现代生物技术

1、现代生物技术与人类健康,第一节 现代生物技术发展趋势,人类文明发展的三次技术革命,生物技术革命 21世纪：创造生命 ！ 信息革命 20世纪：解放大脑 工业革命 19世纪：解放双手,传统生物技术,传统生物技术主要是通过微生物的初级发酵生产商品。,上游处理过程,发酵和转化,下游处理过程,现代生物技术,DNA重组技术的发展改变了生物技术的本质，现代生物技术应运而生。,现代生物技术,生命科学,工程技术,其他相关学科,(一) 基因工程,1. 对象: 在核酸分子 (DNA或RNA) 或基因上操作。 2. 定义: 在体外对DNA进行切割、拼接, 使遗传物质重新组合, 经载体转移到细胞中扩增表达, 获得人类所

2、需产品, 或组建新生物类型的技术。 ,目的基因,基因载体,重组体,分,切,接,转,筛,表,基本技术路线,基因工程胰岛素,胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。,胰岛素分子结构,将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了30%-50%!,胰岛素生产车间,(二)细胞工程,1.对象: 细胞, 在细胞水平上实现基因转移或改变生物学性状。,细胞工程包括： 细胞融合技术 工程细胞移植, 即有目的地改造细胞

3、 遗传特性后, 植入机体。 细胞折合, 染色体导入及细胞器导入技术, 胚胎细胞植入。,操作对象,细胞,培养、增殖、改造细胞,操作环节,新性状 新产品,细胞或其组成部分和构成的组织、器官等如染色体、细胞核、原生质体、整个细胞、受精卵、胚胎、组织或器官,细胞工程,细胞工程,授体基因,(大肠杆菌),(干扰素基因),受体基因,重组基因,植入受体细胞核 (大肠杆菌，酵母菌),发酵,分离,生物药剂 （干扰素、胰岛素等）,废液,(三) 酶工程 1.对象: 酶分子修饰、生产应用和酶的固定化 ,操作对象,酶,酶的固定化、分离纯化、酶的改造,操作环节,酶制剂,由生物活细胞产生的生物催化剂,酶工程,(四) 发酵工程

4、 1.对象: 微生物, 在常规发酵工艺上发展而成。有时也称微生物工程。 2. 定义: 利用微生物特定性状（生长快、培养简单和代谢过程特殊等）, 通过现代化工程技术, 快速、连续生产人类所需物质的技术。 ,操作对象,微生物,发酵培养,操作环节,产品 产物,真菌、细菌、放线菌等,发酵工程,(五) 蛋白质工程,对象: 基因序列DNA分子中改造, 最终导致蛋白分子氨基酸序列改变。,操作对象,蛋白质,对应基因的修饰和合成,操作环节,蛋白质定向改造,DNARNA 蛋白质,蛋白质工程,具有优良特性的蛋白质分子,生物技术的发展,转基因技术 基因组技术,1.转基因技术,转基因动物研究与应用方向,提高生长速率,异

5、种器官移植,减少排污,生物反应器,改善肉质成份,提高抗病能力,医学疾病模型,提高瘦肉率,生物材料生产,改善奶品质,转基因动物,转基因动物：是指人类按照自己的意愿有目的、有计划、有根据、有预见地将外源基因导入动物细胞内，通过与染色体基因组进行稳定的整合，将生物性状传递给后代动物。,转基因动物的应用,利用转基因动物改良动物品种,转基因动物作为生物反应器,转基因动物筛选药物,转基因小鼠,动物改良培养出超级动物,美研究小组培育出超凡嗅觉能力的转基因鼠,转基因鱼,生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国),转基因鲑鱼,含有荧光水母基因的小猪,美国密苏里大学最近通过克隆技术 培育出四只含有荧光水母基因的

6、小猪。 左为荧光小猪，右为正常小猪,悠游的奇幻精灵水母,观赏荧光鱼,转基因荧光鼠,生物反应器,一般把目的片段在器官或组织中表达的转基因动物叫动物生物反应器，几乎任何有生命的器官、组织或其中一部分都可经过人为驯化为生物反应器，从生产的角度考虑，生物反应器选择的组织和器官要方便产物的获得，例如，乳腺、膀胱、血液等,乳腺生物反应器：就是通过基因转移技术，将外源基因导入动物体内，通过乳腺特异启动子的控制，获得乳腺生产外源蛋白质的转基因动物。,转基因山羊活动的制药厂,工作人员从转基因山羊身上挤出了羊奶。在貌似平凡的羊奶中，含有价值不菲的药用蛋白质,转基因牛,乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷),从转

7、基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA,转基因技术还可以生产出人的器官,实验室的科学家们已经成功研究出人工心脏，并且运用胚胎干细胞成功培育出了肝脏、大脑、软骨、鼻子等人体器官。只要一切条件适合，他们可以培育出任何人体组织。,1997年2月，英国罗斯林研究所的胚胎学家伊恩维尔穆特博士宣布他用一只6岁母羊的乳腺细胞与去核羊的卵母细胞融合，这一卵细胞经诱导形成胚胎，然后移入母羊子宫内，结果产下6岁母羊的复制品“多莉”。,克隆羊“多莉”和它生下的小羊,体细胞克隆羊与克隆鼠诞生后，科学家就计划克隆猪。猪易于繁殖，而且其器官在大小和功能上与人体器官较为接近，为成千上万等待器官移植的病人带来希望。首批体

8、细胞克隆猪共5只，出生于2000年3月5日。,抗病、抗虫、抗逆作物,基因工程为培育抗病虫的作物提供了新的手段 目前，已经获得的转基因抗虫农作物包括烟草、番茄、马铃薯、棉花、玉米等 在抗逆境育种上的应用为克服干旱、盐碱等提供新思路 美国斯坦福大学把仙人掌基因导入小麦、大豆等作物，育成抗旱、抗逆的新品种。 我国已克隆了耐盐碱相关基因， 通过遗传转化已获得了耐盐烟草、 水稻、西红柿、草莓等。,抗除草剂作物,不会引起过敏的转基因大豆,转基因抗虫番茄,普通棉花 转兔毛基因棉花,彩色马蹄莲,蓝色玫瑰一直是人类美丽的梦想基因工程正在将它变为现实,“转基因与生物武器”,转基因技术蕴含着的一些特殊性技术，比如“

9、启动开关”技术（现在已经用到植物上了），一旦用到动物身上，就很容易演变成生物武器。 因此,我们不仅需要关注转基因技术在民用领域的应用，同时也要关注国外转基因技术在军事领域的应用，要警惕国外运用转基因技术来制造生物武器。,-文化学者刘仰,1990年启动，共计六个国家16个基因组中心参与中国承担3号染色体约3000万bp的测序，约占整个计划的1%。,“读出” 碱基测序(2000年6月) “读懂” 基因的功能,农业基因组计划,2.基因组学技术,人类的染色体组,已完成测序工作的生物,第二节 现代生物技术的应用,为解决人类面临的重大问题提供新途径, 带来了希望 ： 人口问题: A) 节育: 药、疫苗,

10、B)优生: 遗传病基因治疗。 粮食问题: 绿色革命,高产、优质、抗病新品种 , 单细胞蛋白, 农药、肥料。, 能源、资源问题: 生物电池、光合菌、乙醇生产、石油采集菌、生物冶炼。 环境污染: 石油、污水, 有害金属污染, 特嗜菌的构建。 医疗保健: 抗衰老、防治心血管病、疟疾、传染病、遗传病(见下)。 战争等灾害：生物战剂、生物恐怖。,1. 疾病诊断 分子水平的诊断向更特异、敏感、 快速、简单、稳定方向发展。如: McAb运用: ELISA、IFA、ELA、 RIA、蛋白质免疫诊断。 核酸水平本质上诊断: REA、RFLP、 核酸杂交、PCR。 新仪器: 生物传感器、成像系统、 监护康复系统等

11、。,基因诊断,运用基因工程技术，设计制造“DNA探针”检测肝炎病毒等病毒性流行病及某些严重遗传疾病，不但准确而且迅速。,我国研究人员正在制备用于基因治疗的基因工程细胞,2. 基因治疗 从基因水平上对疾病基因进行修复、替 代。如基因工程构建病毒载体导入正常基 因治疗先天遗传病。 3. 疾病预防: 基因工程疫苗、多价疫苗, 安全、价低 易大量制。 抗独特型抗体疫苗, 多肽疫苗(表达)。 ,追溯疾病的起源,无论多么凶险难治的疾病，只要找到了病因，就为征服这种疾病奠定了基础,科学家绘出用于疾病研究的人类变异基因图谱,1990年9月14日美国第一例临床基因治疗申请获得批准： 国立卫生研究院NIH，重组D

12、NA顾问委员会RAC。,SCID患者：缺乏腺苷酸脱氨酶，ada基因缺失。 将正常基因转入患者(4岁的女孩)淋巴细胞，再将改造细胞送回患者体内。,基因治疗,重症联合免疫缺陷病 ：,基因探明人类老化原因，长命千岁不是梦,环境污染治理：基因工程构建的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。,通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。,新型药物的生产,1. 改造、促进抗生素工业, 除固定化酶、细胞技术, 包括对酶的更新。例如: 基因工程可生产强有力的新酰化酶, 可大量制备新抗生素(如头

13、孢毒素等)。 2. “生物导弹”药物: McAb毒素蛋白、抗癌药、 TNF、酶等。 Abzyme、特异结合酶切分解。 受体药物“爱国者导弹”: CD4受体HIV 等。,3. 超级药物 人工设计、合成分子药物: 反义核酸、基因封条、阻止转录、翻译, 酶性RNA切掉有害基因。 4. 酶制剂基因工程: 如: tPA(组织纤维蛋白溶酶原激活因子), 链激酶等。,基因工程试剂的高回报,碱性成纤维细胞生长因子 231元/ug 红细胞生成素 1072元/ug 白细胞介素-2 410元/ug 巨细胞粒细胞集落刺激因子 1960元/ug 胰岛素 10.2元/mg,转基因生物与普通非转基因生物相比的优、缺点 (1

14、)优点： 提高粮食产量，解决粮食短缺问题。 减少农药使用，从而减少环境污染。 节省生产成本，降低粮食售价。 增加食物营养，提高我们的健康水平。 增加食物种类，丰富我们的餐桌。 促进生产效率，带动相关产业发展。,(2)缺点： 可能产生新的过敏原。 可能产生抗除草剂的杂草。 可能使疾病的传播跨越物种障碍。 可能会损害农作物的生物多样性。 可能干扰生态系统的稳定性。,转基因的安全性争论,支持派认为 如果转基因农业生物技术得不到社会支持，这一研究将被扼杀，并且强调，迄今为止并没有发现转基因食品危害人体健康和环境的确切证据。 美国人食用转基因食品已多年，超级市场上有4000多种商品是含有转基因植物成分的

15、，还没有事例证明人吃了以后会得病，甚至会引起死亡。加拿大、澳大利亚也是转基因食品的生产大国，均有几千万人在吃，到现在为止也没有个案例说明它有问题 。,反对派的观点,一英国科学家声称，转基因马铃薯会减弱老鼠免疫系统功能； 美国康乃尔大学也发现，转基因玉米会危害蝴蝶幼虫及其相关生态环境。 环保团体认为这种违反自然的转基因作物及产品，未经长期安全测试，长期食用可能对人类及生态环境造成负面影响。 尤其是注重环境和生态保护的欧盟国家，对转基因作物更加排斥，因而抵制美国GMO产品的进口。,斑蝶事件,各种奇形怪状的动物将不再是科幻？,创造生命,选择性基因？ 人畜合体？,干细胞技术,干细胞 干细胞是具有无限期

16、产生各种分化细胞能力的细胞。通常认为干细胞有几个主要特征： 未分化的早期细胞； 具有分化成各种特定细胞的能力； 可无限地分裂增值，产生大量后裔; 其子细胞有两种命运，保持为干细胞或分化 为特定细胞。,干细胞的分类,全能干细胞 多能干细胞 单能干细胞,按分化潜能,按发育状态,胚胎干细胞 成体干细胞,胚胎干细胞体外诱导分化,干细胞的用途,治疗遗传性疾病和恶性肿瘤。 以干细胞为种子培育成某些组织和器官，用于移植医学。 抗衰老，延年益寿。,血液病的细胞治疗,如白血病的细胞治疗 造血干细胞移植： 自体移植（脐带血造血干细胞） 无排斥反应 同系移植（同卵孪生之间骨髓 造血干细胞） 一般无排斥反应 同种移植

17、（人与人之间骨髓造血干细胞） 有排斥反应（供、受者组织相容性抗原不同） 需组织配型、选择供者（骨髓库）； 抑制受者的免疫应答、诱导免疫耐受。,神经系统疾病的细胞治疗,如帕金森氏病细胞治疗 胚胎干细胞细胞移植 神经干细胞细胞移植 1、干细胞直接移植 2、诱导分化成相应神经细胞（多巴胺能神经元）后进行细胞移植,心肌疾病的细胞治疗,如心肌梗塞的细胞治疗 胚胎干细胞 诱导分化成心肌细胞 细胞移植 成体干细胞（骨髓基质干细胞、脂肪干细胞、心肌干细胞等） 诱导分化成心肌细胞 细胞移植,干细胞治疗中的难点,异体移植的免疫排斥反应 解决途径：自身体细胞核移植（治疗性克隆） 干细胞基因改造 采用自身干细胞 成瘤

18、性的危险 胚胎干细胞植入动物体内会形成畸胎瘤，如何防止干细胞移植后可能因分化不彻底形成肿瘤，是必须解决的问题。 解决途径：完善定向诱导分化方法 改进筛选纯化技术,医药动物模型,动物细胞培养,皮肤替代物 美国FDA一家公司生产的商品名为TransCyte的皮肤替代物进入市场。它由取自皮肤真皮或表皮层的细胞在一个生物可降解的聚合物上生长而成。TransCyte 能作为创口的临时覆盖物，可用于2 度或3 度烧伤的病人。,干细胞 “自我”丰胸,克隆技术,富贵竹插枝即活,仙人掌每块落地就生根,克隆技术的发展,微生物克隆：由一个细菌分裂出多个和它完全一样的细菌而形成菌落。,遗传工程克隆：DNA克隆或基因克

19、隆,个体水平上的克隆:从一个单一的细胞繁殖出生物个体.,动物个体的克隆:核移植,试管婴儿=克隆技术？,1 除核,2 注核,3 注核,4 注核,5 注核,6 电击,世界克隆研究之路,1996年 第一只成年体细胞克隆羊“多利” 诞生 1997年 一头用胎盘克隆而成的荷兰牛亮相。 1998年 两头由母牛细胞克隆而成的小牛在东京出生。 一个国际研究小组宣布克隆出了三代实验鼠 2000年 曾参与克隆“多利” 羊的英国公司培育了第一 批克隆猪 2001年 一头稀有品种的克隆亚洲牛诞生，两天后死亡。 2002年 法国研究人员克隆出兔子。 2003年 美国科学家推出了一匹克隆骡。 爱荷华州的研究人员称他们克隆

20、出了一头濒临灭 绝的爪哇野牛。 2004年 美国加利福尼亚的一家公司培育出了第一只克隆猫。这只猫后来成为第一只被卖出的克隆宠物。 2005年 韩国科学家宣布他们培育出了首条克隆狗叫“斯纳皮”,Dolly：1996年7月5日世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁堡大学的伊恩博士研制成功，2003年2月14日由于肺结核而被安乐死，它的标本于2003年4月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。,2003 “姐姐生下妹妹”：世界首匹克隆马出世,美国一公司成功克隆纯种赛马与由自己体细胞克隆出来的小马驹相会,2003：世界首头克隆骡子在美亮相,2005年，韩国首度成功克隆狗,研究人员与克隆小狗、提供体细胞

21、狗及代理母狗在一起,2009年阿联酋诞生世界首头克隆骆驼,广西大学动成功地繁殖了一只胚胎细胞克隆兔，比普通兔大许多,世界首例体细胞克隆水牛在广西大学诞生,下一步：人类克隆？,同卵双生双胞胎,人工双胞胎,简单的克隆方法,天然的克隆人,克隆人与我们很远吗？,克隆技术发展的意义,用于生物学和医学研究的实验动物 改良动物品种 治疗人类疾病 保护濒危动物,细胞核,去核卵母细胞,核移植重构胚,异种克隆保护濒危物种,关于克隆技术的伦理争论,1.治疗性克隆的伦理争论 2.生殖性克隆的伦理争论,治疗性克隆的伦理争论,人类胚胎与急需治疗的治疗的病人之间的利益冲突问题 胚胎的生命与病人的生命价值的争论 以经济为目的的胚胎研究是否道德的争论,治疗性克隆,睾丸组织异种异位移植,猪睾丸,鸡睾丸组