第一章-生物技术总论

,生命科学与食品工程学院,魏琴张超主讲,现代生物技术,自我介绍：魏琴，科研：从事植物细胞工程和基因工程领域的研究工作。教学：植物学、植物组织培养学、植物细胞工程、基因工程、生物技术概论、现代生物技术管理：发酵资源与应用四川省高校重点实验室（实验大楼B座）-生工专业完成学生课题、毕业论文、开放性实验、综合性实验的主要场所。,二十一世纪三大重中之重高技术：,生物技术（BT)信息技术（IT）新材料技术（纳米技术，NT）,21世纪最具潜力的高新技术多学科、交叉、综合的技术影响最为深远最广泛的技术,课程介绍,本课程已被设置为生物工程专业必修课。通过学习该课程，学生能够了解现代生物技术基本知识框架，掌握基因工程、细胞工程、酶工程（没包括蛋白质工程）的基本原理、熟悉基本操作技术。通过开设此课程学生可以成系统地了解、掌握一些生物技术理论、实验设计和实验手段，这对学生以后相应的就业选择有重要的积极影响。,魏琴,主要内容,总论基因工程细胞工程,酶工程,张超,理论54学时实验36学时,学时分配,总学时90学时,考核方式:考试学分:4分考查方式:1期末闭卷考试：602平时成绩：10%（笔记、作业、出勤）3、半期成绩:10%4、实验成绩：20%,考核,1、上课：笔记2、作业要求：矿1/3不得参加考试，成绩0分计3、考勤要求：矿1/3不得参加考试，成绩0分计,要求,主要参考书,宋思扬，楼士林，生物技术概论，第三版，2007，北京，科学出版社（十一五规划教材）2、翟礼嘉，顾红雅，胡苹等，现代生物技术概论，1998，北京，高等教育出版社3、周选围，林娟。生物技术概论，2009，北京，高等教育出版社,第一章生物技术总论GeneralIntroduction,目的与要求概要了解生物技术的含义、特点以及生物技术的发展史。了解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。,一、概述,1、生物技术概念P1：生物技术，有时也称为生物工程，是以现代生命科学为基础，运用先进的科学原理和工程技术手段按预先的设计来加工或改造生物材料从而产生出人类需要的产品或达到某种目的。,化学工程、机械工程、控制工程、环境工程,与人类健康、农业、资源、能源、环境有关P1,基因、细胞、有用物、个体或个体的一部分,植物学、动物学、遗传学、分子生物学、微生物学等,粮食、医药、食品、能源、金属等,生物技术与生物工程的区别,BiotechnologyandBioengineering生物技术侧重于利用生物学方法解决生物体本身的问题生物工程则侧重于利用工程学方法解决生物学问题,生命科学,工程科学,生物技术,研究领域,基因工程,细胞工程,酶工程,发酵工程,分离工程,蛋白质工程,服务领域,人类健康,农业,资源,能源,环境,食品,化学,生物制药；基因治疗；人工器官,转基因动植物、生物反应器,新型、保健、营养食品,污染治理；废物利用；污染物生物降解,BiotechnologyElectronics,化学工业,生物生理学,分子与细胞生物学,遗传学,生物化学,微生物学,能源与环境管理,农业,食品,疾病诊断,发酵技术,商业应用,健康与制药,食品,2、生物技术的种类（研究领域）及其相互关系,操作对象,基因,切接转增检,操作环节,新性状新产品,细胞内DNA分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段,2.1基因工程,举例在黑毛鼠、白毛鼠、黄毛鼠的受精卵分裂成8个细胞时用特制的吸管把8细胞胚吸出输卵管，用一种酶将包裹在各个胚胎上的粘液溶解，再把这三种鼠的8细胞胚放在同一溶液中使之组装成一个具有24个细胞的“组装胚”。马格特和彼德斯把“组装胚”移植到一只老鼠的子宫内，不久，一只奇怪的组装鼠问世了，这只组装鼠全身披着黄、白、黑三种不同颜色的皮毛。,DNA重组体导入受体细胞,应用：GoldenRice（金米）,操作对象,细胞,培养、增殖、改造细胞,操作环节,新性状新产品,细胞或其组成部分和构成的组织、器官等如染色体、细胞核、原生质体、整个细胞、受精卵、胚胎、组织或器官,2.2细胞工程,操作对象,酶,酶的固定化、分离纯化、酶的改造,操作环节,酶制剂,由生物活细胞产生的生物催化剂,2.3酶工程,操作对象,微生物,发酵培养,操作环节,产品产物,真菌、细菌、放线菌等,2.4发酵工程,举例：,酒精类饮料、醋酸和面包-传统发酵胰岛素、干扰素、生长激素、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、香料、酶、维生素和单细胞蛋白等-工程菌的发酵产物,操作对象,蛋白质,对应基因的修饰和合成,操作环节,蛋白质定向改造,DNARNA蛋白质,2.5蛋白质工程,具有优良特性的蛋白质分子,操作对象,目的产物,分离、纯化,操作环节,纯品,转基因的动植物、微生物,2.6生物分离工程,1、改造物种:采用基因工程或细胞工程的方法。2、基因工程和细胞工程的研究成果的产业化:通过发酵工程和酶工程来实现。3、基因工程、细胞工程和发酵工程中所需要的酶，往往通过酶工程来获得。4、酶工程中酶的生产，一般要通过微生物发酵的方法来进行。,2.7各生物技术之间的关系,上游工程,下游工程,五大工程间的关系,改变物种,产业化,改变物种,上游工程,下游工程,二、生物技术发展简史,“生物技术”词的提出：最初由一位匈牙利工程师KarlEreky于1917年提出的，指用甜菜大规模养猪。1、第一代生物技术产品-远古时代原始人：野生栽种选良种转化收获物发酵技术啤酒技术发酵面包技术制醋技术第一代生物技术产品：啤酒、苹果酒、发酵面包等。产品附加值低或中等。,2、第二代生物技术产品-巴斯德时代发酵原理的证明霉菌纯培养啤酒酵母的培养方法青霉素的发现第二代生物技术产品：抗生素、酶、乙醇、维生素、生物杀虫剂等，产品附加值低或中等。,3、现代生物技术的崛起DNA双螺旋发现遗传密码的破译DNA重组技术现代生物技术现代生物技术是一个复杂的技术群。现代生物技术的产品：基因工程药物、基因治疗、转基因植物、克隆动物、DNA芯片等。产品附加值高。,4、传统与现代生物技术的区别古代传统生物技术和近代生物技术(旧有的制造酱、酒、面包、奶酪、酸奶及其它食品的传统工艺。)只是利用现有的生物类型或生物机能为人类服务，而现代生物技术(5大工程)是按照人们的意愿创造全新的生物类型和生物机能，造福于人类。它是人类在建立实用生物技术中从必然王国走向自由王国，从等待大自然的恩赐转向索取的质的飞跃。,三、现代生物技术前景,生物技术的基本特征：高效益：可带来高额利润。高智力：具有创造性和突破性。高投入：前期需要投入大量资金。高竞争：时效性的竞争非常强烈。高风险：成功率低。高势能：大的潜力。,在国外，一个生物药品平均要投入13亿美元，并随着开发难度的增大,有逐步增高的趋势,一个新药品的开发，经过一系列的程序-研发、中试、动物实验、IIII期临床实验，上市和严格的药政监督管理。每一步都可能失败，而前功尽弃,碱性成纤维细胞生长因子231元/ug红细胞生成素1072元/ug白细胞介素-2410元/ug巨细胞粒细胞集落刺激因子1960元/ug胰岛素10.2元/mg,高层次人才，高新技术手段，多学科渗透,（一）生物技术对经济社会发展的影响（服务领域）-P7及第7-11章1、农业：改善农业生产、解决食品短缺1.1提高农作物产量及其品质1)培育抗逆的作物优良品系2)植物种苗的工厂化生产我国已建立了多种植物试管苗的生产线，如葡萄、苹果、香蕉、柑橘、花卉等。脱毒苗的生产,3)提高粮食品质美国威斯康星大学的学者将菜豆储藏蛋白基因转移到向日葵中，使向日葵种子含有菜豆储藏蛋白。4)生物固氮，减少化肥使用量将有固氮能力的细菌的固氮基因转移到作物根际周围的微生物中，由这些微生物进行生物固氮。,5）使用生物农药，生产绿色食品,指用于防治病、虫、草等有害生物的生物活体及其代谢产物，并可制成商品上市流通的生物源制剂。,生物源农药：粉碎的废次烟叶、烟梗-杀虫剂使用，提取出的烟碱-硫酸烟碱制剂。除虫菊素、苦参碱、鱼藤酮等杀虫制剂，芸薹素内酯等植物生长调节剂；动物源者如斑蝥素用于杀虫。,1.2发展畜牧业生产1)动物的大量快速无性繁殖1997年2月英国Roslin研究所用绵羊乳腺细胞培育出一只小羊-“多莉”。这意味着动物体细胞同样有可能进行动物的大量、快速无性繁殖。2)培育动物的优良品系采用基因打靶技术（Genetargeting）培育转基因克隆羊利用乳腺生产药用蛋白的转基因羊,指用含已知序列的DNA片段与受体细胞基因组中序列相同或相近的基因发生同源重组，整合至受体细胞基因组中并得以表达的一种外源DNA导入技术。,2、人类健康：提高生命质量、延长人类寿命1)开发制造奇特而又贵重的新型药品1977年，美国首先采用大肠杆菌生产了人类第一个基因工程药物-人生长激素释放抑制激素2)疾病的预防和诊断1998年初，美国食品和药物管理局（FDA）批准了首个艾滋病疫苗进入人体试验。DNA探针，主要用来诊断遗传性疾病和传染性疾病。单克隆抗体技术-治疗、诊断,3)基因治疗1990年9月，美国FAD批准了用AIJA(腺昔脱氨酶)基因治疗严重联合型免疫缺陷病(一种单基因遗传病)，并取得了较满意的结果。,人类基因组计划（HGP）1986年美国生物学家诺贝尔奖获得者Dulbecco首先倡议，全世界的科学家联合起来从整体上研究人类的基因组，分析人类基因组的全部序列以获得人类基因所携带的全部遗传信息。毫无疑问，该项工作的完成，将使人们深入认识许多困扰人类的重大疾病的发病机理；90年代的人类基因组计划的科学意义如同60年代的登月计划。所以继美国之后，欧盟国家、日本、俄罗斯、加拿大、澳大利亚和我国也相继启动了人类基因组计划。,3、资源、能源与环境解决能源危机、治理环境污染制造工业原料、生产贵重金属,4、化学工业利用微生物在生长过程中积累的代谢产物，发酵技术还可用来生产化学工业原料。主要有传统的通用型化工原料如乙醇、丙酮。丁醇等产品在冶金工业方面，高品价富矿不断耗尽。面对数量庞大的废渣矿、贫矿、尾矿、废矿，采用一般的采矿技术已上能为力，惟有利用细菌的浸矿技术才能对这类矿石进行提炼。可提取的金属包括金、银、铜、铀、锰、钥、锌、钻、镍、钡、铭等多种贵重金属和稀有金属。,5、食品工业生产食品工业原料，种类繁多。概括起来，主要有以下几个大类氨基酸类：主要的有谷氨酸（即味精）、赖氨酸等；酸味剂：主要有柠檬酸、苹果酸等.甜味剂：主要有天冬甜精（甜味是砂糖的2400倍）、氯化砂糖（甜味是砂糖的600倍）。,（二）生物技术的安全及其对伦理、道德、法律的影响-第13章基因工程是否产生有致病性的微生物转基因食品是否带来环境改变及对人类健康的影响分子克隆造成的对人类的社会问题生物武器的研制转基因技术克隆人:动物克隆技术,克隆动物引来的争论,美国：克林顿电视讲话日本：克隆人者判10年监禁英国：批准以治疗为目的的人体胚胎克隆试验；严禁生殖目的的人体胚胎克隆试验欧洲：议会投票否决人体克隆中国：严禁克隆人的试验,幼女夭折，出资50万美元克隆女儿愿意为第一个克隆婴儿怀孕的“妈妈”超过50人邪教组织克隆人伊拉克要克隆100个萨达姆克隆耶稣百名夫妇积极要求接受克隆人试验,动物克隆给人类带来什么,动物克隆技术的应用价值器官移植复制自己复制历史人