第章现代生物技术..ppt

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1、,内容提要：本章首先介绍了生物学、生物技术、现代生物技术基本概念，以及现代生物技术的起源及其发展过程；然后介绍了现代生物技术群：基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等基本原理、研究基本内容及特点；最后介绍了现代生物技术的应用、影响及前景。本章重点：理解生物学、生物技术和现代生物技术的关系；掌握基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四种现代生物技术；了解现代生物技术在人们生活中的应用及影响。重点了解高新技术的内涵、主要领域和高新技术的特点，形成条件与高新技术企业评价标准。本章是对高新技术相关概念的描述，对后续高新技术章节起承上启下作用。,本章共六节 第一节 现代生物技术概论 第二节 基因工程 第三

2、节 细胞工程 第四节 酶工程 第五节 发酵工程 第六节 现代生物技术的应用、影响及前景 思考题,一、生物学、生物技术 二、现代生物技术 三、生物技术的溯源、发展 四、现代生物技术的影现、形成,第一节 现代生物技术概论,1997年2月24日，英国爱丁堡附近的罗斯林研究所与PPL生物技术公司宣布，他们利用一只6岁母羊的体细胞于1976年7月成功繁殖出一只小母羊“多莉”，这头看似与普通羊没有二样的“多莉”羊消息当时在全世界引起了强烈的反响，举世大哗。“多莉”羊、“克隆(Clone)”成为当年点击率最高的词，因此“克隆(Clone)”不仅对生物界尽人皆知,对非生物界的人也随口而出,这是现代生物技术史上

3、重大突破和重大成就。（人们为什么普遍关心“克隆”技术？）,第一节 现代生物技术概论,一、生物学、生物技术1生物学生物学是研究生物各个层次的种类、结构、发育和起源进化以及生物与周围环境的关系的学科。该学科是描述性科学，以观察和认识生物世界的多样性为主要内容，以描述和分类为主要工作，客观地反映世界是什么。,第一节 现代生物技术概论,一、生物学、生物技术2生物技术利用生物体系，应用先进的生物学和工程学技术，加工或不加工底物原料，以提供所需的各种产品，或达到某种目的的一门新型的跨学科技术。,第一节 现代生物技术概论,一、生物学、生物技术 3生物技术特点 1)生产原料不会枯竭；2)产物副作用小，产物对环

4、境威胁较小；3)生产条件温和、常温、常压；4)可超越自然界的发展历程（讨论此利弊）；5)可对人类自身进行改造。,第一节 现代生物技术概论,二、现代生物技术1现代生物技术概念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或加工生物原料，用来发展商业性加工、产品生产和社会服务的新兴技术领域。,第一节 现代生物技术概论,二、现代生物技术2现代生物技术标志 标志是1953年，Watson&Crick 发现了DNA的双螺旋结构，及其后来DNA重组技术的的发展。,第一节 现代生物技术概论,二、现代生物技术3现代生物技术内容 基因工程、细胞工程、酶工程、微生物/

5、发酵工程。外延内容还包括蛋白质工程、胚胎工程和生化工程、糖生物工程等。也有人把医学工程、仿生学（诸如模拟酶）、膜技术也包括在内。,第一节 现代生物技术概论,二、现代生物技术4现代生物技术特征(1)生物技术的多学科性和综合性；(2)微生物、动植物作为生物催化剂，有别于化学催化剂；(3)最终目的将生物反应开发成为工业生产的工艺过程，即生物反应过程（Bioprocess）。,第一节 现代生物技术概论,二、现代生物技术5传统生物技术与现代生物技术的区别 传统生物技术（工程）是利用现有的生物类型或生物机能为人类服务，而现代生物技术（工程）则是按照人们的意愿和需要创造全新的生物类型和生物机能。,第一节 现

6、代生物技术概论,三、生物技术的溯源、发展1生物技术的溯源生物技术的发展和应用可以追溯到远古时代，古代时人们就会利用微生物发酵法来制醋、做酱、酿酒等。2生物技术的发展19世纪中期，法国的巴斯德（L.Pasteur,18221895）发现了发酵现象，这可以说是生物工程的一个里程碑。,第一节 现代生物技术概论,四、现代生物技术的影现、形成 19世纪初，孟德尔(G.L.Mendel,18221894)发现了豌豆的遗传规律，提出“遗传因子”概念（即现在所称的基因）；20世纪初，美国学者摩尔根证实了基因排列在染色体上，并发表了关于基因理论著作；20世纪40年代，人们证明了遗传物质就是核酸；1953年，沃森

7、和克里克（Watson and Crick）提出了DNA 核酸双螺旋结构，阐明了遗传物质（基因）贮存在DNA结构之中，由此开辟了现代分子生物学的新纪元。现代生物技术和生命科学正成为21世纪引发新科技革命的重要推动力量。,第一节 现代生物技术概论,一、基因工程基本概念 二、基因工程优点、步骤三、基因工程技术的进展与应用 四、人类基因组计划(HGP)五、HGP人类基因组计划20年大事记六、基因工程的意义,第二节 基因工程,一、基因工程基本概念 基因工程是20世纪70年代初兴起的一门新技术。基因工程是生物工程的一个重要分支，它和细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程共同组成了生物工程。,第二节 基

8、因工程,一、基因工程基本概念 1基因和基因组(1)基因(Gene)。现代遗传学家认为，基因是DNA(脱氧核糖核酸)分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段。(2)基因组(Genome)。基因组就是一个物种中所有基因的整体组成。,第二节 基因工程,一、基因工程基本概念 2基因工程基因工程是根据需要，将不同生物的基因（DNA片段）提取出来，按照人们的意愿，在体外或体内进行人工剪切和拼接，然后通过一定的载体，再转入到所操作的生物体中，使其在所操作的生物体细胞中得到表达，从而产生出人们所需要的产品，或创造出具有新的遗传特征的生物类型。这种完全按照人的意愿，由重新组装基因

9、到新生物产生的生物科学技术，就称为“基因工程”，又称为DNA重组。,第二节 基因工程,一、基因工程基本概念 3蛋白质工程蛋白质工程以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过所控制的基因修饰和基因合成，对现有蛋白质加以定向改造、设计、构建，并最终产生出性能比自然界存在的蛋白质更加优良、更加符合社会需要的蛋白质。,第二节 基因工程,二、基因工程优点、步骤1基因工程的优点1)它容易打破物种之间的界线；（苹果梨）2)可以根据人们的意愿目的，定向地改良生物的遗传特性；3)由于能直接操纵毫无保护的遗传物质-基因，导致了改变生物遗传特性的速度大大加快。,第二节 基因工程,二、基因工程优点、步骤2

10、基因工程步骤(1)从复杂的生物有机体基因组中，经过酶切消化或PCR扩增等步骤，分离出带有目的基因的DNA片段。(2)在体外，将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我复制的并具有选择记号的载体分子上，形成重组DNA分子。(3)将重组DNA分子转移到适当的受体细胞（亦称寄主细胞），并与之一起增殖。,第二节 基因工程,二、基因工程优点、步骤2基因工程步骤(4)从大量细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组DNA分子的受体细胞克隆。(5)从这些筛选出来的受体细胞克隆，提取出已经得到扩增的目的基因，供进一步分析研究使用。(6)将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表达，产生出

11、人类所需要的物质。,第二节 基因工程,三、基因工程技术的进展与应用 1基因工程技术研究进展(1)植物基因工程方面。目前已鉴定和克隆化的植物基因工程技术已有500多项，它们分别与农业中的抗昆虫、抗病、抗不良环境因素（干旱、盐碱）促进光和作用、提高蛋白质含量有关。(2)动物基因工程方面。将外源基因导入哺乳类动物细胞基因组中，成为转基因动物(b)。人们试图将转基因动物作为一种生物反应器生产各种有用的活性蛋白或药物。,第二节 基因工程,三、基因工程技术的进展与应用 2基因工程技术的应用(1)利用基因工程技术，人们可以改良果蔬品种，提高农作物品质，更多的转基因植物和动物、食品将问世，人类可以利用基因工程

12、技术培育出超级物品。(2)利用基因工程进行药物开发。(3)利用基因工程技术，进行诊断、基因治疗。,第二节 基因工程,Gene 基因 Nucleotide 核苷酸,Nucleic acid 核酸DNA 脱氧核糖核酸RNA 核糖核酸,Chromosome 染色体Karyotype 染色体组型,基 因 治 疗,四、人类基因组计划(HGP)1HGP的启动人类基因组计划(Human Genome Project,HGP)是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。,第二节 基因工程,四、人类基因组计划(HGP)2HGP的研究内容HGP的主要任务是人类的DNA测序，包括遗传图谱（genet

13、ic map）、物理图谱（physical map）、序列图谱、基因图谱的四张谱图，此外还有测序技术、人类基因组序列变异、功能基因组技术、比较基因组学、社会、法律、伦理研究、生物信息学和计算生物学、教育培训等目的。,第二节 基因工程,四、人类基因组计划(HGP)3HGP的贡献(1)HGP对人类疾病基因研究的贡献。(2)HGP对医学的贡献。(3)HGP对生物技术的贡献。(4)HGP对制药工业贡献。(5)HGP对社会经济的重要影响。,第二节 基因工程,五、HGP人类基因组计划20年大事记,第二节 基因工程,二000年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成,这是人类基因组计划首席科学家、美国国

14、家人类基因组研究所所长弗朗西斯柯林斯在介绍情况。,人类基因组计划1%测序中国实验室,六、基因工程的意义 从孟德尔与基因遗传因子、摩尔根与基因、克里克与DNA、基因与生命、到人类基因组计划(HGP)的发展与研究表明，以基因工程为标志的现代生物技术已成为21世纪技术核心。没有基因工程技术就谈不上系统的现代生物技术。,第二节 基因工程,一、细胞、干细胞和细胞工程二、细胞工程技术,第三节 细胞工程,一、细胞、干细胞和细胞工程1细胞细胞(Cell)是物理学家胡克发现的。1590年荷兰物理学家詹森发明第一架显微镜，17世纪下半叶，胡克观察软木切片，发现许多“小房间”，取名为“细胞”。1838年创立细胞学说

15、。2干细胞干细胞（Stem Cell），即起源细胞，是人体及其各组织细胞的最初来源，具有高度的自我复制能力、高度增殖能力和蔼多向分化潜能。,第三节 细胞工程,一、细胞、干细胞和细胞工程3细胞工程对细胞工程(Cell Engineering)的定义和范围还没有一个统一的看法。一般认为，以细胞为基本单位，利用细胞的全能性，应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法，按照人们的需要和设计，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞的结构和内含物，以改变生物的结构和功能。包括植物细胞工程和动物细胞工程。,第三节 细胞工程,二、细胞工程技术 细胞工程技术包括动植物的细胞和组织培养技术、细胞融合

16、技术（也称体细胞杂交）、细胞器移植技术以及染色体工程技术。,第三节 细胞工程,植物细胞和动物细胞,基因与人类疾病,癌是细胞生长与分裂失控引起的疾病。是体细胞中调节细胞生长与分裂的基因异常表达。环境因子作用的结果。如，某些致癌因子、化学诱变剂、X射线、放射性辐射、病毒感染等都可能引起基因发生突变，使细胞生长与分裂失控，从而引发癌症。,癌的发生是一个多次突变积累的复杂过程,一、酶和酶工程 二、酶和酶工程的应用,第四节 酶工程,一、酶和酶工程1酶生物体内的一切化学反应都是在酶的催化下完成的，酶是一类具有特殊催化能力的蛋白质，它由生物体的活细胞产生。酶是生物体赖以正常生存的基础。2酶的特性具有几百万倍

17、高效率的催化能力；作用的专一性很强；参与反应后，本身性质和数量不发生变化；常温、常压下进行，无毒。,第四节 酶工程,一、酶和酶工程3酶的分类已发现2000多种酶，主要有氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶、连接酶。4酶工程酶工程是指利用生物酶、酶制剂或细胞、细胞器所具有的某些特异催化化学反应的功能，通过现代工艺手段和生物反应器大规模生产、测定各种生物产品的工程技术，包括固定化酶、固定化细胞技术和设计、生产酶的发酵罐等。,第四节 酶工程,一、酶和酶工程5生物传感器/反应器生物传感器是一种测试分析工具，是在固定化技术的基础上研制出来的。特点是灵敏、快速、准确。它主要用在化学分析、临床诊断、环

18、境监测、发酵过程控制等方面。,第四节 酶工程,二、酶和酶工程的应用人类有意识地利用酶已经有好多年历史了，也经历了几个发展阶段，开始的时候，人们直接从动植物或微生物体内提取酶做成酶制剂，用于产品生产，这种方法直到现在仍被诞用。比如说，现在我们使用的洗涤剂，大部分是加酶的，其去污力大大加强了。此外，在制造奶酪、水解淀粉及酿造啤酒中，酶制剂都可以得到直接的应用。,第四节 酶工程,一、微生物、发酵、发酵工程二、发酵工程过程和作用三、基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程的关系,第五节 发酵工程,一、微生物、发酵、发酵工程1微生物微生物是一些肉眼看不见的小生命，包括细 菌、病毒、真菌、原生生命等。2发酵发

19、酵是微生物分解有机物质，将某些物质转 化成另外一种物质的过程。1884年，法国化学家巴斯德开始了发酵技术。3发酵工程发酵工程又称微生物工程，是利用微生物的某些特定功能，将传统发酵技术与现代DNA重组、细胞融合等新技术结合起来的现代微生物发酵技术。,第五节 发酵工程,二、发酵工程过程和作用1发酵工程的过程发酵工程的过程分为四阶段：原料的预处理（粉碎、蒸煮、水解）；发酵准备（高压灭菌、目标菌种、接种）；发酵；产品分离和提纯。2发酵工程作用通过发酵工程给微生物提供最适宜的生长条件，生产人类所需产品的过程。也就是说利用微生物、动物、植物细胞来发酵生产有用的物质。利用微生物进行反应的工业，处于生物工程的

20、中心地位。,第五节 发酵工程,三、基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程的关系并不各自独立，而是相互联系渗透。其中基因工程处于核心位置，发酵工程是生物工程的主要终端。,第五节 发酵工程,一、现代生物技术应用二、现代生物技术的影响三、现代生物技术的前景和发展趋势,第六节 现代生物技术的应用、影响及前景,一、现代生物技术应用1现代生物技术在在医药工程领域应用(1)生产基因工程药物。(2)开发诊断试剂和诊断仪器。(3)开辟“基因疗法”等现代生物医治疾病技术，特别是遗 传性疑难病症的新途径。(4)器官移植新技术。,第六节 现代生物技术的应用、影响及前景,一、现代生物技术应用2现代生物技术在农业上的应用(

21、1)转基因技术及其在在改良农作物品种上的应用。(2)动物胚胎移植技术在培育动物良种方面的应用。3现代生物技术在工业领域的应用 现代生物技术除在农业、医药卫生的应用显著外，在化学工业、食品工业、能源工业、材料工业、电子工业和环境保护等方面，都显示出极大的应用潜力。,第六节 现代生物技术的应用、影响及前景,二、现代生物技术的影响1现代生物技术的积极影响现代生物技术对极大改善了人类生产、生活。21世纪现代生物技术将成为高技术领域的主要核心之一，在农业、工业、能源环保等方方面面对人类生产、生活产生了更积极影响。,第六节 现代生物技术的应用、影响及前景,二、现代生物技术的影响2现代生物技术的负面影响八年

22、抗战期间，日本在我国东北等地区实施的细菌战，有害的病毒和细菌严酷地摧残着中国人民的生命。1997年英国克隆羊多利的问世，不仅轰动了科学界，也令各国政府感到不安，惟恐克隆出人而导致不堪设想的人类进化与伦理学问题，以及出现基因组顺序引起的个人隐私、种族歧视、个人基因组歧视；,第六节 现代生物技术的应用、影响及前景,二、现代生物技术的影响2现代生物技术的负面影响基因组研究是否会影响社会安全；胎儿性别的检验能否带来社会上性别比例的失调；试管婴儿、动物与人体试验、器官移植、安乐死等伦理道德问题。,第六节 现代生物技术的应用、影响及前景,三、现代生物技术的前景和发展趋势(1)基因重组技术日新月异，日臻完善

23、。(2)转基因动植物取得更多重大突破。(3)基因工程药物和疫苗研究与开发将突飞猛进，基因治疗技术取得重大进展。(4)生物芯片不断发展，如基因芯片、蛋白质芯片。(5)干细胞生物学（如动物克隆）取得进一步成效。(6)生物信息学（如计算机模拟、以及神经科学等）将得到快速发展。,第六节 现代生物技术的应用、影响及前景,克隆技术：克隆羊的培育过程,克隆技术：克隆羊 Dally,克隆技术：克隆羊 Dally,克隆技术：人体干细胞克隆,生物技术的应用：农牧业转基因抗虫棉抗虫害效果比较,“绿色革命”是以培育和引进高产稻、麦品种为主要内容的生产技术改革活动。由于实施“绿色革命”战略，农产品的产量大幅度提高，大大缓解了农产品特别是粮食供不应求的危机。,“绿色革命”，功不可没,高新技术催放农业新花,高新技术催放农业新花,利用植物组织培养技术培育的花草,1965年世界上首次人工合成结晶牛胰岛素,袁隆平院士在观察水稻生长情况,1 名词解释：生物学、生物技术、现代生物技术、基因 工程、植物细胞工程、细胞核移植技术、染色体工程 技术、酶工程、微生物、生物塑料、发酵工程、生 物传感器、人类基因组计划(HGP)、克隆技术2 人类基因重组计划的意义。3 现代生物技术如何改变和影响我们的生产与生活。,思 考 题,