生物技术总论

1、主讲教师：生命科学学院主讲教师：生命科学学院 王丽萍王丽萍 联系电话：联系电话Email：一、生物技术的含义一、生物技术的含义 （一）（一） 生物技术的定义生物技术的定义 生物技术（生物技术（Biotechnology)Biotechnology)是指人们以现代生是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。目的。 1.1.传统的生

2、物技术传统的生物技术（1 1）古代生物技术：）古代生物技术：-1857-1857年年 以非纯种微生物发酵为主以非纯种微生物发酵为主（2）近代生物技术：）近代生物技术：1857-1973 以纯种微生物发酵为主以纯种微生物发酵为主18571857年法国科学家年法国科学家L.PasteurL.Pasteur首先证实发酵是首先证实发酵是由微生物引起的，并首先建立了微生物的纯由微生物引起的，并首先建立了微生物的纯种培养技术，为发酵技术的发展提供了理论种培养技术，为发酵技术的发展提供了理论基础。基础。2.2.现代生物技术：现代生物技术：1973-1973-至今至今 以基因工程技术诞生为始，以基因工程技术诞

3、生为始，7070年代末年代末8080年代初发展起来的，以现代生物学研究年代初发展起来的，以现代生物学研究成果为基础，以基因工程技术为核心的成果为基础，以基因工程技术为核心的新兴学科。新兴学科。l基因工程基因工程(gene engineering)l细胞工程细胞工程(cell engineering)l酶工程酶工程(enzyme engineering)l发酵工程发酵工程(fermentation engineering)l蛋白质工程蛋白质工程(protein engineering)l生物学科生物学科：分子生物学、细胞生物学、：分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫学、人体生理学、动物微生物学

4、、免疫学、人体生理学、动物生理学、植物生理学、微生物生理学、生理学、植物生理学、微生物生理学、生物化学、生物物理学、遗传学生物化学、生物物理学、遗传学l其他学科其他学科：化学、化学工程学、数学、：化学、化学工程学、数学、微电子技术、计算机科学微电子技术、计算机科学1. DNA 是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者遗传大分子遗传大分子- DNA最重要，功能大分子最重要，功能大分子蛋白质最关键蛋白质最关键。pBR322pBR322BamBam HIHISalSal I IHinHin dIIIdIIIPstPst I IScaSca I IAmpAmpr roriori(4.36 kb)(4.36

5、 kb)重 组 DNAAmprTcs提 取DNA 电泳AmprAmprAmprAmprTcrTcrTcAmprTcsTcs转 化 无 菌 落阳 性 菌 落筛 选重 组 子2)DNA重 组无 DNA插入有 DNA插入外 源 DNA1)限制 酶 切供体细胞目的基因载体重组DNA分子转化细胞受体细胞多肽药物疫苗、抗体基因治疗基因诊断 转基因动物(畜牧业、渔业 生物反应器)转基因植物(农业、林业 生物反应器)冶金、环保轻工、食品（一）细胞工程的含义（一）细胞工程的含义 以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖，或人为地使细胞某些生物学特性按人们繁殖，或人为地

6、使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种的过程。主要包括：细胞大量培养、造新品种的过程。主要包括：细胞大量培养、微生物细胞和植物细胞的原生质体的融合、动微生物细胞和植物细胞的原生质体的融合、动物细胞的融合、单克隆抗体的制备、核移植、物细胞的融合、单克隆抗体的制备、核移植、体细胞杂交、植物再生等细胞操作技术。体细胞杂交、植物再生等细胞操作技术。1.1.细胞是一切生命活动的基本结构和功能单位细胞是一切生命活动的基本结构和功能单位(1)细胞是由膜包围的原生质团通过质膜与周围环境进细胞是由膜包围的原生质团通过质膜与周围环境进行物

7、质和信息交流；行物质和信息交流；(2)细胞是构成有机体的基本单位，具有自我复制的能细胞是构成有机体的基本单位，具有自我复制的能力，是有机体生长发育的基础；力，是有机体生长发育的基础；(3)是代谢与功能的基本单位，具有完整的代谢和调节是代谢与功能的基本单位，具有完整的代谢和调节体系，不同的细胞执行不同的功能；体系，不同的细胞执行不同的功能；(4)是遗传的基本单位，具有发育的全能性是遗传的基本单位，具有发育的全能性。 植物细胞植物细胞全能性：一个植物细胞可分化全能性：一个植物细胞可分化为机体的所有细胞。为机体的所有细胞。 成熟动物细胞不具备全能性。成熟动物细胞不具备全能性。 60年代的爪蟾和年代的

8、爪蟾和80年代小鼠的核移殖，年代小鼠的核移殖，90年代末多利羊的诞生都证明了分化细年代末多利羊的诞生都证明了分化细胞具有完整的胞具有完整的DNA。融合过程示意图融合过程示意图l单单: 单个细胞单个细胞l克隆克隆: 无性繁殖无性繁殖l抗体抗体: 化学性质单一、特异性强化学性质单一、特异性强l实验目的实验目的: :制备单克隆抗体制备单克隆抗体. .l实验原理：实验原理：B B淋巴细胞能产生抗体，骨髓淋巴细胞能产生抗体，骨髓瘤细胞能无限增殖，杂交瘤细胞既能产瘤细胞能无限增殖，杂交瘤细胞既能产生抗体又能无限增殖。生抗体又能无限增殖。l实验材料：小白鼠实验材料：小白鼠l实验器材：培养皿、针筒等等。实验器

9、材：培养皿、针筒等等。l实验过程：实验过程：单单克隆抗体制备过程克隆抗体制备过程l主要用于疾病的诊断、治疗和预防。与常规主要用于疾病的诊断、治疗和预防。与常规抗体相比，具有特异性强、灵敏度高的优点。抗体相比，具有特异性强、灵敏度高的优点。如；各种癌症、肝炎病毒、如；各种癌症、肝炎病毒、SARS病毒、细菌病毒、细菌及血吸虫等数百种疾病的诊断；及血吸虫等数百种疾病的诊断；l疾病治疗方面，单克隆抗体犹如人体卫士，疾病治疗方面，单克隆抗体犹如人体卫士，能识别能识别“自己自己”与与“异己异己”，一旦发现，一旦发现 致病致病因素便与之结合将其杀死。若在单抗上带上因素便与之结合将其杀死。若在单抗上带上抗癌药

10、物制成抗癌药物制成“生物导弹生物导弹”，将药物定向带，将药物定向带到癌细胞所在部位，既消灭了癌细胞又不会到癌细胞所在部位，既消灭了癌细胞又不会伤害健康细胞。伤害健康细胞。 英国英国PPL生物技术公司生物技术公司Roslin研究所的研究所的Wilmut博士博士1997年年2月月27日在世界著名权威杂志日在世界著名权威杂志Nature宣布用乳腺细胞的细胞核克隆出一宣布用乳腺细胞的细胞核克隆出一只绵羊只绵羊Dolli的消息。的消息。 说明体细胞核的遗传全能性说明体细胞核的遗传全能性clone sheep Dolly体细胞体细胞 提取提取 核核 重组细胞重组细胞 体外培养体外培养 移入子宫移入子宫 D

11、olly卵细胞卵细胞 去核去核 细胞细胞 2004年年8月月11日，英国人类生育和胚胎学管理局向纽卡日，英国人类生育和胚胎学管理局向纽卡斯尔大学生命中心颁发了世界第一份斯尔大学生命中心颁发了世界第一份“克隆执照克隆执照”，批准它以医疗为目的进行克隆人类胚胎研究。该中心批准它以医疗为目的进行克隆人类胚胎研究。该中心的科学家将使用细胞核转移技术培育人类胚胎干细胞，的科学家将使用细胞核转移技术培育人类胚胎干细胞，来探求糖尿病、帕金森氏症和阿尔茨海默氏症等疾病来探求糖尿病、帕金森氏症和阿尔茨海默氏症等疾病的治疗方法。的治疗方法。英国纽卡斯尔大学生命中心的基因学家艾利英国纽卡斯尔大学生命中心的基因学家艾

12、利森森默多克（左）和米奥德拉格默多克（左）和米奥德拉格斯托伊斯托伊 英国政府英国政府2005年年9月月8日向纽卡斯尔大学颁发执照，日向纽卡斯尔大学颁发执照，允许其培育具有两个母体遗传物质的人类胚胎，用以允许其培育具有两个母体遗传物质的人类胚胎，用以开展线粒体疾病的研究开展线粒体疾病的研究。 1.1.干细胞的含义干细胞的含义 干细胞的干细胞的“干干”译自英文译自英文“Stem”，意为意为“树树”、“干干”和和“起源起源”。干细。干细胞即起源细胞，是指尚未发育成熟的细胞即起源细胞，是指尚未发育成熟的细胞，它具有多分化潜能和自我复制的功胞，它具有多分化潜能和自我复制的功能。干细胞是人体内所有细胞的能

13、。干细胞是人体内所有细胞的“母母”细胞。在特定条件下，可以分化成不同细胞。在特定条件下，可以分化成不同的功能细胞，例如肌肉、神经和骨骼等的功能细胞，例如肌肉、神经和骨骼等 ，形成多种组织和器官。形成多种组织和器官。干细胞干细胞 骨髓 神经细胞 心肌细胞 胰岛细胞（一一）什么是发酵什么是发酵? ?通过微生物的培养通过微生物的培养, ,大量生产代谢产物大量生产代谢产物的过程叫发酵的过程叫发酵. .（二二）什么是发酵工程什么是发酵工程? ?采用现代工程技术手段采用现代工程技术手段, ,利用微生物的利用微生物的某些特定功能某些特定功能, ,为人类生产有用的产品为人类生产有用的产品, ,或直接把微生物应

14、用于工业生产过程的或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术一种新技术. .菌种筛选菌种筛选摇瓶试验摇瓶试验发酵罐试验发酵罐试验发酵工程的应用发酵工程的应用1.1.在医药工业上的应用在医药工业上的应用生产出种类繁多的药品生产出种类繁多的药品生产出大量的基因工程药品生产出大量的基因工程药品2.2.在食品工业上的应用在食品工业上的应用生产传统的发酵食品生产传统的发酵食品, ,使产品的质量使产品的质量 和产量得到明显的提高和产量得到明显的提高. .生产各种各样的食品添加剂生产各种各样的食品添加剂, ,改善食改善食 品的品质及色、香、味品的品质及色、香、味. .为解决人类粮食短缺问题开辟新的途为解决

15、人类粮食短缺问题开辟新的途 径径( (单细胞蛋白单细胞蛋白).).发酵工业产品种类发酵工业产品种类l发酵食品发酵食品l有机酸有机酸l氨基酸氨基酸l核酸类物质核酸类物质l酶制剂酶制剂l医药工业（抗生素医药工业（抗生素）l饲料工业（单细胞蛋白饲料工业（单细胞蛋白)l环境工程（废物处理）环境工程（废物处理）l其它其它 （冶金工业（冶金工业） （1）酶定义：酶是由细胞产生的具有催化功能的）酶定义：酶是由细胞产生的具有催化功能的蛋白质。蛋白质。 （2）酶的特点：酶的作用具有高度专一性，酶的）酶的特点：酶的作用具有高度专一性，酶的催化能力很高，酶的反应条件温和。催化能力很高，酶的反应条件温和。 （3）酶工

16、程：利用酶、细胞器或细胞所具有的特）酶工程：利用酶、细胞器或细胞所具有的特异性催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生异性催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技技术。它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术以及酶反应器的设计等技术、酶的修饰改造技术以及酶反应器的设计等技术。术。概念概念：抗体酶：抗体酶 或催化抗体（或催化抗体（Catalytic antibody)是一种新型人工酶制剂，是是一种新型人工酶制剂，是一种具有催化功能的抗体分子，在其一种具有催化功

17、能的抗体分子，在其可变区赋予了酶的属性。它是利用现可变区赋予了酶的属性。它是利用现代生物学与化学的理论与技术交叉研代生物学与化学的理论与技术交叉研究的成果，是抗体的高度选择性和酶究的成果，是抗体的高度选择性和酶的高效催化能力巧妙结合的产物。的高效催化能力巧妙结合的产物。 在基因工程的基础上，结合蛋白质在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对基因的人等多学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造技术等手段，从而达到对蛋工定向改造技术等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需