1-现代生物技术导论与分子基础

现代医药生物技术与伦理 公共邮箱 xdyyswjsyll 密码 xdyyswjsyll 1现代生物技术导论2遗传与健康3基因工程4生物体防御系统5干细胞研究及其伦理6转基因动物7基因组与蛋白质组8基因诊断与基因治疗 现代医药生物技术与伦理 上 生物技术部分 第一章 现代生物技术导论 第一节生物技术的概述 一 生物技术的定义及内涵 生物技术 Biotechnology BT 亦称为生物工程 bioengineering 现统一称 生物技术 1 定义 国际上沿用1982年的概念 生物技术是指应用生物科学及工程学原理 依靠生物体系作反应器 将物料进行加工改造 获得人类所需产品的技术 现代生物技术定义 以现代生命科学为基础 把生物体系与工程学技术有机结合在一起 按照预先的设计 定向地在不同水平上改造生物遗传性状或加工生物原料 产生对人类有用的新产品 或达到某种目的 之综合性科学技术 2 要点 对象是具遗传特性有生命物质 包括病毒 细菌 植物 动物 直到人类 生物体系多个不同水平研究 从大分子 DNA RNA 蛋白质 酶 亚细胞 细胞 组织 器官到整个机体 应用工程学原理 经人类思维 设计方案 定向修饰 加工制作过程 经过体外环节 有目的产品 目的产品有三新特征 新遗传功能 新遗传性状 新物种 要有合乎人类所需的工业 农业 医疗和食品产品 高新技术起重要作用 二 生物技术的产生与发展 生物技术的发展两个阶段 传统生物技术现代生物技术两个阶段 传统生物技术 传统生物技术的发展 经典 近代 1000多年前 当人类用发酵方法制备酒 醋 酱及食品等 此时主要是生物技术的经验阶段 19世纪人们才有意识地大规模利用酵母发酵 并形成产业 20世纪初 提出了生物技术这一概念 1928年 青霉素的发现使生物技术从单纯的食品 饲料制备扩展到抗生素产品 该产业至今长盛不衰 20世纪50年代和60年代 生物技术增添了氨基酸发酵和酶制剂工业新成员 2 现代生物技术自1953年起 分子遗传学的兴起与发展 DNA转移和重组工程有性繁殖 转基因技术 细胞工程转基因药物转基因动植物无性繁殖 克隆技术 保持优良性状 改变生物的遗传性状 使分离高产量的工程菌变的容易 简化了生产过程 扩大了反应器范围 从发酵罐发展到细胞 植物及动物个体天然生物反应器 特别是DNA重组技术可以 传统生物技术与现代生物技术的区别 从被动的筛选到主动的改造 三 生物技术的特点 八高一低 高水平 即学科具有先进性 是知识 技术密集型产业 处分子水平 新技术前沿 高综合 跨学科专业 位多学科发展的交叉点上 涉及的行业多 范围广 高投入 与其他技术比较 在资金 人员 设备 试剂及研发上投资大 高竞争 各国 各行业 个单位之间 在技术 时效性 知识及人才上竞争激烈 高风险 上述原因造成一定风险 加上技术风险带来高风险 高效益 应用性强 有目的产品 最易商业化 从事生物技术犹如种树将获得丰硕果实 如干扰素的投入虽然高达数百万美元 但产值数年达30亿美元 用于治病将产生巨大经济和社会效益 生物技术在解决人类面临众多难题上是没有任何产业可比的 高智力 具有创新性和突破性 可按人类需要定向改变和创造生物的遗传特性 要求在人才 计划 设计 工艺和产品上都要与众不同 从认识 利用 再造阶段上升到改造和创造阶段 高控性 采用工程学手段 易自动化 程控化及连续化生产 低污染 生物技术以生物资源为对象 生物资源具有再生性 是再生资源 具有不受限制 污染小 周期短的优点 四生物技术的上中下游 上游工程 实验室研究和开发阶段 包括基因 细胞 干细胞 转基因生物 组织工程等获得优良菌株 细胞系或固定化的菌体等 中游工程 中游加工以生物反应器为中心 优化和放大生产工艺 下游工程 从反应液中提取目的产物 加工精制成合格产品 五 生物技术诸工程的种类及内容 一 基因工程 Geneengineering 1 对象 在核酸分子 DNA或RNA 或基因上操作 2 定义 在体外对DNA进行切割 拼接 使遗传物质重新组合 经载体转移到细胞中扩增表达 获得人类所需产品 或组建新生物类型的技术 目的基因 基因载体 重组体 分 切 接 转 筛 表 总体技术路线 二 细胞工程 cellengineering 1 对象 细胞 在细胞水平上实现基因转移或改变生物学性状 2 细胞工程包括 细胞培养 细胞融合技术 工程细胞移植 即有目的地改造细胞遗传特性后 植入机体 染色体导入及细胞器导入技术 动物细胞的体外培养 三 蛋白质工程 Proteinengineering 对象 基因序列 DNA分子中改造 最终导致蛋白分子氨基酸序列改变 2 定义 在X衍射和晶体分析术了解蛋白质三维空间结构和功能关系基础上 借用计算机和分子设计辅助技术 在DNA分子水平上操作更换或改变其序列 达到改变蛋白质分子氨基酸序列 实现人为改变蛋白质分子形状及功能 使之具有新遗传学特性 蛋白质工程 酶特性的改造1 改变酶的催化活性 酪氨酰tRNA合成酶 改造 活力 25倍 2 改变酶的专一性 Cys 水解蛋白质 改造 水解硝基苯酯 专一性改变 蛋白质工程 药物设计如抗病毒药 干扰素稳定性的改进 形成二聚体 失去活性 氨基酸取代 二聚体 二硫键 Ser Cys 四 抗体工程 Antibodyengineering 1 对象 Ig基因2 定义抗体工程 通过对抗体分子结构和功能关系的研究 有计划地对抗体基因序列进行改造 改善抗体的某些功能的技术 在80年代初 抗体基因结构和功能的研究成果与重组DNA技术相结合 产生了基因工程抗体技术 基因工程抗体即将抗体的基因按不同需要进行加工 改造和重新装配 然后导入适当的受体细胞中进行表达的抗体分子 临床应用中和病原体及抗病毒治疗肿瘤治疗与细胞补充疗法疫苗应用用于未来诊断的生物传感器和微矩阵技术 生物芯片 五 组织工程 Tissueengineering 1 对象 组织和器官 2 定义 运用工程学和生命科学原理和方法 在了解正常和病理学组织结构与功能关系和生长机理的基础上 研制生物学组织器官替代品 通过移植 达到重建 恢复 维持和改进组织功能学科 六 干细胞工程 stemcellengineering 干细胞 stemcells SC 是一类具有自我复制能力 self renewing 的多潜能的 在一定条件下 可以分化成个体 组织或细胞的一类细胞 全能细胞 胚泡 全能细胞 多能干细胞 七 转基因动物 亦称 胚胎工程Transgeneticanimal 对象 胚胎早期细胞上实现基因转移 转基因动物 受体基因 乳腺基因 授体基因 干扰素基因 植入受体受精卵核 转基因受精卵植入受体动物子宫 发育 降生拥有外源基因的转基因动物 分泌乳汁含有干扰素 重组基因 定义 把新的遗传信息 DNA序列 用特定技术导入胚胎早期受精卵 经发育后 外源遗传信息分布到所有体细胞生殖细胞中去 这种使动物带有新遗传信息的基因转移技术称胚胎工程 所得动物称转基因动物 Transgeneticanimals 或基因工程动物 胚植入输卵管 图为小鼠试验 八 生物医学工程 Biomedicalengineering 1 对象 人体2 定义 从工程学角度研究人体结构 功能及生命现象 为防治疾病提供新技术 新方法 新仪器和新材料的科学 3 内容 生物材料 人造器官 起搏器的材料 康复工程 医学成像 超声 CT 核磁 生物传感 监护系统等 九 生物制药工程 Biochemicalpharmaceuticalengineering 1 生产对象 药物 活性多肽 酶 抗生素等 2 定义 利用现代生物技术 以生物反应器 微生物 动物细胞 植物及动物个体 大规模地制备高纯度的药物 如基因工程药物 异构体的拆分 利用Abzyme特异结合 特异地进行酶消化来完成 等 十 酶工程 Enzymeengineering 1 对象 酶分子修饰 生产应用和酶的固定化 2 定义 在给定的生产工艺和生物反应器中 利用酶 细胞器或细胞所具有的特异催化功能 对酶进行修饰改造提高酶的转化率 把对应的原料高效地转化成所需有用的物质之技术 十一 发酵工程 Fermentationengineering 1 对象 微生物 在常规发酵工艺上发展而成 有时也称微生物工程 2 定义 利用微生物特定性状 生长快 培养简单和代谢过程特殊等 通过现代化工程技术 快速 连续生产人类所需物质的技术 十二 生化工程 Biochemistryengineering 1 对象 生化反应器 反应环境与装置 产品的分离提纯技术2 定义 为活细胞和酶提供适宜反应环境 能大规模自动化生产 分离 精制出所需产品的技术 各种生物工程相互联系 相辅相成 上游中 基因工程是基础 核心 通过它才能真正按人的意向通过设计 改造 生产特定生物工程产品 下游工程中关键是发酵工程的生产和利用生化工程对产物进行提纯 它们是生物技术产生效益的必要条件 其他工程相互配合 共同组成生物技术体系 第二节生物技术的意义及应用 生物技术的应用领域很广 可把生物技术分为 医学生物技术 植物生物技术 动物生物技术 食品生物技术 环境生物技术和军事生物技术等 生物技术应用的意义巨大 主要有以下几个方面 一 战略意义 理论上 生命学科飞跃 步入按需改造和创造新生物时代 革命性变化 新技术革命的重要支柱 具有巨大潜在力量 不亚于原子裂变和半导体的问世 3 为解决人类面临的重大问题提供新途径 带来了希望 国外称之为六大危机 人口问题 A 节育 药 疫苗 B 优生 遗传病基因治疗 粮食问题 绿色革命 高产 优质 抗病新品种 单细胞蛋白 农药 肥料 能源 资源问题 生物电池 光合菌 乙醇生产 石油采集菌 生物冶炼 环境污染 石油 污水 有害金属污染 特嗜菌的构建 医疗保健 抗衰老 防治心血管病 疟疾 传染病 遗传病 战争等灾害 生物武器 生物恐怖 二 巨大经济效益 明显社会效益1 美国生物技术产值达几千亿美元 单是药物达数百亿亿美元 到2012年 美国生物技术产品销售已达4000亿美元以上 2 1980 年代起 生物技术长盛不衰 公司林立 美国达2000多家 3 各国政府投资逐年增加 科研人员大量投入 美国数十万人 三 生物技术为人类新医疗保健开辟新纪元 1 是探索生命奥秘 解开众多遗传之谜的工具 如中心法则的补充与生命起源的RNA假说 通过产物表达和蛋白功能分析 发现与证实疾病基因 糖尿病的基因 又如对癌症发病机理研究 除外因外 还有内因 癌基因 抑癌基因等 2 疾病诊断分子水平的诊断向更特异 敏感 快速 简单 稳定方向发展 如 McAb运用 ELISA IFA ELA RIA 蛋白质免疫诊断 核酸水平本质上诊断 RFLP 核酸杂交 PCR 新仪器 生物传感器 成像系统 监护康复系统等 3 基因治疗 从基因水平上对疾病基因进行修复 替代 如基因工程构建病毒载体导入正常基因治疗先天遗传病 4 疾病预防 基因工程疫苗 多价疫苗 安全 价低易大量制 抗独特型抗体疫苗 多肽疫苗 表达 四 为医药工业带来革命新药的设计与生产 1 大量生产生化及基因工程药物如基因工程生产的生长激素释放抑制激素 9升发酵液可得50mg纯化产品 这和从50万头羊脑组织中的提取物相当 转基因动物生产tPA 组织型纤溶酶原激活剂 一个动物一个工厂 放牧 挤奶 提取便可 目前不包括抗生素在内 研究基因工程药物达500种 如许多活性多肽 激素 酶 细胞因子 尤其是后者目前是热门 研究30种 生产已有19种 2 改造 促进抗生素工业 除固定化酶 细胞技术 包括对酶的更新 例如 基因工程可生产强有力的新酰化酶 可大量制备新抗生素 如头孢毒素等 3 生物导弹 药物 McAb 毒素蛋白 抗