第二章现代生物技术进步

1、1第二章第二章 现代生物技术进步现代生物技术进步2第一节第一节 生物技术概述生物技术概述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3第一节第一节 生物技术概述生物技术概述一、何为生物技术 组成生物技术的三个互相关联的基本要素：1、采用现代科学的基本理论和技术l生命科学涉及

2、生物学、医学和农学等与生命有关的学科领域。l生物学理论和技术是现代生物技术最重要的基础l探讨的问题有：p从DNA到蛋白质p从染色体到细胞p从生理现象到遗传变异p从受精到凋亡p从个体发育到物种进化4第一节第一节 生物技术概述生物技术概述2、应用生物材料和生物系统l开发利用的生物材料有：p植物、动物和微生物p上述三种的器官、组织、细胞、细胞器p无细胞系统、酶系统l利用生物特有的方式，在适当的条件下，经济地制备人类所需要的生物活性物质。5第一节第一节 生物技术概述生物技术概述3、通过一定的工程系统获得产品或提供服务l通过工程学途径，规模化地制备市场需要的生物产品。l提供治疗预防疾病、改善自然生态环境

3、、消除环境污染等方面的服务。如：药品、细胞、DNA制品、动植物新品种、食品、肥料、试剂等。6第一节第一节 生物技术概述生物技术概述定义： 生物技术是以生命科学为基础，利用生物体及其细胞的、亚细胞的和分子的组成部分，结合工程学、信息学等手段开展研究及制造产品，或改造动物、植物、微生物等，并使其具有所期望的品质，特性，从而为社会提供商品和服务的综合性技术。7第一节第一节 生物技术概述生物技术概述二、生物技术发展沿革1、近代生物学发展历程三项伟大成就：细胞学说生物进化论遗传定律8细胞学说细胞学说1665年,英国科学家胡克用自己设计与制造的的简易显微镜观察栎树软木塞切片时，发现其中有许多小室，他把这些

4、小室称为细胞，实际上胡克当时看到的是细胞壁。这是人类发现细胞的第一步。1665年年9细胞学说细胞学说1838年，德国植物学家施莱登使用分辨率达1m的显微镜，观察了量的植物组织后提出：“植物，不论发展到多么高级，都是由充分个体化的、各自独立的、分离的物体组成的聚合物，这些物体就是细胞。”1838年年10细胞学说细胞学说1839年，德国动物学家施旺通过对鱼、蛙、猪、等多种多细胞的系统观察后提出：“细胞是有机体，整个动物和植物都是细胞的集合体，它们依照一定的规律排列在动植物体内” 。1839年年11细胞学说细胞学说1858年，德国医生和病理学家魏尔肖指出：“细胞只能来自细胞，细胞是一个相对独立的生命

5、活动的基本单位。这被认为是对细胞学说的重要补充。”1858年年12生命的起源生物进化论生物进化论13达尔文达尔文“贝格尔贝格尔”号舰的航行号舰的航行14达尔文和进化论达尔文和进化论1859年年物种起源物种起源这部巨著出版了，引起极大的反响。这部巨著出版了，引起极大的反响。自然界中生物的物种是不断进化的，是不断从低自然界中生物的物种是不断进化的，是不断从低级向高级发展的。级向高级发展的。自然界进化的规则是物竞天择，适者生存。自然界进化的规则是物竞天择，适者生存。15孟德尔遗传定律孟德尔遗传定律从1856-1871年进行了大量植物杂交试验研究；其中对豌豆(严格自花授粉/闭花授粉)差别明显的7对简单

6、性状进行了长达8年研究，提出遗传因子假说及其分离与自由组合规律；1865年2月8日和3月8日先后两次在布尔诺自然科学会例会上宣读发表；1866年整理成长达45页的植物杂交试验一文，发表在布隆自然科学会志第4卷上。意义：奠定了遗传科学基础意义：奠定了遗传科学基础162、现代生物技术的兴起、现代生物技术的兴起1910年，果蝇白眼突变的研究，确证基因在染色体上，创立了基因论。1941年，红色面包霉营养突变体研究，发现基因的功能是制造各种各样的蛋白质，提出“一种基因产生一种酶”的学说。1950年玉米斑驳性状遗传研究，发现转座遗传因子，又叫“跳跃基因”，在染色体之间转移位置，调控基因的表达。在此基础上，

7、10年后另一项重大发现：3种不同的基因，即结构基因、操纵基因和调节基因。172、现代生物技术的兴起、现代生物技术的兴起1953年，DNA双螺旋结构模型的创立，第一次提示了DNA分子的结构、组成及功能，开创了从分子水平揭示生命现象本质的新纪元。1958年，证明了DNA半保留复制和中心法则1961年，发现DNA的遗传密码是由3个碱基组成的三联体。1967年破译遗传密码，制定对应的密码子表，并适用于所有生物。1970年，分离出第一个核酸限制性内切酶，使得有目的地割成为可能。1972年，利用限制性内切酶和连接酶，得到第一个体外重组的DNA分子，从而建立了重组DNA技术。将生物技术带进了基因工程时代。1

8、976年，世界上第一家应用生物技术开发新药的公司（Genetech）的建立，拉开了现代生物技术产业发展的序幕。1990年10月，正式启动“人类基因组计划”，2000年6月26日，参与 该项目的各国科学家公布了科学史上具有里程碑意义的第一张人类基因组工作草图。182、现代生物技术的兴起、现代生物技术的兴起近20年崛起的各类生物技术： 酶或细胞固定化技术 细胞或原生质体融合技术 细胞大规模培养技术 生物反应器技术 动植物转基因技术 蛋白质工程技术 蛋白质组学技术 生物芯片技术 基因组测序分析技术 基因治疗技术 等等20多种。应用范围：农业食品、医药卫生、化工环保、资源能源、海洋开发等。解决问题：具

9、有解决人类面临的食物、健康、资源和环境等重大问题的巨大潜力19第二节第二节 生物技术的主要内容生物技术的主要内容生物技术的主要内容：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：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。201、基因工程、基因工程基因工程是指在微观领域（分子水平）中，根据分子生物学和

10、遗传学原理，设计并实施一项把一个生物体中有用的目的DNA(遗传信息)转入另一个生物体中，使后者获得新的需要的遗传性状或表达所需要的产物，最终实现该技术的商业价值。2122基因工程的应用基因工程的应用稀少珍贵的蛋白质药物：稀少珍贵的蛋白质药物：1982年，美国食品与药物管理局批准了首例基因工程产品人胰岛素投放市场它标志了基因工程产品正式进入到商业化阶段。人生长激素、表皮生长因子、肿瘤坏死因子、a-干扰素、纤维素酶、抗血友病因子、红细胞生成素、尿激酶原、白细胞介素-2、集落刺激因子、乙肝疫苗等等。23基因工程的应用基因工程的应用畜牧业中的应用动物疫苗、生长激素等。例：从转基因羊的羊奶中提取出治疗心

11、脏病的药物tPA。24基因工程的应用基因工程的应用种植业中的应用 用携带外源基因的农杆菌Ti质粒转化植物原生质体，使外源DNA与植物染色体DNA整合，通过原生质体的培养分化成愈伤组织，最后发育成具有新性状的完整植株转基因植物25基因工程的应用基因工程的应用抗化学除草剂基因转基因西红柿固氮酶基因26基因工程的应用基因工程的应用生态环境保护环境监测环境监测环境污染治理环境污染治理27环境监测利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。28环境污染治理基因工程做成的基因工程做成的“超级细超级细菌菌”能吞食和分解多种污能吞食和分

12、解多种污染环境的物质。染环境的物质。通常一种假单孢杆菌只能通常一种假单孢杆菌只能分解石油中的一种烃类。分解石油中的一种烃类。用 基 因 工 程 培 育 成 功 的用 基 因 工 程 培 育 成 功 的“超级细菌超级细菌”却能分解石却能分解石油中的多种烃类化合物。油中的多种烃类化合物。科学家还培育出能吞食转科学家还培育出能吞食转化汞、镉等重金属，分解化汞、镉等重金属，分解DDT等有毒物质的细菌。等有毒物质的细菌。292、细胞工程、细胞工程细胞工程细胞工程 (cell engineering)是以细胞生物学和分是以细胞生物学和分子生物学为基础理论，采用原生质体、细胞或组子生物学为基础理论，采用原生

13、质体、细胞或组织培养等试验方法或技术，在细胞水平上研究改织培养等试验方法或技术，在细胞水平上研究改造生物遗传特性，以获得具有新的性状的细胞系造生物遗传特性，以获得具有新的性状的细胞系或生物体以及生物的次生代谢产物，并发展有关或生物体以及生物的次生代谢产物，并发展有关理论和技术方法的学科。理论和技术方法的学科。 细胞工程的核心技术：细胞培养与繁殖细胞工程的核心技术：细胞培养与繁殖 目的：获得新性状、新个体、新物质目的：获得新性状、新个体、新物质30 1）植物细胞和组织培养技术）植物细胞和组织培养技术从健康植株的特定部位或组织，如根、茎、叶、花、果实、胚珠、花药和花粉等，选择用于组织培养的起始材料

14、，称之为外植体。用一定的化学药剂，最常用的有次氯酸钠，升汞和酒精等对外植体表面消毒，建立无菌培养体系。严格控制无菌条件，这是获得培养成功的重要一步。外植体块在培养基上形成疏松的愈伤组织，由愈伤组织分化出芽并可诱导形成根的小植株。 31过程过程离体的植物器官、组织或细胞离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织愈伤组织根、芽根、芽植物体植物体外植体外植体脱分化脱分化植物激素：植物激素：细胞分裂素、生长素细胞分裂素、生长素再分化再分化植物组织培养植物组织培养植物组织培养条件植物组织培养条件： 含有全部营养成分的培养含有全部营养成分的培养基、一定的温度、空气、基、一定的温度、空气、无菌环境、适合的无菌环境、

15、适合的PH、适、适时光照等。时光照等。32切取33接种34 愈伤组织：愈伤组织： 在人工培养基在人工培养基上由外植体长出上由外植体长出来的一团无序生来的一团无序生长的薄壁细胞长的薄壁细胞（细胞排列疏松、（细胞排列疏松、无规则、高度液无规则、高度液泡化的无定形的泡化的无定形的薄壁细胞）。薄壁细胞）。35植物组织培养（试管苗的形成）3637培养室38试管苗大规模培养39移栽经过炼苗的小苗，可以和一般植物一样进行大规模栽培。40请同学们讨论如何实现请同学们讨论如何实现? ?41 2）动物细胞和组织培养技术）动物细胞和组织培养技术 423）细胞融合技术（体细胞杂交技术）细胞融合技术（体细胞杂交技术）植

16、物细胞植物细胞A A植物细胞植物细胞B B原生质体原生质体A A原生质体原生质体B B原生质体融合原生质体融合正在融合的正在融合的原生质体原生质体再生出细胞壁再生出细胞壁杂种细胞杂种细胞愈伤组织愈伤组织杂种植株杂种植株去细胞壁去细胞壁纤维素酶纤维素酶果胶酶果胶酶物理方法物理方法化学方法：化学方法：离心离心振动振动电刺激电刺激聚乙二醇聚乙二醇细胞分裂细胞分裂植植物物组组织织培培养养植物细胞融合植物细胞融合酶解法酶解法人工诱人工诱导方法导方法43成果和尚未解决的问题：成果和尚未解决的问题：成成 果：果：克服不同生物远缘杂交的障碍，克服不同生物远缘杂交的障碍， 出现自然界没有的新品种。出现自然界没有

17、的新品种。未解决问题：未解决问题：尚未让杂种植物按照人们的需要尚未让杂种植物按照人们的需要 表现出亲代的优良性状表现出亲代的优良性状444） 细胞器移植技术细胞器移植技术 277次乳腺细胞核移植实验； 获得29个发育为8细胞的“胚”； 1996年7月5日，羊羔6LL3，被命名为“多莉”。45预想的克隆人技术路线预想的克隆人技术路线465）染色体工程技术）染色体工程技术 染色体工程是按人们的需要来添加、削减染色体工程是按人们的需要来添加、削减或替换生物的染色体的一种技术。主要分或替换生物的染色体的一种技术。主要分为动物染色体工程和植物染色体工程。为动物染色体工程和植物染色体工程。473、发酵工程

18、、发酵工程 48495051发酵过程示意图 52535455筛米筛米浸米浸米蒸饭蒸饭前发酵前发酵开耙开耙榨酒榨酒56后发酵蒸酒灌成品封口储酒57啤酒酿造工艺流程酵酵母母581，采摘2，破皮去梗3，酒槽浸皮发酵4，榨汁、前发酵5 5，橡木桶发酵，橡木桶发酵66，窖藏，窖藏77，澄清装瓶，澄清装瓶59 1951,在上海建立了第一个抗生素工厂在上海建立了第一个抗生素工厂(即后即后来的上海第三制药厂来的上海第三制药厂)，以生产青霉素为主。，以生产青霉素为主。 1958,我国最大的抗生素工厂我国最大的抗生素工厂华北制药华北制药厂亦正式投入生产。厂亦正式投入生产。青霉素生产流水线青霉素生产流水线604、蛋

19、白质（酶）工程、蛋白质（酶）工程3、酶工程是利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，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技术 。61蛋白质分子中含有C、O、H、N、S等元素。1965年我国科技工作者成功合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素。这是科学史上的一大成就，可以说是科学史上又一“丰碑”。624、蛋白质（酶）工程、蛋白质（酶）工程634、蛋白质（酶）工程、蛋白质（酶）工程64 甲型甲型H1N 1流感病毒流感病毒655、一、概述 人类基因组计划（Human Genome Program，HGP）是人类生命科学史上最伟大的工程之一，是人类第一次系统全面地解读和研

20、究人类遗传物质DNA的全球性合作计划。人类基因组是指合成有功能的人体各类细胞中蛋白质及（或）多肽链和RNA所必需的全部DNA顺序和结构，包括人类24条染色体（22对常染色体+XY）上全部的DNA所携带的遗传信息的总和，即30亿个碱基对的序列。665、人类基因组计划是由美国科学家杜尔贝科在1985年首先提出，美国政府1990年10月1日正式启动的，预计用时15年，耗资30亿美元。其最终目标是：通过国际合作，阐明人类基因组全部DNA序列；识别基因；建立储存这些信息的数据库；开发数据分析工具；研究HGP实验所带来的伦理、法律和社会问题；在计划实施过程中，先后又有五个国家加入，最终形成了包括美、英、日

21、、法、德、中六国科学家的国际合作小组。675、二、野心勃勃的竞争者：然而，人类基因组计划的进展不是一帆风顺的，以全球合作、数据共享为主旨的人类基因组计划面临着来自私营公司的强有力的挑战。1997年，在耗费了巨额资金和一半预定时间之后，多国合作小组仅完成了3%的测序工作。与此同时，1998年5月9日，帕金埃尔默(PE)这个世界最大的DNA自动测序仪厂家与遗传生物学家克莱格凡特教授共同组建了塞莱拉(Celera)公司，宣称将在无政府投资的条件下早于多国合作小组完成人类基因组计划。凭借着强大的仪器设备和诸如“散弹枪”等一系列先进的测序方法，塞莱拉公司的确显著地加快了测序速度，很快追上了多国合作小组。

22、由于担心私营公司将人类的重要基因申请专利，将科学成果据为己有，从中谋取利润，国际合作小组不得不加快工作进度，并谋求与塞莱拉公司的合作。685、三、人类基因组计划的成果由于私营公司的介入，人类基因组计划在竞争压力下被大大加快了。1999年12月1日，第22号染色体被率先破译。2000年4月13日，美国科学家宣布完成第5、第16、第19号染色体的测序工作。截至200年6月，已有90%的碱基序列完成了测定工作，在此基础上，科学家绘制出了基因组“工作框架图”。2001年2月12日，国际合作小组和塞莱拉公司联合召开了新闻发布会，宣布包含99%基因序列的“基因组草图”已经绘制完成。2003年4月14日，美

23、国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯柯林斯博士隆重宣布，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。次日，中国总理温家宝与美、英、日、法、德等国政府首脑联合发表声明，祝贺人类基因组序列图绘制成功。稍感意外的是，测序结果显示，人类基因的数目远远小于先前认为的十万个，而只有约3.43.5万个，与小鼠接近，而不到果蝇的基因数的两倍。695、四、目的、意义阐明人类基因组30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因，并搞清其在染色体上的位置;破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我;解码生命、了解生命的起源、了解生命体生长发育的规律;认识种属之间和个体之间存在差异的起

24、因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。世纪初完成的这项工作堪与阿波罗11号宇宙飞船登月相媲美。人类基因组是全人类的共同财富。国内外专家普遍认为，基因组序列图首次在分子层面上为人类提供了一份生命“说明书”，不仅奠定了人类认识自我的基石，推动了生命与医学科学的革命性进展，而且为全人类的健康带来了福音。自此，人类社会进入了后基因组时代。705、五、中国做出的贡献我国的HGP始于1994年，是在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明等人的倡导下启动的。1998年，杨焕明和余军教授组织了中国科学院遗传所，次年七月，遗传所人类基因中心在国际人类基因组HGSI注册，承担了其中1%，即

25、3号染色体上3000万个碱基的测序任务，是我国成为继美、英、德、日、法之后第六个参与该计划的国家，也是唯一的发展中国家。虽然参加时间较晚，但是我国科学家提前两年于2001年8月26日绘制完成“中国卷”，赢得了国际科学界的高度评价，双螺旋的发现者之一詹姆斯沃森称赞中国已成为“DNA科学的重要角色”。 71第三节第三节 生物技术发展趋势和存在问题生物技术发展趋势和存在问题一、生物技术研究热点转基因技术基因组学技术生物信息技术72转基因技术转基因技术将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体的性状的可遗传的修饰，这一技术称之为转基因技术（Transgene tech

26、nology）。人们常说的“遗传工程”、“基因工程”、“遗传转化”均为转基因的同义词。经转基因技术修饰的生物体在媒体上常被称为“遗传修饰过的生物体”（Genetically modified organism，简称GMO）。 转基因技术是当前、也是今后相当长一段时期内农业、食品、医药、能源、矿产和环境等领域生物技术产业的核心技术。73基因组学技术基因组学技术74生物信息学技术生物信息学技术生物信息学（Bioinformatics）是现代生命科学与计算机科学、数理科学、化学等领域相互交叉而形成的一门新兴学科。它通过对分子生物学实验数据的获取、加工、存储、检索与分析，进而达到揭示这些数据所蕴含的生

27、物学意义的目的。随着人类基因组计划（HGP）的不断推进，生物信息学已经成为当今生命科学和自然科学的核心领域和最具活力的前沿领域之一。 75二、生物技术的发展趋势预测二、生物技术的发展趋势预测人类医学领域的生物技术预见 分子育种 、药物基因组学、干细胞技术将使医学的治疗过程更加人性化。分子育种技术将促进发展高灵敏性的产品，这些药品能够更准确的满足患者的需要;以药物基因组学为基础的治疗技术将会提高治疗的准确性，利用这些药品可对具体病人进行针对性的治疗;结合了反转录病毒治疗的胚胎干细胞治疗技术可以产生新的器官和组织，可以逐渐替代老化或患病的器官，甚至可以减慢或阻止分子老化。目前，生物技术产品将开始离

28、开实验室进人大规模的商品化生产76二、生物技术的发展趋势预测二、生物技术的发展趋势预测农业生物技术领域的生物技术预见 今后会出现更多的适应性强的作物品种，也会提高地球的承载力。农作物产品的营养会更加全面，可食用的疫苗可以免疫病毒。遗传学和基因工程学会将作物的育种周期缩短到原来育种周期的百分之一甚至是千分之一。人们将利用植物大规模的生产口服疫苗、工业用酶、脂肪酸、花物等，此外，通过基因工程的方法可以用植物生产生物塑料的底物多经基丁酸，从而最终避免目前所谓的“白色污染”问题。77二、生物技术的发展趋势预测二、生物技术的发展趋势预测工业生物技术领域的生物技术预见 在 50 年 内，生物催化制造业会生产例如布料，塑料，