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现代生物技术 吴鹏举2007年3月电话 22861980mail pengjuwu 本章主要内容 一 生物技术的含义二 生物技术的产生和发展三 现代生物技术的应用与前景 一 生物技术的含义 1 1对科学和技术的理解1 2生物学与生物技术1 3生物技术的主要内容 1 1对科学和技术的理解 科学与技术及工程的关系人类在实践中发现的客观规律称之为 科学 当人们运用这些规律去创造出成果时需要经过三个转化过程 第一个转化是应用规律去发明一些称之为 技术 的方法和手段 如工具 设备 第二个转化是运用技术去设计出要求的工作目标 被称为 工程 第三个转化是按照设计好的目标去实施之 创造出物质化成果 科学最早由哲学家提出 进行研究 得出规律 成为科学 科学用于解决实际问题就是技术 我国著名砖建李国豪院士有一个很好的比喻 他说科学树根 技术是树干和大的树枝 众多的树叶就是工程 思考 中国古代有科学和技术吗 有 吴文俊等的观点 没有 为什么 竺可桢 爱因斯坦等李约瑟难题 1 2生物学与生物技术 生物学 是研究生物各个层次的种类 结构 发育和起源进化以及生物与周围环境的关系的学科 人也是生物学研究的对象 现代生物技术 以现代生命科学为基础 结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理 按照预先的设计改造生物或加工生物原料 为人类生产所需产品或达到某种目的 即现代生物工程技术 标志 1953年 Watson Crick发现了DNA的双螺旋结构 及其后来DNA重组技术的的发展 现代生物技术特征1 生物技术的多学科性和综合性2 微生物 动植物作为生物催化剂 有别于化学催化剂3 最终目的将生物反应开发成为工业生产的工艺过程 即生物反应过程 Bioprocess 生物技术的上 中 下游过程上游过程 反应前的加工 最重要的是提供和制备高产优质和足够数量的生物催化剂 即应用常规选育 基因工程 细胞工程和酶工程手段获得优良菌株 细胞系或固定化的菌体等中游过程 生物反应器为中心下游过程 反应后的工序 从反应液中提取目的产物加工精制成合格产品 传统生物工程与现代生物工程的区别传统生物工程 利用现有的生物类型或生物机能为人类服务现代生物工程 按照人们的意愿和需要创造全新的生物类型和生物机能 1 3生物技术的主要内容 基因工程细胞工程蛋白质工程酶工程微生物工程 基因工程 它是一项将生物的某个基因通过基因载体运送到另一种生物的活性细胞中 使之无性繁殖 称之为克隆 和行使正常的功能 称之为表达 从而创造生物新品种或新物种的遗传学技术 细胞工程是指以组织 细胞和细胞器为对象进行操作 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 最终获得人们所需要的组织 细胞或个体 酶工程 利用酶 细胞器或细胞所具有的特异催化功能以及对酶进行的修饰改造 并借助生物反应器生产人类所需要的一项技术 蛋白质工程 以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础 通过所控制的基因修饰和基因合成 对现有蛋白质加以定向改造 设计 构建 并最终产生出性能比自然界存在的蛋白质更加优良 更加符合社会需要的蛋白质 微生物工程 发酵工程 利用生物的生命活动产生的酶 对无机或有机原料进行酶加工 生物化学反应过程 获得产品的工业 其主体是利用微生物进行反应的工业 处于生物工程的中心地位 这个5个方面的技术并不是各自独立的 它们彼此之间是相互联系 相互渗透的 其中基因工程处于核心位置 发酵工程是生物工程的主要终端 二 生物技术的产生和发展 第一代生物工程技术产品 远古时代公元前6000年前 苏米尔人即古代巴比伦人酿造啤酒公元前4000年前 古代埃及人发酵面包我国的先民在仰韶时期 公元前5000年 公元前4000年 就利用小口尖底瓮保温发酵酿制谷芽酒 并在该容器内澄清 饮用 到了大汶口时期 公元前4300年4公元前2400年 酿酒有了较大发展 饮酒之风很盛行 出土了数量较多的大件酿酒发酵窖器 大口尖底陶尊及多姿多彩的酒具 表明了酒已具有礼仪功能 第二代生物工程产品 巴斯德时代19世纪中叶 法国科学家路易 巴斯德 Pasteur实验证明发酵原理 19世纪末 德国人利斯特 柯赫 RoberKoch 细菌纯粹培养技术流行病判断的柯赫法则一 该病的每一个病者体内必须能找到引起该病的微生物 二 这种微生物必须能被分离出 并能在培养基 物 中生长 三 这种微生物的纯培养物接种到易感动物能再发生这种病的自然状态时出现的症状及病变 四 在人工发病的动物体中又可分离到这种微生物 1897年 法国布赫纳 Buchner 任何生物都有引起发酵的物质 酶1928年 弗莱明 A Fleming 发现青霉素 抗生素的工业化 现代生物工程技术的崛起与发展1953年 WatsonandCrickDNA核酸双螺旋结构 半保留复制1970 分离纯化限制性核酸内切酶1971年 美国保罗 伯格 Berg DNA体外重组技术 基因工程技术的开始1976年 诞生了第一家生物技术公司1982年第一个基因工程产品 胰岛素投入市场1983聚合酶链反应 PCR 体外基因扩增技术 1997年 生物学界发生了一件轰动世界的大事 克隆羊多莉诞生 体细胞克隆利用克隆技术将需要进行器官或组织移植病人的体细胞核移植到去核的卵母细胞内 构建核移植胚 使其进行一定程度的发育 并经过适当处理 对其进行诱导 使其定向发育成供病人移植所需的器官或组织 不但可解决器官和组织来源不足的问题 还可以克服异体器官和组织移植中的免疫排斥反应 从而提高器官和组织移植的成功率 三 现代生物技术的应用与前景 3 1现代生物技术的应用3 2现代生物技术的前景 3 1现代生物技术的应用 现代生物技术主要应用在7个方面 疾病治疗 诊断试剂 农林和园艺 食品 环境 化学品 设备 在疾病治疗方面的应用主要包括 生物制药 抗生素 基因治疗 在诊断试剂方面的应用 临床检测与诊断检测 食品 环境及农业检测 利用单克隆抗体 DNA探针等检测疾病 利用DNA探针 PCR技术等检测食品 环境中的微生物种类和数量 在农林和园艺方面的应用 改良作物和苗木品质 现已有4500多种作物转基因获得成功人工种子转基因动物生物杀虫剂 除草剂等 在食品方面的应用 扩大食品 饮料及营养素的来源对食品资源的改造对食品加工过程和食品品质的改良在食品处理及分析过程中的应用开发新食品材料获得功能性保健食品素材在农副产品深加工和综合利用方面的应用 在能源和环境方面的应用 废物处理 生物净化及新能源 解决能源危机 1 改变石油开采途径 2 生物量的利用A 燃烧B 微生物作用 在常温下湿物质产生 乙醇 沼气C 碳氢化合物 某些植物 特别是大戟属植物 汁液中含有碳氢化合物可作石油代用品或作提取石油化学工业的各种原材料代用品 D 光合放氢 特殊情况下 绿藻 蓝藻 细菌E 生物电池 生物燃料电池 利用酶或微生物将没有电活性燃料转化为电活性燃料 如甲醇 甲醛 消除环境污染 生化过程代替化学合成过程 生物农药代替化学农药 以虫治虫 菌治菌 阻止有害三废物质过度产生 尽量再循环利用 在化学品方面的应用 生物技术从医药领域逐渐向化工领域转移 使传统的以石油为原料的化学工业发生变化 从而向条件温和 以可再生资源为原料的生物加工过程转化 1 3丙二醇 PDO 是一种重要的化工原料 可以合成聚酯PTT 聚对苯二甲酸丙二酯 目前国际上主要是采油化学法生成PTT 但其副产物多 选择性差 现已开始研究采用生物发酵法生产1 3丙二醇 美国杜邦通过基因工程方法开发了以淀粉为原料生产PDO的工艺 该工艺不产生污染物 并通过发酵法合成的POD合成了聚酯PTT 生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一 可以生产有特殊功能 性能 用途或环境友好的化工新材料 传统化学法由丙烯腈合成丙烯酰胺 转化率仅为97 98 由化学法合成的丙烯酰胺聚合生成的聚丙烯酰胺分子质量很难超过1200万 而采用生物法即采用丙烯腈水合酶催化合成 丙烯酰胺转化率达99 99 以上 比化学法成本低10 以上 由于丙烯酰胺纯度高 聚合生成的聚丙烯酰胺分子质量可达到2000万 可成功用于油田三次采油 在设备方面的应用 在生产金属 生物反应器等方面 生物冶金 利用细菌把矿物中的不溶性化合物变成可溶性的化合物 再用湿法冶金从溶液中回收金属的方法 膜生物反应器处理废水 目前 生物技术对人们生产和生活的影响越来越大 创造的经济价值越来越大 2001年全球生物技术公司达4284家 其中上市的有622家 销售收入