生命科学12ppt课件

12 生物技术 现代生命科学的革命 12.1 生物技术定义、主要内容和发展概况 12.2 基因工程 12.3 蛋白质工程、发酵工程和细胞工程简介 12.4 分子诊断和基因治疗 12.5 克隆羊技术 12.6 生物芯片技术 12.7 生物技术的安全性和社会伦理问题 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 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 1982年，国际合作与发展组织的定义为：生物技 术是应用自然科学及工程学的原理，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 品为社会服务的技术。 美国政府技术顾问委员会 (OAT) 的定义是：应用生 物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术 ，其还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利 用微生物改良环境的技术。 该定义强调了生物技术的商品属性。 克隆羊 “多莉 ” 12.1 生物技术定义、主要内容和发展概况 l 生物技术的定义 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 l 生物技术的主要内容 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。 12.2 基因工程 基因工程与建筑工程基因工程与建筑工程 l 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 l 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 l 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 l 种植业中的应用 抗 化学除草剂基因 转基因西红柿 固氮酶基因 人类 DNA l 环境保护等等 “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。 12.3 蛋白质工程、发酵工程和细胞工程简介 n 蛋白质工程 蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括： （ 1）从生物体中分离纯化目的蛋白； （ 2）测定其氨基酸序列； （ 3）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 ; n 蛋白质工程 （ 4）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 ； （ 5）设计编码该蛋白的基因改 造方案，如点突变； （ 6）分离、纯化新蛋白，功能 检测后投入实际使用。 现代发酵工程主要指利用微现代发酵工程主要指利用微 生物、包括利用生物、包括利用 DNA重组技重组技 术改造的微生物在全自动发术改造的微生物在全自动发 酵罐或生物反应器中生产某酵罐或生物反应器中生产某 种商品的技术。种商品的技术。 现代发酵工程是生物代谢、现代发酵工程是生物代谢、 微生物生长动力学、大型发微生物生长动力学、大型发 酵罐或生物反应器研制、化酵罐或生物反应器研制、化 工原理工原理 等等 密切结合和应用的密切结合和应用的 结果。结果。 n 发酵 工程 一般发酵工程包括以下基本步骤：一般发酵工程包括以下基本步骤： （ 1）菌种选育 ； （ 2）细胞大规模培养即发酵过程 ； （ 3）生产活性的诱导 ； （ 4）菌体及产物的收获 n 发酵 工程 发酵工程的产品范围非常广泛。发酵工程的产品范围非常广泛。 从食品、药品、精细化工产品到许多工业用原 料等等 生物可降解塑料 PHB等 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。 细胞工程包括动物细胞工程和植物细胞工程， 它们分别以动物细胞和植物细胞为主要生产对 象，以细胞培养为主要过程和内容。 n 细胞 工程 l 动物动物 细胞细胞 培养培养 n 细胞 工程 l 单单 细胞细胞 藻类培养藻类培养 n 细胞 工程 一些单细胞低等植物 如单细胞藻类的大规 模培养成为细胞工程 的重要组成部分 获得蛋白质资源、营 养食品、精细化工产 品等等 l 高等植物细胞培养高等植物细胞培养 n 细胞 工程 高等植物细胞具有全能性。从高等植物的幼胚、 根、茎、叶、花和果实等不同器官的组织中分离 的单个细胞，经过特殊培养形成愈伤组织 ， 并可 进一步诱导生成完整的植株 。 l 细胞融合、细胞重组、杂交瘤技术细胞融合、细胞重组、杂交瘤技术 n 细胞 工程 细胞融合是将不同种类的两种细胞经过特殊处理 后放在一起，在某些促融因子作用下发生融合， 形成杂种细胞。 细胞重组是把不同种类的细 胞的部件重新组合装配，包 括核的移植、叶绿体移植、 核糖体重建及线粒体装配等 。 杂交瘤技术是通过细胞融合 产生特异杂交瘤细胞 。 12.4 分子诊断和基因治疗 n 分子诊断 l 利用 PCR技术或 PCR与分子杂交 标记相结合，可 以快速准确地检 测出病原性物质 。 n 分子诊断 l 遗传性疾病的诊断遗传性疾病的诊断 羊水和胎盘绒毛膜检测 n 分子诊断 l 例：例： 镰状红细胞贫血症镰状红细胞贫血症 的检测的检测 一种常染色体退化遗传病 引起原因 ： 基因的点突变， 丢失了可被 MstII或 Cvnl切开 的一个限制性内切酶位点。 正常：三正常：三 条带条带 患病：一条带患病：一条带 子女子女 1：正常：正常 子女子女 2：患病：患病 子女子女 3：携带者：携带者 l 例：例： 特异性互补寡核苷酸法特异性互补寡核苷酸法 检测检测 镰状红细胞贫血症镰状红细胞贫血症 （ 1）提取 DNA， 热处理成为单链 DNA； （ 2） 以单链 DNA为模板，仅对可能发生突变的核苷酸区域设计 引物进行 PCR扩增 后 转移到滤膜上，热变性成单链； （ 3）分别用两种特异性互补寡核苷酸 分子探针（ ASO） 杂交。 n 基因治疗 基因治疗 即 利用基因工程技术治疗人类遗传性疾病 。 正常的人类基因可以克隆并引入遗传病患者的体细 胞，以替代、修复或纠正有缺陷的基因 。 通常使用一种 反转录病毒 作为基因治疗的转移系统 ， 重组载体可以感染人的组织和细胞，但不自我复 制 。 l 例：例： 重症综合性免疫缺乏症（重症综合性免疫缺乏症（ SCID） 1990年， 转基因 T淋巴细胞 注射到人体骨髓组织中治疗 SCID 12.5 克隆羊技术 1997年 2月 23日 苏格兰 Roslin研究所 Wilmut和 Campbell Nature 杂志： 世界首例来源于哺乳动物体细胞的克隆羊 “多莉 ” 问世 核移植 ， 就是利用一个动物的体细胞的细胞核 （供体核）来取代受精或未受精卵中的细胞核 ，形成一个重建的 “合子 ”。 克隆原意是无性繁殖系。克隆动物就是不经过 生殖细胞的受精过程而直接由体细胞获得新的 动物个体，这个新个体是原核供体动物的拷贝 。 277次乳腺细胞 核移植实验 ； 获得 29个发育为 8细胞的 “胚 ”； 13头代孕母亲 ； 1996年 7月 5日， 羊羔 6LL3， 被命 名为 “多莉 ”。 （ 1）既然绵羊的体细胞可以被成功地克隆成一个 新的个体，是否意味着人类也可以克隆自己呢？ （ 2）是否应该允许进行克隆人的实验？ 12.6 生物芯片技术 生物芯片又称 DNA芯片或基因芯片 ， 它们是 DNA杂 交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。该技 术系指将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光 标记的 DNA样品分子进行杂交，通过检测每个探针 分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序 列信息。 1996年底，美国 Affymetrix 结合照相平板印刷、计 算机、半导体、寡核苷酸合成、荧光标记、核酸探 针分子杂交和激光共聚扫描等高新技术，研制创造 了世界第一块 DNA芯片 。 n 生物芯片技术的一般原理 A. 用于微阵列芯片制作的点样仪。； B. 封装在卡盒中的微阵 列芯片 ; C. 用于微阵列芯片荧光标记检测的激光共聚焦扫描 器； D. 微阵列芯片的局部放大； E. 微阵列芯片上固定 DNA 探针的示意图。图中蓝色的 DNA链是预先固定在芯片表面的 捕获探针，红色的 DNA链是与捕获探针互补的靶 DNA分子。 DNA芯片可用于大规模筛查基因突变所引起的疾病 ； 分析基因组及发现新基因等具有很大的优势 ； DNA芯片技术用于基因组分析时，具有样品用量小、信 息量大、分析方法简易快速、自动化程度高等多项优点，特 别适合于寻找新基因、基因表达检测、突变检测、基因组多 态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面。 医学、化学、新药开发、司法鉴定、农业技术和食 品技术领域也具有广泛的应用 ； n 生物芯片技术的主要应用 1998年底，美国科学促进会将基因芯片技术列为 1998年度自然科学领域十大进展之一。一些科学家 把基因芯片称为 “可以随身携带的微型实验室 ”。 12.7 生物技术的安全性和社会伦理问题 基因一旦被改动，一方面可能引起 生物体内一系列未知的结构与功能 的变化；另一方面，转基因操作对 生物体的影响会通过遗传传递。 n 转基因技术的安全性问题 M 外源基因引入后，是否会影响其他重要的调节基因，甚至会外源基因引入后，是否会影响其他重要的调节基因，甚至会 激活原癌基因？激活原癌基因？ M 转基因技术的广泛应用是否会导致难以消灭的新病原物出现转基因技术的广泛应用是否会导致难以消灭的新病原物出现 ？ M 是否会造成生态学灾难？是否会造成生态学灾难？ M 人类摄食大量转基因食品是否会影响人类及其后代的健康人类摄食大量转基因食品是否会影响人类及其后代的健康 ？ n 克隆人的伦理问题 M 在克隆阶段，如果有关胚胎发育的基因重新编排或启动不完 全，对新生儿可能产生什么严重后果呢？ M 兄弟、姐妹、父母、子女 ？ M 器官克隆和干细胞培养和分化器官，用于医学和临床治疗 ？ n 个人基因信息的隐私权问题 人类基因信息利用的伦理、法律和社会影响计划，称之为 ELSI 项目 ： （ 1）在应用和解释基因信息时的隐私权和公正性； （ 2）基因信息由实验室研究向实际医疗应用的转化； （ 3）人类基因组计划参与者相互协调和成果发布； （ 4）公众与专业教育 n 基因治疗的应用问题 M 一个人有权决定另一个人的基因结构或未来命运吗？ M 万一这种基因操作失败了或者造成了将来才能发现的不可挽 回的缺陷和后果，谁承当责任呢？ M 是否可以通过基因治疗操作来增加运动员的身高或短跑速度 ， M 这与运动员服用兴奋剂有什么本质区别？ n 生物技术引发的其它问题 M 生物技术费用高，在自身健康上的贫富差距？ M 涉及人类自身发展的重要生物技术的垄断？ M 生物武器？ M 生物技术是 “应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的 技术，其还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利用微生物改良 环境的技术 ”， 通常包括基因工程、细胞工程、 发酵工程和蛋白质（酶 ）工程 4个方面内容。高技术、高投入、高利润是生物技术的显著特点 。 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、发酵工程和细