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1、生物工程前沿与热点,生物工程的历史,远古人类发现，吃剩的米粥数日后变成了醇香可口的饮料人类最早发明的酒,丰富多彩的酒文化,微生物发酵,我国古代的酿酒作坊（四川新都县出土的汉代画像）,公元前2300年左右，埃及人酿制啤酒的场面（某金字塔壁画）,丰富多彩的酒文化,(,Edward,Jenner,17491823,)首创用牛痘预防天花，是免疫学的发展，开创了预防医学的先河。,年荷兰人A.Leeuwenhoek用自磨镜片，创造了一架1676原始显微镜，生物工程进入微观形态学发展阶段。,现代生物技术与农业,世界人口在增长，耕地在带来的粮食问题是人们不可忽视的大问题，解决这一问题的有效办法就是利用生物技术
2、，特别是基因工程技术，大幅度提高农作物产量和质量，用较少的土地生产更多粮食。,1、研制超级稻 杂交水稻之父袁隆平院士的超级稻目标是：利用现代生物技术使水稻的稻穗达到狗尾巴那样大，米粒象花生米一样大，使产量大幅度增加。2、研制抗逆性作物抗病毒作物：抗稻瘟病水稻、抗花叶病毒烟草、抗虫作物：抗虫棉；抗虫烟草；抗虫抗真菌作物：抗真菌番茄、抗除草剂作物,3、研制转基因动物转基因猪、转基因羊、转基因鸡4、研制抗病家畜抗马立克氏病鸡，5、克隆动物（濒危动物）此外，科学家可以利用现代生物技术克隆动物，如动物克隆技术挽救濒危动植物，甚至创造出自然界没有的新生物。,生物技术与环境污染治理,工业化（特别是石油工业）
3、带来的环境污染问题已经向人们敲响了警种。低能耗、低污染或无污染生产是未来工业发展的必然趋势。而现代生物技术是公认的发展低能耗、低污染或无污染工业生产的最佳技术。,生物技术在环境污染治理中也具有不可替代的作用。西方国家几十年的治污研究与实践证实：物理和化学方法治理污染难以避免二次污染，不能从根本上解决问题。生物技术是彻底治理环境污染的最佳技术方法。生物技术已应用于污水处理、空气净化、固体垃圾处理和污染地表和水域的恢复。,利用工程菌（特殊微生物）处理污染物 先进垃圾处理厂大多数把物理和生物处理相结合，以生物处理为主。即利用微生物分解和处理垃圾。从相关环境中寻找特殊微生物，再利用这种专用微生物处理相
4、关的废物，或运用基因工程技术培育专门工程菌，用来处理特殊污染物。如：降解卤代芳烃、除草剂、分解尼龙寡聚物的基因工程菌，清除石油污染物的基因工程菌,培育新型农作物，生产无公害粮食 利用金属硫蛋白工程技术培育能固定重金属的水稻、小麦等新品种，生产无公害的粮食。就是让金属硫蛋白基因在水稻根部表达，使吸收的有害重金属全部固定在它的根部而不进入种子（麦粒和米粒）中。利用指示生物监测环境污染细菌、原生动物、藻类、高等植物和鱼类,生物技术与能源供应,未来能源危机是不可避免的。科学家预言：50年以后，石油能源将逐步耗竭。解决能源问题的方法有几种。一是开发核能（核电）。这是快速获得能源的一种办法。今后几年，我国
5、的核电将有较大发展。但是核电厂的危险性和对环境的污染限制了它的广泛、持续发展。,二是开发水电。水电是清洁、廉价能源。但水资源是有限的，而且水库占去大量土地，影响生态平衡，利害参半。因此，不少科学家反对大量开发水电。三是开发利用太阳能。太阳能用于产生热水供家庭生活之用是很好的。因此，太阳能热水器目前发展很快，并且还将继续快速发展。但太阳能用于其他方面，如开动火车、轮船以及大型机器等，尚有诸多困难。因此限制了它的广泛应用。,由于上述三个方面的原因，科学家把希望寄托在现代生物技术上。并认为，利用生物技术开发能源是最佳方法。发展生物能源主要有以下几个方面：1）沼气能源。利用沼气技术可以将废弃的污染物变
6、成清洁的沼气能源和无害的有机肥料，净化环境。,2）利用生物技术将海水变成氢气和氧气 通过筛选和生物改造海藻，使它能利用太阳能将海水分解为氢气和氧气。氢气是一种非常清洁的能源，无任何公害。而海水是取之不尽，用之不竭的生产原料。因此，这是一项极具潜力的产生能源的途径。,3）利用生物发酵技术将农副产品（淀粉）转变成能源乙醇即工业酒精。国际上已有成功的先例。例如：巴西早在10多年以前就应用该技术生产工业酒精（将甘蔗的蔗糖转化为酒精），作为汽车能源使用（汽车燃料一半是酒精，一半为汽油），并形成了相当的产业规模。我国也在利用玉米生产工业酒精。但由于去年的世界粮荒，限制了该产业的发展。4）将植物纤维素转化成
7、乙醇利用基因工程技术培育能将纤维素转变成乙醇的工程菌，利用混合发酵法将纤维素直接转化为乙醇。,5）生物柴油：即将植物油转化为工业柴油。6）生物燃料电池7）植物“石油”：能产石油的灌木树橡胶树的近缘植物，如牛奶树、三角大戟，50吨油/英亩。8）藻类产油：一个直径20m的池塘可产3000多升油。,9）利用微生物开采石油：微生物勘探石油、微生物二次采油、三次采油。去年石油价格比前几年增长了差不多2倍。今年已经回降原来的价格。但随着石油储量减少，价格还会继续升高。这预示生物能源具有十分美好的前景。,分类按研究内容划分,依据预先设计的蓝图，用人工方法将某种生物的基因，接合到另一种生物的基因组DNA中并使
8、其表达，使后者获得新的遗传性状，产生出人类所需产物，或创造出新的生物类型的现代生物技术。,基因工程,在遗传学理论基础上，发展形成的定向控制遗传性状的先进技术。,成果：转基因大豆、转基因抗虫棉、转基因产品,质粒,质粒：P57“广角镜”,基因工程俗称“剪刀+浆糊”,基因工程的基本过程：,获取目的基因目的基因与载体重组重组DNA导入受体细胞筛选含目的基因的受体细胞,基因工程的最大特点，就是以重组DNA的技术，在短时间内改造生物遗传性它填补了生物种属间不可逾越的鸿沟，使人类有可能按照需要定向培育生物新品种、新类型乃至创造自然界从未有过的新生物。基因工程正以新的势头迅猛发展，成为当今生物科学研究领域中最
9、有生命力、最引人注目也最广泛引起争议的前沿科学之一。,Chimera-客迈拉,希腊神话中一只提丰百头怪兽（父亲）和厄喀德那（母亲）杂交的后代，有羊头、狮头和蛇尾的吐火怪兽。,细胞工程,利用细胞融合技术把含有不同遗传物质的细胞合成杂种细胞。并使之分裂生长成为杂种生物。它包括体细胞融合、核移植、细胞器摄取和染色体片段的重组等。,细胞工程的理论基础细胞全能性,依据生物体的每一个干细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质。,植物组织培养,植物体细胞杂交,动物细胞培养,动物细胞融合,单克隆抗体技术,胚胎移植,核移植,植物细胞工程技术,动物细胞工程技术,异种植物细胞,杂种细胞,转基因植物,异种动物细胞,动物
10、细胞群,重组细胞,体细胞细胞核,早期胚胎,受精卵,去核卵细胞,克隆动物,试管婴儿,细胞融合,体细胞杂交,植物组织培养,细胞培养,核移植,胚胎移植,体外受精,发酵工程,发酵工程是利用微生物的某些特定功能，通过技术手段使之生产人类需要的代谢物。以高效率的进行物质转化。发酵工程包括：用微生物发酵生产产品，如酿酒。用微生物分解有害物质；细菌选矿和细菌冶金等等！,技术要点,目的定向地改造菌种,大量生产微生物,菌体或代谢产物,菌种的选育诱变育种、基因工程、细胞工程环境条件控制营养、PH、温度、溶氧等,流程,酶工程,酶工程是利用酶的特异催化功能，在常温常压下将一种物质转化为另一种物质，以获得高纯度的适用之物
11、。该技术包括各种酶的开发和生产。酶的分离和纯化技术等。酶工程用于食品工业很有效。啤酒、酱油、葡萄糖等都可用酶工程生产。,现代生物工程热点,人类基因组计划（HGP）,干细胞研究与发展前景,克隆技术的发展,人类基因组计划,Human Genome Project,人类基因组计划的意义,这一计划的科学意义重大，可与产生原子弹的曼哈顿工程和人类登月阿波罗飞行任务相媲美，是人类自然科学史上最重大的研究项目之一，将推动整个生命科学的发展。,人类基因组计划的启动,1985年，美国能源部提出，要将共包含约3109碱基对的人类基因组全部碱基序列分析清楚；1986年，美国宣布启动“人类基因组计划（Human Ge
12、nome Project,HGP）”。,人类基因组计划的发展,1999年12月1日，首条人类染色体完成测序，人类第22号染色体DNA全序列测定宣布完成。2000年4月6日，美国Celera遗传信息公司宣布，该公司已破译出一名实验者的完整遗传密码。2000年5月，科学家聚集美国冷泉港，宣布人类基因组草图的完成。,6国科学家组成的国家人类基因组中心主要研究比例,美国：WASHMIT等7家研究中心，贡献率为54。英国：SANGER一家研究中心，贡献率为33。日本：RIKEN等两家研究中心，贡献率为7。法国：GENOSCOPE研究中心，贡献率为2.8。德国：IMB等3家研究中心，贡献率为2.2。中国：
13、华大研究中心、国家南北方基因研究 中心等三家，贡献率为1。,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,人类基因组研究结论,基因数量少得惊人人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠”三分之一为“垃圾”DNA种族歧视毫无根据男性基因突变比例更高,人类基因组计划1%测序中国实验室,干细胞研究与发展前景,长期以来，人类一直在研究和寻找能治愈各种疾病、抗衰老甚至长生不老的方法。随着现代科学技术的发展，尤其是干细胞的研究，人类的这些幻想正在逐步变成现实。1998年，美国科学杂志将干细胞的研究成果列在十大科学进展的首位。,细胞是机体组成的基本单位,干细胞的定义,干细胞（Stem cell）即起源细
14、胞。在细胞的分化过程中，细胞往往由于高度化分而完全失去了再分裂的能力，最终衰老死亡。机体在发展适应过程中为了弥补这一不足，保留了一部分未分化的原始细胞。因此，干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。,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。,干细胞工程,干细胞治疗的进展,科学家们认识到干细胞可能成为一种“拯救生命”的有效的疾病治疗手段。例如：小剂量纯化的造血干细胞足可使患者骨髓再生，可以避免肿瘤病人进行自体骨髓移植时所致的瘤细胞（尤其是白血病细胞）污染。,克隆技术的发展,克隆技术,克隆来源与英语“clone”或“clonin
15、g”的音译，曾译为无性生殖或无性繁殖，即由同一个祖先细胞分裂而形成的纯细胞系，这个细胞系每个细胞的基因彼此是相同的。,克隆技术的发展,第一个发展时期微生物克隆。第二个发展时期生物技术克隆。第三个发展时期动物克隆。,转基因技术,胰岛素、人生长激素、干扰素、人生长激素抑制剂、重组乙肝疫苗等。,1.微生物基因工程：,长期以来治疗糖尿病的特效药 胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，治疗一位糖尿病患者，每年所需的胰岛素用量，需要40头牛或50头猪的胰脏。1978年9月，科学家成功地实现了由大肠杆菌生产人胰岛素。他们2000L的大肠杆菌培养液中，获得了100g胰岛素，
16、相当于从1吨猪胰脏中获得的产量。从此，大规模生产胰岛素开始了。1980年，世界上第一家用基因工程生产人胰岛素的工厂开始建造。两年后，基因工程生产的人胰岛素正式进入市场。这是人类第一个基因工程产业化的产品。,基因工程胰岛素,制药方面,干扰素生产车间,干扰素分子,环境保护方面,利用微生物处理废水、废物已取得可喜成绩。利用基因工程方法，可以创造一些对有害物质降解能力强的新型微生物。有的学者曾利用能吞噬原油的4种假单胞杆菌属的菌株，把它们的4种质粒内的消化不同石油烃的基因结合在一个菌体内，创造出能降解4种石油烃的“超级细菌”。这种细菌能把原油中三分之二的烃消化掉，而且速度要比其他微生物快得多。,2.植
17、物基因工程：,转基因水稻,抗虫棉、高蛋白谷物、耐储存番茄等。,中国是世界上第一个在生产上使用杂交稻的国家。一九九六年，中国水稻研究所以黄大年研究员为首的课题组，在世界上首次研究出了抗除草剂转基因杂交稻，后来又成功研制出抗除草剂转基因直播水稻，可省工省时除尽稻田杂草。去年三月，中国水稻所与浙江钱江生物化学股份有限公司联合组建了浙江金穗农业基因工程有限公司，正式拉开了将转基因水稻推向产业化的序幕。,世界上第一种转基因食品是1993年投放美国市场的西红柿。至今，动物来源的、植物来源的和微生物来源的转基因食品发展非常迅速，各种类型转基因食品应运而生。,转基因菊花抗虫植株快速繁殖,组织培养然后分株快速繁
18、殖,中棉所38号,将豆科植物的固氮基因转移到其他作物中去，使其自行固氮，可解决氮肥问题。将大豆的高蛋白基因转移到水稻中去的研究，也颇引人注目，因为大豆的蛋白质含量高达40以上，而水稻只含8。还可以将抗病毒、抗虫、抗旱、抗盐、抗寒等基因转入农作物中，不仅能提高产量，而且能扩大种植面积，充分利用劣质土地甚至沙漠。,其它转基因植物,从在极地生活的鱼类中提取抵御严寒的基因，再把它们插入到草莓中去，让草莓也能在极寒的地区生存。从一种荠草中取得耐高温遗传基因片段，然后把它植入烟草的基因中。普通烟草的适宜生长温度为25左右，如果高于25其光合作用就会减慢；若超过35，烟草就会枯萎而死亡。经过遗传基因置换的烟
19、草在47的高温环境中生长良好，而普通烟草在这个温度下，三天内就会枯死。保护不耐热作物如小麦、高原蔬菜等,可解决粮食问题。,转基因玉米,转基因抗虫棉,目前全球种植转基因农作物的国家已有十几个。在中国，2002年仅抗虫棉种植面积就达130多万公顷，增产皮棉1亿千克，创经济效益50亿元。,转基因小鼠“巨型小鼠”转基因牛、羊、马、兔、鱼 家畜乳腺生物反应器在动物乳汁中产生药用蛋白,3.动物基因工程：,转入人凝血因子IX基因的山羊,目前已在下列动物的乳汁中生产出一些人类蛋白质药物：牛：抗凝血酶、纤维蛋白原、人血清白蛋白、胶原蛋白、乳铁蛋白、糖基转移酶、蛋白C等；山羊：抗凝血酶原、抗胰蛋白酶、血清白蛋白、
20、组织纤溶原激活因子、单克隆抗体等；绵羊：抗胰蛋白酶、凝血因子、蛋白C；,转基因猪图中猪的细胞中含人的生长激素基因，生长速度快、个体比正常猪大得多。,吸取精子,显微注射,授精,移植,钱卓和他的聪明鼠,聪明鼠对疼痛更敏感，嗅觉更灵敏。,1999年，美国普林斯顿大学华裔生物学家钱卓博士用转基因方法为实验小鼠添加2个NR2B基因，培育出“聪明鼠”，其能产生NMDA的受体，能够激活神经帮助记忆。,聪明鼠,基因检测,疾病重在预防预防重在预知预知从基因检测开始针对性预防：防止其发生，延缓其发生辅助临床诊断预防性诊断，判断疾病的演变状况指导个性化用药和治疗,甲基丙二酸尿症病因：两个基因缺陷导致维生素B12不足
21、，甲基 丙二酸增多损害神经细胞导致智力低下预防：给孕妇注射大量维生素B12，孩子出生 后，还要给其注射大量的维生素B12。苯丙酮酸尿症的预防：调整饮食,基因治疗,预防医学预测医学基因组医学思路：通过基因修复来预防疾病“抗癌婴儿”的降生 体外受精，对受精卵做“手术”，剔除疾病基因，插入正常基因，得到健康的婴儿。“无缺陷的孩子”，其自然寿命会有多长呢？,基因治疗,2001.8.有报道：加拿大主要的转基因作物是耐除草剂的GM油菜，但它们正在变成杂草。农民的农田里出现了未种植过的GM油菜，它们能抗常规使用的除草剂，要杀死它们还较困难。GM油菜成为耐除草剂的“超级杂草”。实验研究中：一种蝴蝶的幼虫吃了含
22、杆菌基因的马利筋属植物的花粉后，产生了死亡或不正常发育的现象。引起了生态学家们另一种担心，那些不在改良范围内的其他物种有可能成为改良物种的受害者。,转基因工程的恐惧和现实,人们在改变一种植物、或一种动物的基因结构时，是否真的能够确保新生物的安全性呢？我们无法确定，在基因技术的那一头，会不会潜伏着“异形”或“客迈拉”一样的怪物。,转基因生物是否安全？它给人类的生存环境，乃至于整个生态环境带来了什么，有什么样的影响？,事物总是一分为二的，基因工程的应用可以给人类带来福音，也可能带来严重的灾难，甚至会有难以预测的后果。如：战争狂人、恐怖主义者可以利用DNA分子重组技术制造难以制服的病原体和生物毒剂，
23、即所谓的“基因武器”，进行讹诈和大规模毁灭人类的生物战争。,5千万美元制造的基因武器库的杀伤力 50亿美元制造的核武器库,毒性问题：一些研究学者认为，对于基因的人工提炼和添加，可能在达到某些人们想达到的效果的同时，也增加和积聚了食物中原有的微量毒素。过敏反应问题：对于一种食物过敏的人有时还会对一种以前他们不过敏的食物产生过敏，比如：科学家将玉米的某一段基因加入到核桃、小麦和贝类动物的基因中，蛋白质也随基因加了进去，那么，以前吃玉米过敏的人就可能对这些核桃、小麦和贝类食品过敏。营养问题：科学家们认为外来基因会以一种人们目前还不甚了解的方式破坏食物中的营养成分。对抗生素的抵抗作用：当科学家把一个外
24、来基因加入到植物或细菌中去，这个基因会与别的基因连接在一起。人们在服用了这种改良食物后，食物会在人体内将抗药性基因传给致病的细菌，使人体产生抗药性。对环境的威胁：在许多基因改良品种中包含有从杆菌中提取出来的细菌基因，这种基因会产生一种对昆虫和害虫有毒的蛋白质。在一次实验室研究中，一种蝴蝶的幼虫在吃了含杆菌基因的马利筋属植物的花粉之后，产生了死亡或不正常发育的现象，这引起了生态学家们的另一种担心，那些不在改良范围之内的其它物种有可能成为改良物种的受害者。最后，生物学家们担心为了培养一些更具优良特性，比如说具有更强的抗病虫害能力和抗旱能力等，而对农作物进行的改良，其特性很可能会通过花粉等媒介传播给野生物种。,转基因食品的五大隐患,个体应用,转基因树的应用前景“金米”的故事 生物技术可以让世界丰衣足食植入牵牛花基因，西红柿能防癌了 梦幻之畜转基因动物,谢 谢!,
