生物工程技术

生物工程技术第1页/共33页传统生物技术公元前6000年古代巴比伦人酿造啤酒公元前4000年埃及人发酵面包我国殷朝制酱周朝制醋特点:自然发酵、全凭经验第2页/共33页在传统生物技术这一阶段，其技术特征是酿造技术

中国是最早掌握酿酒技术的国家之一。中国古代在酿酒技术上的一项重要发明，就是用曲造酒。酒曲里含有使淀粉糖化的丝状菌（霉菌）及促成酒化的酵母菌。利用酒曲造酒，使淀粉质原料的糖化和酒化两个步骤结合起来，这对造酒技术是一个很大的推进。中国先人从自发地利用微生物到人为地控制微生物，利用自然条件选优限劣而制造酒曲，经历了漫长的岁月。至秦汉，制曲技术已有了相当的发展。汉代虽还用蘖造酒，但大量的酒却已是用曲制造了。第3页/共33页南北朝时，制曲技术已达到很高水平。北魏贾思勰所著《齐民要术》记述了12种制曲方法，其中“神曲”5种，“笨曲”3种，“白醪曲”、“女曲”、“黄衣”、“黄蒸”各1种。除“黄衣”、“黄蒸”两种是用于做酱的碎块散曲外，其余10种都是制成饼状或砖形的酒曲。这些酒曲的基本制造方法，至今仍在酿造高粱酒中使用。第4页/共33页唐、宋时期，中国发明了红曲，并以此酿成“赤如丹”的红酒。宋代，制曲酿酒技术又有进一步的发展。1115年前后，朱翼中撰成《酒经》，书中共记述了13种酒曲的制法。它们按制法分为3类：罨曲，是把生曲埋置在麦秸里，定时翻动；风曲，是用树叶或纸张包着生曲，挂在透风的地方；曲，是将曲团先放在草里，待生毛后把盖草去掉。这些酒曲里都加有川芎、白术、苍耳等草药。《酒经》中记述的制曲方法比《齐民要术》上记述的有两点明显的改进：一是所用原料如小麦、糯米等，大部分不再先行蒸煮或烧炒，只用磨碎成面粉；二是把老曲末涂布在生曲团表面，这就是接种的意思。老曲是在制曲过程中经过自然选种的，所以优良菌种较多，杂菌较少，糖化力强，用于接种制得的曲当然更适于酿酒之用。这些改进，对后世酿酒技术生料发酵和纯种培养提供了启示。中国古代制曲酿酒技术的一些基本原理和方法一直沿用至今。例如现代啤酒的生产，仍以麦芽为主要原料。第5页/共33页近代生物技术基础：显微镜第6页/共33页1.1674年，列文虎克发明了世界上第一台光学显微镜，并利用这台显微镜首次观察到了血红细胞，首次揭示了一个崭新的生物世界——微生物界。从而开始了人类使用仪器来研究微观世界的纪元。第7页/共33页2.1856年至1860年，巴斯德提出以微生物代谢活动为基础的发酵本质新理论，1865年证明了发酵原理。第8页/共33页发酵工程的应用范围⑴医药工业：生产出了如抗生素、维生素、动物激素、药用氨基酸、核苷酸等。⑵食品工业上的应用主要包括：第一、生产传统的发酵产品，如啤酒、食醋等，使产品的质量和产量得到明显提高。第二、生产食品添加剂。如柠檬酸、谷氨酸、红曲素等。第三、单细胞蛋白的生产。⑶能源工业：通过微生物发酵或固相化细胞或酶的技术生产绿色能源；采油微生物、产氢微生物、产石油微生物的运用；微生物电池。⑷化学工业：生物塑料；微生物发酵生产的化工原料；生物表面活性剂；生物凝集剂；生物制浆。⑸农业：改造植物基因；生物固氮；工程杀虫菌生物农药；微生物饲料。⑹环境保护：利用微生物可以消除对废水、废渣、废气对环境的污染；；对有毒废弃物的微生物处理技术主要包括厌氧发酵法和需氧发酵法。第9页/共33页3.1928年英国细菌学家弗莱明首先发现了世界上第一种抗生素—青霉素第10页/共33页1953年5月，中国第一批国产青霉素诞生，揭开了中国生产抗生素的历史。截至2001年年底，我国的青霉素年产量已占世界青霉素年总产量的60%，居世界首位。第11页/共33页现代生物技术

现代生物技术是以生命科学为基础，利用生物（或生物组织、细胞及其他组成部分）的特性和功能，设计构建具有预期性能的新物质或新品系，以及与生产产品或提供服务的综合性术。

现代生物技术也称生物工程。它是在分子生物学基础上建立的创建新的生物类型或新生物机能的实用技术，是现代生物科学和工程技术相结合的产物。随着基因组计划的成功，在系统生物学的基础上发展了合成生物学与系统生物工程学，开发生物资源，涉及农业生物技术、环境生物技术、工业生物技术、医药生物技术与海洋生物技术，乃至空间生物技术等领域，将在21世纪开发细胞制药厂、细胞计算机、生物太阳能技术等发挥关键作用。第12页/共33页现代生物技术包括基因重组技术、克隆技术、大型发酵技术、生物活性蛋白质合成技术等等！第13页/共33页基因重组技术（Snuppy）史纳比（中间）于2005年4月24日诞生，Snuppy是“首尔国立大学小狗”(SeoulNationalUniversitypuppy)的缩写。第14页/共33页大型发酵技术第15页/共33页生物活性蛋白质合成技术第16页/共33页现代生物技术的特点

1）更加注重实际应用，实际生产决定研究方向，更多的人把精力放在了优良技术的创造。

2）操作先进化，以往的生物技术往往以酶工程和发酵工程为代表，获得的都是一些蛋白或者微生物产物，如青霉素的获得。但是现在更加注重基因工程和细胞工程，从微观去创新。

3）理论基础的多样化，现在学生物技术，不是掌握微生物学、动物学就可以了，还要有更多的如生化、分子生物学的基础才行。

第17页/共33页生物技术的应用现代生物技术&农业

改革传统农业结构，解决食品短缺问题

现代生物技术在农业中最突出的应用是利用转基因技术，将目的基因导入动、植物体内，农作物进行品种改良，从而获得高产、优质、抗病虫害的转基因植物新品种，达到充分提高资源利用效率，降低生产成本的目的。经过长期不断的努力，现代农业生物技术已取得重大突破，不仅从根本上改变了传统农作物的培育和种植，也为农业生产带来了新一轮的革命，并将在解决目前人类所面临的粮食危机、环境恶化、资源匮乏、效益衰减等方面发挥巨大作用。

提高农产品的产量与质量农作物病虫害是造成农业产量下降的主要原因之一，因而利用转基因技术把抗病、抗虫基因导入农作物中，使之可避免或减少病虫害。如抗黄杆菌的水稻、抗除草剂的大豆、抗病毒病的甜椒、抗腐能力强与耐贮性高的番茄等转基因植物等。根据人类的需要，还可把特定基因导入植物体，可达到改良农产品品质的目的，如高含量必需氨基酸的马铃薯，高蛋白质含量的大豆等；此外还可利用生物技术破坏水果细胞壁纤维酶，保证猕猴桃、桃、西红柿等水果成熟但不变软而提高水果的保鲜度，便于水果的运输。第18页/共33页现代生物技术&牧业现代生物技术在畜牧业发展中具有巨大潜力，不仅可提高畜牧业的生产效率，还可拓展家畜的新用途，为发展高效益畜牧业提供技术力量。例如，澳大利亚培育出一种转基因超级猪，其体形大、生长快，瘦肉率提高10％一l5％，我国也已先后培育出转基因兔、羊、猪、牛、鸡等。另外利用生物技术生产动物饲料中的添加剂，提高了生产效率(每一单位饲料所增加的体重或产奶量)、改进家畜的肉质(肉与脂肪的比例)、增加产奶量以及减少牲畜粪便排泄量。

第19页/共33页现代生物技术&渔业水产养殖业利用生物技术将决定生产周期短的基因转移到生产周期长的鱼、虾中，得到生产周期短的鱼、虾新品种，大大提高了年产量；又可将鱼生长激素基因及抗冻蛋白基因转移到鱼中，培育出的新品系不仅生长快，且抗病能力强。我国在世界上首次研究成功海带的单倍体育种技术、紫菜的体细胞育苗技术、对虾的三倍体与四倍体育苗技术、对虾精英移植技术等；第20页/共33页现代生物技术&能源工业我们人类利用生物转化作用产生能源可以追溯到很久远的时代。火就是人类获得能源的第一项技术，距今足有40万年的历史，它是人类第一次利用生物能源的成果。古代神话传说中的女蜗炼五色石补天，燧人氏钻木取火，不正是讲的生物能源的利用吗？到了今天，能源已成为全球性的重要问题了。第21页/共33页现代生物技术&能源工业生物工程在能源工业方面的主要研究对象：1、对再生能源的利用（运用现代生物工程技术提高生物量能的利用率，如。美国能源部专门成立了“生物量能局”、日本两个生物量能研究计划——“绿色能源计划”和“生物量能转换计划”）2、微生物采油（细菌多糖——黄杆胶由于采油技术的局限，油井中有60～70％的石油无法开采出来而成为“死井”，而运用生物工程技术手段有可能把这些死井救活。微生物采油的第一项专利由美国微生物学家柏尔在1946年提出，在地面用人工方法扩大培养采油微生物，然后，把微生物连同营养物质一起注入油井中，封井3～6个月，再进行采油。这种采油方法工艺简单，操作方便，成本也很低廉，而且半年后平均可以增产260％！而每桶石油开采费用只增加不到50美分。美国在1981年时就已经利用微生物采油试验获得了价值6亿美元的石油。）第22页/共33页

生物技术在过去的几十年风起云涌，70年代出现的重组DNA，使得人们有可能按照需求生产出基因工程的药物。到了80年代，转基因技术在农业方面的应用极大地提高了农作物、动物的产量和品质。90年代有代表性的进展就是克隆技术，使得重组生命成为可能，这是很伟大的进步。第23页/共33页

1.作为肝癌诊断新标志的基因MXR-7，已经建立ELISA检测试剂盒，正在临床扩大样本验证。另外，可能作为肝癌血清学诊断的FP248、PP2250基因以及有组织学病理诊断价值的HCRP1、p28GANK、CT120等三个基因也在加速研究之中。

一、人类新功能基因与疾病相关基因应用研究的突破性进展第24页/共33页

2.白血病致病基因的识别和发病机理研究。取得一系列的原始创新成果，发现3种新的白血病染色体易位及其受累基因；首次阐明了慢粒急变的“二次打击”学说。首创应用全反式维甲酸和三氧化二砷治疗20例急性早幼粒细胞白血病，随访8-30个月全部完全缓解。这一联合治疗方案有可能使急性早幼粒细胞白血病成为第一个可治愈的成人白血病。二、建成了一系列规范化的人类功能基因研究技术服务平台组织建立了一系列规范化的人类功能基因研究技术服务平台，包括国家基因组北方研究中心的功能基因信号通路筛选平台、上海睿星的酵母双杂交技术平台、杆状病毒表达系统技术平台；第25页/共33页广东复能公司的文库构建和cDNA克隆；北京实验动物中心转基因小鼠技术平台；本元正阳ADV、AAV、单克隆抗体制备技术平台等，促进了课题组的工作，提高了效率。三、建立复杂疾病多基因联合作用分析的新方法1.以精神分裂症为对象，建立复杂疾病多基因联合作用分析的新方法2.在胃癌、肺癌和食道癌相关基因研究。证实癌基因1A6/DRIM促进细胞微丝解聚；发现了2个新的潜在抑癌基因；证明了8个肿瘤易感基因的变异位点或甲基化修饰的异常……（另在高血压、鼻咽喉等相关研究方面也有较大成就。）第26页/共33页1.诊断检测芯片产品。2.高密度基因芯片产品。3.食品安全检测芯片。4.拥有自主知识产权的生物芯片创新技术创建。…………四、微生物基因组注重与实用相结合

在马尔尼菲青霉菌酵母态（致病状态）和丝状态下的cDNA测序的基础上，通过初步组装获得了5000多个基因。从中克隆了120个基因；发现了此病菌在酵母态特异表达的代谢途径，其中的关键基因有望作为药物靶标；初步发现一个具有保护作用的抗原，有望用于开发新的疫苗和临床诊断。（在红色毛藓功能、稻瘟病菌治病的功能等微生物的研究也有突出成就。）五、生物芯片产业初见端倪第27页/共33页生物技术在医药卫生领域的应用1、是解决了过去用常规方法不能生产或者生产成本特别昂贵的药品的生产技术问题，开发出了一大批新的特效药物，如胰岛素、干扰素（IFN）、白细胞介素-2（IL-2）、组织血纤维蛋白溶酶原激活因子（TPA）、肿瘤坏死因子（TNF）、集落刺激因子（CSF）、人生长激素（HGH）、表皮生长因子（EGF）等等，这些药品可以分别用以防治诸如肿瘤、心脑肺血管、遗传性、免疫性、内分泌等严重威胁人类健康的疑难病症，而且在避免毒副作用方面明显优于传统药品。第28页/共33页2、是研制出了一些灵敏度高、性能专一、实用性强的临床诊断新设备，如体外诊断试剂、免疫诊断试剂盒等，并找到了某些疑难病症的发病原理和医治的崭新方法。我国的单克隆抗体诊断试剂市场前景良好。

第29页/共33页3、是基因工程疫苗、菌苗的研制成功直至大规模生产为人类抵制传染病的侵袭，确保整个群体的优生优育展示了美好的前景。我国开发重点是乙肝基因疫苗。现代生物技术以再生的生物资源为原料生产生物药品，从而可获得过去难以得到的足够数量用于临床的研究与治疗。如1克胰岛素（h-Insulin）要从7.5公斤新鲜猪或牛胰脏组织中提取得到，而目前世界上糖尿病患者有6000万人，每人每年约需1克胰岛素，这样总计需从45亿公斤新鲜胰脏中提取，这实际上办不到的，而生物技术则