括抗生素、生物药 品、基因治疗、干细胞利用等 诊断 临床检测与诊断，食品、环境与农业检测 农业、林业与园艺 新的农作物或动物，肥料，生物农药 食品 扩大食品、饮料及营养素的来源 环境 废物处理、生物净化、环境治理 能源 能源的开采、新能源的开发 化学品 酶、DNA/RNA及特殊化学品 设备 由生物技术生产的金属、生物反应器、计 算机芯片及生物技 术使用的设备等,生物技术总论 1.

17、1.3 生物技术所涉及的学科,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,30,传统生物技术 现代生物技术,1.2 生物技术发展简史,生物技术总论 1 生物技术总论,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,31,1.2.1 传统生物技术的产生 传统生物技术应该说从史前时代起就一直为人们所开发和利用，以造福人类。在石器时代后期，我国人民就会利用谷物造酒，这是最早的发酵技术。 古老的酿造技术 巴斯德的发现,生物技术总论 1.2 生物技术发展简史,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,32,1.2.2 现代生物技术的发展,理论背景： 现代生物技术是以20世纪70年代DNA 重组技术的建立为

18、标志的。 1944 年Avery 等阐明了DNA是遗传信息的携带者 1953年Watson &Crick发现DNA双螺旋结构 开创分子生物学 1961年H.G.Khorana & M.W.Nirenberg破译了遗传密码,揭开了DNA 编码的遗传信息是如何传递给蛋白质这一秘密,生物技术总论,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,33,现代生物技术的诞生 1973年加州大学的Cohen等实现了细菌间遗传物质的人工重组，转入一个抗药基因，使大肠杆菌获得了抗药性，第一例DNA重组技术成功,1.2.2 现代生物技术的发展,生物技术总论,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,34,1978年

19、Genetech公司和洛衫矶Hope市医学中心将具有明显医药实用价值的蛋白质胰岛素基因导入到E.coli 中表达成功 1980转基因动物首获成功，美国人得到转人生长激素基因的超级鼠 1983年美国人和比利时人将外源基因引入植物中，并稳定遗传 1997年第一只克隆羊在英国Rosslyn研究所诞生,现代生物技术的诞生,1.2.2 现代生物技术的发展,生物技术总论,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,35,生物技术的发展将越来越深刻地影响着世界经济、军事和社会发展的进程。,1.3生物技术对经济社会发展的影响,生物技术总论 1 生物技术总论,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,36,1

20、.3.1改善农业生产，解决食品短缺 提高农作物的产量及品质 培育抗逆的作物优良品系植物种苗的工厂化生产 提高粮食品质 生物固氮，减少化肥使用量 发展畜牧业生产 动物的大量快速无性繁殖 培育动物的优良品系,生物技术总论 1.3生物技术对经济社会发展的影响,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,37,开发制造贵重的新型药品 疾病的预防和诊断 基因治疗 人类基因组计划,1.3.2提高生命质量，延长人类寿命,生物技术总论 1.3生物技术对经济社会发展的影响,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,38,美国生物技术产品销售及预测（百万美元） 领域 1998年 2003年 2008年 增长率%

21、 人类疾病治疗 9120 16100 27000 11 人类疾病诊断 2100 3100 4300 7 农 业 420 1000 2300 19 特制品 390 900 2000 18 非医疗检验 270 400 600 8 合 计 12300 2150 36200 11,生物技术总论 1.3.2 提高生命质量，延长人类寿命,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,39,美国工业化生物技术研究与发展基金分布图,生物技术总论 1.3.2 提高生命质量，延长人类寿命,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,40,解决能源危机 生物能源将是最有希望的新能源之一，而其中又以乙醇最有希望成为新的

22、替代能源。 保护环境 人们可以利用微生物净化有毒的化合物，降解石油污染，清除有毒气体和恶臭物质，综合利用废水和废渣，处理有毒金属，达到净化环境、保护环境、废物利用并获得新的产品的目的。,1.3.3解决能源危机、治理环境污染,生物技术总论 1.3生物技术对经济社会发展的影响,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,41,制造工业原料 利用微生物在生长过程中积累的代谢产物,生产食品工业原料,种类繁多。 生产贵重金属 利用微生物的浸矿技术对废渣矿、贫矿、尾矿、废矿进行提炼。,1.3.4制造工业原料、生产贵重金属,生物技术总论 1.3生物技术对经济社会发展的影响,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,42,基因工程对微生物的改造是否会产生某种有致病性的微生物，这些微生物都带有特殊的致病基因，如果它们从实验室逸出并且扩散，有可能造成类似鼠疫那样的可怕疾病的流行。 转基因作物及食品的生产和销售，是否对人类和环境造成长期的影响，擅自改变植物基因是否可能引起一些难以预料的危险。,1.3.5生物技术的安全及其对伦理、道德、法律的影响,生物技术总论 1.3生物技术对经济社会发展的影响,2020/8/12,生物技术与人类生活课程,43,分子克隆技术在人类身上的应用可能造成巨大的社会问题，并对人类自身的进化产生影响；而应用在其他生物上同样具有危险性，因为所创造出的新物种有可