第1章 绪论.doc

生命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-现代生命科学的革命生物技术显著特点高技术（精细和密集的复杂技术）高投入（尤其是前期科研投入高）高利润第一章 绪 论现代生物工程的定义现代生物工程的发展历程现代生物工程的组成现代生物技术领域研究热点和发展趋势结束语1.4 现代生物技术领域研究热点和发展趋势生物芯片及其商业化趋势基因组、后基因组和基因治疗研究取得重要进展器官移植将成为新世纪临床医学的重要研究课题超级抗药性病原及其代谢活动后效应之危害与防治成年哺乳动物体细胞克隆技术有较大发展植物基因工程与现代农业发展新世纪老年生命科学必将加大研究力度发展环保产业是世界潮流开发核燃料铀的生物技术生物酶制剂研究出现新的增长点干细胞的研究及临床应用从人类基因组计划到基因组学From Human Genome Project to Genomics目 录一、基因、基因组和基因组学二、人类基因组计划三、模式生物基因组计划四、后基因组计划五、 人类基因组计划的伟大科学与经济意义一、基因、基因组和基因组学基因 (gene)：遗传功能的单位，是编码蛋白质或RNA分子的一段DNA序列 (Johansen, 1909)基因组 (genome，来自gene + chromosome) (Winbler, 1920)所有基因的总和（经典遗传学定义）一个细胞内所有染色体的总和（细胞遗传学定义）所有DNA分子的总和（分子遗传学定义）细胞核基因组和线粒体基因组 (仅16.6 kb).基因组学 (genomics)：研究基因组结构与功能的科学(Roderick, 1986)二、人类基因组计划n 启动 (1990年)人类的DNA序列是人类的真谛，这个世界上发生的一切事情，都与这一序列息息相关。 Dulbecco, 1986n 国际大合作：美国、英国、日国、法国、德国、中国. 6个国家n “公”与“私”的竞争：Francis Collins 和 J. Craig Ventern 测序策略：Shotgun 方法：随机打断成小片断 测序 计算机拼接组装 (共复盖了8次)n 测了何人的基因组？共5人 (2男，3女)美国黑人 1亚洲中国人 1西班牙裔墨西哥人1白种人 2n 工作框架图的完成 (2000年6月26日)框架图 覆盖率为90的序列图n 人类基因组的初步分析结果 (2001.2.12)覆盖率95 平均测序精度99.96 主要结果： 蛋白质编码基因数在2.7万至4万之间（但最新的估计在6.5万至7.5万之间） 35 以上是重复序列19号染色体上有57 的重复序列 人与人之间99.99 %的基因组序列是相同的 单核苷酸多态性 SNP (Single Nucleotide Polymorphisms)非随机分布具有重大的医学意义：SNP通常是无害的，但相当多的SNP与各种疾病息息相关。疾病的早期预报、基因治疗、个体化的药物 。 在人类基因组中存在大片的渺无“基因烟”的荒漠地区，也有基因密集的“热门”区域。17、19、22号染色体基因密度最高；X，4，18和Y染色体基因密度较低。三、模式生物基因组计划n 地球生物圈约有140万余种物种，其中约2 至少有一段 DNA序列被测定。 真核生物 12500 种 哺乳动物 4200 种 真 细 菌 3600 种 古 细 菌 180 种 病 毒 1750 种n 模式生物：小鼠、线虫、拟南芥、果蝇、水稻、酵母、古细菌、真细菌、病毒 。n 比较基因组学 (Comparative Genomics)四、人类基因组计划伟大的科学与经济意义n 继 H. Gray 人体解剖图发表以来，HGP的完成提供了“第二张人体解剖图”，对生物特别是医学将引起革命性的飞跃。n 肿瘤 (特别是癌症) 将彻底被攻克。n 高血压、心脑血管病、糖尿病、恶性传染病等将找到根本性的预防和治疗方法。人类的寿命将大幅度地延长。n 大规范的基因资源的开发，将带动生物医学的飞跃发展和产生巨大的经济效益，将整个人类带入生物学世纪。 人类的DNA序列是人类的真谛，这个世界上发生的一切事情，都与这一序列息息相关。 R. Dulbecco, 1986 一、人类后基因组时代的特点人类首次了解了自身的基因序列，了解了很多远亲生物的基因序列人类正在面对指数扩增的基因序列资料和各种数据库人类面临的挑战是如何将基因序列资料转变为有用的知识，进而让这些知识服务于人类，使之能够造福于人类的健康。二、后基因组计划主要内容n 结构基因组学n 功能基因组学n 比较基因组学n 蛋白质组学 (Proteome 来自 Protein + Genome) (Wasinger, 1995) 定义：由一个细胞或一个组织的基因所表达的全部蛋白质。 与基因组学的比较，同：整体；异，固定与动态。 主要技术手段：双向凝胶电泳，质谱技术。n 药物基因组学 (Pharmacogenomics)研究药物作用的遗传分布，通过全基因组扫描来寻找遗传多胎性，用于药物设计和发现，是药物个体化的基础。是生物制药学研究的热点。n 中药基因组学n 肿瘤基因组学n 环境基因组学 (Environmental Genomics) 与分子流得病学在分子水平研究环境与人类疾病的相互关系，着重研究引起疾病的DNA片断与环境暴露的相互关系。n SNP与人类基因组多样性计划 (Humcm Genome Diversity Project) 瑞典Karolinske研究所，英国EBI，德国EMBL，英国Hybaid公司联合成立风险投资建立SNP数据库HGBASE (Human gene bi-allelic sequence)(eractiva.de)收集cSNP及iSNP数据。 在人类基因组中平均每1 000 bp就有一个SNP 研究药物的利器 研究人类起源和迁徒的重要工具 中国的SNP计划正在启动n 基因表达谱分析与DNA芯片技术n 生物信息学三.、后基因组时代研究的重要方向1.单基因遗传病的致病基因研究和基因诊断我国有丰富的疾病资源，特别是一些我国特有的单基因遗传病家系，可提供良好的基础发的新的致病基因.2.复杂性疾病的相关基因研究和疾病易感性分析在复杂性疾病的中，由于基因的变异加环境和生活习惯等因素的共同影响，使得每个人对不同的疾病的易感性不同。基因变异的一个重要的指标是单核苷酸多态性。单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms， SNPs）不同个体间在基因水平上的单核苷酸变异，平均每1000对硷基出现一个SNP,2个无关个体间有300万SNPs.SNP研究为了解疾病的发病机理，疾病的诊断及疾病易感性研究提供基础。位于外显子区并改变氨基酸序列的SNP以及位于基因表达调控区的SNP可能具有重要临床意义和功能意义生物信息学可提供SNP的数据库和功能预测可能具有重要功能意义的SNP位于外显子区并改变氨基酸序列的SNP位于基因表达调控区如启动子、增强子、转录因子结合区、加尾信号的SNP位于外显子和内含子交界区域的SNP3.药物基因组学研究与个体化治疗在临床上对同样一种疾病使用同一种药物，不同的个体对药物的敏感性和毒性反应有很大的区别，这种区别主要由基因决定的,特别是药物靶点基因、药物代谢基因等的单核苷酸多态性，影响了药物作用的强弱和药物代谢的不同。4.人类功能基因组学研究 以全基因组为背景，开展人类基因及其编码蛋白的功能研究。目前虽然完成了绝大部分基因的序列分析，但约60%的人类基因的功能未知。目前认为人类有3.2万个基因，其中1.5万已知功能，1.7万未知功能。人类功能基因组学研究涉及众多的新技术，包括生物信息学技术、生物芯片技术、转基因和基因敲除技术、酵母双杂交技术、基因表达谱系分析、蛋白质组学技术、高通量细胞筛选技术等。人类功能基因组学必须多学科协作生物信息学是人类功能基因组学研究的必要工具5.基于基因组的新型药物（Genome-based drug）利用反向生物学原理，根据人类基因序列数据，经生物信息学分析、高通量基因表达、高通量功能筛选和体内外药效研究开发得到的新药候选物。人类基因组与生物技术产业一个人类基因有可能带动和形成一个生物技术产业。例如基因工程的胰岛素、干扰素等基因的开发研究基因组药物、基因芯片、基因诊断、基因治疗、实验室仪器试剂、基因数据库和分析软件等人类基因组为药物开发提供了新源泉 迄今已应用的人类药物靶标约500种，包括受体、酶、信号转导分子等。开发成功的药物约2000种。估计人类基因组中3-4万个基因中，约5000个基因产物可成为潜在的药物靶标人类基因组为药物开发提供了新源泉 迄今已应用的人类药物靶标约500种，包括受体、酶、信号转导分子等。开发成功的药物约2000种。估计人类基因组中3-4万个基因中，约5000个基因产物可成为潜在的药物靶标基因组药物的种类基因工程重组蛋白质药物以人类基因编码蛋白为靶标的化学药物以人类基因编码蛋白为靶标的人源化抗体反义核酸类和RNA类药物基因治疗国际新药开发的三个浪潮基因组学：药物靶标发现、反义治疗、基因治疗蛋白质组学：药物靶标评价、药物筛选、抗体治疗、重组蛋白质治疗分子设计：蛋白质结构确定、蛋白质工程、以结构为基础的小分子药物设计6.基因治疗将人类基因导入人体，纠正缺陷基因或辅助机体抵抗疾病。具有良好开发前景，但近期离产业化尚有距离。7.生物信息学（Bioinformatics）生物信息学需要处理指数扩增的海量基因和蛋白质序列资料核酸序列的生物信息学分析结构域分析（基因组序列注释）包括启动子、转录因子结合序列、内含子、外显子、重复序列、开放读码框架等。同源分析和检索，包括Nr数据库、EST数据库、STS数据库、Unigene数据库、Swissprot数据库、HTGS数据库等。基因突变分析 包括EST数据库，SNP数据库等Data-mining 从基因数据库发掘重要的功能基因蛋白质一级结构分析：结构特点分析，包括等电点、信号肽、穿膜区、DNA结合序列等同源分析和检索，包括Nr数据库、Swissprot 数据库等功能区分析，包括Prosite、Emotif、Identify分析等。蛋白质空间结构分析：蛋白质晶体结构数据库检索，如PDB数据库。蛋白质空间结构预测，如Homology等软件分析。人类功能基因研究的二级数据库要求提供未知功能的靶基因cDNA、基因组DNA、编码区蛋白质序列，应有EST序列的支持。提供蛋白质一级结构信息数据，包括等电点、穿膜区、核定位信号、DNA结合域、功能区、特殊结构分析结果等提供核酸和蛋白质序列同源性分析的结果（应定期更新）提供外显子、内含子、启动子等基因组结构的图谱提供表达谱分析8。蛋白质组学（Proteomics）研究细胞或组织的基因组表达的全部蛋白质（表达蛋白质组学，Expression proteomics）通过细胞内蛋白质复合物研究蛋白质与蛋白质的相互作用（细胞作图蛋白质组学，Cell-map proteomics）双相电泳技术和质谱技术是蛋白质组学研究的最重要技术9。结构基因组学高通量的蛋白质三维结构分析，为蛋白质的功能研究和药物设计提供基础10。模式生物和病原生物基因组学对其它生物进行全基因组序列分析,开展比较基因组学（comparative genomics）研究。迄今至少已有5种真核生物，38种微生物完成全基因组序列分析异种器官移植中的免役排斥首先要克服的障碍是移植后发生的免役排斥反应。这可通过转基因技术得到解决，即建立免役排斥相关基因转基因猪，如：可先将少量的人类基因注入到一至两个细胞阶段的猪胚胎中去，得到一两只会天然产生这些保护性蛋白的转基因小猪。这些特别培育的家猪的器官组织由于已能经得起人类的补体，因而也就可以存活在人类的血液中间了。 例如：不含“排斥基因”的克隆猪这种“基因敲除”基因克隆猪敲除了引起移植排斥反应的“祸首”一种特定基因，从“源头”上减少甚至消除了引起排斥反应的可能性。 关闭一个受人体排斥的基因3-半乳糖转移酶（GT）基因。GT基因控制一种酶，这种酶使猪细胞表面产生一种糖类物质。当猪器官或细胞被移植给人体时，人类免役系统能识别这种酶，从而产生强烈的排斥反应，把移植来的器官或细胞视为外来异物进行攻击。 最新进展灵长类动物克隆成功华人科学家于2000年左右成功利用胚胎分裂法复制两只恒河猴。这是人类第一次克隆出与人最类似的灵长类动物。 转基因克隆技术 转基因新物种，但繁殖？克隆快速繁殖，但创造性？两者结合？转基因克隆哺乳动物，使之成为用途广泛的“活体生物反应器” 。大大降低转基因动物制作的技术难度和投入成本。当今动物克隆技术最重要的应用方向之一是高附加值转基因克隆动物的研究开发。 克隆技术存在的问题技术上尚不成熟得到的克隆动物具有极大的偶然性和随机性。迄今为止，克隆试验的成功率始终很低。例如，在培育多莉的过程中，科学家共克隆出个绵羊胚胎，最终成功使母羊受孕并生产的只有多莉一个。目前，多莉羊的制备还不能重复，更不能肯定克隆多莉羊的方法也适用于其它动物或其它不同组织器官的细胞。克隆动物的体细胞突变、寿命及其它遗传问题 克隆动物夭折率高，不少克隆动物天生患有疾病或体形过大。 克隆动物没有遗传物质的交流和互补，将会加剧一些遗传疾病的发生。 是否是完全的“复制”1、克隆则是一个过程，克隆产生的个体还需进行胚胎发育和胎后发育。克隆与其原本尽管基因相同，所处环境却绝不会相同。2、虽然克隆个体是由核移植产生的，但由于重建细胞的细胞质并非来自原本，而我们知道细胞质中也有遗传物质，它们必然会对个体产生影响，所以不能把克隆个体看成是原本的复制品。是否是倒退？可应用性有性生殖是历史进化的结果，利于种族繁衍和生存。选择无性生殖克隆的方式不利于遗传多样性的保护。社会学和伦理学问题一个例子人+动物中山医科大学陈系古教授等于2001年1月以来，先后使用“核移植”技术，将人类皮肤细胞核移植到家兔卵母细胞中，经过多次实验，成功克隆出多个人类胚胎，其中部分发育到“桑葚胚”阶段。这是国际上首次用该技术克隆出人类胚胎。但有些学者就对在家兔卵母细胞中克隆出人类胚胎的提出质疑，认为这是违背人类伦理的“科学”实验。克隆人制备过程科学家们计划将普通的男性细胞或者是主体细胞和一枚女性卵子结合起来，储存于女性卵子中的遗传信息将事先被消除。通过细胞分裂形成的胚胎应只带有这名男性的全部遗传信息，最后将胚胎移植到女性子宫中。当然，如果一对夫妇愿意的话，也可以克隆女性。克隆的漫漫长路1938年汉斯.斯皮曼建议用成年的细胞核植入卵子的办法进行哺乳动物克隆。1952年运用斯皮曼的构想，出现世界上第一只克隆青蛙。1962年约翰.格登宣布他用一个成年细胞克隆出一只蝌蚪，从而引发了关于克隆的第一轮辩论。1984年斯蒂恩.威拉德森用胚胎细胞克隆出一只羊。这是第一例得到证实的克隆哺乳动物。1996年第一个用成年哺乳动物细胞克隆出的个体克隆羊多莉出世了。1997年美国总统克林顿决定5年之内禁止用联邦基金资助克隆人的计划。2000年美国科学家用无性繁殖技术成功地克隆出一只猴子“泰特拉”，这意味着克隆人在技术上已有可能。2001年美、意科学家联手展开克隆人的工作。课堂讨论问题一：克隆人是不是正常的人？解答：不管克隆技术怎样发展，克隆人怎样产生，都是人，与被克隆人实质上是存在着年龄差的同胞胎，正是这一点让人们觉得很难应对克隆人出现的伦理关系。问题二：克隆人有没有心灵？解答：克隆人同正常人一样有情感和感受，但克隆人的情感和被克隆人并不一样。一个广为人知的例子就是克隆希特勒，他是否会制造一场屠杀浩劫？虽然一个人的性格一部分由基因决定，是天生的，但外部环境对形成一个人的性格起更大作用。如果克隆的希特勒生活在现在的美国，这时全世界都是处于稳定繁荣状态，这个希特勒与生活在战后的德国充满仇恨和一片废墟的希特勒性格是不一样的。所以，伟大的历史人物、英雄是很难重生的！问题三：身体上任何一部分的细胞是否都可以用来克隆？解答：不是，具体情况研究人员也不太说得清，他们认为，一种称为干细胞的细胞，制造起来较为方便。这种遍布全身的细胞，可以产生多种其他细胞，即使在头发上也可找到。问题5：人可以无休止地被克隆吗？解答：克隆羊多莉刚出生时，它的染色体却告诉我们：当它离开母体时，就已经有好几岁了。苏格兰罗斯林研究院的科学家们对多莉的染色体做了仔细的研究，发现其染色体末端，即端粒，比同龄的普通绵羊短。科学家认为，端粒是决定细胞老化的主要因素，端粒越短的细胞越接近死亡。变短的端粒或许表明遗传的蓝本会随着时间流逝而老化，无休止地克隆一个动物是不可能的。小结一、技术上克隆人类胚胎技术面临哪两大难题? 以已经成功地克隆出了第一个人类早期胚胎的美国马萨诸塞州的先进细胞技术(ACT)公司的研究为例：首先：获得人类卵细胞和干细胞价钱这种卵细胞是相当昂贵的。医院至少要支付卵细胞捐赠者3000到5000美元的费用，而先进细胞技术公司为了从事这项研究从7名妇女身上获取了71枚卵细胞，其成本之高可见一斑。而且从人体获取卵细胞的程序相当复杂，上述妇女都接受了医疗手术，如果手术不成功极容易留下伤疤。进行动物克隆实验的研究人员则不必担心得不到足够的卵细胞，例如，牛的卵细胞可以很便宜地从屠宰场获得，否则的话屠宰场拿这些卵细胞也没什么用。最近，美国洛克菲勒大学的科学家皮特-莫巴伊茨表示，4000只老鼠卵细胞成本仅2000美元，但如果换作人类卵细胞则高达200万美元。即便科学家从10名捐赠者身上提取100只卵细胞，仅支付给捐赠者的报酬也至少在5万美元以上。再加上处理这些卵细胞的医疗费用，莫巴伊茨估计最终每只卵细胞的成本将超过1000美元，这意味着治疗一位病人的费用至少在10万美元以上。过程相当繁琐，其效率并不比克隆动物高多少。在19枚被进行细胞核转移以便分裂成胚胎的卵细胞当中，没有一枚卵细胞顺利度过分裂成6个细胞的这一阶段。干细胞的获取而干细胞则必须是从100个细胞以上的胚胎中获得的。因此，卵细胞的溃乏以及成本之高将成为利用上述克隆技术治疗人类疾病的主要阻碍因素。其次：专业技术人员缺乏从事克隆研究也需要拥有专业的技术。这也正是很多科学家都估计还要等上10年甚至20年克隆人类胚胎技术才能被应用于临床领域的原因。转基因抗虫害植物无机污染物的生物治理绿藻消除磷酸盐硝酸盐有机污染物的生物治理还原脱氯细菌含氯有机化合物（氯乙烯、氯乙烷、氯苯、氯苯酚和聚氯联二苯等）可在厌氧微生物的作用下，进行还原脱氯反应。还原脱氯产物无毒性或毒性较小，而且容易被嗜氧微生物降解。发展生物可降解塑料通过微生物发酵途径生产塑料物质PHB（聚羟基丁酸脂）通过转基因植物生产PHB或其共聚物（PHBV） 基因工程菌生产植物酶通过基因工程技术构建的“工程毕赤酵母”高等动物产生的端粒酶通过“酶分子定向进化”技术改进的各种酶-乙酰乳酸脱羧酶的定向进化： 啤酒发酵过程中形成的-乙酰乳酸可经非酶氧化脱羧形成双乙酰.这一阶段是啤酒发酵过程必然经历的。当双乙酰含量超过0.15mg/L时,啤酒就会产生类似馊饭的味道,同时形成双乙酰的过程需要很长时间。所以双乙酰含量的控制已经是啤酒成熟不可缺少的指标。-乙酰乳酸脱羧酶(- ALDC)可直接将啤酒发酵过程中的-乙酰乳酸(-acetolactate)转化为乙偶姻(acetion),而不经过形成双乙酰(diacetyl)这一阶段（见下图）。这不仅可以改善啤酒的风味.而且可大大缩短啤酒发酵时间,节省能源,降低生产成本。 目前,已经从多种细菌中克隆到-ALDC基因,并在大肠杆菌中得到高效表达,并且有的已经整合到酿酒酵母体内.然而,不同来源的-ALDC最适温度一般都在3545,而啤酒发酵要求的温度一般在15以下，此温度下-ALDC酶活力仅达最高活力的15-20%。所以，需要对-ALDC进行改造，使之更加适合啤酒发酵的条件。 易错PCR法制备突变体是一种新的生物诱变技术，它的基本原理是在扩增产物中使之含有与模板核苷酸序列相异的碱基。因此，用PCR介导可产生核苷酸的改变、缺失或插入。由于某些热稳定DNA聚合酶（如TaqDNA聚合酶）不具备3 5外切酶活性，所以在链延伸过程中不可避免地存在一定的核苷酸掺入。调整PCR反应体系中核苷酸、酶及镁离子用量，可以获得没有突变序列倾向性的突变体系。由此可通过快速筛选的方法，从突变体库中筛出具有特殊性质的突变个体。据此，本实验探索并建立了利用易错PCR法制备-ALDC突变重组个体库的筛选体系，并且得到了几株酶活较高的菌株。 超氧化物歧化酶（SOD）的定向进化SOD：是体内超氧负离子自由基的专一性清除剂。在体内自由基的产生与消除的动态变化过程中起关键作用。自由基：在细胞代谢过程中产生的带有未配对的自由电子的高活性化合物。细胞衰老的自由基理论：自由基导致细胞结构和功能的改变，导致细胞的衰老一、什么是干细胞？干细胞(stem cell)是具有无限期产生各种分化细胞能力的细胞。它是各种干细胞的统称。通常认为干细胞有几个主要特征：它们是未分化的，但具有分化成各种特定细胞的能力；它们可无限地分裂产生大量后裔;其子细胞有两种命运，保持为干细胞或分化为特定细胞。二、干细胞分类Totipotent stem cell: 全能干细胞, 如受精卵pluripotent stem cell: 多能干细胞，如囊胚中的内囊细胞multipotent stem cell: 专能干细胞，如造血干细胞三、怎样得到 pluripotent stem cell?来自于人的胚胎John D.Gearhart在Johns Hopkins大学领导的一个研究小组也从人胚胎组织中建立了干细胞株。他们的方法是：从受精后59周人工流产的胚胎中提取生殖母细胞( primordial germ cell )。由此培养的细胞株，证实具有巨能干细胞的特征。伦理道德问题是在研究利用胚胎干细胞的所面临的最大的困扰之一成年个体的干细胞研究成体干细胞研究是干细胞研究中最激动人心的部分。它可以有效地防止组织排斥，可以避免伦理学、法律系方面的争论。成体干细胞是否具有胚胎干细胞那样的分化潜力？大量的动物实验证明了成体干细胞具有很强的分化能力。1999年4月美国奥西里斯治疗公司的研究人员成功地从成年人的骨髓中分离出单个的间质干细胞。1999年4月美国加州大学洛杉叽分校和匹兹堡大学的研究人员成功地从成年人的脂肪中分离出干细胞。不到半斤脂肪能产生5000万-1亿个干细胞外周血和脐血干细胞治疗血液病和肿瘤。例如：白血病、肢端血管坏死四、干细胞的应用价值人类胚胎干细胞研究的重要性至少表现在以下几个方面：生物学与医学基础研究：人类干细胞是机体早期发育的极好模型。过去，人类发育生物学研究经常受到很多实际问题和伦理学的限制，因此只有使用动物模型。有了胚胎干细胞就可以直接在人类组织上研究早期发育出现的复杂事件和细胞分化的原初过程。关键是找到特定的因子，它们控制着与发育和分化过程相关的基因的打开和关闭。这一研究也必然为了解非正常细胞分化（如：肿瘤等）的原因提供线索。医疗实践：细胞移植、药物设计五、干细胞研究在中国由于我国目前的家庭结构以独生子女为主体，能提供具有相同或相关基因的干细胞的可能性较其他国家低，因此是干细胞及其衍生组织需求的大国。我国的干细胞研究和应用已有一定的基础，其中研究和应用的最多的是造血干细胞。20世纪60年代骨髓移植研究20世纪70年代末80年代初临床骨髓移植治疗血液病20世纪90年以来，外周血和脐血干细胞移植治疗血液病和肿瘤1.1 现代生物工程的定义 现代生物工程也称生物工艺学(biotechnology或bioprocess)，一般称为生物技术。目前，对于生物工程还没有一个统一的定义。一般意义上讲。生物工程(生物技术)是以生命科学为基础，利用生物体系和工程学原理生产生物制品和创造新物种的一门综合技术。换言之，就是利用生物有机体(从微生物直至高等动物)或其组成部分(器官、组织、细胞等)发展新工艺或制造新产品的一种科学技术。1.2 现代生物工程发展历程第一代生物工程近代生物工程现代生物工程 1.2.1 第一代生物工程生物技术的历史悠久，4000多年前我国就有以酿酒为代表的古老生物技术。但是，这时的生物技术完全凭借经验。1680年列文虎克制成了显微镜后，人们才知道有微生物的存在。1857年，巴斯德证实酒精发酵是由活酵母引起的。随后才逐渐了解到其他不同的发酵产物也是由不同微生物的作用而形成。至此，古老的生物技术才开始得到迅速的发展。19世纪末到20世纪30年代这段时间不少工业发酵过程陆续出现，如：乳酸、酒精、面包酵母、丙酮、柠檬酸、淀粉酶等的生产。至此，以工业微生物过程生产发酵产品为代表的真正意义上的生物工程才正式诞生了。但是，上述产品大多数是嫌气发酵过程的产物，产物的化学结构比较简单，属于初级代谢产物。同时生产过程也比较简单，对设备的要求不高，规模不大。1.2.2近代生物工程20世纪40年代第二次世界大战时期，军队需要一种有效而副作用小的抗细菌感染的药物来治疗因创伤引起的感染及继发性疾病。1928年英国人弗莱明发现了青霉素，1940年由弗罗里和钱恩等实现了人工提取并经过临床证实具有卓越疗效和低毒的青霉素，但是大规模制备却非常困难。1941年美国和英国开始合作对青霉素的大规模生产技术进行研究和开发，终于在1943年开发出一条青霉素沉浸培养工艺，采用带有机械搅拌和通气的密闭式发酵罐对青霉菌进行培养并用离心萃取机和冷冻干燥机把青霉素从发酵液中提取出来并进行精制，从而使青霉素的产量和质量大幅度提高。不久，链霉素、金霉素、新霉素等相继问世。抗生素工业的兴起标志着工业微生物的生产进入了一个新的阶段。抗生素生产的经验很快地促进了其他发酵产品的发展，最突出的是20世纪50年代氨基酸发酵工业及60年代出现的酶制剂工业。与第一代生物工程产品相比，这一个时期的特点是：(1)产品类型多，包括初级代谢产物、次级代谢产物，以及生物转化，酶反应等产品。(2)技术要求高，生产过程需在无菌条件下进行。(3)大多数过程为好气发酵。(4)发酵规模巨大。1.2.3 现代生物工程1953年美国的沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构，为DNA的重组奠定了基础。1974年美国的波依耳和科恩首次在实验室中实现了基因的转移，从而使人们有可能在实验室中组建按照人们意志设计新的生命体。20世纪70年代后，随着基因重组、细胞和组织培养、酶的固定化、动植物细胞的大规模培养、现代化生物反应器和计算机的应用以及产品分离、纯化等技术的迅速发展，生物工程进入了新的发展阶段现代生物工程阶段。以重组DNA等先进技术为核心的现代生物工程技术的创立和发展，为生命科学注入了新的活力，它所提供的实验方法和手段极大地促进了传统生物学科如植物学、动物学、遗传学、生理学、生物医学等的深入研究。同时，现代生物工程目前也已被广泛地用于食品、化学、农业及环保等领域，为这些行业带来了新的技术革命。这期间的现代生物技术及其产品的特点是运用了DNA重组、细胞融合等技术的成果。一些正在开发或已经开始生产的DNA重组技术产品有：干扰素、胰岛素、生长激素及其相关因子、淋巴细胞活素、血纤维蛋白溶解剂、疫苗、胸腺素、白蛋白、血因子、促红细胞生长素、促血小板生长素、降血钙素、绒毛促性腺激素、抗血友病因子、乙型肝炎疫苗，以及氨基酸、食品加工酶、单细胞蛋白、生物杀虫剂、生物杀菌剂、生物完全降解塑料等等。其中最具代表性生物技术产品为转基因生物与克隆动物的出现。目前美国40以上的农田种植了经过基因改良的作物；我国的转基因农作物和林木已有22种，转基因棉花、大豆、马铃薯、烟草、玉米、花生、菠菜等已进行了田间试验，其中抗虫棉已开始规模化商品生产。1996年7月英国首次成功地采用成体体细胞克隆出绵羊“多莉”更是一项里程碑式的现代生物工程成果。而这项成果就属于现代生物工程的一个主要领域细胞工程。1.3 现代生物工程的组成微生物工程酶工程基因工程蛋白质工程生化工程细胞工程1.3.1 微生物工程微生物工程是指通过现代工程技术，利用微生物的生长代谢活动产生的各种生理活性物质来生产商业产品的一种技术。它是传统的发酵工程与现代生物工程中的基因工程、细胞工程、蛋白质工程和酶工程等相结合而形成的一门综合性的技术领域。 发酵工程是最古老的生物工程技术，也曾经是生物工程的主体技术；它是生物技术实现工业化的基础，包括了整个生物工艺过程。随着微生物技术的快速发展，微生物工程已经走出了曾给它带来里程碑转折发展的发酵罐时期。广泛应用于发酵罐以外形式的环境保护、细菌冶金、细菌勘探、和能源开发等领域，特别是基因工程菌的大量使用。微生物工程包括菌种选育、菌体生产、代谢产物的发酵以及微生物机能的利用等。现代微生物工程利用的发酵对象除包括传统的天然微生物外，还包括动物和植物细胞、重组细胞、基因工程菌等。 应用范围大致包括以下方面 （1）在食品工业中的应用，这是微生物技术最早开发应用的领域。包括食品加工如单细胞蛋白生产、含醇饮料的酿造、发酵食品的生产等。（2）在医药卫生中的应用，利用微生物工程从各个方面改进医药的生产，开发新的药品，改善医疗手段，提高医疗水平。它包括医用抗生素的生产、医用氨基酸、医用维生素、疫苗的生产、医疗用酶、酶抑制剂、其他发酵药物和基因药物（如，人胰岛素）的生产等等。（3）在轻工业中的应用，由微生物可以生产许多用于轻工业加工的酶，如糖酶、蛋白酶、果胶酶、脂肪酶、凝乳酶、过氧化氢酶等。（4）在化工能源产业中的应用，利用微生物生产人类需要的化工能源产品。（5）在农业领域中的应用，高效环保的微生物农药、生物除草剂、生物增产剂及食用菌和药用真菌的生产。（6）在环境保护中的应用，利用微生物处理技术代替传统的焚烧和化学处理法来处理有毒废弃物，降低了成本同时避免了新的污染 1.3.2 酶工程 酶工程就是利用酶的催化作用，采用适当的生物反应器工业化地生产人类所需的产品或是达到某一特殊目的的一门生物工程技术。它是酶学理论与化工技术相互渗透结合、发展而形成的一门高新技术科学，是现代生物技术的重要组成部分。酶工程中开发生产的酶主要有六大类，即氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂解酶类、连接酶类和异构酶类。 酶工程的应用主要集中于食品工业、化学工业、医药工业等领域。例如，固定化青霉酰胺酶可以连续裂解青霉素，生产6氨基青霉烷酸；淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶三酶连续作用于淀粉，就可以代替蔗糖生产出高果糖浆；蛋白酶用于皮革脱毛、脱胶以及洗涤剂工业；固定化酶可以治疗先天性缺酶病或是器官缺损引起的某些功能衰竭等。日常生活中常见的加酶洗衣粉，嫩肉粉等，就更是酶工程最直接的体现了。当代酶工程发展的趋势之一是寻找耐极端条件的酶，如耐高温、耐低温、耐酸碱耐盐等。从酶工程的进展和动态中可以预料，今后将会出现一批基因工程表达的酶制剂，并会出现一个应用经过分子改造与修饰的酶制剂的热潮。在酶活性的控制方面将会有较大的突破，其中酶抑制剂与激活剂仍将受到极大重视，并在临床及工农业生产中发挥重要作用。在化学合成工业中，酶法生产将有重大贡献，模拟酶、酶的人工合成、抗体酶、杂交酶将成为活跃的研究领域。 1.3.3基因工程基因工程（gene engineering）又称为重组DNA技术，是指按照人们的意愿将DNA分子（目的基因）与基因载体进行重新组合，再将重组分子导入受体细胞内，产生出人们所期望的产物，或创造出具有新遗传性状的生物类型的一门技术。基因工程一般包括四个步骤：一是取得符合人们要求的DNA片段，这种DNA片段被称为“目的基因”；二是将目的基因与质粒或病毒DNA载体连接成重组DNA分子；三是把重组DNA分子导入受体细胞，并在其中扩增与表达；四是把目的基因能表达的受体细胞筛选出来。1982年美国LUy公司首先将重组胰岛素投放市场，标志着世界第一个基因工程药物的诞生。现有或正在开发中的基因工程药物大致有以下几类：单克隆抗体、疫苗、基因治疗药物、干扰素、白介素、生长因子、重组可溶性受体、反义药物、人生长激素、织纤溶酶原激活剂、凝血因子、集落细胞刺激因子、促红细胞生成素及SOD等。仅美国就已经批准了40余种基因工程药物、疫苗和注射用单克隆抗体。 1.3.4蛋白质工程蛋白质工程主要是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础,通过有控制的基因修饰和基因合成,对现有的蛋白质进行定向改造,设计、构建并最终生产出性能比自然界存在的蛋白质更加优良、更加符合人类社会需要的新型蛋白质蛋白质工程是20世纪80年代初诞生的一个新兴的生物技术领域, 由于蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，在技术方面有诸多同基因工程技术相似的地方，因此蛋白质工程也被称为“第二代基因工程”。基因工程原则上只生产自然界中已经存在的蛋白质，而大自然的创造并非完美无缺，无论对于社会生产还是对于人类生活，现存的蛋白质都有许多不尽如人意之处 蛋白质工程通过定位的或有控制的基因修饰提供了改变蛋白质结构与性能的最有效的实用方法和技术途径，使天然蛋白质的改造成为可能。同时通过基因合成，蛋白质工程还有可能制造结构和性能全新的蛋白质。 蛋白质工程的研究方向主要包括以下两个方面： (1)基因水平上的蛋白质改造：通过基因融合或基因定位诱变等手段改变蛋白质的结构和功能；将DNA合成技术用于蛋白质功能片段多肽基因的合成，可创造结构和功能全新的蛋白质。 (2)蛋白质修饰：酶工业上，对蛋白