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1、生物工程概论,享学课堂,1.生物工程发展历史,公元前2300年，埃及人酿造啤酒（左图）,朦胧阶段（9000年前-1676年）,有考古证据证明在公元7000年前，我们的祖先就开始酿酒作为饮品。,其他以微生物发酵为基础的生产，如发酵乳制品（包括乳酪、酸奶等）和各种东方食品如酱油、印尼豆酵饼等同样有着古老的渊源,初步发展（1676-1861年）,Edward Jenner 首创接种牛痘预防天花，是免疫学发展的代表，但当时解释不了其机制。,列文虎克发明显微镜,奠定阶段（1861-1897年）,“工业微生物学之父”“生物工程之父”,杰出贡献,彻底否定了“自然发生学说”；,证实细菌能利用糖和铵合成蛋白质；
2、,证实了发酵是由细菌引起的；,在免疫学上提出预防接种;,提出巴氏消毒法等等,世界上第一次发明了细菌照相法；第一次发现证明了炭疽热的病原细菌炭疽杆菌；第一次提出纯培养技术并设计多种培养基；第一次发明了蒸汽杀菌法提出 科赫法则 等等,罗伯特科赫,发展期（1897年-1953年）,Buchner（生物化学奠基人）,Fleming,1897年,1928年,1944年,无细胞酵母菌“酒化酶”推翻巴斯德胚种学说,发现青霉素对细菌的抑制作用,青霉素发现推动微生物工业化培养技术猛进,肺炎球菌转化实验，确定DNA是遗传物质标志着分子生物学的形成,生物工程发展的里程碑：进入生化水平研究阶段,Avery,Elmer
3、 L.Gaden,生化工程之父,19461948年最佳溶氧条件对生物发酵产业（青霉素的发酵）起了极大的促进作用。,由于他的有关通风搅拌传质对现代生化科技研究的卓越贡献使其获得了“生化工程之父”的赞誉。,生化工程的发展,成熟期（分子生物学水平研究阶段1953年至今）,Watson和Crick（分子生物学奠基人）,美国生物学家沃森（Watson）和英国晶体结构分析家克里克（Crick）合作，提出DNA结构的双螺旋模型，并在1962年与英国学者维尔金斯（Wilkins M.H.F.）共获诺贝尔生理学或医学奖。,基因工程的发展,工程菌的构建更促进了生物工程发展,推动生命科学的发展促进许多重大理论问题的
4、突破,人类基因组计划,20世纪70年代,人类基因组计划,人类基因组计划最终目的是测定基因组全部序列，弄清整个基因组的结构、功能以及表达产物，彻底了解人类生命活动的本质。它具有非常重大的意义，推动了整个生命科学的发展。,人类基因组包括分布于46条染色体的30 000-35 000个基因。,2006年6月26日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成,人类基因组研究结论,1.基因数量少得惊人2.人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠”3.三分之一为“垃圾”DNA4.种族歧视毫无根据5.男性基因突变率更高,人类基因组研究结果更为现代刑侦破案，人类疫苗开发提供了有力的依据。,2.我国生物工程技术进展,细胞工程,
5、发酵工程,基因工程,酶工程,综合性应用,生物工程,生物反应器工程,生物工程，一般认为是以生物学(特别是其中的微生物学、遗传学、生物化学和细胞学)的理论和技术为基础，结合化工、机械、电子计算机等现代工程技术，充分运用分子生物学的最新成就，自觉地操纵遗传物质，定向地改造生物或其功能，短期内创造出具有超远缘性状的新物种，再通过合适的生物反应器对这类“工程菌”或“工程细胞株”进行大规模的培养，以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能一门新兴技术。,发酵工程,现代啤酒的发酵生产工艺,分批补料发酵生产乳酸，使得乳酸的发酵水平达200g/L，光学纯度达97.4%可满足聚乳酸的生产需要；,纯培养厌氧分批补
6、料发酵技术,生物高分子材料生产,建成一条我国第一，世界第二的年产5000t绿色可降解环保型聚乳酸树脂工业示范线，收率达到理论收率的90%，分子量大于10万。,绿色可降解环保型聚乳酸树脂具有环境友好型的优势，并能够胜任大部分合成塑料；,对现有500t/a秸秆乙醇中式生产线技术改造,生物法生产大宗化学用品具有很强的潜力和很大的利润，更具有经济环保的优良性质。,目前生物法生产乙烯新增产值5.76亿，新增利润7654万元乙烯的生物炼制技术的成熟促使一系列大宗化学用品的生物法的发展。,生物燃料,我国是世界上肥料消费量第一的大国，化肥对我国粮食的贡献占50%以上；,我国肥料资源十分匮乏，例如：再过20年中
7、高品位磷矿开采殆尽；,化肥肥效易下降且会造成大量氮、磷污染地下水。,生物肥料提供氮素，转化难溶磷钾，促进作物生长；,生物肥料环境友好。,生物肥料关键技术突破：生物肥料高效菌种资源库的不断充实；突破秸秆快速腐熟技术；高密度发酵工业；生物肥料高效载体研究的突破。,生物肥料,疫苗,干细胞与组织工程,胚胎干细胞的多能性为发育生物学和医学提供了很多可能的应用，但是提取干细胞通常会毁坏胚胎，这项研究引发了生物伦理的激烈讨论。2006年，日本研究人员报告一个能避开人体胚胎干细胞实际与伦理问题。他们将4个基因（Oct4,Sox2,Klf4 和c-Myc）导入在培养皿中生长的小鼠尾部细胞，得到了外表和作用与干细
8、胞十分相似的新细胞iPS细胞（诱导性多功能干细胞）。2008年，科学家们用基因技术彻底消除细胞的发育“记忆”，从而使其回到原始胚胎状态，这就是细胞重编程（reprogramming cell），被Science杂志评为2008年十大科学进展之首。,我国干细胞研究于2009年在iPS细胞（研究、重大疾病干细胞治疗技术与产品研发等领域取得了多项学术界广泛认可的重大成果。,iPS细胞在生物和医学领域具有广泛的应用前景，但是iPS细胞是否真的拥有与胚胎干细胞一样的全能性还未被证实。中国科学院研究所首次利用iPS细胞通过四倍体囊胚注射得到存活并具有繁殖能力的小鼠“小小”，并于12月8日入选了时代周刊公布
9、的2009年十大医学突破。时代周刊公布的2009年十大医学突破。,通过四倍体囊胚注射得到存活并具有繁殖能力的小鼠“小小”,组织工程皮肤获得产品注册证书,防钙化生物瓣膜获得国家生产批号,基因工程,我国建立了水稻高效规模化的转基因技术的体系，形成年转化5000个基因的技术能力，并已经对上千个基因进行了转化和功能分析，构建了面向全国的开放平台。我国转基因水稻涉及抗虫、抗病、抗逆、品质、养分高效利用和高产等，在国际顶级学术刊物上发表数篇重要科技论文。,转基因植物,利用修饰豌豆胰蛋白酶抑制剂基因SCK，研制出的抗虫水稻及其配制的杂交稻组合优科丰6号对二化螟、三化螟和稻纵卷叶螟等鳞翅目害虫的抗虫效率不低于
10、95%，且表现明显的增产效果。,研制了“华恢1号”和“Bt汕优63”高抗多种虫害，在整个水稻种植季节中可以基本不打农药，较非抗虫水稻增产6%12%。,我国人口众多，水稻是主要的粮食，而水稻病虫害是未来粮食安全问题的重大隐患。,抗蓝耳病（猪繁殖与呼吸综合症PRRS）转基因猪,转基因动物,抗CD20单克隆抗体是治疗B淋巴细胞瘤的特效药，价格昂贵，一个疗程需要1.6万美元。,世界首批抗CD20单克隆抗体转基因牛,中国农业大学培养的转基因牛产抗CD20单克隆抗体达到2g/L,能够大大降低药物价格，为此类癌症患者带来福音。,酶工程,北京化工大学开发的酶法发酵生产生物柴油已在秦皇岛和上海实现了生物柴油的万
11、吨级产业化；,从生物质到生物柴油,清华大学与湖南海纳百川生物工程有限公司合作，建成了全球套酶法工业化生产生物柴油装置，运行结果表示该酶法新工艺在经济上与目前的化学工艺相比具有很强的竞争力。,生物酶法生产生物柴油产业化装置,发酵反应器工程,菱花和阜丰集团采用绿色制造新技术发酵生产谷氨酸，并自主研发了一种新型大型的谷氨酸发酵罐，将产率提高了0.5%，且降低了能耗和设备成本。,例如：碱性甘露聚糖酶（水解纤维素）的高表达与产业开发,1,完成高温、酸性、碱性、以及耐盐碱的甘露聚糖酶、纤维素酶、淀粉酶、葡萄糖苷酶等多种极端酶产生菌的分离，获得146株极端微生物；,3,甘露聚糖酶和乳糖酶在酵母中高效表达，建
12、成生产示范装置；,2,克隆表达30余个极端工业酶基因，完成18个极端酶的纯化与表征；阐述了极端酶的结构位点和适应机制；,工业酶制剂是重要的大宗发酵产品，也是实现绿色化学的重要工具。是基因工程、蛋白质工程、发酵工程的融合。,综合利用,上海交通大学发现了新型结肠癌术后转移、复发的分子标记物IMP3，对血样本直接检测，通过对癌细胞的捕获计数，能够实现对患者预后的评估。,东南大学研制的纳米生物器件可以快速的检测肝癌、肺癌、白血病敏感和白细胞耐药等细胞，有望实现癌症的早期诊断。,生物工程的主要领域,生物工程的学科基础及主要领域,生物工程主要领域之间相互关系示意图,生物工程的特点,高效性和经济性：基因工程
13、应用举例 与医药卫生（1）生产基因工程药品 优点：高质量、低成本 举例：胰岛素、干扰素、乙肝疫苗等（2）用于环境监测：用DNA探针可检测饮水中病毒的含量 方法：使用一个特定的DNA片段制成探针，与被检测的病毒DNA杂交，从而把病毒检测出来。特点：快速、灵敏（3）基因治疗 含义：把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。举例：半乳糖血症（病因、研究成果）发展前景：许多遗传病及疑难病症将被人类征服。细胞工程作为科学研究的一种手段，已经渗入到生物工程的各个方面，成为必不可少的配套技术。在农林、园艺和医学等领域中，细胞工程正在为人类做出巨大的贡献。利用细胞工程技术进行作物育种，是迄今人类受益最多的一个方面。我国在这一领域已达到世界先进水平，以花药单倍体育种途径，培育出的水稻品种或品系有近百个，小麦有30个左右。其中河南省农科院培育的小麦新品种，具有抗倒伏、抗锈病、抗白粉病等优良性状。清洁和低耗强调技术设计可遗传和可扩散对人类伦理道德观念有影响,
