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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
2、技术，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,
3、工业化（特别是石油工业）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，
4、再利用这种专用微生物处理相关的废物，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
5、快速获得能源的一种办法。今后几年，我国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：
6、 1）沼气能源。 利用沼气技术可以将废弃的污染物变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
7、世界粮荒，限制了该产业的发展。 4）将植物纤维素转化成乙醇 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
8、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
9、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
10、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
11、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。 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31
12、09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 Genome 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
13、，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：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
14、，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
15、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“cloning”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
16、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，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
