生化工程课件

生物工程概述,主讲教师：吴晓宗,内容提要,生物技术定义、主要内容和发展概况发酵工程细胞工程基因工程蛋白质工程生化工程生物技术的应用前景,生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点，主要由于两方面的原因：,（1）二十世纪后叶，分子生物学领域一系列突破性成就，使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的变化；（2）建立在实验室研究基础上的生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财富。,生物技术将是未来经济发展的新动力第一次技术革命工业革命解放人的双手第二次技术革命信息技术扩展人的大脑第三次技术革命生物技术改造生命本身,生物技术的显著特点高技术（精细和密集的复杂技术）高投入（尤其是前期科研投入高）高利润,第一节生物技术定义、发展,1982年，国际合作与发展组织的定义为：生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术美国政府技术顾问委员会(OAT)的定义是：应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术，其还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术该定义强调了生物技术的商品属性,生物技术的主要内容,基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质（酶）工程，此外还有基因诊断与基因治疗技术、克隆动物技术、生物芯片技术、生物材料技术、生物能源技术、利用生物降解环境中有毒有害化合物的技术直接相关联的学科包括：分子生物学、微生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、化学工程学、医药学等对人类和社会生活各方面影响最大的生物技术领域：农业生物技术、医药生物技术、环境生物技术、海洋生物技术,生物技术发展简史,传统生物技术阶段：主要以酿酒和制醋为主近代生物技术阶段：主要以微生物发酵为基础现代生物技术阶段：主要以分子生物学及基因工程的发展为基础,一、传统生物技术阶段,早在公元前5000年，就出现了酿酒和制醋的生产技术1680年发明了显微镜，才知道自然界有微生物存在1857年，用实验方法证明酒精发酵是活酵母所引起的结果1897年，发现磨碎的死酵母仍能使糖发酵成酒精，并将其中的活性物质称为“酶”,二、近代生物技术阶段,1928年，英国的Fleming发现青霉素1940年，Florey和Chain等提取获得青霉素，并临床证明了其疗效好和毒性低的特点1941年，美国和英国合作开发出生产效率高、产品质量好、通入无菌空气进行搅拌发酵的培养方法生产技术，大大提高了青霉素的生产效率，并为生物技术的发酵工业带来革命性的变化以后，链霉素、金霉素和红霉素等相继问世，氨基酸发酵和酶制剂工业也得到发展这个时期医药业主要生产抗生素、维生素、甾体激素和氨基酸,三、现代生物技术阶段,第二节发酵工程FermentationEngineering,发酵工程,现代发酵工程主要指利用微生物包括利用DNA重组技术改造的微生物在全自动发酵罐或生物反应器中生产某种商品的技术现代发酵工程是生物代谢、微生物生长动力学、大型发酵罐或生物反应器研制、化工原理等密切结合和应用的结果,现代发酵工程的产品范围非常广泛酒精类饮料、醋酸和面包胰岛素、干扰素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料氨基酸、生物高分子、酶、维生素等一般发酵工程的基本步骤：（1）菌种选育；（2）细胞大规模培养即发酵过程；（3）生产活性的诱导；（4）菌体及产物的收获,从广义上讲，发酵工程由三部分组成：上游工程，发酵过程（工程）和下游工程。上游工程包括：优良种株的选育、最适发酵条件的确定等发酵过程包括：无菌生长环境的获得、计算机控制技术、种子培养和生产培养以及各种工艺（间歇、连续、半连续等）下游工程包括：固液分离技术、细胞破壁技术、蛋白质纯化技术、以及产品的包装处理技术,第三节细胞工程CellularEngineering,细胞工程,细胞工程是生物工程的一个重要方面。总的来说，它是应用细胞生物学和分子生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的设计蓝图，进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养细胞工程是指通过细胞水平上的筛选或改造，获得有商业价值的细胞株或细胞系，再通过规模培养，获得特殊商品的技术与过程。,植物细胞培养,高等植物细胞具有全能性。从高等植物的幼胚、根、茎、叶、花和果实等不同器官的组织中分离的单个细胞，经过特殊培养形成愈伤组织，并可进一步诱导生成完整的植株,组织培养最早用于名贵花卉繁殖。荷兰现在是最大的花卉生产国。植物细胞和原生质体培养技术可以用于育种，在培养无毒苗、长期贮存种子和生产次生代谢产物等方面发挥作用。也可用于各类植物的快速繁殖，如人参含有贵重药物粗皂角苷，天然根块只含4.1%，但组织培养达20%而且采集方便。,动物细胞培养,动物细胞培养技术可用于制取许多有应用价值的细胞产品，如疫苗和生长因子等。利用细胞培养系统可进行毒品和药物检测；一些培养细胞可用于治疗。,单细胞藻类培养,一些单细胞低等植物如单细胞藻类的大规模培养成为细胞工程的重要组成部分获得蛋白质资源、营养食品、精细化工产品等等,细胞融合,细胞融合是用自然或人工的方法使两个或几个不同细胞融合的为一个细胞（含有原来两个细胞的染色体）的过程。亲缘较远的生物体之间是无法正常杂交的。然而它们之间的体细胞却往往能彼此融合，产生出杂种细胞克服植物远缘杂交种远缘不亲和性扩大遗传重组范围，增加变异，创造新品种。如蕃茄和马铃薯融合，植株的地下部分结马铃薯，地上部分生西红柿,细胞融合的应用：单克隆抗体,参与体内免疫反应的来自骨髓的两类细胞一是B淋巴细胞，有合成一种抗体的遗传基因。二是T淋巴细胞，它帮助淋巴细胞产生抗体。动物脾脏有上百万种不同的B淋巴细胞系，含遗传基因不同的B淋巴细胞合成不同的抗体。当机体受抗原刺激时，抗原分子上的许多决定簇分别激活各个具有不同基因的B细胞。被激活的B细胞分裂增殖形成该细胞的子孙，即克隆由许多个被激活B细胞的分裂增殖形成多克隆，并合成多种抗体。要想制备单一抗体相当困难。但若有了它，就可用它来检测甚至医治疗各种疾病。如果能选出一个制造一种专一抗体的细胞进行培养，就可得到由单细胞经分裂增殖而形成细胞群，即单克隆。,单克隆细胞将合成一种决定簇的抗体，称为单克隆抗体。要制备单克隆抗体需先获得能合成专一性抗体的单克隆B淋巴细胞，但这种B淋巴细胞不能在体外生长而实验发现骨髓瘤细胞可在体外生长繁殖，应用细胞杂交技术使骨髓瘤细胞与免疫的淋巴细胞二者合二为一，得到杂种的骨髓瘤细胞这种杂种细胞继承两种亲代细胞的特性，它既具有B淋巴细胞合成专一抗体的特性，也有骨髓瘤细胞能在体外培养增殖永存的特性，用这种来源于单个融合细胞培养增殖的细胞群，可制备抗一种抗原决定簇的特异单克隆抗体,染色体工程,染色体工程是按人们需要来添加或削减一种生物的染色体，或用别的生物的染色体来替换。可分为动物染色体工程和植物染色体工程两种动物染色体工程主要采用对细胞进行微操作的方法（如微细胞转移方法等）来达到转移基因的目的植物细胞工程目前主要是利用传统的杂交回交等方法来达到添加、消除或置换染色体的目的,染色体组工程,染色体组工程是整个改变染色体组数的技术自从1937年秋水仙素用于生物学后，多倍体的工作得到了迅速发展，例如得到四倍体小麦，八倍体小黑麦等。三倍体西瓜是无籽西瓜，但没有后代。,第四节基因工程GeneticEngineering,基因工程,基因工程是利用DNA重组技术进行生产或改造生物产品的技术。是将外源的或是人工合成的基因即DNA片段(目的基因)与适宜的载体DNA重组，然后将重组DNA转入宿主细胞或生物体内，以使其高效表达,基因工程与建筑工程,1、目的基因的获得,从生物基因组中分离用“分子剪刀”剪切供体DNA分子，把它切成一些比基因略长的片段，然后再从中找出包含所需目的基因的DNA片段逆转录合成以RNA为模板，在逆转酶下合成DNA，称其为cDNA，又称所谓的基因模板合成法人工合成如果某种蛋白质的基因是已知的，可以通过化学方法合成。,限制性内切酶(restrictionendonuclease),限制性内切酶(restrictionendonuclease)是一种可以切断DNA链的酶，目前被发现的限制性内切酶已有500种以上当一种限制性内切酶在一个特异性的碱基序列处切断DNA时，就可在切口处留下几个未配对的核苷酸，叫做粘性末端，另外一个用同种限制性内切酶切断的DNA片段也有粘性末端，这两个互补的粘性末端彼此结合就形成了生个重组DNA分子,2、目的基因的导入,首先将目的基因与质粒经过内切酶进行“裁剪”，然后靠“连接酶”的作用，将目的基因和质粒（或病毒DNA）重新组合起来形成重组DNA重组DNA就是在质粒（或病毒DNA）的“带领”下进入受体的过程叫“转化”，得到重组DNA的细胞叫“转化细胞”,直接导入法,电击法：借助电击仪高压脉冲把目的基因打入宿主细胞显微注射法：利用微量注射器在显微镜下直接把目的基因注入宿主细胞直接吸收法：把目的基因和宿主细胞混在一起，让其吸收基因枪法：在金属微粒上涂一层目的基因，然后发射到宿主细胞中,间接导入法,质粒是细菌染色体DNA以外的环状双链DNA分子，它能自我复制，也可整合到细胞染色体DNA中与其一起表达。质粒通常还含有标记基因，这可以从细胞的表型特征来识别噬菌体是一种细菌病毒，其环状双链DNA可以作为目的基因的载体科斯质粒是一种杂种质粒，含有质粒和噬菌体的部分顺序，很适合用作真核生物基因的载体,导入的判断,一般情况下，转化成功率为百分之一在低温条件下用氯化钙处理受体细胞增加重组DNA浓度判断导入是否成功的标志采用抗生素质粒作载体进行标记等,3、目的基因表达及表达产物分离,目的基因进入宿主细胞后，可以与宿主细胞DNA整合在一起，并一起表达。表达后所产生的蛋白质可以用一般分离蛋白质的方法分离和纯化,人类基因组计划HumanGenomeProject,概况,人类基因组计划，预期耗资30亿美元，历时15年。该计划从动议到实施经历了漫长的岁月（19841989）。1990年，美国国会批准了“人类基因组计划”，并于10月1日正式启动，由多国科学家参加、被称为“生命科学阿波罗计划”的人类基因组计划正式启动2000年6月26日，美国总统克林顿和英国首相布莱尔联合宣布：人类有史以来的第一个基因组草图已经完成。2001年2月12日中、美、日、德、法、英等6国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。2003年4月15日，在DNA双螺旋结构模型发表50周年前夕，中、美、日、英、法、德六国元首或政府首脑签署文件，六国科学家联合宣布：人类基因组序列图完成,人体基因组计划的主要内容,基因组作图基因组测序信息和材料的管理实施战略管理战略,（1）基因组作图,遗传连锁图谱主要通过家谱分析和测量不同性状一起遗传（即连锁）的频率而建立的物理图谱通过对构成人类基因组的脱氧核糖核酸分子的化学测度而绘制的，包括限制酶切图谱、排序的脱氧核糖核酸克隆库以及对表达基因或无特征（功能不清）的脱氧核糖核酸片段的低分辨图谱所有图谱的目标都是把有关基因的遗传信息，按其在每条染色体上相对位置线性地系统地排列出来。了解基因的位置及其相应的遗传性状，使我们能提示人类基因组结构模式的功能意义，并将其与其它哺乳类动物加以比较，以了解生物是如何进化的,（2）基因组测序,基因组的核苷酸顺序是分辨率最高的物理图谱，它含有构成一个个体遗传装置的整套信息。就人而言，意味着要排出30亿个核苷酸的顺序。同时，为了更好地利用人类基因组的顺序，还应对其它生物的基因组顺序进行测序，以便人类基因组进行比较研究,（3）信息和材料管理,作图和测序计划进行中会产生大量数据。这些数据只有被有效地收集、储存和分析，并对全世界的研究人员开放，才有价值。为此，需设立两类中心：收集及分发作图和测序数据的信息中心，收集和分发像脱氧核糖核酸DNA克隆及人继胞系这类材料的中心,（4）实施战略,由美国国家研究委员会的生物科学学部的基础科学委员会成立的人类基因组的作图与测序委员会提出了该计划的实施战略在该计划实施初期，虽大部分资金用于技术完善，但应加强业已开始的基因组的遗传连锁和物理作图工作大规模的测序应在技术发展到合适时再开始,（5）管理战略,为有效实施这一计划，应由国家卫生研究院、能源部或国家科学基金会中的一个部门负责这一计划的管理这一领导机构接受专项拨款和依据同行评议而支付基金，并负责材料中心和信息中心的运行，协调该计划的众多实验室工作和起到情报交流媒介的作用，还应负责具体行政管理事务,图谱拾零基因的相似性,更新的研究绘制了更准确、清晰的人类基因组图谱。科学家发现，地球上人与人之间99.99%的基因密码是相同的，来自不同人种的人比来自同一人种的人在基因上更为相似。在整个基因组序列中，人与人之间的变异仅为万分之一不仅如此，科学家还发现人与低等动物在基因上竟也如此相似。人类蛋白质有61%与果蝇同源，43%与线虫同源，46%与酵母同源。人类第17号染色体上的全部基因几乎都可以在小鼠的11号染色体上找到,基因与疾病,人类基因组计划研究人员还发现，在人类的23对染色体中，有3组基因和遗传性疾病高度相关第1号染色体与阿兹海默症相关第6号染色体与人类智能相关与人类性别有关的X染色体更是带有许多疾病基因，和数十种疾病有联系因此，科学家们断言：癌症只是一种基因病。人体中的基因忽然发生突变，就可能让病变细胞以无法控制的方式增长和分裂,布鲁塞尔自由大学的科学家在最新一期英国自然杂志上报告说，这一基因名SHIP2，实验结果表明，SHIP2基因在胰岛素调节血糖水平的过程中发挥着重要影响是抑制胰岛互分泌，降低机体对胰岛素的易感性。该基因不起作用时，胰岛素分泌血糖水平急剧降低。型糖尿病多发生在成年期，是发病最多、影响最广的一类尿病。其特征为不足或不能适当地利用胰岛素，导致血糖水平过高。这种疾病与饮食和环境等因素病史的原因,男性是罪魁祸首？,而对于人的性别，科学家也找到了男人与女人的重要差异。研究表明，男性染色体减数分裂的突变率是女性的两倍对此专家有不同解释，有人认为，这说明遗传累积下来的基因变种在男性体内比女性多一倍。还有人认为，这意味着男性应该对绝大多数基因突变负有责任,人类的基因数目,塞莱拉公司认为人类拥有2.63.9万个基因，而人类基因组计划认为在3.3万个左右，这些都大大低于先前科学家预计的10万个基因德国癌症研究中心基因组研究项目领导人施特凡魏曼就认为，许多基因都被以前的研究所忽视，随着对人类基因组信息的深入研究，人类基因的数量超过4万个是完全有可能的。但他同时也认为，人体遗传物质的作用机理比低等生物复杂得多，基因的数量并不是最重要的衡量因素,第22号染色体,第22号染色体,1999年12月1日，国际人类基因组计划联合研究小组宣布完整破译出人体第22对染色体的遗传密码，这是人类首次成功地完成人体染色体完整基因序列的测定，解读结果刊登在1999年12月2日的自然杂志上。22号染色体的解读工作是由英国桑格中心伊安坦哈姆博士的研究小组、日本庆应大学医学院清水信义的研究小组、美国奥克拉荷马大学与华盛顿大学的研究小组共同完成的第22号染色体是人体23对染色体中第二小的染色体，对它的测序破译工作完成了对第22号染色体上的3350万个碱基对的测序，共发现了679个基因，其中有55是人们以前不知道的,第22号染色体,研究人员发现的这些基因，主要与先天性心脏病、免疫功能低下、精神分裂症、智力低下、出生缺陷以及许多恶性肿瘤如白血病等有关。例如，用第22号染色体中发现的基因，能够比较充分地解释的疾病有DiGeorge综合症（先天性胸腺发育不全）,DiGeorge综合征,DiGeorge综合征是一种典型的细胞免疫缺陷疾病，也称为先天性胸腺发育不全综合征，并伴随有先天性心血管疾病研究人员在对第22号染色体的破译过程中发现，在染色体的着丝粒附近，存在以前未曾想到的复杂的重复顺序结构。研究人员认为，这一信息有助于解释为什么第22号染色体在这一区域的重组，会导致DiGeorge综合征,第22号染色体,其次，破译第22号染色体，还使人们发现了关于人体基因的一些新情况。例如，在第22号染色体的12个DNA片段中，最长的一个片段有2300万碱基对，这是人类基因组测序研究以来迄今获得的最长的DNA片段。同时，第22号染色体中的基因长度长短不等，长度范围从1000碱基对到58.3万碱基对，平均长度为19万碱基对,第22号染色体,此外，在第22号染色体上测得的679个基因中，有545个是功能基因；另外的134个是假基因，即在人类的进化过程中，这134个基因曾经发生过作用，但现在已不再发挥功能。除此以外，研究人员还发现，在第22号染色体上还有200300个从功能到结构尚待确认的基因。,“黑发基因”,日本花王公司的科学家经研究发现，人的头发根部存在一种负责制造“FGF”蛋白质的基因。当该基因数量减少和功能降低时，黑素细胞就会减少，同时抑制毛发细胞自杀行为的能力也会随之减弱。在对比研究后，科学家发现，黑发人负责制造“FGF”蛋白质的基因数量为白发人的2.5倍。进一步研究后发现，把“FGF”蛋白质添加到黑素细胞上去后，有抑制该细胞自杀作用的BC12基因数量可增加5倍。,第五节蛋白质工程ProteinEngineering,蛋白质工程,“后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究，包括研究蛋白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作用蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动力学等结构与功能认识的基础上，对蛋白质人工改造与合成，最终获得商业化的产品,蛋白质工程的主要步骤,从生物体中分离纯化目的蛋白；测定其氨基酸序列；借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构；设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用,第六节生化工程BiochemicalEngineering,一、生化工程的概念,生物化学与化学工程相互渗透所形成的一门交叉学科（生物化工）应用工程学这一实践技术，以微生物作为研究的主角、生物化学作为理论基础，从动态、定量、微观的角度，广泛而深刻地揭示了生物（化学）工业过程的本质,生物工程,化学工程,生化工程,生物化学,生物反应过程的特性,生化工程实质上就是研究生物反应过程中带有共性的特殊性工程技术问题,生化工程与化学工程的区别与联系,生化工程就是为生物技术服务的化学工程，既可被视为化学工程的一个分支，也可被认为是生物工程的一个组成部分区别一般所谓化学工程是指利用强有力的非生物性催化剂解决化学反应过程的工程技术问题生化工程所处理的则是以生物活细胞或由细胞提取出来的酶为催化剂的生物（化学）反应过程,生化工程的内容,1954年Hastings提出的十个方面的具体问题深层培养、空气供给及分布方法、大量空气的灭菌、搅拌、结构材料、压力容器、冷却方式、设备和培养基灭菌、过滤以及由于新工艺过程所引起的特殊公害和卫生问题目前研究内容胞外控制：固定化技术、搅拌通气技术、动力学与反应器设计、过程放大与优化、产品分离与纯化等胞内控制：遗传育种、代谢控制、培养基平衡等四个主要分支生化反应工程生化控制工程生化分离工程生化系统工程,生化工程的发展,两次跃变第一次（世纪年代）：青霉素深层发酵成功所带来的发酵工业大发展及生化（反应）工程知识体系的形成和现代发酵工程的体系化第二次（世纪年代）：基因工程的诞生及在发酵工程菌种选育上的应用四方面的预期发展新型生物反应器的研究开发新型分离方法和设备数学模型的建立和优化控制手段的改进,生化工程在国民经济中的重要地位,医药工业生产人体或动物体内调节生理作用的药物食品工业传统的调味及发酵食品、各种醇类饮料、有机酸、氨基酸、甜味剂、保健食品等化工、冶金工业各种化工原料的生产、生物冶金能源、环保甲烷、甲醇、乙醇、氢、生物柴油、生物电池等,二、微生物生化工程,微生物生化工程是应用微生物所具有的生物化学反应现象，在工业规模的生产中，如何以较少的原料和能量，高效率地获得产物，以及如何将实验室中新发现的物质和过程迅速而经济地推向工业生产的一门学问微生物生化工程是生化工程的核心和基础！,微生物生化工程的进展和局限,实践的大量积累为微生物生化工程提供了一定的理论指导实验方法、过程控制、仪器等大量理论问题难以解决微生物的复杂性和多样性试验条件的局限性,微生物生化工程发展的学科要求,很大程度上取决于物理微生物学（physicalmicrobiology）和微生物生理学（特别是反应动力学）的进展原因与流体力学、表面和界面化学以及分子生物学等相比，目前在讨论微生物的物理行为时，尚没有足够的资料依据在使用实验室得到的数据来评价工业生产规模的工艺方法和工艺设计时，仍存在数据多变性和使用数值范围不够的问题,三、生化工程师能够扮演重要角色的研究领域的定义,生物过程设计（Bioprocessdesign）代谢工程（Metabolicengineering）功能基因组学（Functionalgenomics）系统生物学（Systembiology）,生物过程设计（Bioprocessdesign）,Theoveralldesignofaprocess.Thisinvolvesbothdesignoftheequipmenttobeusedintheprocessandquantitativeevaluationofhowtheprocessistobeoperatedmostefficiently.Akeyelementinscaleupofprocessfromlaboratoryscaletoindustrialscale.生物过程的总的设计。包括在过程中使用的设备的设计以及定量评价如何才能够最有效地进行过程操作，是将过程从实验室水平放大到工业水平的一个关键因素。,代谢工程（Metabolicengineering）,Theuseofdirectedgeneticmodificationtoimprovethepropertiesofagivencell,e.g.improvedyieldorproductivity,expandedsubstraterange,andproductionofnovelproducts.Quantitativeanalysisofcellularfunctionplaysanimportantroleinthisfield.使用定向基因修饰来改进给定细胞的性质，例如提高的产率或生产能力、更广阔的底物范围以及新产品的生产等等。在该领域中对胞内功能的定量分析起着至关重要的作用。,功能基因组学（Functionalgenomics）,Thequalitativeassignmentoffunctiontoopenreadingframes(ORFs).ThisincludesassignmentoffunctionstoORFsthathavebeenidentifiedbuthavenoknownfunctionaswellasassignmentofadditionalfunctionstoORFswithalreadyassignedfunction.Withtheinteractionofmanydifferentprocessesitisnecessarytoconsiderinteractionsbetweenthemanydifferentcomponents,andthismayrequirequantitativeanalysis.将功能定性赋予开放可读结构（ORF）。包括将功能赋予已识别但功能未知的ORF以及将更多的功能赋予已知功能的ORF。由于许多不同过程之间的相互影响，必须考虑多个不同组分之间的相互作用，而这可能会需要定量分析。,系统生物学（Systembiology）,Descriptionofoverallcellfunctionthroughaquantitativestudyoftheinteractionbetweenalltheindividualcomponentsinthesystem(thecell),e.g.genetranscription,translation,protein-proteininteraction,enzymecatalysisofbiochemicalreactions,andreceptor-metabolitesinteraction.Withadetaileddescriptionoftheindividualmoleculareventsitisalsopossibletoconsidercell-cellinteraction,andherebywholeculturescanbequantitativelydescribed.通过对系统（细胞）的所有独立组分的相互影响的定量研究，例如基因转录，转译，蛋白质之间的相互作用，生化反应的酶催化，以及受体-代谢物之间的相互作用，对所有细胞功能进行描述。通过对个体分子事件的详细描述，有可能考虑细胞之间的相互作用，从而对整个培养进行定量地描述。,第七节生物技术的应用前景,生物技术在农业方面的应用生物技术在医药方面的应用转基因动物及克隆动物能源与环保,一、生物技术在农业方面的应用,植物基因工程是指植物学领域的基因工程，其研究对象是植物。利用植物基因工程技术，改良作物蛋白质成分，提高作物中必需的氨基酸含量，培育抗病毒、抗虫害、抗除草剂的工程植株以及抗盐、抗旱等逆境植株，在当前农业生产中已显示出巨大的经济效益，并展示了植物基因工程在未来农业生产中的广阔前景,（一）品质育种高产作物,最早运用基因克隆技术的基因是植物种子、块茎等贮藏器官中的贮藏蛋白基因。菲律宾马尼拉的国际水稻研究所已经培育出超级水稻，1.5,万斤/公倾。非洲培育出超级木薯增产10倍。我国袁隆平被誉为“杂交水稻之父”现在培育出的高光效水稻2.25万公斤/公倾，高光效玉米2.6万公斤/公倾。,促进健康的食品,杜邦和孟山都公司即将推出多种可榨取有益心脏的食用油的大豆。两大公司还将联手推出味道更鲜美且更容易消化的强化大豆新品种。一般情况下，玉米、小麦、水稻等谷类蛋白中缺乏赖氨酸。现在已培育出高赖氨酸的玉米、小麦和水稻,生物改良新饲料,人们可以给家禽和奶牛喂食生物改良饲料，以便为人类提供更优良的蛋白质并帮助动物吸收磷。生物改良饲料可以产生两项效益，即既能降低饲料成本，又能减少动物粪便中磷含量，因而有益于保护生态环境,含抗疾病物质农作物,艾尔姆公司与其它公司合作，正在研究高含量抗癌物质的西红柿，以及可用于生产血红蛋白的玉米和大豆。杜邦公司正在研究如何使大豆含有异黄酮成分，人们食用这种大豆就可以防止心脏病发作。此外，内含疫苗的香蕉和马铃薯也正在加紧研究中,特种转基因棉花和玉米,孟山都公司正在采用生物工程技术改良棉花，以使其出产天然蓝色和黄褐色纤维用于纺织布料。杜邦公司开发的一种微生物，有助于在棉花中产生超高弹性聚酯纤维，而卡吉尔和道化学公司则计划从玉米中提取塑料,（二）抗性育种抗虫植物,从名为苏云金杆菌的细菌中提出引起鳞翅目昆虫神经中毒而死亡的内毒素基因，转入烟草、番茄和马玲薯中，这些转基因的植物杀虫效果良好。毒素基因还能稳定遗传，而毒素对人畜无害,抗病毒植物,日本人从苍蝇体内分离到一种抗菌性很强的蛋白质基因，并将这种基因转移到作物细胞中培养出抗病的烟草、白菜。番茄是世界性水果和蔬菜，全球产量巨大，但最大缺陷是不耐贮运，易腐烂。现已培育出耐贮运的转基因番茄,抗除草剂植物,使用除草剂增加除草剂作用的酶或蛋白质的基因复制数转移一种酶的基因到植物中：如草甘磷抗性基因用基因突变的方法修饰酶自1996年以来美国研究人员一直种植一种基因改良棉花，这种棉花中含有从细菌中提取对棉铃虫和苞芽虫有致命危害的基因,抗盐碱作物：在酵母中发现了一种抗盐碱基因。现在人们已经培育出抗盐碱的大麦、番茄和某些瓜类抗旱作物：人们发现玉米中4种抗旱基因。可望通过基因工程培育出抗旱作物。美国人声称能把仙人掌的基因转入小麦玉米大豆中抗寒作物：我国科学家发现生活在寒温带的“美洲拟鲽”的冷水鱼能抗冻蛋白。把这种基因注入番茄的花粉管，得到转基因抗寒番茄。实验表明，这种番茄幼苗比对照品种致死温度下降2，所需积温减少125。并表现出很强的抗晚霜能力,（三）固氮育种,19世纪末发现有些细菌具有固定游离氮的能力，特别是生长在豆科植物根部的根瘤菌能有效地将游离氮转变可被作物直接吸收利用的氮。20世纪50年代又发现了近百种固氮微生物，有蓝藻、绿藻、细菌和真菌这些固氮生物是通过固氮酶完成的。人们正致力于把其基因转移到其它作物上去。并分离出一些有利于硝盐吸收和利用的基因，这将大大提高肥料的吸收和利用。,二、生物技术在医药方面的应用,（一）基因工程药物,生物工程药物就是利用生物工程技术制造的药物，是生物工程服务于社会的一类新产品。它和传统的化学药物以及从动、植物中提取药物的最大区别在于生产过程。通过基因工程或细胞工程培养出高产菌种或动、植物细胞株，称为“工程菌”或“工程细胞株”，再利用现代发酵技术大规模培养，从中提取出所需药物。,基因工程药物的出现,1977年美国加洲大学的HW博耶教授和国立医学中心将生长激素释放抑制因子基因与大肠杆菌pBB322质粒DNA实现了体外重组，并从10升这样大肠杆菌发酵液中提取到5mg这种激素。按常规需要50万只羊的脑才能提取。这是首次得到的基因工程药物,基因工程药物的进展,自从1982年美国首次批准基因工程胰岛素上市以来，各国已有十多种基因工程医药产品先后获准上市，如人生长激素、干扰素、人绒毛膜生长激素、促红细胞生成素、白细胞介素-2、凝血因子VII、抗胰蛋白酶、尿激酶等。有更多的基因工程产品正在进行临床试验,基因工程药物的种类,利用基因工程生产天然稀有的医用活性多肽或蛋白质抗病毒、抗肿瘤的干扰素和白细胞介素等治疗心血管系统疾病的尿激酶原及组织型溶纤蛋白酶原激活因子等防治传染病的乙型肝炎疫苗、腹泻苗等各种疫苗体内起调节作用的胰岛素和生长激素等激素单克隆抗体用于生物和医学的基础研究、疾病的诊断、预防和治疗中成为有力工具,（二）基因诊断,人类的遗传病有2000种左右，染色体数目异常、染色体畸变、基因结构改变都可导致先天性遗传疾病。如镰刀型红细胞贫血症就是由于血红蛋白-亚基第6位氨基酸密码突变引起的，苯丙酮酸尿症则是由于苯丙氨酸羟化酶基因缺失引起。,遗传病很难治，如果在胚胎发育早期就诊断出，则可以采用人工流产的方法预防出生，或在出生后早期治疗。一般，基因突变会导致其限制性内切酶识别位点的丢失或新生。一种称为“限制酶酶解片段长度多态性分析”方法可以检测出突变的基因。对于那些基因顺序明确，致病基因突变点已知的遗传病，可采用一种“等位特异性寡核苷酸探针检测法”进行诊断。近年来发展的“聚合酶链反应”技术，也被用于诊断。,（三）基因治疗,基因治疗是目前医学上最热门的研究课题，即是通过基因水平的操作来治疗疾病的方法目前的基因疗法是先从患者身上取出一些细胞，然后利用对人体无害的逆转录病毒当载体，把正常的基因嫁接到病毒上，再用这些病毒去感染取出的人体细胞，让它们把正常基因插进细胞的染色体中，使人体细胞就可以“获得”正常的基因，以取代原有的异常基因；接着把这些修复好的细胞培养、繁殖到一定的数量后，送回患者体内,1990年美国成功地为一位患重症联合免疫缺陷（腺苷脱氨酶缺陷）综合征的小女孩实施基因治疗，原来只能终生在无菌隔离条件下生存，现在回到了自然生活。,继安德林之后，法国巴黎奈克儿童医院的费舍尔博士与卡波博士也对两例先天性免疫功能不全的患儿成功地进行了基因治疗。,近10年来，世界上已有近400基因治疗方案开始应用于临床，其中美国占了一半。由于起步时间短，基因治疗尚处于基础研究和临床试验阶段，为此，不少美国科学家对基因治疗