生物工程概论

生物工程概论,生物技术教研室,生物工程的历史学科雏形,远古人类发现，吃剩的米粥数日后变成了醇香可口的饮料人类最早发明的酒,丰富多彩的酒文化,微生物发酵,我国古代的酿酒作坊（四川新都县出土的汉代画像）,公元前2300年左右，埃及人酿制啤酒的场面（某金字塔壁画）,丰富多彩的酒文化,(EdwardJenner,17491823)首创用牛痘预防天花，是免疫学的发展，开创了预防医学的先河。,1676年荷兰人A.Leeuwenhoek用自磨镜片，创造了一架原始显微镜，生物工程进入微观形态学发展阶段。,现代生物工程ModernBioengineering,现代生物工程的产生与发展现代生物工程是生物学技术的工业化，是生物技术和工程学的结合。分子生物学一一20世纪50年代DNA双螺旋结构的确定和用X射线对蛋白质晶体空间结构的测定1973年，限制性内切酶的发现和应用、重组DNA的成功实现、开创了基因工程20世纪90年代，细胞克隆，特别是体细胞克隆获得成功，使细胞工程开始走向产业化。DNA芯片、生物计算机的出现，使生物材料的应用走向高台阶。,在20世纪末，人类基因组测序、酵母基因组测序、水稻基因组测序先后基本或全部完成，生命科学技术不仅在原核生物，而且在真核生物，特别是在农作物上的应用局限有了根本性突破。基因工程的范围扩大到所有生物。奠定了生物工程在新世纪迅猛发展的坚实基础。,现代生物工程(技术)是指人们利用分子生物学、细胞生物学、生物化学、生物物理学、信息科学等手段，研究、设计、改造生命系统，以改良生物乃至创造新的生物品种和与工程学手段相结合以生产人们所需的产品和为人类提供服务的一类高新技术。它是源于分子生物学、细胞生物学等基础科学研究成果而发展起来的一门生产技术。生物工程技术及产品包括基因工程技术及其产品、细胞工程技术及其产品、酶工程技术及其产品、发酵工程技术及其产品、生化工程及其支撑体系、新药物、生物医学工程。,生物工程的分类按研究内容划分,基因工程,基因工程是分子遗传学和工程技术结合的产物。是现代生物技术的核心，它能按人类需要，把遗传物质DNA分子从生物体中分离出来，进行剪切、组合、拼装，合成新的DNA分子。再将新的DNA分子植入某种生物细胞中，使遗传信息在新的宿主细胞或个体中得到表达。以达到定向改造或重建新物种的目的。,基因工程,操作水平：DNA分子水平目的：定向改变遗传物质或获得基因产物。,2、基因工程的理论基础,1）物质基础脱氧核苷酸2）结构基础规则的双螺旋结构3）中心法则，共用一套遗传密码,细胞工程,利用细胞融合技术把含有不同遗传物质的细胞合成杂种细胞。并使之分裂生长成为杂种生物。它包括体细胞融合、核移植、细胞器摄取和染色体片段的重组等。,细胞工程,操作水平：细胞整体水平或细胞器水平目的：定向改变遗传物质或获得细胞产品。,细胞工程的理论基础细胞全能性,依据生物体的每一个干细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质。,主要技术,植物组织培养,植物体细胞杂交,动物细胞培养,动物细胞融合,单克隆抗体技术,胚胎移植,核移植,植物细胞工程技术,动物细胞工程技术,异种植物细胞,杂种细胞,转基因植物,异种动物细胞,动物细胞群,重组细胞,体细胞细胞核,早期胚胎,受精卵,去核卵细胞,克隆动物,试管婴儿,动物细胞融合,植物体细胞杂交,植物组织培养,动物细胞培养,核移植,胚胎移植,体外受精,发酵工程,发酵工程是利用微生物的某些特定功能，通过技术手段使之生产人类需要的代谢物。以高效率的进行物质转化。发酵工程包括：用微生物发酵生产产品，如酿酒。用微生物分解有害物质;细菌选矿和细菌冶金等等！,发酵工程,发酵工程的技术要点,目的定向地改造菌种,大量生产微生物菌体或代谢产物,菌种的选育诱变育种、基因工程、细胞工程环境条件控制营养、PH、温度、溶氧等,流程,发酵工程（酶工程）,商品生产,改造物种,常规菌(或常规细胞株)遗传工程细胞工程“工程菌”（或“工程细胞株”）,微生物工程酶工程生物反应器工程经济效益大量产品社会效益生态效益,酶工程,酶工程是利用酶的特异催化功能，在常温长压下将一种物质转化为另一种物质，以获得高纯度的适用之物。该技术包括各种酶的开发和生产。酶的分离和纯化技术等。酶工程用于食品工业很有效。啤酒、酱油、葡萄糖等都可用酶工程生产。,蛋白质工程,以人们所需的蛋白质为目的生物工程。通过蛋白质的结构反向设计、选择或修改相应基因，获得所需蛋白质。,近半个世纪生物技术发展的10大里程碑,1953年Watson与Crick发现了DNA的双螺旋结构1956年Kornberg发现了DNA聚合酶（“真核转录的分子基础所作的研究”而荣获2006年诺贝尔化学奖）1966年破译了氨基酸三联密码子1970年发现了核酸限制性内切酶1975年研制出了第一个单克隆抗体,1982年FDA批准了第一个基因工程药物-重组人胰岛素1983年Mullis发明了聚合酶链式反应(PCR)技术1990年人类基因组(HumanGenomeProject)计划启动1997年克隆羊多利诞生2000年人类基因组序列草图完成,近半个世纪生物技术发展的10大里程碑,现代生物工程热点,人类基因组计划（HGP）,干细胞研究与发展前景,克隆技术的发展,人类基因组计划,HumanGenomeProject,染色体（Chromosome）,由于细胞中的DNA大部分在染色体上，所以说遗传物质的主要载体是染色体。染色体的化学成分主要是蛋白质和DNA，其中DNA含量稳定，是主要的遗传物质。各种生物的染色体有一定的数目、形状和大小，人染色体有46条。,Chromosome染色体Karyotype染色体组型,基因(Gene),基因（gene）是1909年丹麦生物学家W.Johannsen根据希腊文“给予生命”之意创造的。一个基因就是能够编码一个蛋白质分子的一个DNA或一个RNA片段,生物学进入基因组(Genome)时代,人类基因组包括分布于人46条染色体的30,000-35,000个基因。人类基因组计划最终目的是测定基因组的全部序列，弄清整个基因组的的结构、功能及其表达产物，彻底了解人类生命活动本质。,这一计划的科学意义重大，可与产生原子弹的曼哈顿工程和人类登月阿波罗（ApolloProject）相媲美，是当前国际生物学、医学领域内一项引人注目的工程，是人类自然科学史上最重大的研究项目之一，将推动整个生命科学的发展。,人类基因组计划的意义,人类基因组计划的启动,1985年，美国能源部提出，要将共包含约3109碱基对的人类基因组全部碱基序列分析清楚；1986年，美国宣布启动“人类基因组计划（HumanGenomeProject,HGP）”。,人类基因组计划的发展,1999年12月1日，首条人类染色体完成测序，人类第22号染色体DNA全序列测定宣布完成。2000年4月6日，美国Celera遗传信息公司宣布，该公司已破译出一名实验者的完整遗传密码。2000年5月，科学家聚集美国冷泉港，宣布人类基因组草图的完成。,6国科学家组成的国家人类基因组中心主要研究比例,美国：WASHMIT等7家研究中心，贡献率为54。英国：SANGER一家研究中心，贡献率为33。日本：RIKEN等两家研究中心，贡献率为7。法国：GENOSCOPE研究中心，贡献率为2.8。德国：IMB等3家研究中心，贡献率为2.2。中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究中心等三家，贡献率为1。,二000年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成,人类基因组研究结论,基因数量少得惊人人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠”三分之一为“垃圾”DNA种族歧视毫无根据男性基因突变比例更高,人类基因组计划1%测序中国实验室,后基因组时代序幕拉开,哈佛大学科学家麦克贝斯说，人类基因组图谱并没有告诉我们所有基因的“身份”以及它们所编码的蛋白质。人体内真正发挥作用的是蛋白质，蛋白质扮演着构筑生命大厦的“砖块”角色，其中可能藏着开发疾病诊断方法和新药的“钥匙”。,干细胞研究与发展前景,长期以来，人类一直在研究和寻找能治愈各种疾病、抗衰老甚至长生不老的方法。随着现代科学技术的发展，尤其是干细胞的研究，人类的这些幻想正在逐步变成现实。1998年，美国科学杂志将干细胞的研究成果列在十大科学进展的首位。,细胞是机体组成的基本单位,干细胞的定义,干细胞（Stemcell）即起源细胞。在细胞的分化过程中，细胞往往由于高度化分而完全失去了再分裂的能力，最终衰老死亡。机体在发展适应过程中为了弥补这一不足，保留了一部分未分化的原始细胞。因此，干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。,干细胞的分类,全能干细胞多能干细胞单能干细胞,按分化潜能,按发育状态,胚胎干细胞成体干细胞,干细胞的用途,治疗遗传性疾病和恶性肿瘤。以干细胞为种子培育成某些组织和器官，用于移植医学。抗衰老，延年益寿。,干细胞工程,干细胞治疗的进展,科学家们认识到干细胞可能成为一种“拯救生命”的有效的疾病治疗手段。例如：小剂量纯化的造血干细胞足可使患者骨髓再生，可以避免肿瘤病人进行自体骨髓移植时所致的瘤细胞（尤其是白血病细胞）污染。,克隆技术的发展,克隆技术,克隆来源与英语“clone”或“cloning”的音译，曾译为无性生殖或无性繁殖，即由同一个祖先细胞分裂而形成的纯细胞系，这个细胞系每个细胞的基因彼此是相同的。,克隆技术的发展,第一个发展时期微生物克隆。第二个发展时期生物技术克隆。第三个发展时期动物克隆。,克隆羊多利（Dolly）的诞生,1997年12月，英国Roslin研究所克隆羊多利（Dolly）的诞生揭示一个全新概念：由成年机体的一个体细胞核，可以复制一个基因完全相同的新生命个体。克隆羊的诞生，预示着动物将成为人类的药物制造厂。,从一个6岁母绵羊普通的组织细胞（体细胞）中提取遗传物质，和一个无DNA遗传物质但具有活性的另一只母绵羊的卵细胞进行电击融合，然后将结合后的新细胞经试管分裂。形成胚胎后再移植到第三只母绵羊子宫内生长。然后产出与第一只绵羊一样的羊。,生物工程的个体应用,个体应用,转基因树的应用前景“金米”的故事:德国科学家英戈波特利库斯和彼得拜尔在菲律宾向国际水稻研究所隆重移交了他们历时8年研究成功的“金米”稻种。这个行动的意义不仅在于这是人类历史上第一次将整个新陈代谢链通过基因技术移植进一种植物中去，使大米具有了天性缺少的铁元素和胡萝卜素，而且这也是科学史上第一次同时把发明而带来