1 生物技术概论-绪论.ppt

1、生物技术概论 总 论,第四军医大学药学院 生物制药学教研室/生物技术中心 张英起,第一节：生物技术的概念 第二节：生物技术的发展史 第三节：生物技术的技术组成 第四节：生物技术的应用与发展,第一节 生物技术的概念,Biotechnology,生物技术的英语含义,Bio (生物)Technology(工程、技术),Bioengineering = Biotechnology 生物技术 = 生物工程,Karl Ereky 1878 -1952 Hungarian agricultural engineer,Biotechnology of Meat, Fat and Milk Production

2、 in an Agricultural Large-Scale Farm (1919),“Any product produced from raw materials with the aid of living organisms.”,“在生物体的帮助下，将原材料转化成任何产品的过程”,Karl Ereky “甜菜养猪”的“生物技术”,古代中国“酿造”的“生物技术”,粮食,Alexander Fleming,青霉菌(Penicillium ),Fleming “制造青霉素”的“生物技术”,物料,不同国家对生物技术的定义,生物技术是应用分子和生物细胞的工艺来解决问题、进行研究、生产产品并提供

3、服务的一种技术。美国2001年,生物技术是指在自然或人工状态下，直接或间接地将科学和工程学方法应用于有机体的活体或部分组织，以实现对生产和服务过程进行创新或改进现状的目的。加拿大1997年,生物技术是一种技术，它应用或模仿了活体有机物的能力以改变物质。日本1999年,利用科学和工程学的原理，通过生物学方法进行材料加工，以及通过分离、修改和合成，与实际生物性过程相关的基因结构，对生物材料进行处理、加工，以提高生活质量。新西兰1998/1999,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，为人类生产出所需新产品或达到某种目的技术。中

4、国1986年,应用自然科学和工程学的原理，依靠生物作用剂的作用将物料加工以提供产品为社会服务的技术 国际合作发展组织-1982年,生物技术Biotechonology,生物技术的概念,应用自然科学和工程学的原理，依靠生物作用剂的作用将物料加工以提供产品为社会服务的技术,生物技术的概念,从分子水平阐明生命活动规律,分子生物学为主 的基础学科,第二节 生物技术发展史,生物技术发展的不同阶段,传统生物技术(远古1900s),经验积累阶段 动植物的驯养 酿造技术 食品加工技术,旧石器时代： 公元前260万年公元前1万多年。狩猎、采果、捕鱼等,传统动植物养殖,新石器时代： 公元前1万年公元前5000多年

5、。 发明了原始农业、养畜业和手工业。 公元前6000年至公元前2000年的新石器时期已饲养“六畜”，即马、牛、羊、猪、狗、鸡,公元前二世纪史书云:仪狄作酒。汉代刘向编辑的则进一步说明:昔者，帝女令仪狄作酒而美，进之禹。(禹乃夏朝帝王)。,有饭不尽，委之空桑，郁结成味，久蓄气芳，本出于代，不由奇方。“ 杜康将未吃完的剩饭，放置在桑园的树洞里，剩饭在洞中发酵后，有芳香的气味传出,传统的造酒业,啤酒最早起源于西亚，苏美尔人是酿造啤酒的始祖,葡萄酒的酿造起源于公元前6000年古代的波斯，即现今的伊朗,传统的造酒业,古代中国人、巴比伦人、埃及人将食物发酵制造馒头、面包、酸奶等,传统的食品加工,粮食,酒,

6、微生物,传统的“酿造”技术是人们按照自己的目的制造产品的 “生物技术”,发酵(Fermentation)的含义,近代生物技术(1900s -1970s),微生物发酵工业阶段 荷兰人列文霍克发现显微镜和微生物 法国科学家路易斯巴斯德发现微生物参与发酵 微生物单一培养技术的建立 抗生物、氨基酸、化学品发酵工业的建立,1667 年，荷兰人列文霍克发明了显微镜，揭开了微生物世界的秘密。,Antonie Philips van Leeuwenhoek 1632 1723,路易斯巴斯德 Louis Pasteur (1822 1895) 法国著名科学家,“微生物学之父” “进入科学王国的最完美无缺的人”,

7、发酵工业的奠基人 巴氏灭菌法，拯救法国的造酒业 蚕病病原体，拯救法国的养蚕业 自然发生论的否定 炭疽病的疫苗 狂犬病疫苗,立志是一种很重要的事情 机遇只偏爱那些有准备的头脑 告诉你使我达到目标的奥秘吧， 我惟一的力量就是我的坚持精神,路易斯巴斯德的立志名言,1860s，啤酒、葡萄酒常常会变质，为法国的酿酒业造成巨大损失。,把封闭的酒瓶放在铁丝篮子里，泡在水里加热到不同的温度，试图即杀死这乳酸杆菌，而又不把葡萄酒煮坏。 最后找到了一个简便有效的方法：把酒放在56的环境里，保持半小时，就可杀死酒里的乳酸杆菌。,“巴斯德杀菌法”,巴氏消毒法的发现,建立啤酒酵母分离和培养技术，用于啤酒生产,汉逊 Em

8、il Christian Hansen (1842 1909) 丹麦真菌学家、发酵生理学家,布雷菲尔德 Julius Oscar Brefeld (1839 1925) 德国植物学家、真菌学家,建立了“单一霉菌”纯化培养技术,微生物单一培养技术的建立,约瑟夫李斯特 JosephLister (18271912) 英国外科医生,罗伯特科赫 Robert Koch (1843-1910) 德国医生和细菌学家,建立“细菌”纯培养技术,纯培养：得到无其他杂菌污染的单一微生物,分理出纯净、单一的微生物，对于发酵至关重要,丙酮丁醇梭菌,丙酮、丁酸的发酵工业,20世纪20年代的丙酮、酒精、甘油和等发酵工程,

9、抗生素发酵工业,青霉菌 (Penicillium),亚历山大弗莱明 Alexander Fleming (1881 1955),获得1945年 诺贝尔生理学和医学奖,塞尔曼亚伯拉罕瓦克斯曼 Selman Abraham Waksman （18881973）,获得1952年 诺贝尔生理学和医学奖,链霉菌 (Streptomyces),抗生素发酵工业,至今已发现微生物产生的抗生素约6000个，有实用价值的已有100多种,抗生素发酵工业,自20世纪40年代第一个抗生素 青霉素应用以来，逐渐形成了抗生素发酵工业,1957年，日本用微生物生产谷氨酸成功，如今20种氨基酸 都可以用发酵法生产，建立了氨基酸

10、发酵工业,氨基酸发酵工业,菌株 筛选,发酵 转化,下游 处理,第一步,第二步,第三步,如何筛选到一个高效、稳定产生目的产物的优良菌株？,发酵工业的基本过程,传统筛选菌株的方法和缺陷,自然界分离 诱变：物理、化学,筛选困难 稳定性差 只能用于原核细胞,能否按照目的人工改造生物体？,现代生物技术(1970s现在),基因工程 细胞工程 发酵工程 酶工程和蛋白质工程,基因工程的发展历史,基因的化学本质是DNA 基因（DNA）可以通过RNA编码蛋白质 DNA可以在不同生物间转移，并可以改变生物体 的表型,“中心法则” （Central Dogma）,建立基因工程技术（重组DNA技术），获得1980年诺贝

11、尔化学奖,Paul Berg (1926 -) 美国斯坦福大学,基因工程技术(重组DNA技术)的建立,利用重组DNA技术，可以对不同生物的基因进行新的组合，得到性状发生改变的新生物。这意味着人类可以根据自己的意愿设计新的生物，并把它构建出来。,Michael Smith建立基因定位突变技术，获得1993年诺贝尔化学奖,Kary B. Mullis建立了PCR技术 ，获得1993年诺贝尔化学奖,应用上述方法可以从基因水平改变编码蛋白质的DNA序列，从而制备更为优越的蛋白质。为蛋白质工程的发展奠定了基础,1838年，德国植物学家施莱登(M. Schleiden)和德国动物学家施万(T. Schwa

12、nn)认为一切生物都由细胞组成，细胞是生命的结构单位。 1858年，德国病理学微尔啸(R Virchow)证实细胞只能由细胞分裂而来。,细胞学说的建立,1902年，提出了细胞全能性的观点 1904年，建立幼胚的立体培养。发现离体幼胚可发育成苗 1925年，种间杂交幼胚获得成功，得到杂交种 1930s， 离体的植物组织可以在人工培养基上不断生长 1960s， 原生质体原生质体在培养过程中可形成完整植株,细胞工程的发展历史,植物细胞,1907年，用盖玻片悬滴培养蛙胚神经组织获得成功 1952年，把非洲豹蛙囊胚的细胞核一到去核的卵母细胞中， 得到了非洲豹蛙的胚胎克隆后代 1962年，仙台病毒可诱发细

13、胞融合，形成多核细胞，为动物 细胞融合技术的发展奠定了基础 1967年，完成第一例骨髓移植 1975年，杂交瘤技术的诞生 1977年，成功地培养出世界首例试管婴儿 1997年，首次克隆出绵羊“多莉”，而后又克隆出多种动物 1998年，发现人类生殖干细胞和成体干细胞 2006年，诱导性多功能干细胞(iPS, induced pluripotent stem cells),动物和人类细胞,细胞工程的发展历史,Georges J.F. Khler，Csar Milstein 建立杂交瘤技术，获得1984年诺贝尔生理学和医学奖,单克隆抗体技术的建立,John B. Gurdon ，Shinya Yam

14、anaka 发现iPS ，获得2012生理学和医学诺贝尔奖,iPS 技术的建立,生物工程的重大历史事件,传统生物技术：古代的人工驯养技术、酿造技术、食品加工技术 近代生物技术：路易斯巴斯德(Louis Pasteur)发现微生物参与发酵过程 Karl Ereky提出“生物技术”的概念 丙酮、丁醇发酵工业的兴起 Alexander Fleming发现青霉素， 抗生素工业的兴起 氨基酸发酵工业的兴起 现代生物技术：伯格(Paul Berg )建立了基因工程技术，获得1980年诺贝 尔化学奖 Michael Smith建立基因定位突变技术，Kary B. Mullis 建立了PCR技术 ，获得199

15、3年诺贝尔化学奖 科勒(Georges J.F. Khler)米尔斯坦(Csar Milstein)建立 杂交瘤技术，获得1984年生理和医学诺贝 格登(John B. Gurdon) 山中深弥(Shinya Yamanaka)发现 iPS，获得2012年生理和医学诺贝尔奖,第三节 生物技术的技术组成,现代生物技术包含的“4大工程”,基因工程 Genetic Engineering (GE) 细胞工程 Cell Engineering (CE) 发酵工程 Fermentation Engineering (FE) 酶工程和蛋白质工程 Enzyme Engineering (EE) Protei

16、n Engineering (PE),基因工程(genetic engineering),在分子水平上，用人工方法提取不同生物的遗传物质，在体外切割，拼接形成重组DNA与在体的遗传物质重新组合，再将其引入没有该DNA的受体细胞中，进行复制表达，产生出符合人类需要的产品或创造出新的性状，并使之稳定遗传给下一代。,基因工程 (genetic engineering) 重组DNA技术(Recombinant DNA Technology) 遗传工程 (genetic engineering) 基因克隆 (gene cloning) 分子克隆 (molecular cloning) 基因操作 (gen

17、e manipulation),基因,细菌,细胞,昆虫,植物,实现了基因在不同物种间的转移,1889，德国医生 Josef von Mering（1849 1908）和Oskar Minkowski（1858- 1931） 在研究脏器功能时发现发现切除胰腺的狗可患糖尿病,对糖尿病的认识,1916年，英国医生 Edward Albert Sharpey-Schafer（1850-1935）提出在胰腺中存在一种调节血糖的化学物质，称为“insulin”，即“岛”的意思，说明产生于Langerhans组成的胰岛,胰岛素的分离纯化,1922年，加拿大Frederick Grant Banting（18

18、91-1941）和John James Richard Macleod（1876-1935）分离胰岛素并用于糖尿病的治疗，获得1922年医学生理学诺贝尔奖。,Before Insulin Ages 3, 15 lbs 15/12/1922,After Insulin Ages 3, 29 lbs 15/12/1923,第一个使用胰岛素的男孩-Leonard Thompson,每个病人每天需要 40单位胰岛素 远远不能满足需要,1978年，通过重组DNA技术，人胰岛素首次在大肠杆菌中合成。1982年，FDA批准重组人胰岛素在美国上市，成为首个基因工程药物。,干扰素的克隆表达,1957年，Alic

19、k Isaacs和 Jean Lindenmann发现 干扰素,从白细胞中提取干扰素：1g=6万升血液,1986, Hoffmann-La Roche, Inc.在大肠杆菌中成功制备干扰素-2a ，产量高达0.5g/L发酵液,细胞工程(cell engineering),根据体细胞的性质，应用细胞生物学的方法，按照预想的方案，在细胞水平上进行精细操作，把一种细胞的染色体或细胞核等移植到另一种细胞中去，从而改变细胞的遗传特性，达到改良物种或创造物中新物种的目的。,细胞和组织培养技术 (Cell and tissue culture technology) 细胞融合 (Cell fusion) 细

20、胞重组(Cell reconstruction) 染色体工程 (Chromosome engineering ) 细胞核移植 (Nuclear transplantation) 原生质体诱变 (Protoplast mutagenesis ) 干细胞技术(stem cell technology) 多能干细胞诱导技术 (Induced pluripotent stem cell technology),细胞工程包含的主要技术,淋巴细胞杂交瘤技术,抗原免疫小鼠,骨髓瘤细胞培养,脾细胞 （产生抗原）,骨髓瘤细胞 （无限增殖）,细胞融合 杂交瘤细胞,筛选产生特定 抗体的瘤细胞,杂交瘤细胞株,单克隆抗

21、体,全抗体： 鼠源、嵌合、人源化,抗体导向药物,双功能抗体,Ig-Fc融合蛋白,抗体工程,基因工程与细胞工程的结合，产生了抗体工程,干细胞技术,胚胎干细胞：全能性干细胞，具有形成完整个体的分化潜能 成体干细胞： 多能性干细胞：具有分化出多种组织细胞的潜能，如造血干细胞 单能干细胞： 只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化 诱导的多能干细胞： 体细胞经诱导形成的干细胞,胚胎干细胞在疾病治疗中具有重要应用价值,受精卵是孕育中的人类生命体，它存在生存权 父母不能同意就其研究目的而使用胚胎 许多国家禁止使用胚胎干细胞进行研究,E.唐纳尔托马斯 E. Donnall Thomas (1920 20

22、12),发现并首次完成的骨髓移植及血液干细胞移植获得1990年度的诺贝尔生理学或医学奖。,多能性干细胞 造血干细胞的应用,造血干细胞移植技术,John B. Gurdon ，Shinya Yamanaka 发现iPS ，获得2012生理学和医学诺贝尔奖,诱导的多能干细胞(iPS)的发现,iPS技术不使用胚胎细胞或卵细胞，因此没有伦理学 的问题 避免了成体肝细胞的复杂分离、培养过程 利有iPS技术可以用病人自己的体细胞制备专有的干 细胞，所以不会有免疫排斥的问题,诱导多能干细胞(iPS)的优点,iPS 技术的应用,发酵工程(Fermentation Engineering),利用现代工程技术手段

23、，利用微生物或哺乳动物细胞的特殊功能生产有用的物质，或直接将微生物或哺乳动物细胞用于工业生产的一种技术。,传统的发酵工程 = 微生物工程 现代发酵工程还包括哺乳动物细胞发酵工程,优良的菌种或工程细胞株,自然界中分离 人工诱变 基因工程、细胞工程,菌种活化,固(液体)大规模发酵,生物反应器,扩大培养,产品纯化,发酵工程的基本流程,纯化技术,酶工程(Enzyme Engineering),在一定的生物反应器中，利用酶的催化作用，将相应的地物原料转化成所需物质的技术,蛋白质工程(Protein Engineering),以蛋白质分子结构的规律及其与生物功能的关系为基础，借助计算机分子图像和辅助设计。

24、通过有控制的基因修饰和基因合成，再结合基因工程途径，对现有蛋白质进行定向项改造，设计、构建并最终产生出性能比自然存在的蛋白质更加优良、更符合人类社会需要的新型蛋白质,蛋白质结构与功能关系研究,确定需要改变的氨基酸,定位突变或聚合酶链反应（PCR） 从基因上改变密码子,基因工程制备新蛋白,应用,蛋白质工程的流程,生物技术各工程之间的相互关系,基因工程,提供优良 的种子,为种子生长 提供优良的环境,上游工程,下游工程,纯化精制 技术,第四节 生物技术的发展和应用,医药生物技术 (诊断、治疗) 农业生物技术 (提高粮食产量和品质) 工业生物技术 (制造工业产品） 环境生物技术 (降解污染物） 海洋生

25、物技术 (开发海洋产品） 能源生物技术 (制造能源，如生物柴油等) 军事生物技术 ,生物技术,R-红色生物技术 医药生物技术 1982年，重组胰岛素上市，多种重组蛋白、单克隆抗体、疫苗类药品上市,G-绿色生物技术 农业生物技术 1996年，转基因大豆、玉米和油菜相继上市,W-白色生物技术 工业生物技术 2000年聚乳酸上市,生物产业 Bio-industry,批准上市的部分基因工程药物,批准上市应用的治疗性抗体类药物,Biopharmaceutical approval numbers from 2006 to 2009.,The ten top-selling biopharmaceutical products in 2009,蛋白质药物的批准数量和市场情况,Nat Biotechnol. 2010;28(9):917-24.,农业生物技术进展,转基因作物： 商业化的转基因作物有50多种，2011年全球共有29个国 家种植，种植面积达到1.6 亿公顷，占全球耕地的10 提高产量、改善品质（抗虫、抗病、抗除草剂等）,转基因动物： 改良动物品质，濒危物种的保护 动物反应器 制备药品,植物药厂,提取药物 直接食用,+