现代科学技术进展生命科学-绪论.ppt

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1、现代生命科学的研究进展,Progress in modern life sciences,张海谋(吴明煜),GMOs?Gene cloning?Stem cell?Cancer therapy?,现代生命科学的主要内容和成就,生命的起源,神创论？东方，西方自生论？巴斯德化学起源论，实验证实地球 46亿年第一个细胞 30亿年第一个真核细胞 15亿年 厌氧生物自养生物（氧气）,生命的基本特征,-生命可以通过生殖得以延续（有性，无性）-生命存在遗传和变异（细菌，人）-生命需要新陈代谢（合成，分解）-生命可以生长和发育-生命具有应激性（趋利避害，适应性）,生物进化论,进化论的地位？达尔文200周年纪念

2、（2009）物种起源出版150周年进化的经典理论-拉马克学说：用进废退，后天获得性遗传-达尔文学说：自然选择，适者生存长颈鹿的进化,-过度繁殖（大象）-生存斗争（与环境，种间，种内）-遗传和变异-适者生存（有利变异，不利变异）英国曼彻斯特桦尺蛾，灰色，黑色,-非洲人类起源说-Y染色体亚当（父系遗传）-线粒体夏娃（母系遗传）-成吉思汗的标记,进化的分子证据,对进化论的挑战,-化石证据：“缺环”？-寒武纪生物大爆发（亿年前）云南澄江，渐变论？神创？贵州瓮安生物群（5.8亿年前，动物化石）宜昌陡山沱地层（6.3亿年前，动物化石）寒武纪内的渐变（跨越6000万年）,生物多样性,生物的命名种、属、科、目

3、、纲、门、界 双名法（瑞典，林奈）Escherichia coli 属名 种名,生物传统分类方法（原核生物+真核生物）,-病毒界（蛋白质+核酸，阮病毒，1997 NP）-原核生物界（幽门螺旋杆菌，2005 NP）-真菌界（冬虫夏草，酵母）-植物界（藻类，苔藓，蕨类，种子植物）-原生生物界（单细胞真核生物，草履虫）-动物界 动物界，脊索动物门，脊椎动物亚门，哺乳纲，灵长目，人猿超科，人科，人属，智人种,生物的“三域”分类法,真细菌,古细菌（极端环境）,真核生物,Carl WoeseCrafoord Prize,2003,生物多样性,-遗传多样性（对环境的适应能力）-物种多样性（物种总数，密度，特

4、有物种）-生态系统多样性（生产者，消费者，分解者）意义-可持续发展主要威胁-人口增长，野生资源，污染，生物入侵,细胞生物学,-基本概念-发展简史 显微镜，细胞学说-细胞凋亡 主动死亡，生理性的,发育生物学,-基本概念 多细胞生物的发生、受精、胚胎发育、生长到衰老和死亡-干细胞 骨髓干细胞-白血病,分子生物学,-基本概念 J.Waston,F.Crick-中心法则：遗传信息流动的方向-人类基因组计划（HGP，30亿碱基，30亿美金，13年）-蛋白质组学,现代生命科学的主要进展,-系统生物学（基因，蛋白质，功能）-生物信息学（IT+生物，海量信息）-表观遗传学（同卵双生性格不一样？）-神经生物学（

5、智力形成？早老性痴呆）-环境与健康（物理、化学、生物、社会心理因素）-生物安全与生物伦理（转基因生物？胚胎干细胞？安乐死？器官移植？）,现代生物技术,生物产业：朝阳产业-生物医药-生物农业-生物化工-生物能源-生物环境,现代生物技术-基因工程-细胞工程-蛋白质工程-酶工程-发酵工程,基因工程的概念 基因工程也称为遗传工程，是生物技术的主体技术。基因工程是指按照人类的愿望，将不同生物的遗传物质在体外人工剪切并和载体重组后转入细胞内进行扩增，并表达产生所需蛋白质的技术。基因工程能够打破种属的界限，在基因水平上改变生物遗传性，并通过工程化为人类提供有用产品及服务。,基因工程(gene enginee

6、ring)常和以下名称混用,遗传工程(genetic engineering);基因克隆(gene cloning);分子克隆(molecular cloning);基因操作(gene manipulation);重组DNA技术(recombination DNA technique),二、基因工程的主要内容（基本程序）,1、目的基因的获取：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、目的基因与载体的连接：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、DNA分子的转化和扩增：将重

7、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。4、转化子的筛选和鉴定：从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组DNA分子的受体细胞克隆。然后，或者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；或者使之在新的遗传背景下实现功能表达，产生出人类所需要的物质。,基因工程,-原理-基本流程,The first cloning experiment involving a recombinant DNA assembled in vitro(Cohen&Boyer,1973),基因工程的应用,-医药业-临床医学-农业-环保和工业,Applicati

8、ons of cloning,DNA fingerprinting,Genetically Modified Organisms,Recombinant protein,Medical diagnosis,Gene therapy,Prior to the advent of gene cloning,production of protein was purified from tissues.Drawbacks small amounts,viral contamination etc.Gene cloning has circumvented the listed problems.,R

9、ecombinant protein,Genetically modified organisms,Genetically modified organisms(GMOs)are created when cloned genes are introduced into germ cells.In eukaryotes,if the introduced genes are derived from another organism,the resulting transgenic plants or animals can be propagated by normal breeding.e

10、.g.A tomato has a gene for a ripening enzyme inactivated,Fang Zhouzis paper on GMOs,能吃石油的细菌-环境保护,转入荧光素酶蛋白基因的发荧光烟草,Golden rice-Vitamin A,抗虫转基因植物,转基因西红柿,怪物 1,怪物 2,怪物 3,怪物 4,绿色和平组织将转基因食品妖魔化,DNA fingerprinting,I.Performing Southern blotII.Making a radioactive probeIII.Creating a hybridization reactionIV

11、.VNTRs(variable number of tandem repeats),The application of DNA fingerprinting,I.Paternity and maternityII.Criminal identification and forensicsIII.Personal identification,Use of DNA fingerprinting to identify a rapist,D1:Mom and Dads biological daughterD2:Dads step-daughterS1:Mom and Dads biologic

12、al sonS2:Adopted son,Medical diagnosis,A great variety of medical conditions arise from mutation.e.g.muscular dystrophy,many cancers.By using sequence information to design PCR primers and probes,many tests have been developed to screen patients for these clinically important mutations.,Gene therapy

13、,Attempts have been made to treat somegenetic disorders by delivering a normal copy of the defective gene to patients.This is known as gene therapy.,生物工程的兴起和发展是20世纪生命科学领域最伟大的事件，目前，转基因作物正在按照人们的意愿被“重新设计”。21世纪将是转基因作物的一个转换期，科技含量将有很大的提高。但如何评价转基因食品的安全问题，是摆在世人面前的难题和挑战。,转基因生物与食品安全,羞羞答答的转基因大豆油,我国转基因作物的概况：,我国

14、是最早开展转基因作物研究的国家之一。,正在进行中间实验的转基因作物48种，涉及作物11种，其中水稻、小麦、玉米、西红柿、白菜、甜瓜、香木瓜、花生和广藿香等为转基因 食品植物。,正在进行环境释放试验的转基因作物49种，,其中水稻、玉米、大豆、马铃薯、西红柿、甜椒和线辣椒为转基因食品植物。,我国目前有多少转基因食品已经超过2000万吨。目前我国极少生产粮食、油料作物等转基因食品，只有一些转基因抗虫棉，但并不进入人的食物链。我国的转基因食品基本上都是进口的。排在前三位的是：大豆、玉米、油菜。我国每年约进口大豆1500万吨，与国内自产的非转基因大豆数量相当。目前我国进口大豆主要用做加工原料，生产豆油、

15、豆腐、豆奶等制品。,转基因食品的分类,大致可以分成以下几种类型：（1）增产型农作物增产与其生长分化、肥料、抗逆、抗虫害等因素密切相关，故可转移或修饰相关的基因达到增产效果。（2）控熟型通过转移或修饰与控制成熟期有关的基因可以使转基因生物成熟期延迟或提前，以适应市场需求。最典型的例子是延熟速度慢，不易腐烂，好贮存。,转基因食品,安全吗?!,转基因食品的安全性争论,转基因食品的安全性的争论民以食为天。转基因食品作为新型食品，对人们的健康和心理有无不良影响？这是公众普遍关心的问题。一些报刊引述了一些被调查者的担心，怕吃了转基因食品中的外源基因后会改变人的遗传性状，比如吃了转基因猪肉会变得好动，喝了转

16、基因牛奶后易患恋乳症等等。,目前，国际上通常称转基因食品为“有风险的食品”，对它的利弊争论激烈。一方认为，转基因对人不会有任何危险，而且转基因技术的应用给农业生产带来了革命。经过转基因的农产品比传统的农产品具有更高的生长优势，而且可以添加额外的营养物质或除去某些不良物质，惠及生产商和消费者。,而另一方则认为，当一种功能基因被移入另一,机体中，这种基因的功能可能发生不可预知的变化，而机体的相应反应更不可预测。另外疾病可能有很长的潜伏期，而毒性物质对人体的危害也需要一个积累的过程才能显现。转基因食品对人体的长期影响还难以有科学确定。一些科学家建议：到目前为止，转基因食品是安全的，没有任何证据能够证

17、明它会给人类带来伤害；但是，体弱多病者、老人以及孩子最好尽量不吃这种食品,美、欧两大阵营针锋相对,在转基因食品是否安全问题上，美、欧两大阵营观点针锋相对。美国转基因作物占世界转基因作物总量的68，其为转基因食品出口大国，强调这种食品是安全的。欧盟则抵制转基因食品。国际社会对转基因食品安全性问题的广泛争议，起源于美国的“斑蝶事件”、墨西哥的“玉米事件”和英国的“普兹台事件”，而后来的科学研究证实，上述实验本身即存在诸多问题，也不足以证明转基因作物与食品安全之间有何必然联系。,1、转基因食品可能会给人类身体健康带,来某些损害,转基因食品的安全性,目前对转基因食品的安全性评价主要集中在两个方面，一个

18、是转基因食品毒性安全性，另一个是转基因食品环境安全性。,（1）、有毒物质,抗性选择标记基因可能编码出对人体有直接毒性的蛋白质，或者编码出的蛋白质所具有的催化功能对宿主的代谢具有潜在毒性作用，并出现滞后效应或长期效应。,（2）、过敏性,转基因植物可能会表达出过敏蛋白，可能,会对过敏体质的人产生过敏反应。,转基因玉米闯了祸!,2002，11，19美国农业部宣布，内布拉斯加州谷仓中1.36万吨食用大豆被隔离，原因是ProdiGene公司在这批大豆中混入了含有药用蛋白的转基因玉米。,转基因食品环境安全性,转基因植物的种植可能带来以下几种危害：,（1）转基因植物演变成农田杂草的可能性。,a.科学家赋予了

19、转基因植物某些全新的性状，增强了它们与其他生物的生存竞争能力，它可能会使本地区本来生活力就很纤弱的个体或物种加速从地球上消失。即转基因植物可能会成为某一地区新的优势种，成为“入侵生物而成为杂草”。,b.抗除草剂基因等可能会通过花粉传播或近缘杂交进入到杂草或半驯化植物中，结果产生出超级杂草。,事 例：美国俄亥俄州大学的科学家们就发现，如果野草与转基因农作物杂交，将令野草长得更茁壮，产籽更多。,（2）基因漂移到近缘野生种的可能性,比如：加拿大有一种转基因作物，是耐除草剂的油菜。这种油菜才种植几年，当地就发现了无人种植的抗多种除草剂的油菜，有人称之为“超级杂草”，要杀死它们比较困难。这个事实说明，在

20、转基因食品上，基因飘移经常发生，特别是在同一物种、不同品种之间。,（3）诱发病虫产生抗性。,具有抗虫功能的转基因植物，其体内产生的抗虫蛋白可能使害虫产生抗性，使害虫变得更加难以防治。,总之转基因农作物可以看做人造的外来物种，进入自然以后，就有可能对环境产生影响。而外来物种入侵的生态效应，不是短期内可以看到的，有的要到40年以后才能发现。那时候，再想消灭它，几乎不可能。比如，水葫芦对上海的生态就影响很大。水葫芦是上个世纪初引进的，上个世纪末大家才认识到它的危害。有专门研究水葫芦的教授告诉我，中国每年打捞水葫芦花费最少1亿元，甚至多达5亿元。,正是由于以上种种忧虑，人们对转基因食品充满了恐惧和担心

21、。,法国环绿色和平组织摧毁,5 个转基因作物基地,GM抗议者在英国,绿色和平组织领导者被捕1999,绿色和平组织抗议雀巢咖啡事件,细胞工程,-概念-种类 1.染色体工程 2.染色体组工程 3.细胞质工程 4.细胞融合工程,细胞工程的应用,-粮食与蔬菜生产-多倍体水稻-园林花卉-临床医学与药物、-繁育优良品种,发酵工程,-定义-分类 1.微生物菌体发酵 2.微生物酶发酵 3.微生物代谢产物发酵 4.微生物转化发酵 5.生物工程细胞的发酵,-发酵工程的特点-发酵工程的流程,发酵工程的应用,-轻工业-生物医药工业-农牧业-环境保护-能源开发-微生物发酵，秸秆等产生酒精或沼气，清洁能源-冶金业,酶工程,-概念-研究内容 1.酶的发酵生产 2.酶的分离纯化 3.酶分子的改造 4.生物催化剂的固定化 5.酶反应器 6.生物传感器,酶工程的应用,-食品加工-轻化工业-医药业-尿激酶-能源开发-环境工程,蛋白质工程,-概念-研究内容 1.蛋白质结构分析 2.蛋白质结构、功能的设计和预测 3.蛋白质的改造,蛋白质工程的应用,-提高蛋白质的稳定性-融合蛋白质-蛋白质活性的改变-嵌合抗体和人缘化抗体,生物技术研究前沿,-第三代DNA测序技术-生物芯片-人工诱导的多能干细胞-人造生命-绿色超级稻-新药的研发,