生物技术与人类生活(1)--总论(2)

2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 1 生物技术与人类生活 二 生物技术的发展简史 李云海 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 2 4 生物技术发展简史 4 1传统生物技术的产生和发展东方和西方均历史悠久 但当时并不具备高技术的诸要素 传统生物技术是指旧有的制造酱 醋 酒 面包 奶酪 酸奶及其他食品的传统工艺 包括 上游处理过程 发酵和转化 下游处理过程等 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 3 东方 东方传统生物技术发展简史 石器时代 我国人民用谷物酿酒 可能是迄今发现的最早的发酵技术 公元前221年 周代后期 我国人民开始制作豆腐 酱和醋 公元10世纪 我国开始有治疗天花的活疫苗 到了明代 我国已广泛种植痘苗预防天花 16世纪 我国的医生已知道被疯狗咬伤可传播狂犬病 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 4 西方 西方传统生物技术发展简史 公元前6000年 苏美尔人和巴比伦人开始啤酒发酵 公元前4000年 埃及人民开始制作面包 1676年 荷兰人LeeuwenHoek 1632 1723年 制成显微镜 观察到了微生物 1860年 法国科学家Pasteur 1822 1895年 首先证明 发酵由微生物引起 并建立了微生物纯种培养技术 为发酵技术的发展提供了理论基础 使发酵技术真正纳入了科学轨道 20世纪20年代 工业生产中开始采用大规模的微生物纯种培养技术 出现了大规模发酵制作化工原料丙酮 丁醇 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 5 20世纪50年代 青霉素的大规模发酵生产 发酵工业 酶制剂工业大量涌现 发酵技术和酶技术被广泛应用于医药 食品 化工 制革和农产品加工 20世纪60年代 遗传育种学取得辉煌成就 被誉为 第一次绿色革命 同时细胞学的理论被应用于生产而产生了细胞工程 细胞工程初现 但上述诸方面的发展还不具备高技术的各要素 只能被视为传统的生物技术 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 6 4 2现代生物技术的发展 现代生物技术发展的三个重要基础 1 以传统生物技术为基础 改造提升 或以现代生命科学技术的最新理论成就为基础 新兴产业而来 2 以20世纪70年代的DNA重组技术的建立为标志 其中 1944 1953 1961 1972年的理论或技术的重大突破尤其重要 3 以基因工程 DNA重组 技术为核心 使人们可以按照意愿在试管内切割DNA 分离基因并经重新组合后导入其他生物或细胞 生产所需产品或达到为人类服务的目的 带动现代生物技术及相关产业的迅速发展 具有划时代的意义和战略价值 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 7 1 2 2现代生物技术的发展生物技术 Biotechnology 由匈牙利工程师KarlEreky1917年提出 经过近百年的发展 形成了现代生物技术 ModernBiotechnology 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 8 现代生物技术是以70年代DNA重组技术的建立为标志的 1944年Avery等人阐明了DNA是遗传信息的携带者 1953年Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型 阐明了DNA的半保留复制模式 开辟了分子生物学研究的新纪元 一切生命活动都是由酶和非酶蛋白质行使其功能的结果 遗传信息与蛋白质的关系成为了问题 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 9 分子生物学先驱Whatson和Crick提出DNA双螺旋结构模型 奠定了分子生物学发展的基础 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 10 1961年M Nirenberg等破译了遗传密码 1972年Berg首先实现了DNA体外重组技术 生物技术的核心技术 人们可以按照意愿在试管内切割DNA 分离基因并经重组后导入其他生物或细胞 生产大量作为药物 疫苗等有用的蛋白质 或藉以改造农 畜品种 也可以直接导入人体内进行基因治疗 以基因工程为核心 带动了现代发酵工程 酶工程 细胞工程以及蛋白质工程的发展 形成了具有划时代意义和战略价值的现代生物技术 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 11 现代生物技术的基本概念也可归纳为 现代生物技术是指70年代末80年代初发展起来的 以现代生物科学研究成果为基础 以基因工程为核心的一门新兴的综合性学科 当前所称的生物技术基本上都是指现代生物技术 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 12 现代生物技术包含了如下应用领域和技术农业生物技术医药生物技术航天生物技术军事生物技术环境生物技术海洋生物技术能源生物技术 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 13 现代生物技术生产出的产品有 粮食 医药 食品 化工原料 能源 金属等 拟达到的目的包括 疾病的预防 诊断与治疗 环境污染的检测和治理等 现代生物技术发展的基础 生命科学在分子 亚细胞 细胞 组织和个体等不同层次上 揭示了生物的结构和功能的相互关系 从而人们可对生物体进行不同层次的设计 控制 改造或模拟 并产生了巨大的生产能力 几乎所有与生命科学有关的学科 特别是现代分子生物学的最新理论成就 是生物技术发展的基础 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 14 基因工程与建筑工程 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 15 现代生物技术的主要发展趋势不断完善操作技术基因工程药物和疫苗研究转基因动植物研究基因组研究 基因组学 基因治疗研究蛋白质工程研究 蛋白质组学 生物信息学在生物技术领域中的应用研究 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 16 现代生物技术的商业化商业化前景 世界各国成立众多生物技术公司商业化特点 技术密集型产业市场迅速扩张政府高度重视 巨额资金投入生物及制药是生物技术产业化的支柱产品不断增加产业竞争更加激烈产品更加专一医学生物技术产业化进程最快 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 17 现代生物技术的前景 生物技术的发展 使人们对客观世界的认识产生了一次飞跃 使人们改造自然的能力和推动社会发展的力量提高到一个新的水平 越来越深刻地影响着世界经济 军事和社会发展的进程 4 改善农业生产 解决食品短缺 5 环境污染治理 缓解能源危机等 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 18 1 生物技术总论 学习目的了解生物技术的含义 特点以及生物技术的发展史 掌握生物技术的各项技术及其相互关系 认识生物技术的应用领域及其对人类社会发展的影响 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 19 生物技术被世界各国视为一项高新技术 它广泛应用于医药卫生 农林牧渔 轻工 食品 化工和能源等领域 促进传统产业的技术改造和新兴产业的形成 对人类社会生活将产生深远的 革命性的影响 生物技术不完全是一门新兴学科 它包括传统生物技术和现代生物技术两部分 生物技术总论引言 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 20 1 1生物技术的含义1 1 1生物技术的定义生物技术 biotechnology 有时也称生物工程 bioengineering 是指人们以现代生命科学为基础 结合其他基础学科的科学原理 采用先进的工程技术手段 按照预先的设计改造生物体或加工生物原料 为人类生产出所需产品或达到某种目的 因此 生物技术是一门新兴的 综合性的学科 生物技术总论1生物技术总论 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 21 微生物工程菌发酵工程基因工程蛋白质或酶蛋白质工程或酶工程产品动 植物个体或细胞细胞工程优良动 植物品系 1 1 2生物技术的种类及其相互关系 生物技术总论1 1生物技术的含义 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 22 1 1 2 1基因工程 geneengineering 应用人工方法把生物的遗传物质 通常是脱氧核糖核酸 DNA 分离出来 在体外进行切割 拼接和重组 然后将重组了的DNA导入某种宿主细胞或个体 从而改变它们的遗传品性 有时还使新的遗传信息在新的宿主细胞或个体中大量表达 以获得基因产物 多肽或蛋白质 也称DNA重组技术 生物技术总论1 1 2生物技术的种类及其相互关系 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 23 1 1 2 2细胞工程 cellengineering 指以细胞为基本单位 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 从而达到改良生物品种和创造新品种 或加速繁育动 植物个体 以获得某种有用的物质的过程 细胞培养细胞融合细胞重构 生物技术总论1 1 2生物技术的种类及其相互关系 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 24 1 1 2 3酶工程 enzymeengineering 利用酶 细胞器或细胞所具有的特异催化功能 或对酶进行修饰改造 并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术 它包括酶的固定化技术 细胞的固定化技术 酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术 生物技术总论1 1 2生物技术的种类及其相互关系 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 25 1 1 2 4发酵工程 fermentationengineering 利用微生物生长速度快 生长条件简单以及代谢过程特殊等特点 在合适条件下 通过现代化工程技术手段 由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程 也称微生物工程 生物技术总论1 1 2生物技术的种类及其相互关系 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 26 1 1 2 5蛋白质工程 proteinengineering 是指在基因工程的基础上 结合蛋白质结晶学 计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识 通过对基因的人工定向改造等手段 从而达到对蛋白质进行修饰 改造 拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质 生物技术总论1 1 2生物技术的种类及其相互关系 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 27 1 1 3生物技术所涉及的学科现代生物技术是所有自然科学领域中涵盖范围最广的学科之一 它以包括分子生物学 细胞生物学 微生物学 免疫生物学 人体生理学 动物生理学 植物生理学 微生物生理学 生物化学 生物物理学 遗传学等几乎所有生物科学的次级学科为支撑 又结合了诸如化学 化学工程学 数学 微电子技术 计算机科学 信息学等生物学领域之外的尖端基础学科 从而形成一门多学科互相渗透的综合性学科 其中又以生命科学领域的重大理论和技术的突破为基础 生物技术总论1 1生物技术的含义 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 28 生物技术总论1 1 3生物技术所涉及的学科 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 29 生物技术所涉及的行业种类行业种类经营范围疾病治疗用于控制人类疾病的医药产品及技术 包括抗生素 生物药品 基因治疗 干细胞利用等诊断临床检测与诊断 食品 环境与农业检测农业 林业与园艺新的农作物或动物 肥料 生物农药食品扩大食品 饮料及营养素的来源环境废物处理 生物净化 环境治理能源能源的开采 新能源的开发化学品酶 DNA RNA及特殊化学品设备由生物技术生产的金属 生物反应器 计算机芯片及生物技术使用的设备等 生物技术总论1 1 3生物技术所涉及的学科 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 30 传统生物技术现代生物技术 1 2生物技术发展简史 生物技术总论1生物技术总论 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 31 1 2 1传统生物技术的产生传统生物技术应该说从史前时代起就一直为人们所开发和利用 以造福人类 在石器时代后期 我国人民就会利用谷物造酒 这是最早的发酵技术 古老的酿造技术 巴斯德的发现 生物技术总论1 2生物技术发展简史 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 32 1 2 2现代生物技术的发展 理论背景 现代生物技术是以20世纪70年代DNA重组技术的建立为标志的 1944年Avery等阐明了DNA是遗传信息的携带者 1953年Watson Crick发现DNA双螺旋结构 开创分子生物学 1961年H G Khorana M W Nirenberg破译了遗传密码 揭开了DNA编码的遗传信息是如何传递给蛋白质这一秘密 生物技术总论 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 33 现代生物技术的诞生1973年加州大学的Cohen等实现了细菌间遗传物质的人工重组 转入一个抗药基因 使大肠杆菌获得了抗药性 第一例DNA重组技术成功 1 2 2现代生物技术的发展 生物技术总论 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 34 1978年Genetech公司和洛衫矶Hope市医学中心将具有明显医药实用价值的蛋白质胰岛素基因导入到E coli中表达成功1980转基因动物首获成功 美国人得到转人生长激素基因的超级鼠1983年美国人和比利时人将外源基因引入植物中 并稳定遗传1997年第一只克隆羊在英国Rosslyn研究所诞生 现代生物技术的诞生 1 2 2现代生物技术的发展 生物技术总论 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 35 生物技术的发展将越来越深刻地影响着世界经济 军事和社会发展的进程 1 3生物技术对经济社会发展的影响 生物技术总论1生物技术总论 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 36 1 3 1改善农业生产 解决食品短缺提高农作物的产量及品质培育抗逆的作物优良品系植物种苗的工厂化生产提高粮食品质生物固氮 减少化肥使用量发展畜牧业生产动物的大量快速无性繁殖培育动物的优良品系 生物技术总论1 3生物技术对经济社会发展的影响 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 37 开发制造贵重的新型药品疾病的预防和诊断基因治疗人类基因组计划 1 3 2提高生命质量 延长人类寿命 生物技术总论1 3生物技术对经济社会发展的影响 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 38 美国生物技术产品销售及预测 百万美元 领域1998年2003年2008年增长率 人类疾病治疗9120161002700011人类疾病诊断2100310043007农业4201000230019特制品390900200018非医疗检验2704006008合计1230021503620011 生物技术总论1 3 2提高生命质量 延长人类寿命 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 39 美国工业化生物技术研究与发展基金分布图 生物技术总论1 3 2提高生命质量 延长人类寿命 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 40 解决能源危机生物能源将是最有希望的新能源之一 而其中又以乙醇最有希望成为新的替代能源 保护环境人们可以利用微生物净化有毒的化合物 降解石油污染 清除有毒气体和恶臭物质 综合利用废水和废渣 处理有毒金属 达到净化环境 保护环境 废物利用并获得新的产品的目的 1 3 3解决能源危机 治理环境污染 生物技术总论1 3生物技术对经济社会发展的影响 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 41 制造工业原料利用微生物在生长过程中积累的代谢产物 生产食品工业原料 种类繁多 生产贵重金属利用微生物的浸矿技术对废渣矿 贫矿 尾矿 废矿进行提炼 1 3 4制造工业原料 生产贵重金属 生物技术总论1 3生物技术对经济社会发展的影响 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 42 基因工程对微生物的改造是否会产生某种有致病性的微生物 这些微生物都带有特殊的致病基因 如果它们从实验室逸出并且扩散 有可能造成类似鼠疫那样的可怕疾病的流行 转基因作物及食品的生产和销售 是否对人类和环境造成长期的影响 擅自改变植物基因是否可能引起一些难以预料的危险 1 3 5生物技术的安全及其对伦理 道德 法律的影响 生物技术总论1 3生物技术对经济社会发展的影响 2020 3 2 生物技术与人类生活 课程 43 分子克隆技术在人类身上的应用可能造成巨大的社会问题 并对人类自身的进化产生影响 而应用在其他生物上同样具有危险性 因为所创造出的新物种有可能具