生物技术概论3

1、第1章 现代生物技术总论v第一节 生物技术的含义v一 生物技术的定义v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原料,为人类生产出所需产品或达到某种目的.v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。物技术时期关键以分子生物学的理论为先导，基因工程技术开始能作为生物技术新产品的一种开发手段或关键技术后起始的。生物技术的种类及其相互关系 1 基因工程 2 细胞工程 3 酶工程 4 发酵工程 5 蛋白质工程五大工程相互

2、关系生化工程v生物化学工程是生物化学反应的工程应用，主要包括了发酵工程下游技术。即后提取。 现代生物技术的应用及发展前途v应用：v一、提高生命质量，延长人类寿命v二、解决能源危机、治理环境污染v三、改善农业生产、解决食品短缺v一、提高生命质量，延长人类寿命v（一）用于开发新型药品v 1977年，美国首先采用大肠杆菌作为基因工程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，开辟了药物生产的新纪元。若采用常规方法生产5mg该激素，则需要50万头羊的下丘脑，而用大肠杆菌基因工程法生产同等量生长激素释放抑制激素，则仅需9L（升）细菌发酵液，使其价格隆到每克300美元。v如今通过基因工程琳琅满目

3、如生物活性物质酶、激素、疫苗、干扰素、免疫球蛋白、白细胞介素、生长因子、集落刺激因子等。过分依赖抗生素催生超级细菌 噩梦或从此开始 最近，“超级细菌”肆虐，据报道，一些赴印度接受治疗的患者感染了一种新型超级细菌，其含有一种叫NDM-1的基因。这种细菌对现有的绝大多数抗生素都“刀枪不入”，甚至对碳青霉烯类抗生素也具有耐药性，而碳青霉烯类抗生素通常被认为是紧急治疗抗药性病症的最后方法。这种变种超级细菌目前已经传播到英国、美国、加拿大、澳大利亚、荷兰等国家，有可能进一步在全世界蔓延。有专家甚至认为，这可能预示着人类抗生素时代的终结。v“超级细菌”增多新药研制赶不上耐药菌繁殖v有75%感冒患者使用抗生

4、素，视为“万能药”v抗菌药的三大不良反应 ：v毒性反应 v过敏反应 v二重感染 v毒性反应v肾脏：氨基糖苷类、多黏菌素类、四环素类、万古霉素、磺胺药等均可导致不同程度的肾脏损害。v肝脏：红霉素类、磺胺类、利福平、氯霉素等均可引起肝损害。v胃肠道：各类抗菌药物尤其口服给药者均可由药物本身刺激作用引起恶心、呕吐、腹痛、腹泻等反应。v神经精神系统：青霉素类可对大脑皮层产生直接刺激，出现肌阵挛、惊厥、癫痫、昏迷等；链霉素、卡那霉素等均可损害第八对脑神经，导致听力或前庭功能损害；氯霉素、普鲁卡因霉素等有时可引起幻觉、幻听、定向力丧失等精神症状。v造血系统：氯霉素、磺胺类、头孢菌素类可能引起贫血、再生障碍

5、性贫血。v过敏反应v过敏性休克：青霉素所致者最常见，链霉素所致也较多见，头孢菌素类、红霉素等偶亦可引起。v药疹及药物热：多见使用青霉素、链霉素、磺胺药等，药物热可与药疹同时出现，也可单独发生。v光敏反应：服药期间在暴露部位出现皮疹，四环素类以及某些喹诺酮类较多见，严重者可出现皮肤红肿、水疱等。v血管神经性水肿、血清病样反应：大多由青霉素引起。v 二重感染v 此为应用抗菌药物中出现的新感染，在长期应用广谱抗菌药物的患者中较多见。广谱抗菌药物可抑制人体内敏感菌的生长，导致耐药菌大量繁殖，成为优势菌，此时如各种原发疾病、大手术等使机体免疫功能受损，优势菌就可引起消化道、肺部、尿路、血流等感染，且治疗

6、困难，病死率较高。v（二）用于疾病的预防和诊治v由于传统的疫苗生产方法对某些疫苗的生产和使用存在着免疫效果不佳、被免疫者有被感染的风险等缺点，较多的基因工程式法生产重组疫苗则可达到安全、高效的目的，现已临床广泛而目前应用的基因重组疫苗有病毒性肝炎疫苗（包括甲肝和乙肝疫苗等）、肠道传染病疫苗（包括零乱和痢疾等）、寄生虫疫苗（包括疟疾和血吸虫等）、流行性出血热疫苗、EB病毒疫苗等。v利用细胞工程技术生产单克隆抗体则为利用生物技术进行疾病防治的另一途径。例如：用于治疗肿瘤的“生物导弹”，就是将用于治疗肿瘤的药物与抗肿瘤细胞连接在一起，利用抗原抗体结合的高度专一性，使得抗肿瘤药物集中于肿瘤部位，以达到

7、高效杀伤肿瘤细胞并减少对正常细胞的毒性反应。v 此外。还可以应用基因工程技术生产诊断用DNA试剂，称为DNA探针，主要用于诊断遗传性疾病和各种传染病等。一种“超级病菌”已经从南亚传入英国，并很可能向全球蔓延v抗生素是人类抵御细菌感染类疾病的主要武器。但是，最近，这种武器遭到巨大挑战。医学权威杂志柳叶刀11日刊登的一篇论文警告说，研究者已经发现一种“超级病菌”，它可以让致病细菌变得无比强大，抵御几乎所有抗生素。目前，这种“超级病菌”已经从南亚传入英国，并很可能向全球蔓延v （三）用于基因治疗v基因治疗（gene therapy）是指将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病

8、，以达到治疗目的。也就是将外源基因通过基因转移技术将其插入病人的适当的受体细胞中，使外源基因制造的产物能治疗某种疾病。从广义说，基因治疗还可包括从DNA水平采取的治疗某些疾病的措施和新技术。目前，基因治疗已涉及到恶性肿瘤、遗传病、代谢性疾病、传染病等多种疾病。v(一)治疗性基因的获得 v(二)基因载体的选择 v(三)靶细胞的选择 v(四)基因转移方法 v(五)转导细胞的选择鉴定 v(六)回输体内 基因治疗策略基因治疗策略v 目的基因的转移v 在基因治疗中迄今所应用的目的基因转移方法可分为两大类：病毒方法和非病毒方法。基因转移的病毒方法中，RNA和DNA病毒都可用为基因转移的载体。常用的有反转录

9、病毒载体和腺病毒载体。转移的基本过程是将目的基因重组到病毒基因组中，然后把重组病毒感染宿主细胞，以使目的基因能整合到宿主基因组内。非病毒方法有磷酸钙沉淀法、脂质体转染法、显微注射法等。 基因治疗的基本步骤 v目的基因的表达v目的基因的表达是基因治疗的关键之一。为此，可运用连锁基因扩增等方法适当提高外源基因在细胞中的拷贝数。在重组病毒上连接启动子或增强子等基因表达的控制信号，使整合在宿主基因组中的新基因高效表达，产生所需的某种蛋白质。v安全措施v为避免基因治疗的风险，在应用于临床之前，必须保证转移-表达系统绝对安全，使新基因在宿主细胞表达后不危害细胞和人体自身，不引起癌基因的激活和抗癌基因的失活

10、等，尤其是在将反转录载体用于基因转移时，必须在应用到人体前预先在人骨髓细胞、小鼠体内和灵长类动物体内进行类似的研究，以确保治疗的安全性。 v（四）人类基因组计划v从整体上研究人类的基因组，分析人类基因组全部序列以获得人类基因所携带的全部遗传信息。v该计划的实施极大地促进了生命科学领域一系列基础研究的发展，进一步阐明基因的结构与功能关系、生命的起源和进化、细胞发育、分化的分子机制及疾病发生的机制等，为人类自身疾病诊断和治疗提供依据，为医药产业带来了翻来覆去的变化。v二、解决能源危机、治理环境污染（一）解决能源危机v生物能源是最有希望的新能源之一，通过微生物发酵或固定化酶技术，将工、农业废弃物变为

11、沼气或氢气，将是一种取之不尽、用之不竭的能源。v应用生物技术，加入能分解蜡质的微生物后，利用微生物分解蜡质使石油流动性增加而获得更多的石油，被称为三次采油。v 一般认为起驱油作用的是微生物产生的气体和表面活性剂,还有产酸作用、对原油的降解作用。微生物注入地层后,通过间隙水与临近的油滴结合之后运移,微生物吸附于油滴边界,将烃类分子转化成有机溶剂、表面活性剂、酸、醇和气体。有机溶剂溶解于石油,降低其粘度,提高有效渗透率;表面活性剂可降低油与岩石和油与水的界面张力，提高驱油效率,改变岩石润湿性,使岩石更加水湿; 消除岩石孔壁油膜,提高油相流动能力;分散乳化原油,降低原油粘度。 微生物采油v国际能源网

12、讯：美国加州大学洛杉矶分校的科学家于2009年12月中旬宣布，他们成功开发出一种能将二氧化碳转化为液体燃料的转基因蓝藻。这种蓝藻能通过光合作用消耗二氧化碳并产生异丁醇。该研究被认为具有较大的应用价值。 据介绍，通过基因技术，研究人员首先增加了聚球蓝藻菌中具有吸收二氧化碳作用的核酮糖二磷酸羧化酶v（RuBisCO）的数量。而后又插入了其他微生物的基因以增强其对二氧化碳的吸收能力。通过光合作用，转基因蓝藻就可以产生异丁醇气体。这种气体具有沸点低，承压能力强的特点，容易从系统中分离。v（二）保护环境v1、微生物脱硫治理空气污染v2、运用生物技术处理、净化污水v3、应用生物农药控制病虫害v4、使用基因

13、工程生产可降解塑料运用生物技术处理、净化污水 解决白色污染的替代材料是微生物生产的PHA 塑料被称为白色污染，是近年来环境的大敌。以聚乙烯为代表的塑料，在自然条件下极难降解，在土里埋50100年仍旧安然无恙。由于塑料广泛应用于农业生产及日常生活中，造成了这种人工化合物的大量积累。积累在农田中的塑料可导致土壤板结，活力下降，防碍作物生长，可使作物减产2040%。vv现在人们正在积极寻找可以取代原有塑料的可生物降解的新材料。一类由微生物合成的化合物引起了人们的兴趣，这类化合物为聚-羟基烷酸酯，简称PHA，它们是由许多个-羟基化的饱和脂肪酸聚合而成的。脂肪酸可以是丁酸，戊酸或己酸等。v三、改善农业生

14、产、解决食品短缺（一）有利于提高农作物的产量和品质（二）有助于发展畜牧业生产生化武器v生化武器是指以细菌、病毒、毒素等使人、动物、植物致病或死亡的物质材料制成的武器。作为一种大规模杀伤性武器，至今仍然对人类构成重大威胁。它包括生物武器和化学武器。v当前和今后的生物武器研究的重点主要表现在如下几方面： v一、是毒素类战剂成为研究的热点。毒素是由细菌、微生物、动物、植物和真菌等生物体产生的有毒化学物质，这类战剂又称生物化学战剂，其毒性比现有化学战剂高出1001000倍，并难于检测和核查。 v二、是运用分子遗传学方法研究和改造各种生物战剂。通过基因重组，使致病的细菌和病毒中接人能抗普通疫苗或药物的基

15、因，使感染者难以治愈；或者在一些非致病微生物体内“插入”致病基因，制造出新的生物战剂。例如，在相中接人炭疽病基因，将眼镜蛇毒液的基因“插入”流感病毒等。v三、是研究提高生物战剂杀伤效应的技术。施放方法对生物战剂的杀伤效果影响很大。研究表明，以气溶胶形式施放生物战刘是使用生物武器的主要手段。一些国家很重视提高气溶胶的发生率、稳定性、感染力及控制气溶胶粒度的研究。 四、是利用现代生物技术特别是基因工程发展新型生物战剂。生物战剂已经从由自然界筛选致病微生物与毒素发展到利用DNA重组与蛋白质工程技术改造、构建新的致病微生物和毒素的阶段。 v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。

16、物技术时期关键以分子生物学的理论为先导，基因工程技术开始能作为生物技术新产品的一种开发手段或关键技术后起始的。生化工程v生物化学工程是生物化学反应的工程应用，主要包括了发酵工程下游技术。即后提取。 现代生物技术的应用及发展前途v应用：v一、提高生命质量，延长人类寿命v二、解决能源危机、治理环境污染v三、改善农业生产、解决食品短缺v毒性反应v肾脏：氨基糖苷类、多黏菌素类、四环素类、万古霉素、磺胺药等均可导致不同程度的肾脏损害。v肝脏：红霉素类、磺胺类、利福平、氯霉素等均可引起肝损害。v胃肠道：各类抗菌药物尤其口服给药者均可由药物本身刺激作用引起恶心、呕吐、腹痛、腹泻等反应。v利用细胞工程技术生产单克隆抗体则为利用生物技术进行疾病防治的另一途径。例如：用于治疗肿瘤的“生物导弹”，就是将用于治疗肿瘤的药物与抗肿瘤细胞连接在一起，利用抗原抗体结合的高度专一性，使得抗肿瘤药物集中于肿瘤部位，以达到高效杀伤肿瘤细胞并减少对正常细胞的毒性反应。v 此外。还可以应用基