第十一章：基因工程的应用

.,基因工程的应用,.,植物方面提高植物的抗虫、抗病、抗逆性改良植物的品质动物方面提高动物生长速度改善畜产品的品质用转基因动物生产药物用转基因动物作器官移植的供体在医学方面：研制药物和基因治疗（基因芯片）在能源与环境保护方面在国家安全方面,各类分别用什么方法,.,基因工程与农牧业、食品工业,运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。,1.增加农作物产品的营养价值2.提高农作物抗逆性能3.植物快速繁殖4.生物固氮的基因工程5.运用转基因动物的技术，可培育畜牧业新品种6.为人类开辟新的食物来源,.,利用基因工程技术改造农产品,.,转基因植物的发展,在1982转基因小鼠成功之后，1983年转基因烟草问世，随后转基因植物迅速发展，目前至少有120种转基因植物问世自从1994年转基因延熟西红柿获准上市以来，目前至少有51种转基因植物上市，2001年转基因种植面积达到10亿亩，其中美国占68、阿根廷占22、加拿大占7、中国占3,.,转基因作物：抗病虫基因工程：抗病（抗病毒转基因烟草）抗虫（抗虫棉）、抗病毒、抗真菌。抗逆基因工程：抗旱、抗盐碱、抗寒。品质改良基因工程：增加食物蛋白质含量、改善蔬菜水果口味、增加作物赖氨酸含量、设计富含铁和维生素A的“金稻米”、设计“功能食品”。,转基因植物的类型（一）,.,延熟保鲜基因工程抗除草剂转基因植物：抗除草剂转基因玉米、大豆、棉花、油菜基因工程育种：蓝色的玫瑰，会说话的植物，“光彩奕奕”的植物，农作物疫苗，生物固氮技术。转基因羊、牛、猪，饲料添加剂等。转基因药品植物：生产霍乱疫苗的胡萝卜,转基因植物的类型（二）,.,转基因植物的贡献,增加农作物产量降低生产成本减少化学农药对环境的污染改善农作物品质提高经济效益,.,植物基因工程硕果累累,大豆、玉米、棉花、油菜已进入大规模商业化应用阶段,主要用于：提高农作物抗逆能力、改良农作物品质、利用植物生产药物,.,转黄瓜抗青枯病基因的甜椒,.,不易腐烂的番茄,.,转鱼抗寒基因的番茄,.,转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯,.,不会引起过敏的转基因大豆,.,抗虫,.,抗虫害的玉米,抗虫棉,.,抗病,.,抗逆性,抗旱抗冻（寒）抗除草剂,.,改良植物的品质,.,.,.,转基因生物与目的基因的关系,Bt毒蛋白基因,苏云金芽孢杆菌,病毒外壳基因和病毒复制酶基因,几丁质酶基因和抗毒素合成基因,调节细胞渗透压的基因,抗冻蛋白基因,鱼,抗除草剂基因,富含赖氨酸的蛋白质编码基因,控制番茄果实成熟的基因,植物花青素代谢有关的基因,乳糖酶基因,人胰岛素基因,人,.,动物品种改良提高动物生长速度转基因鲤鱼（生长激素）改善畜产品品质转基因羊（肠乳糖酶基因）,动物基因工程前景广阔,.,提高生长速度,比较：普通鲤鱼和转生长激素基因鲤鱼比较：混有激素的饲料饲养鲤鱼导入生长激素基因的转基因鲤鱼,中科院水生生物研究所培育的转基因鲤鱼，表现出快速生长效应。,.,转基因鱼,生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国),转基因鲑鱼,.,超级动物,导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠,.,特殊动物,导入人基因具特殊用途的猪和小鼠,.,改良畜产品,.,转基因小鼠：导入人类基因，具有较强的学习能力。在迷宫实验中，转基因鼠觅食本领比普通鼠要高许多，同时对迷宫中食物存放地点记忆更清楚。,.,.,转基因牛,乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷),.,乳腺（房）生物反应器,、用动物乳房作为反应器生产的蛋白质比工厂生产有何优越性？、简述乳房生物反应器的操作过程？、乳房生物反应器的操作过程与转基因动物操作过程有何不同之处？并阐述原因？,要在编码蛋白质的基因序列前加上乳腺组织中特异表达的启动子构成表达载体。因为产品在奶中形成，需要乳腺组织中特异表达的启动子。（基因的选择性表达）,产量高、质量好、成本低、易提取,.,建立乳腺生物反应器（会走路的工厂）思考？1、用动物乳腺作为生物反应器，生产高价值的蛋白质，比化工厂生产有何优越？2、用基因工程技术实现动物乳腺生物反应器的操作过程怎样？,动物基因工程前景广阔,产量高、质量好、成本低、易提取,.,器官移植抑制抗原决定基因的表达或设法除去抗原决定基因基因工程药品异军突起工程菌？,动物基因工程前景广阔,.,.,一、特殊蛋白质的大量生产,乳汁中分泌人凝血因子IX的转基因山羊,美国转基因猪，其体内含有人类的基因，乳汁含有人体蛋白fator。只需300600只这样的母猪就能满足全世界对这种蛋白的需求。,基因工程在医药方面的应用,.,我国培养的转基因兔，转入的乙型肝炎表面抗原基因已在基因兔体内整合并表达。,兔研人员将乙型肝炎表面抗原基因注入兔受精卵的情形。,.,美国通过基因工程将人的基因植入牛的体内，由转基因公牛授精的母牛产下5头健壮的牛犊，每头都含有一个人类的基因。,.,植物基因工程药物,用马铃薯，香焦等生产美味可口的植物疫苗，人血清白蛋白烟叶：单克隆抗体（癌），人胰岛素，白介素中国中药的有效成分大多为次级代谢产物植物生物反应器：是指以植物悬浮细胞培养或整株植物为工厂大量生产具有重要功能的蛋白质，或可作为食品添加剂，工业原料的植物次级代谢产物。,.,动物生物反应器,1.会走路的工厂：1000只转基因绵羊生产的20000克AAT就能满足全世界肺气肿患者对AAT的要求。2.金鸡生“金蛋”：利用蛋中大量的卵清蛋白转基因生产不含致病，过敏或热源物质，安全无害，易被人接受的药用蛋白。,.,人胰岛素从猪和牛的胰脏提取，获得100g胰岛素需8001000kg的牛胰脏。现在用基因工程方法在大肠杆菌中表达产生。人生长激素具有物种特异性，只能用人的生长激素来治疗侏儒症。以前从尸体脑垂体中提取，来源非常有限，现在用基因工程方法在大肠杆菌中表达产生。干扰素体外培养人体细胞来生产，产量低，成本高，现用重组大肠杆菌生产。,.,基因工程胰岛素（一）,胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。,胰岛素分子结构,基因药物,.,基因工程胰岛素（二）,将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了30%-50%!,胰岛素生产车间,.,胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。,将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！使其价格降低了30%-50%!,.,基因工程干扰素（一）,干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！过去从人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍贵”程度自不用多说。,干扰素生产车间,干扰素分子结构,.,基因工程干扰素(二）,基因工程人干扰素-2b（安达芬）是我国第一个全国产化基因工程人干扰素-2b，具有抗病毒，抑制肿瘤细胞增生，调节人体免疫功能的作用，广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗，是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。,.,其它基因工程药物,人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。,人造血液及其生产,.,我国生产的部分基因工程疫苗和药物,许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。,.,二、基因诊断和基因治疗,基因诊断是用被标记的DNA分子做探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。将正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功效，从而达到治疗疾病的目的。,.,体外基因治疗体内基因治疗,.,基因诊断与基因治疗,运用基因工程设计制造的“DNA探针”检测肝炎病毒等病毒感染及遗传缺陷，不但准确而且迅速。通过基因工程给患有遗传病的人体内导入正常基因可“一次性”解除病人的疾苦。,我国研究人员正在制备用于基因治疗的基因工程细胞,.,SCID的基因工程治疗,重症联合免疫缺陷（SCID）患者缺乏正常的人体免疫功能，只要稍被细菌或者病毒感染，就会发病死亡。这个病的机理是细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶（简称ADA）的基因（ada）发生了突变。可以通过基因工程的方法治疗。,SCID患者生存在无菌环境中,.,基因治疗SCID的过程,.,3、人类基因治疗,（1）体细胞基因治疗,1990年9月14日美国政府首次批准了一项基因治疗临床研究计划：对一台患有腺苷脱氨酶（ADA）缺陷的重度联合免疫缺陷症（SCID）4岁女童进行基因治疗并获得成功。该患者今年已经10岁了。从而开创了医学界的新纪元。,.,用转基因动物做器官移植的供体,.,基因治疗的伦理和法规,合理性：忍看病人痛苦、死亡？风险性：死在治疗中或者治疗后商业性：倾家荡产为医治,.,基因工程与环境保护,用于环境监测用于被污染环境的净化,“吃油的”工程菌,返回,.,面对数字地球哭了,.,利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。,.,基因工程与环境监测（一）,基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。,1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来,.,基因工程与环境监测（二）,利用基因工程培育的指示生物能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。,.,水母,.,基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。,通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。,.,重组微生物工程菌与环境保护,随着工农业生产的发展、人口的增长，人类活动对环境的污染不断增长，尤其是现代大工业的出现，极大地改变人类物质生活条件的同时也带来了环境问题。微生物作为一个整体分解有机物的能力是惊人的，但绝大多数降解污染物的微生物都来自土壤的假单胞菌，而不同菌株分解污染物的能力及所需条件又存在很大差异。因此，从整体考虑。环境保护工程菌的开发应包括从降解污染物菌株的筛选、目的基因分离到工程实施与技术鉴定的全过程，而基因工程菌的构建是其中的中心环节。,.,在环境保护方面的应用，利用生物微生物处理废水，废物已取得可喜成绩。利用基因工程方法，可以创造一些对有害物质降解能力强的新型微生物。例如，有的学者曾利用能吞噬原油的4种假单杆菌属的菌株，把它们的4种质粒内的消化不同石油烃的基因结合在一个菌体内，创造出能降解4种石油烃的“超级细菌”。这种细菌能把原油中三分之二的烃消化掉，且速度要比其他微生物快多。,.,基因工程与国家安全,一、生物战：生物战剂，生物检测技术。二、军事指挥系统：生物计算机防磁爆，仿生计算机三、武器装备：生化防护服（酶洗消液），生物陶瓷，仿蜘蛛蛋白的防弹衣等，生物隐身衣（防可见与红外光），酶消解敌方军事装备，能吞噬塑料和半导体的微生物“吃”计算机。四、战场救护：人造血液，（转基因动物）器官移植，新的包扎和缝合技术（生物胶水）。五、保障供给：超级食品，新型能源。,.,基因生物武器生物武器是以杀伤生命体和植物的各种生物战剂与载具的总称，也亦称细菌武器。所谓的基因武器是指利用基因工程技术，依人为需求，透过基因重组来改变致病微生物的遗传基因，可以研制出新的、危害性更大的生物战剂，也称基因工程武器或称人种武器。基因武器与传统武器比较有一系列优异特点：1.成本低、杀伤力大2.难以防护及医治3.具有特定感染性4.使用方便5.心理威胁大,.,基因工程规范、专利与安全性,第一节基因工程实验室安全基本要求基因工程是一把双刃剑，既可能成为推动人类进步的新动力，也可能成为导致人类倒退甚至毁灭的工具。基因工程产品的源头在实验室，从源头规范基因工程研究是实现基因工程安全性的基本环节。1976年美国NIH发布重组DNA分子研究准则1993年12月24日我国发布17号令基因工程安全管理办法,.,基因工程实验室安全基本要求（一）,基因工程工作分4个安全等级。与研究对象、采用的载体系统、转化方法等相关。级：不存在危险级：低度危险级：中度危险级：高度危险,.,基因工程实验室安全基本要求（二）,生物实验室分为4个级别：BSL1、BSL2、BSL3、BSL4。BSL1或BSL2级：不需过滤空气，台面防酸碱、耐热，有通风柜、生物材料排放以前需高压消毒等BSL3或BSL4级：特殊空气双过滤系统和排放液体的消毒系统。,.,基因工程产品的释放规则及要求,基因工程药物投放的规则和要求1.基因工程药物审批的一般程序实验研究,小量试验,中间试验,试生产,正式生产5个阶段.2.基因工程药物生产环境的要求GMP（goodmanufacturingpracticefordrug)认证(各国政府对本国医药业的质量评审标准）,.,转基因植物品种的释放要求我国1997年颁布“农业转基因生物安全管理条例”实验室研究结束后，进入中试：中试结束后，进入环境释放或正式生产：ISO(InternationalStandardOrganization)认证,.,基因工程药物投放的规则和要求,基因工程药物审批的一般程序59年实验研究：在实验室的工作，为以后大规模生产