生物技术教案

1、现代生物技术现代生物技术导导 论论第一章第一章 生物技术概论生物技术概论 科学技术与学科科学技术与学科 医学遗传学发展到现代医学分子遗传学医学遗传学发展到现代医学分子遗传学与先进技术的发展密切相关与先进技术的发展密切相关, , 特别两项生物特别两项生物技术技术: : 细胞融合技术细胞融合技术和和DNADNA重组技术重组技术所起所起的作用十分重要。的作用十分重要。 细胞是生命的细胞是生命的 基本单位基本单位遗传密码蛋白质三维结构基因转录线性多肽链（无功能活性）翻译以核酸和蛋白质为中心的生物大分子是生命现象以核酸和蛋白质为中心的生物大分子是生命现象的共同物质基础，细胞和有机体所有生命活动都的共同物

2、质基础，细胞和有机体所有生命活动都是以这些生物大分子及其复合物的结构、运动和是以这些生物大分子及其复合物的结构、运动和相互作用来实现的。相互作用来实现的。 人类对自然界的要求人类对自然界的要求 认识认识利用利用再造再造改造改造 创造创造 随着反向生物学的问世随着反向生物学的问世, , 在在2020世纪八世纪八十年代诞生了生物技术十年代诞生了生物技术(Biotechnology)(Biotechnology)这门新学科。这门新学科。 生物技术学科的地位生物技术学科的地位v 世界新技术革命的主角之一世界新技术革命的主角之一, , 生物技术生物技术与新材料与新材料, , 信息技术信息技术( (包括微

3、电子、计算机包括微电子、计算机) )一起已成为新产业革命三大支柱之一；一起已成为新产业革命三大支柱之一；v 阳光技术，朝阳产业，黄金工程，阳光技术，朝阳产业，黄金工程，倍倍受世界各国重视受世界各国重视。v 2121世纪是生物生命世纪，生物技术将成为世纪是生物生命世纪，生物技术将成为2121世纪高技术革命的核心内容。世纪高技术革命的核心内容。生物技术的重要性生物技术的重要性v 有助于解决全球的重大难题：资源（能有助于解决全球的重大难题：资源（能源）、人口、粮食、生态环境、健康与疾病源）、人口、粮食、生态环境、健康与疾病和战争与灾害；和战争与灾害；v 促进传统产业的技术改造和新产业的形成，促进传统

4、产业的技术改造和新产业的形成，对人类社会生活产生深远的革命性影响；对人类社会生活产生深远的革命性影响；v 生物技术这一新生事物正迅速走向老百性生物技术这一新生事物正迅速走向老百性日常生活各个方面日常生活各个方面, , 将对人类的发展做出贡将对人类的发展做出贡献。献。 重点掌握重点掌握 1 1、生物技术的概念、内容、生物技术的概念、内容 2 2、生物技术的特点和重要性、生物技术的特点和重要性 3 3、学习生物技术的意义在于创新、学习生物技术的意义在于创新 4 4、结合专业选择自己所需的生物技术、结合专业选择自己所需的生物技术第一节第一节 生物技术生物技术的概念和内容的概念和内容 一一. . 生物

5、技术的定义及内涵生物技术的定义及内涵 生物技术生物技术(Biotechnology, BT), 亦称为生物工程亦称为生物工程（bioengineering)bioengineering), , 现统一称现统一称: : 生物技术生物技术。1.1.定义定义: :国际上沿用国际上沿用19821982年的概念，年的概念，生物技术是指应用生物科学及工程学生物技术是指应用生物科学及工程学原理，依靠生物体系作反应器，将物原理，依靠生物体系作反应器，将物料进行加工改造，获得人类所需产品料进行加工改造，获得人类所需产品的技术。的技术。 现代生物技术定义现代生物技术定义： 以现代生命科学为基础以现代生命科学为基础

6、, , 把把生物生物体系与体系与工程学工程学技术有机结合在一起技术有机结合在一起， 按照预先的按照预先的设计设计，定向定向地在不同水平地在不同水平上上改造改造生物遗传性状或加工生物原料生物遗传性状或加工生物原料, , 产产生对人类有用的生对人类有用的新产品新产品( (或达到某种目的或达到某种目的) )之综合性科学技术。之综合性科学技术。2.2.要点要点: : 对象对象 是具遗传特性有生命物质是具遗传特性有生命物质: :包括病包括病毒、细菌、植物、动物、直到人类。毒、细菌、植物、动物、直到人类。 生物体系多个生物体系多个不同水平不同水平研究研究: : 从大分子从大分子(DNA(DNA、RNARN

7、A、蛋白质、酶、蛋白质、酶) )、亚细胞、细、亚细胞、细胞、组织、器官到整个机体。胞、组织、器官到整个机体。 应用工程学原理应用工程学原理: : 经人类思维经人类思维, , 设计方设计方案、定向修饰、加工制作过程、经过体案、定向修饰、加工制作过程、经过体外环节。外环节。 有有目的产品目的产品: : 目的产品有三新特目的产品有三新特征征: : 新遗传功能、新遗传性状、新新遗传功能、新遗传性状、新物种。要有合乎人类所需的工业、物种。要有合乎人类所需的工业、农业、医疗和食品产品。农业、医疗和食品产品。 高新技术高新技术起重要作用。起重要作用。二二. . 生物技术的产生与发展生物技术的产生与发展 生物

8、技术的发展两个阶段生物技术的发展两个阶段 传统生物技术传统生物技术 现代生物技术两个阶段。现代生物技术两个阶段。 1.1.传统生物技术传统生物技术 传统生物技术的发展（经典传统生物技术的发展（经典+ +近代）近代）1 0001 000多年前多年前, , 当人类用发方法制备酒、当人类用发方法制备酒、醋、酱及食品等醋、酱及食品等, , 此时主要是生物技术的此时主要是生物技术的经验阶段。经验阶段。1919世纪人们才有意识地大规模利用酵母发世纪人们才有意识地大规模利用酵母发酵，并形成产业。酵，并形成产业。2020世纪初，提出了生物技术这一概念。世纪初，提出了生物技术这一概念。 19281928年，青霉

9、素的发现使生物技术年，青霉素的发现使生物技术 从从单纯的食品、饲料制备扩展到抗生素产品，单纯的食品、饲料制备扩展到抗生素产品，该该产业产业至今长盛不衰。至今长盛不衰。 2020世纪世纪 5050年代和年代和6060年代，生物技术增年代，生物技术增添了氨基酸发酵和酶制剂工业新成员。添了氨基酸发酵和酶制剂工业新成员。 传统生物技术有如下特点：传统生物技术有如下特点： 主要通过微生物初级发酵获得产品，仅仅局限在主要通过微生物初级发酵获得产品，仅仅局限在 微生物发酵和化学工程领域。微生物发酵和化学工程领域。 没有改变微生物的遗传物质，也没有出现新的微没有改变微生物的遗传物质，也没有出现新的微生物遗传性

10、状。生物遗传性状。 生产过程简单，上游主要是培养大量的微生生产过程简单，上游主要是培养大量的微生 物、对粗材料进行加工即进行发酵和转化，物、对粗材料进行加工即进行发酵和转化， 通过诱变选育良种，下游主要对产品进行纯化。通过诱变选育良种，下游主要对产品进行纯化。 生产周期长，费用高，产量低，效率差。生产周期长，费用高，产量低，效率差。 2. 2. 现代生物技术现代生物技术 自自19531953年起，分子遗传学的兴起与发展，年起，分子遗传学的兴起与发展， DNADNA转移和重组工程转移和重组工程 有性繁殖，转基因技术：有性繁殖，转基因技术： 细胞工程细胞工程 转基因药物转基因药物 转基因动植物转基

11、因动植物 无性繁殖，克隆技术无性繁殖，克隆技术 改变生物的遗传性状改变生物的遗传性状, , 使分离高产量的工程菌变的容易使分离高产量的工程菌变的容易, , 简化了生产过程；简化了生产过程；扩大了反应器范围，扩大了反应器范围， 从发酵罐发展到细胞、植物及动物个从发酵罐发展到细胞、植物及动物个 体天然生物反应器。体天然生物反应器。特别是特别是DNA重组技术可以重组技术可以v 2020世纪世纪8080年代，现代生物技术的年代，现代生物技术的 发展日新月异，一跃成为代表发展日新月异，一跃成为代表2121世世 纪新技术的发展方向，并成为具有纪新技术的发展方向，并成为具有 广阔应用前景的新兴学科与产业。广

12、阔应用前景的新兴学科与产业。v 传统生物技术已被现代生物技术传统生物技术已被现代生物技术 所取代，当前生物技术一词实质上所取代，当前生物技术一词实质上 已成为现代生物技术的简称。已成为现代生物技术的简称。三三. . 生物技术的特点生物技术的特点 ( (八高一低八高一低) )v高水平高水平：即学科具有先进性，是知识、技术密集即学科具有先进性，是知识、技术密集型产业型产业, , 处分子水平、新技术前沿。处分子水平、新技术前沿。v高综合高综合：跨学科专业跨学科专业, , 位多学科发展的交叉点上，位多学科发展的交叉点上，涉及的行业多、范围广。涉及的行业多、范围广。v高投入高投入, , 与其他技术比较与

13、其他技术比较, , 在资金、人员、设备、在资金、人员、设备、试剂及研发上投资大。试剂及研发上投资大。v高竞争高竞争，各国、各行业、个单位之间，在技术、各国、各行业、个单位之间，在技术、时效性、知识及人才上竞争激烈。时效性、知识及人才上竞争激烈。v 高风险高风险，上述原因造成一定风险，加上上述原因造成一定风险，加上技术风险带来高风险。技术风险带来高风险。v 高效益高效益, , 应用性强应用性强, , 有目的产品有目的产品, , 最易最易商业化。商业化。 从事生物技术犹如种树将获得丰硕果实从事生物技术犹如种树将获得丰硕果实, , 如干扰素的投入虽然高达数百万美元如干扰素的投入虽然高达数百万美元,

14、,但产但产值数年达值数年达3030亿美元亿美元, , 用于治病将产生巨大经用于治病将产生巨大经济和社会效益。生物技术在解决人类面临众济和社会效益。生物技术在解决人类面临众多难题上是没有任何产业可比的。多难题上是没有任何产业可比的。v高智力：高智力： 具有创新性和突破性具有创新性和突破性, , 可按人类需要定向可按人类需要定向改变和创造生物的遗传特性，要求在人才、改变和创造生物的遗传特性，要求在人才、计划、设计、工艺和产品上都要与众不同。计划、设计、工艺和产品上都要与众不同。 从认识、利用、再造阶段上升到改造和创从认识、利用、再造阶段上升到改造和创造阶段造阶段。v高控性：高控性：采用工程学手段，

15、易自动化、程控采用工程学手段，易自动化、程控化及连续化生产。化及连续化生产。v低污染：低污染：生物技术以生物资源为对象生物技术以生物资源为对象, , 生物生物资源具有再生性资源具有再生性, , 是再生资源。具有不受限是再生资源。具有不受限制、污染小、周期短的优点。制、污染小、周期短的优点。 四四. . 生物技术与生物技术与 诸学科关系诸学科关系 五、生物技术的内容五、生物技术的内容医学生物技术医学生物技术药学生物技术药学生物技术动物生物技术动物生物技术农业生物技术农业生物技术海洋生物技术海洋生物技术 微生物生物技术微生物生物技术 注注: : 上述十项工程是国家科委规定统计的上报上述十项工程是国

16、家科委规定统计的上报内容内容, , 注意下述三个概念注意下述三个概念: :v上游工程上游工程: : 是生物技术的实验室研究阶段是生物技术的实验室研究阶段, , 应用基础研应用基础研究究, , 产生三新产品的源泉。产生三新产品的源泉。v下游工程下游工程: : 是生物技术的扩大生产是生物技术的扩大生产, , 加工应用阶段加工应用阶段, , 使使三新产品能达到三化三新产品能达到三化: : 商品化、工程化、企商品化、工程化、企业化业化, , 是效益阶段。是效益阶段。生物技术的上中下游生物技术的上中下游v上游工程：上游工程：实验室研究和开发阶段，包括基实验室研究和开发阶段，包括基因、细胞、干细因、细胞、

17、干细胞胞、转基因生物、组织工程、转基因生物、组织工程等获得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等。等获得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等。v中游工程：中游工程：中游加工以中游加工以生物反应器生物反应器为中心，为中心，优化和放大生产工艺。优化和放大生产工艺。v下游工程：下游工程：从反应液中提取目的产物从反应液中提取目的产物 加工精加工精制成合格产品。制成合格产品。v 遗传工程遗传工程 ( (原来的一种笼统概念原来的一种笼统概念, , 现已不用现已不用):): 其基本含义是指对不同来源的物质其基本含义是指对不同来源的物质, , 人人工体外操作工体外操作, , 重新组合重新组合, , 定向改建定向改建,

18、, 获得具获得具有新遗传性状的新物品之技术。对象包括有新遗传性状的新物品之技术。对象包括: :细胞、亚细胞、染色体、核酸分子、基因等细胞、亚细胞、染色体、核酸分子、基因等, , 包括大部分上游工程。包括大部分上游工程。生物技术涉及的具体技术包括生物技术涉及的具体技术包括: :l DNA DNA 重组技术重组技术, , 细胞培养及融合技术细胞培养及融合技术, , 抗体制备技术抗体制备技术, ,l 干细胞培养及定向分化干细胞培养及定向分化, , 显微注射技术显微注射技术, , 动物饲养技术动物饲养技术, ,l 转基因技术转基因技术, , 胚胎克隆胚胎克隆, , 细胞及酶的固定化技术细胞及酶的固定化

19、技术, , 发酵技术发酵技术, ,l 生物反应器生物反应器, , 蛋白质分离纯化蛋白质分离纯化, , 生物大分子生物大分子 合成及纯化合成及纯化, ,l 生物大分子修饰生物大分子修饰, , 生物物理、生物信息及其他生物物理、生物信息及其他 相关领域技术。相关领域技术。六六. . 生物技术诸工程生物技术诸工程的内容及种类的内容及种类 ( ( 十大工程十大工程 ) )( (一一) ) 基因工程基因工程 (Gene engineering)1. 1. 对象对象: : 在核酸分子在核酸分子 (DNA(DNA或或RNA) RNA) 或基因上操作。或基因上操作。2. 2. 定义定义: : 在体外对在体外对

20、DNADNA进行切割、拼接进行切割、拼接, , 使遗传使遗传物质重新组合物质重新组合, , 经载体转移到细胞中扩增经载体转移到细胞中扩增表达表达, , 获得人类所需产品获得人类所需产品, , 或组建新生物或组建新生物类型的技术。类型的技术。 文献上常见到文献上常见到DNADNA重组、分子克隆、基因重组、分子克隆、基因克隆、克隆、 遗传工程等名词与基因工程混用遗传工程等名词与基因工程混用, , 事实上主要内容相似事实上主要内容相似, , 不同之处在于所突出不同之处在于所突出的内容有异。的内容有异。 3. 3. 应用应用 ( (后有详述后有详述) )。供 体 细 胞目 的 基 因载 体重 组 D

21、N A 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 品供 体 细 胞目 的 基 因载 体重 组 D N A 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( (二二

22、) )细胞工程细胞工程 (cell engineering) 1.1.对象对象: : 细胞细胞, , 在细胞水平上实现基因转移或改在细胞水平上实现基因转移或改变生物学性状。变生物学性状。2. 2. 定义定义: : (1)(1)广义广义 细胞融合技术细胞融合技术: : 在特定的条在特定的条 件下件下 ( (环环境、融合技术境、融合技术), ), 使不同的细胞融合使不同的细胞融合, , 获获得具有来自双亲代基因的杂交细胞得具有来自双亲代基因的杂交细胞, , 杂交杂交细胞的遣传物质发生改变细胞的遣传物质发生改变, , 达到改造物种，达到改造物种，创建新种之目的。创建新种之目的。(2) (2) 狭义狭

23、义: : 淋巴细胞杂交瘤技术淋巴细胞杂交瘤技术: : 骨髓瘤细胞淋巴细胞融合骨髓瘤细胞淋巴细胞融合( (制备制备 McAbMcAb) )。 (3) (3) 现代概念现代概念: : 把广义的概念扩展把广义的概念扩展, , 指在体外条件对细指在体外条件对细胞进行培养、繁殖，按人们的意愿改变细胞胞进行培养、繁殖，按人们的意愿改变细胞某些生物学特性，获得有用的产品或达到改某些生物学特性，获得有用的产品或达到改良生物品种的技术。良生物品种的技术。 细胞工程包括：细胞工程包括： 细胞融合技术细胞融合技术 工程细胞移植工程细胞移植, , 即有目的地改造细胞即有目的地改造细胞 遗传特性后遗传特性后, , 植入

24、机体。植入机体。 细胞折合细胞折合, , 染色体导入及细胞器导入技术染色体导入及细胞器导入技术, , 胚胎细胞植入。胚胎细胞植入。 3. 3. 分类分类: : 微生物细胞工程微生物细胞工程, , 如原生质如原生质 体融体融 合合, , 试管菌。试管菌。 植物细胞工程，植物细胞工程，19781978年培育年培育 出土豆西红柿新物种。出土豆西红柿新物种。 动物细胞工程动物细胞工程, McAb, McAb。 4. 4. 应用应用: : 以以McAbMcAb制备成绩突出制备成绩突出, , 诊断、治疗。诊断、治疗。细胞工程细胞工程授体基因授体基因(大肠杆菌大肠杆菌)(干扰素基因干扰素基因)受体基因受体基

25、因重组基因重组基因植入受体细胞核植入受体细胞核(大肠杆菌，酵母菌大肠杆菌，酵母菌)发酵发酵分离分离 生物药剂生物药剂（干扰素、胰岛素等）（干扰素、胰岛素等）废液废液 ( (三三) ) 蛋白质工程蛋白质工程 (Protein engineering)1.1.对象对象: : 基因序列基因序列DNADNA分子中改造分子中改造, , 最终导最终导致蛋白分子氨基酸序列改变。致蛋白分子氨基酸序列改变。 2. 2. 定义定义: : 在在X X衍射和晶体分析术了解蛋白质三维空衍射和晶体分析术了解蛋白质三维空间结构和功能关系基础上间结构和功能关系基础上, , 借用计算机和分子设计辅助技术借用计算机和分子设计辅助

26、技术, , 在在DNADNA分子水平上操作更换或改变其序列分子水平上操作更换或改变其序列, , 达到改变蛋白质分子氨基酸序列达到改变蛋白质分子氨基酸序列, , 实现实现人为改变蛋白质分子形状及功能人为改变蛋白质分子形状及功能, , 使之具有使之具有新遗传学特性。新遗传学特性。 3. 3. 核心核心: : 蛋白质空间结构蛋白质空间结构, DNA, DNA重组重组, , 人工定向改人工定向改造蛋白质功能域构象造蛋白质功能域构象, , 使得功能改变。使得功能改变。 这被称为是生物技术发展的第二浪这被称为是生物技术发展的第二浪, , 如通如通过增加或减少人工二硫键、置换氨基酸等修过增加或减少人工二硫键

27、、置换氨基酸等修饰技术饰技术, , 提高或改变活性多肽提高或改变活性多肽 ( (激素、酶、激素、酶、细胞因子细胞因子) ) 的稳定性。的稳定性。 ( (四）抗体工程四）抗体工程（Antibody engineering ）1.1.对象对象：IgIg 基因基因 2.2.定义定义 抗体工程：抗体工程： 通过对抗体分子结构和功能关系的通过对抗体分子结构和功能关系的研究，有计划地对抗体基因序列进行改研究，有计划地对抗体基因序列进行改造，改善抗体的某些功能的技术。造，改善抗体的某些功能的技术。 v在在8080年代初，年代初，抗体基因结构和功能抗体基因结构和功能的研究的研究成果与成果与重组重组DNADNA

28、技术技术相结合，产生了基因相结合，产生了基因工程抗体技术。工程抗体技术。v 基因工程抗体即将抗体的基因按不同基因工程抗体即将抗体的基因按不同需要进行加工、改造和重新装配，然后导需要进行加工、改造和重新装配，然后导入适当的受体细胞中进行表达的抗体分子。入适当的受体细胞中进行表达的抗体分子。 3.抗体工程的内容抗体工程的内容v完整抗体，及抗体的人源化完整抗体，及抗体的人源化 v完整抗体与抗体片段的药代动力学比较完整抗体与抗体片段的药代动力学比较 v改造抗体片段的多种特异性改造抗体片段的多种特异性 v双功能抗体双功能抗体 v抗体库的构建、展示和筛选抗体库的构建、展示和筛选 v噬菌体展示技术噬菌体展示

29、技术 vmRNA-mRNA-蛋白质复合物库蛋白质复合物库 v细胞表面库细胞表面库 v转基因鼠转基因鼠 v抗体的生产、稳定性和表达水平抗体的生产、稳定性和表达水平 v亲和力成熟亲和力成熟 v骨架替换骨架替换 临床应用 v中和病原体及抗病毒治疗中和病原体及抗病毒治疗 v细胞内抗体 v肿瘤治疗与细胞补充疗法肿瘤治疗与细胞补充疗法 v疫苗应用疫苗应用 v用于未来诊断的生物传感器和微矩阵技用于未来诊断的生物传感器和微矩阵技术术 ( (五五) ) 组织工程组织工程 (Tissue engineering)(Tissue engineering)1 1、对象、对象：干细胞、组织和器官。：干细胞、组织和器官。

30、 2 2、定义：、定义： 运用工程学和生命科学原理和方法，运用工程学和生命科学原理和方法， 在了解正常和病理学组织结构与功能关系在了解正常和病理学组织结构与功能关系和生长机理的基础上，和生长机理的基础上， 研制生物学组织器官研制生物学组织器官替代品替代品，通过通过移植移植， 达到达到重建、恢复、维持和改进组织功能重建、恢复、维持和改进组织功能学学科。科。3 3、要点、要点： 依据正常组织结构、功能设计方案；依据正常组织结构、功能设计方案； 选择种子细胞培养；选择种子细胞培养； 选择细胞外基质、生物支架材料；选择细胞外基质、生物支架材料； 体外构建三维结构替代品；体外构建三维结构替代品； 植入机

31、体，替代病理组织。植入机体，替代病理组织。4 4、应用：、应用： 组织器官移植。组织器官移植。( (六六) )干细胞工程干细胞工程 (stem cell engineering)v干细胞干细胞 干细胞是具有无限期产生各种分化细胞能力干细胞是具有无限期产生各种分化细胞能力的细胞。它是各种干细胞的统称。通常认为的细胞。它是各种干细胞的统称。通常认为干细胞有几个主要特征：干细胞有几个主要特征：v 未分化的早期细胞；未分化的早期细胞；v 具有分化成各种特定细胞的能力；具有分化成各种特定细胞的能力；v 可无限地分裂增值，产生大量后裔可无限地分裂增值，产生大量后裔; ;v 其子细胞有两种命运，保持为干细胞

32、或分化其子细胞有两种命运，保持为干细胞或分化 为特定细胞。为特定细胞。克隆羊多莉克隆羊多莉供卵母羊供卵母羊供体细胞羊供体细胞羊卵子卵子体细胞体细胞体细胞核体细胞核去核卵子去核卵子植入受体去核卵中植入受体去核卵中克隆羊多莉克隆羊多莉 外源核卵子外源核卵子植入代育母羊子宫植入代育母羊子宫发育、成长、降生发育、成长、降生克克隆隆技技术术 ( (七七) ) 转基因动物转基因动物( (亦称亦称: : 胚胎工程胚胎工程Transgenetic animal）1.1.对象对象: : 胚胎早期细胞上胚胎早期细胞上实现基因转移。实现基因转移。转基因动物转基因动物受体基因受体基因（乳腺基因）（乳腺基因）授体基因授

33、体基因(干扰素基因干扰素基因)植入受体受精卵核植入受体受精卵核转基因受精卵植转基因受精卵植入受体动物子宫入受体动物子宫 发育，降生发育，降生拥有外源基因的拥有外源基因的 转基因动物转基因动物(分泌乳汁含有干扰素分泌乳汁含有干扰素)重组基因重组基因 2. 2. 定义定义: : 把新的遗传信息把新的遗传信息 (DNA(DNA序列序列) ) 用特定技术用特定技术导入导入胚胎早期受精卵胚胎早期受精卵, , 经经发育发育后后, , 外源遗传外源遗传信息分布到所有体细胞信息分布到所有体细胞生殖细胞中去生殖细胞中去, , 这种这种使动物带有使动物带有新遗传信息新遗传信息的基因转移技术称胚的基因转移技术称胚胎

34、工程。胎工程。 所得动物称所得动物称转基因动物转基因动物 (Transgenetic (Transgenetic animals)animals)， 或或基因工程动物基因工程动物。3. 3. 过程过程: : 提取人所需要蛋白质基因、提取人所需要蛋白质基因、cDNAcDNA； 基因重组基因重组 (cDNA(cDNA控制基因载控制基因载 体体) )； 分离、培养人工受精的卵细胞分离、培养人工受精的卵细胞( (如牛如牛) )； 把重组体转入到受精的卵细胞；把重组体转入到受精的卵细胞； 植入子宫植入子宫 , ,使之发育为个体使之发育为个体 ( (每一个体细胞均含有新的基因每一个体细胞均含有新的基因)

35、)； 活化植入新基因活化植入新基因, ,使之表达使之表达 ( (如在乳腺中如在乳腺中 表达表达) )； 提取目的基因表达产物提取目的基因表达产物, ,进行验证进行验证( (定性、定性、 定量定量) )； 进行安全性及临床试验。进行安全性及临床试验。4. 4. 要点要点: : 必须有外源新基因转移必须有外源新基因转移, , 在早期生殖细胞整合在早期生殖细胞整合, , 发育成新个体中有外源基因正常表达发育成新个体中有外源基因正常表达, , 可遗传后代。可遗传后代。5. 5. 应用应用: : 肿瘤发生、传染病的动物模型肿瘤发生、传染病的动物模型, , 新品种新品种: :新物种研究新物种研究, , 药

36、物生产、动物乳汁中分泌有药物生产、动物乳汁中分泌有 tPAtPA, IX, IX因子因子, , 免疫机制研究。免疫机制研究。圖七、胚植入輸卵管。圖為小鼠實驗。 ( (八八) ) 生物医学工程生物医学工程 ( Biomedical engineering) 1 1 对象对象: : 人体人体 2 2 定义定义: : 从工程学角度研究人体结构、功能及从工程学角度研究人体结构、功能及生命现象生命现象, , 为防治疾病提供新技术、新方法、为防治疾病提供新技术、新方法、新仪器和新材料的科学。新仪器和新材料的科学。 3 3 内容内容: : 生物材料生物材料( ( 人造器官、起搏器的材料人造器官、起搏器的材料

37、) )、康复工程、医学成像康复工程、医学成像( ( 超声、超声、CTCT、核磁、核磁) )、生、生物传感、监护系统等。物传感、监护系统等。( (九九) ) 生物制药化学制药工程生物制药化学制药工程 (Biochemical pharmaceutical engineering) 1 1生产对象生产对象: : 药物药物( ( 活性多肽活性多肽、酶、抗生素等酶、抗生素等) ) 2 2定义定义 ( (待确定待确定): ): 利用现代生物技术利用现代生物技术, , 以生物反应器（微生以生物反应器（微生物、动物细胞、植物及动物个体），物、动物细胞、植物及动物个体）， 大规模大规模地制备高纯度的药物。地制

38、备高纯度的药物。 如基因工程药物、同如基因工程药物、同份异构体的拆分（利用份异构体的拆分（利用 Abzyme Abzyme 特异结合、特异结合、特异地进行酶消化来完成）等。特异地进行酶消化来完成）等。 ( (十十) ) 酶工程酶工程 (Enzyme engineering)1.1.对象对象: : 酶分子修饰、生产应用和酶的固定化酶分子修饰、生产应用和酶的固定化 2. 2. 定义定义: : 在给定的生产工艺和生物反应器中在给定的生产工艺和生物反应器中, , 利用利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，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提高酶的转化率或对酶进行修饰改造提高酶

39、的转化率, , 把对把对应的原料高效地转化成所需有用的物质之技应的原料高效地转化成所需有用的物质之技术。术。 3. 3. 要点要点: : 固定化酶、酶分子改造技术和酶固定化酶、酶分子改造技术和酶反映器的设计是当前酶工程的重点。反映器的设计是当前酶工程的重点。近年把酶电极生物传感器也归到酶工近年把酶电极生物传感器也归到酶工程范围内。如程范围内。如: : 底物固定化酶底物固定化酶化化学信号学信号电信号电信号人视觉人视觉控制控制反应。反应。( (十一十一) ) 发酵工程发酵工程 (Fermentation engineering)(Fermentation engineering)1.1.对象对象:

40、 : 微生物微生物, , 在常规发酵工艺上发展而成。有时也称微生物在常规发酵工艺上发展而成。有时也称微生物工程。工程。2. 2. 定义定义: : 利用微生物特定性状（生长快、培养简单和代利用微生物特定性状（生长快、培养简单和代谢过程特殊等）谢过程特殊等）, , 通过现代化工程技术通过现代化工程技术, , 快速、快速、连续生产人类所需物质的技术。连续生产人类所需物质的技术。 3. 3. 要点要点: : 核心是提高产率核心是提高产率, , 过程包括过程包括: : 菌种选育、生产、菌种选育、生产、 代谢产物的利用。代谢产物的利用。 所用技术包括大规模悬浮培养所用技术包括大规模悬浮培养, , 细胞固定

41、化细胞固定化, , 产物分离提取。产物分离提取。 4 4应用应用: : 药物生产药物生产( ( 活性多肽、抗生素活性多肽、抗生素) )、单细胞蛋白生、单细胞蛋白生产、环境保护、微生物冶金技术。产、环境保护、微生物冶金技术。 ( (十二十二) ) 生化工程生化工程 (Biochemistry engineering) 1 1 对象对象: : 生化反应器生化反应器( (反应环境与装置反应环境与装置) )， 产品的分离提纯技术产品的分离提纯技术 2. 2.定义定义( (待确定待确定): ): 为活细胞和酶提供适宜反应环境为活细胞和酶提供适宜反应环境, , 能大能大规模自动化生产、分离、精制出所需产品

42、的规模自动化生产、分离、精制出所需产品的技术。技术。 3.3.内容包括内容包括: : 生物反应器的设计、传感器的制造、生物反应器的设计、传感器的制造、电泳、离心、层折、免疫层析等。这是下游电泳、离心、层折、免疫层析等。这是下游工程的关键一环。工程的关键一环。注注： 1. 1.十二大工程相互联系十二大工程相互联系, , 相辅相成相辅相成。 上游中上游中, , 基因工程是基础、核心基因工程是基础、核心, , 通通过它才能真正按人的意向通过设计、改造、过它才能真正按人的意向通过设计、改造、生产特定生物工程产品。生产特定生物工程产品。 下游工程中关键是发酵工程的生产和下游工程中关键是发酵工程的生产和利

43、用生化工程对产物进行提纯利用生化工程对产物进行提纯, , 它们是生它们是生物技术产生效益的必要条件。其他工程相物技术产生效益的必要条件。其他工程相互配合互配合, ,共同组成生物技术体系。共同组成生物技术体系。 2. 2. 生物技术发展迅速生物技术发展迅速, , 任务内容不断任务内容不断丰富更新丰富更新, , 应密切关注。应密切关注。第二节第二节 生物技术生物技术的意义及应用的意义及应用v 生物技术的应用领域很广，可把生物技术生物技术的应用领域很广，可把生物技术分为：分为： 医学生物技术、植物生物技术、动物医学生物技术、植物生物技术、动物生物技术、食品生物技术、环境生物技术和生物技术、食品生物技

44、术、环境生物技术和军事生物技术等。生物技术应用的意义巨大，军事生物技术等。生物技术应用的意义巨大，主要有以下几个方面。主要有以下几个方面。一一. . 战略意义战略意义1.1.理论上理论上: : 生命学科飞跃生命学科飞跃, , 步入按需改造和步入按需改造和创造新生物时代创造新生物时代, , 革命性变化。革命性变化。2.2.新技术革命新技术革命的重要支柱的重要支柱, , 具巨大潜在力量具巨大潜在力量, , 不亚于原子裂变和半导体的问世。不亚于原子裂变和半导体的问世。3. 3. 为解决人类面临的重大问题提供新途为解决人类面临的重大问题提供新途径径, , 带来了希望带来了希望 ( (国外称之为六大危机

45、国外称之为六大危机):): 人口问题人口问题: : A) A) 节育节育: : 药、疫苗药、疫苗, , B) B)优生优生: : 遗传病基因治疗。遗传病基因治疗。 粮食问题粮食问题: : 绿色革命绿色革命, ,高产、优质、抗病新品种高产、优质、抗病新品种 , , 单细胞蛋白单细胞蛋白, , 农药、肥料。农药、肥料。 能源、资源问题能源、资源问题: : 生物电池、光合菌、乙醇生物电池、光合菌、乙醇生产、石油采集菌、生物冶炼。生产、石油采集菌、生物冶炼。 环境污染环境污染: : 石油、污水石油、污水, , 有害金属污染有害金属污染, , 特特嗜菌的构建。嗜菌的构建。 医疗保健医疗保健: : 抗衰老

46、、防治心血管病、疟疾、抗衰老、防治心血管病、疟疾、传染病、遗传病传染病、遗传病( (见下见下) )。 战争等灾害：生物战剂、生物恐怖。战争等灾害：生物战剂、生物恐怖。二、巨大经济效益二、巨大经济效益, , 明显社会效益明显社会效益( (几个实例几个实例) )1. 1. 美国生物技术产值达美国生物技术产值达500500亿美元以上亿美元以上, , 单是药物达单是药物达100100亿美元。估计到亿美元。估计到20082008年，年，美国生物技术产品销售达美国生物技术产品销售达362362亿美元以亿美元以上。上。2. 19802. 1980 年代起年代起, , 生物技术长盛不衰生物技术长盛不衰, ,

47、公公司林立司林立, , 美国达美国达2 0002 000多家。多家。3. 3. 各国政府投资逐年增加各国政府投资逐年增加, , 科研人员大科研人员大量投入量投入 ( (美国数十万人美国数十万人) )。美国生物技术产业发展情况美国生物技术产业发展情况0100200300400500产值（亿美元）19801991199619972000年份 美国生物技术产业发展情况美国生物技术产业发展情况 美国生物制药产品种类及数量美国生物制药产品种类及数量（PHRAM）疾病种类疾病种类 产品数量产品数量 疾病种类疾病种类 产品数量产品数量感染性疾病感染性疾病 39 心脏病心脏病 26神经系统疾病神经系统疾病 2

48、8 呼吸系统疾病呼吸系统疾病 22艾滋病及相关疾病艾滋病及相关疾病 19 自主免疫系统疾病自主免疫系统疾病 19皮肤病皮肤病 19 移植移植 13消化系统疾病消化系统疾病 11 遗传疾病遗传疾病 11血液疾病血液疾病 9 糖尿病及并发症糖尿病及并发症 7不育症不育症 5 眼病眼病 3生长发育不良症生长发育不良症 3 骨质疏松骨质疏松 2妊娠预防妊娠预防 2 肿瘤疾病肿瘤疾病 175 三、生物技术为人类三、生物技术为人类 新医疗保健开辟新纪元新医疗保健开辟新纪元1.1.是探索生命奥秘是探索生命奥秘, , 解开众多遗传之谜解开众多遗传之谜的工具。的工具。 如中心法则的补充与生命起源的如中心法则的补

49、充与生命起源的RNARNA假假说说, , 通过产物表达和蛋白功能分析通过产物表达和蛋白功能分析, , 发现发现与证实疾病基因与证实疾病基因( (糖尿病的基因糖尿病的基因) )。又如对。又如对癌症发病机理研究癌症发病机理研究, , 除外因外除外因外, , 还有内因，还有内因， 癌基因癌基因, , 抗癌基因等。抗癌基因等。 2. 2. 疾病诊断疾病诊断 分子水平的诊断向更特异、敏感、分子水平的诊断向更特异、敏感、 快速、简单、稳定方向发展。如快速、简单、稳定方向发展。如: : McAb McAb运用运用: ELISA: ELISA、IFAIFA、ELAELA、 RIARIA、蛋白质免疫诊断。、蛋白质免疫诊断。 核酸水平本质上诊断核酸水平本质上诊断: REA: REA、RFLPRFLP、 核酸杂交、核酸杂交、PCRPCR。 新仪器新仪器: : 生物传感器、成像系统、生物传感器、成像系统、 监