生物工艺学概论2节.ppt

主 讲：徐 伟 E-mail: 1 1 生物技术(又称生物工艺学)是21世纪高技术革命的 核心内容。生物技术对解决当今人类面临的人口与健 康、资源与环境、能源与可持续发展等问题具有重要 而深远的战略意义。生物工业是生物技术领域中的重 要分支之一，是以在受控条件下利用生命过程本身作 为产品的生产和加工的手段，由此产生种类数以千万 计的产品，形成新的现代工业。 通过本课程的学习使学生能够深入了解生物产品 生产过程的工艺原理，进一步深化和提高所学基本知 识，从而使学生具有选育新菌种，探求新工艺、新设 备和从事生物产品研发的能力。并能够应用基本理论 知识去分析和解决生产过程中的具体问题。 2 第一章 绪论 G 1 生物技术的定义和特点 A 2 国内外生物技术产业的发展现状 B3 生物工艺发展简史 C4 生物技术的应用 3 1.1 生物技术（biotechnology）的概念 n生物技术这个名词首先是由匈牙利农业经 济学家Karl Ereky于1919年提出的，其 含义为：凡以生物机体（living organisms)为原料，无论其用何种生产 方法进行产品生产的技术。 1 生物技术的定义和特点 4 生物技术：它是应用自然科学及工程学原理， 依靠生物作用剂(biological agents)的作用将物 料进行加工以提供产品或社会服务的一门综合 性科学技术。 (IECDO,1982) 生物作用剂：酶、整体细胞或多细胞，一般称 为生物催化剂。 Biotechnology ：the use of microorganisms or biological substances to perform specific industrial or manufacturing processes. 5 1. 2 生物技术的主要内容 基因工程 (DNA重组技术，gene engineering) 分离目的基因 体外切割、拼接、重组 构建载体 导入宿主(细胞或个体) 特点：分子水平操作，细胞水平表达。 获得基因表达产物 改变遗传品性 6 n 细胞工程(cell engineering) 体外培养 体外繁殖 改变生物学特 性 改良品种 创造品种 加速繁育个体 获得所需产物 技术过程 细胞 技术手段：体外培养、细胞融合(细胞杂交)、细胞 器移植 7 酶工程(enzyme engineering) 酶 细胞器 细胞 修饰酶 催化功能 + 生物反应器 产品 技术过程 技术手段：酶的固定化、细胞的固定化、 酶修饰、酶反应器设计 8 n 发酵工程(fermentation engineering) 反 应 器 工程参数 + 有用菌株 特定酶 代谢产物 转化产物 (下游加工) 或细胞 工程菌 培养基 9 蛋白质工程(protein engineering) 基因工程 特定基因 特定蛋白 拼接 改造 修饰 10 5 种生物技术的关系 基因工程 蛋白质或酶 蛋白质工程/酶工程 微生物 工程菌 发酵工程 动植物个体或细胞 细胞工程 优良动植物品系 产品 11 1.2 生物技术的特点 n多学科性、多技术的结合。 n反应中需有生物催化剂（biocatalyst）。 n应用大量高、精、尖设备。 n建立工业生产过程或进行社会服务，这一过 程可称为生物反应过程（bioprocess） 。 生物学 化学工程学 生物 化学 生物 工程生物 技术 化学 工程 12 1.2.1 生物催化剂的特性 生物催化剂 细胞（微生物 、动植物） 游离 固定化 活细胞（增殖细胞） 灭活细胞（休止细胞） 酶 游离 固定化 13 生物催化剂特点 优点： 常温、常压下反应 反应速率大 催化作用专一 价格低廉 缺点： 稳定性差 控制条件严格 易变异（细胞） 14 1.2.2 生物反应过程及特点 15 常温条件下进行，操作条件温和。原料不含有毒物质 。 可在单一设备中进行，一种设备多种用途。 容易进行复杂的高分子化合物的生产。 能够高度选择性地进行复杂化合物在特定部位的反应 ，如氧化、还原、官能团的导入等。 生产产品的生物体本身也是产物。 生产过程中需注意防止杂菌污染。 通过改良生物体生产性能，利用原有的生产设备使生 产能力大幅度提高。16 2 国内外生物技术产业的发展现状 2.1 国外发展现状 n美国、日本、欧洲等主要的发达国家和地区竞 相开展生物技术的研究和开发工作，并纷纷建 立了独立的政府机构，成立了一系列的生物技 术研究组织，2003年世界生物工程产业市场份 额894亿美元，2007年其市场份额达到1,296.5 亿美元。 17 2005年，全球转基因作物种植面积从1996年 的6个国家170万hm2剧增到2005年的21个国 家9 000万hm2。随着转基因农业新时代的到来 ，全球转基因作物栽培面积将以更快的速度增 长，2010年达到280亿美元。 基因工程制药产业已成为当今世界医药市场上 的新的增长点。到2020年，利用生物工程技术 研制的新药可能达到3 000种左右。2010年全 球仅生物芯片的市场就达600亿美元。 18 n1978年，美国Genentech公司的科学家们成 功地把编码人胰岛素的两条链的基因转到一个 载体上，并在大肠杆菌中获得表达。 n目前，美国有生物工程公司1 473家，占世界 总数的2/3。 n欧洲、日本、印度等国在医药生物工程方面发 展也较快。英、法、德等国家在生物技术的某 些领域已赶上甚至超过美国。 19 n2.2 国内发展现状 n我国是最早利用生物技术的国家之一。现 已成为世界发酵产品市场的重要竞争者， 多种发酵产品的产量和出口量剧增，其中 柠檬酸(citricacid)的生产工艺和技术达世 界先进水平，产量居世界首位。 20 n我国高技术将着眼于解决事关国家长远发展 和国家安全的战略性、前沿性和前瞻性问题 ，发展自主知识产权高技术，培育产业新的 增长点，争取510年时间使生物技术进入 世界先进行列，成为国民经济的支柱产业之 一。 n目前，生物技术和航天技术、信息技术、激 光技术、自动化技术、新材料技术、新能源 技术并列为七大优先发展的高技术领域。 21 3 生物技术发展简史 n传统生物技术的追溯 n最原始的啤酒出自居住于两河流域的苏美尔人 之手，距今至少已有9000 多年的历史。 我国 古代的原始啤酒也有4000至5000年的历史了 。 n初期代谢产品的出现 n荷兰的Leeuwenhoek制作了世界上第一台显 微镜，人们认识了微生物。 Antony van Leeuwenhock (1632-1723) 22 19世纪60年代，法国科学家巴斯德首先证实酒 精发酵是由酵母引起的，由此建立了纯种培养 技术。 n1897年，德国人毕希纳发现了酶。 Louis Pasteur (1822 1895) 23 n19世纪末到20世纪2030年代，发酵 工业过程陆续出现。 n近代生物产品的出现 n出现于20世纪40年代的抗生素； n50年代的氨基酸工业和60年代酶制剂 工业、有机酸工业的发展，使产品多样 化。 24 n现代生物技术产品的挑战 n随着现代生物技术DNA重组技术 和原生质体融合技术的出现与发展现代生 物技术产品应运而生。 n十九世纪，人们就已经发现了蛋白质。到 二十世纪初，组成蛋白质的20种氨基酸 被相继发现。 25 二十世纪初，美国遗传学家Morgan提出 了基因学说。他指出：种质必须由独立的 要素组成，我们把这些要素称为遗传因子 ，或者简单地称为基因。 nFisher还论证了连接相邻氨基酸的“ 肽键”的形成。细胞的其他成分，如脂 类、糖类和核酸也相继被认识和部分 纯化。 n1910年，德国科学家Kossel首先分 离得到了腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸 。 26 1953年Watson和Crick提出DNA右手双螺 旋模型（相关文章发表于Nature杂志） ，于1962年和Wilkins共享诺贝尔生理医 学奖。 James Watson (23y) 丹麦 哥本哈根 Francis Crick (35y) 剑桥大学 Cavendish Lab. 27 n同年，Sanger首次阐明了胰岛素的一级结 构，开创了蛋白质序列分析的先河，他于 1958年获诺贝尔化学奖。 n1954年Crick提出遗传信息传递的中心法 则。 28 n1955年,Sanger (英)确定牛胰岛素的一 级结构。 n1958年，Meselson和Stahl提出了DNA 的半保留复制。 n1965年,首次人工合成结晶牛胰岛素-中 国。 29 n1972年10月，保罗伯格（Paul Berg） Boyer等人创建了第一个重组DNA分子（ 发表于美国国家科学院院报） n1973年,基因重组技术建立.(美) 30 1985年12月，Mullis发明了PCR 技术(发表于Science)。1993年 Mullis与第一个设计定点突变的 Smith共享了诺贝尔化学奖。 31 1988年沃森（Waston）出任“ 人类基因组计划”首席科学家， 举世瞩目的人类基因组测序工 作开始启动。 32 n1996年，酵母基因组DNA的全部序列测 定工作完成。 n2000年6月26日，人类基因组工作框架 图绘制完成。 33 4 生物技术的应用 4.1 在农业方面的应用 植物基因工程是指植物学领域的基因工程，其 研究对象是植物。利用植物基因工程技术，改良 作物蛋白质成分，提高作物中必需的氨基酸含量 ，培育抗病毒、抗虫害、抗除草剂的工程植株以 及抗盐、抗旱等逆境植株，在当前农业生产中已 显示出巨大的经济效益，并展示了植物基因工程 在未来农业生产中的广阔前景。 34 4.1.1 品质育种 高产作物 n袁隆平被誉为“杂交水稻之父”，现在培育出的高光 效水稻2.25万公斤/公顷。 n高光效玉米6万公斤/公顷。 抗性育种 抗虫植物、抗病毒植物、抗盐碱作物、抗旱作物 、抗寒作物等。 35 n 固氮育种 n二十世纪50年代又发现了近百种固氮微生物， 有蓝藻、绿藻、细菌和真菌。这些固氮生物是 通过固氮酶完成的。人们正致力于把其基因转 移到其它作物上去，并分离出一些有利于硝酸 盐吸收和利用的基因，这将大大提高肥料的吸 收和利用。 36 4.2 生物技术在医药方面的应用 生物工程药物是利用生物工程技术制造的药 物，是生物工程服务于社会的一类新产品。 它和传统的化学药物以及从动、植物中提 取药物的最大区别在于生产过程。 通过基因工程或细胞工程培养出高产菌种 或动、植物细胞株，称为“工程菌”或“工程 细胞株”，再利用现代发酵技术大规模培养， 从中提取出所需药物。 37 医用活性多肽或蛋白质 用于抗病毒、抗肿瘤的药物，如干扰素和白细胞 介素等； 用于治疗心血管系统疾病的药物，如尿激酶原及 组织型溶纤蛋白酶原激活因子等； 用于防治传染病的各种疫苗，如乙型肝炎疫苗、 腹泻疫苗等； 用于体内起调节作用的激素，如胰岛素和其它生 长激素等。 38 单克隆抗体 n利用淋巴细胞杂交瘤株，通过大量细胞培养， 可制备出高度专一和生物学结构单一的单克隆 抗体（Monoclonal antibody，McAb）。 n它在生物和医学的基础研究，疾病的诊断、预 防和治疗中成为有力工具。 39 基因工程药物 n1977年美国加洲大学和国立医学中心将生长激 素释放抑制因子基因与大肠杆菌pBB322质粒DNA 实现了体外重组，并从10L这样大肠杆菌发酵 液中提取到5mg这种激素。按常规需要50万只 羊的脑才能提取。这是首次得到的基因工程药 物。 n用于体内起调节作用的激素有胰岛素和其它生 长激素等, 人生长激素、-干扰素、人绒毛膜 生长激素、促红细胞生成素、白细胞介素-2、 凝血因子、抗胰蛋白酶、尿激酶等。 40 基因治疗 n1990年美国成功地为一位患重症联合免疫缺陷 (腺苷脱氨酶缺陷)综合症的小女孩实施基因治 疗，原来只能终生在无菌隔离条件下生存，现 在回到了自然生活。 n近10年来，世界上已有近400种基因治疗方案 开始应用于临床，其中美国占了一半。 n我国转基因治疗计划已列入 “863”计划，并 已取得成果。复旦大学在血友病基因治疗方面 取得进展。 41 “生物导弹” n“生物导弹”是免疫导向药物的形象称呼，它由单克隆抗 体与药物、酶或放射性同位素配合而成，因带有单克隆抗 体而能自动导向，在生物体内与特定目标细胞或组织结合 ，并由其携带的药物产生治疗作用。 n向病人血液中注射用示踪量放射性物质标记的单克隆抗体 ，抗体将携带放射活性物质通过全身血液渗透到所有组织 。 n应用常规核医学显示微仪器扫描病人身体，就可以在摄影 底片上得到放射活性图像，放射活性密集的区域即肿瘤所 在部位。 42 “动物药厂” n早期的转基因药物是通过大肠杆菌生产的，分离 纯化十分困难，所以极其昂贵。现在则希望从转 基因动物的血液或奶中得到。 1998年初，上海医学遗传研究所传出了震惊世界的 消息：中国科学家已经获得5只转基因山羊。其中 一只奶山羊的乳汁中，含有堪称血友病人救星的 药物蛋白有活性的人凝血因子。 43 n目前，世界上已有数十家转基因动物公司，重 点研究通过动物乳汁生产贵重的药用蛋白质和 营养药物。 n荷兰一家公司用转基因牛生产乳铁蛋白，每年 销售额达数亿美元； n英国苏格兰罗斯林研究所（“多莉”克隆羊）用 转基因羊生产可治疗肺肿的一种蛋白酶。 44 抗生素 抗细菌抗生素 新生霉素（抗G+） 卡那霉素（抗G+及G-） 多粘菌素（抗G-） 利福霉素（抗结核菌） 抗真菌抗生素 n制霉菌素 n两性霉素B n杀假丝菌素 n灰黄霉素（抗皮肤真 菌） 45 氨基酸 可经发酵获得的氨基酸 Glu Lys Ala Arg His Ile Leu Phe Pro Thr Trp Tyr Val 可用酶法获得的氨基酸 Asp Ala Met Phe Trp Lys Tyr Cys 46 维生素 u维生素B2（核黄素） u维生素B12（氰钴胺素） u2酮基古龙酸（经转化后得维生素 C抗坏血酸） u类胡萝卜素（维生素A的前体） u麦角甾醇（维生素D2骨化素的前体 ） 47 4.3 生物技术在环保方面的应用 n选育可大量生产能源化学物质的工程菌，开发生物来源 的石油替代产品； n选育可降解工业和生活废弃物的工程菌，用以处理垃圾 ，变废为宝； n处理工业“三废”、石油泄漏等环境污染问题； n运用生物技术开发出能够将植物中的纤维素降解进而转 化为可以燃烧的酒精等新能源； n美国科学家已用基因工程培育出了一种能同时降解四种 烃类的“超级工程菌”。 48 4.4 在食品工业中的应用 n发酵生产食醋 C2H5OHO2CH3COOH+H2O n酒类（白酒、啤酒、葡萄酒、黄酒） n乳制品（酸牛乳、活性乳、面包格瓦斯 以及酸泡菜） n酱油（霉菌、酵母、