现代生物技术概论_刘柱_生物化学与分子生物学

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1、现代生物技术概论 课程要求,刘柱 生物系 2012.03.04,授课方式,授课方式以PowerPoint讲板为主；,1课堂教学,2课外教学,多种渠道的师生交流；,科学报告会；,1 平时成绩（20分）,1)考勤（10 分) 2) 课堂回答问题（10分）,考试分数的组成,2 科学报告会（30分）,3考查或考试（50分）,科学报告会参考题目,4人左右组成小组，讲解英文文献。,主要内容：,一、现代生物技术概述及应用 二、细胞工程概述 三、基因工程技术 四、基因克隆的一些方法,生物技术（Biotechnology）和生物工程 （bioengineering）这两个名词常可通用。当 “生物工程”不是指具体

2、的工程项目，而是表示所用的技术系统时，它就等同于“生物技术”了。 然而，有时一种生物工程包含不只一种生 物技术，在具体概念上两者还是有区别的。,生物工程的概念、特点,生物工程的发展历程,生物工程的应用,一、生物工程,（一）生物工程的概念、组成及特点,概念：是以生命科学作为基础，应用自然科学及 工程学的原理，对生物资源（包括动物、植物和微生 物）进行利用、改造并为人类提供服务的一个综合性 技术体系。,运用现代生物学理论与科学技术改造细胞的遗 传物质，获得具有优良品质的动物、植物或微 生物品系； 工业规模地利用现有生物体系，制备生物产品； 模拟生物体系，以生物化学代替化学工程，制备 工业产品； 发

3、展相应的科学理论与工程技术。,生物工程概念的内涵：,生物工程的概念、组成及特点,生物工程产品包括： 大宗化工产品，如乙醇、柠檬酸、葡萄糖酸等； 精细化工产品，如各种氨基酸、酶制剂； 医药产品，如各种抗生素、多种甾体激素和维生素、 常规菌苗、疫苗等； 其他产品，如生物农药、食用及药用酵母、饲料蛋白 (单细胞蛋白)、沼气等； 现代生物技术产品，即通过重组DNA技术和细胞融合 技术等方法生产的产品，如干扰素、单克隆抗体、新 型疫苗等。,生物工程的概念、组成及特点,发酵工程 酶工程,将常规菌(或动植物细胞株)作为特定遗传物质受体，使它们获得外来基因， 成为能表达超远缘性状的新物种.,为这有巨大潜在价值

4、的新物种创造良好的生长与繁殖条件，进行大规模的培养,主要技术范畴：,基因工程 细胞工程,蛋白质工程 组织工程 生物医学工程等,1、基因工程：是以分子遗传学为理论基础，以分子生 物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因 （DNA分子），按照预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新品种的过程。 特征：1)外源核酸分子能在不同的寄主生物中进行繁殖，可以跨越天然物种屏障； 2)实现很少量DNA样品“拷贝”出大量的无污染其它DNA序列的DNA群。,获得目的基因 构建基因表达载体 将目的基因导入受体 细胞 检测基因是否稳定高效表达,基因

5、工程的相关技术：,DNA体外重组技术：核心技术 克隆技术：通过细胞的无性繁殖,基因工程的应用：,转基因生物：超级细菌、转基因动物的“乳腺 制药厂”； 基因诊断与治疗； 基因工程药品：如用大肠杆菌生产人工胰岛素、 干扰素及疫苗等； 真核基因的表达调控；,2、发酵工程：指采用现代工程技术手段，在活细胞 催化剂（主要是微生物细胞）作用下，为人类生产 有用产品的过程。包括菌种的选育、培养基的配制、 灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提 纯等方面。 菌种的来源包括细菌、放线菌、酵母菌和霉菌四大类,供菌体生长和产物形成所用培养基的制备； 培养基、发酵罐和附属设备的灭菌； 供发酵生产用的种子制备；

6、在发酵罐中提供最佳条件，以使菌体生长和产物形成； 产品的提炼和纯化； 生产中所产生的废物的处理。,发酵工程按获得的产品分为四个主要类型： 以获得微生物细胞为产品的过程； 以获得微生物酶为产品的过程； 以获得微生物代谢产物的过程； 以微生物进行生物转化的过程,3、酶工程：是指利用酶催化剂所具有的特异催化功能， 借助工艺学手段和生物反应器装置来生产所需的生物 化工产品的过程。包括酶制剂的制备、酶的修饰与改造、 酶的固定化及酶反应器等方面。主要应用于食品工业、 轻工业以及医药工业中。 酶反应过程专一性强，转化率高，但成本较高；发酵过程应用面广，成本较低，但反应机理复杂，难以进行控制，产物中常含有杂质

7、，给提取带来困难。,、,产酶的微生物发酵或动植物细胞培养过程。 胞内酶的微生物细胞破碎过程，胞外酶直接将发 酵液过滤除去菌体即可。 酶的分离纯化过程。根据酶分子与其他蛋白质之 间性质的差异，例如分子的大小、溶解度的不同，用盐 析法、有机溶媒沉淀法、电渗析法、离子交换层析和电 泳法等技术，将酶进行分离纯化。 酶的修饰：酶蛋白侧链基团的修饰、金属离子置 换等，以提高酶活力、稳定性，降低或消除抗原性。 酶固定在载体上的固定化过程。 酶反应器的设计和酶反应控制。对于游离酶反应， 通常采用分批搅拌槽反应器；对于固定化酶反应，则常 用连续柱式反应器。,酶工程的流程：,4、细胞工程：应用细胞生物学的方法，有

8、计划地改变 细胞遗传物质并使之增殖，从而生产有用的产物或引向 成体化的综合科学技术。 细胞工程包括：细胞大量培养及控制生长、增殖并 引向成体化等一系列技术、细胞融合技术、细胞拆合 技术、向细胞内引入高分子物质等技术。,5蛋白质工程,在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学，计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，对蛋白质进行修饰，改造和拼接以生产出能满足人类需要的新型蛋白质的技术。,5、组织工程：由美国国家科学基金委员 会于1987年正式提出和确定的，是应用 细胞生物学、生物材料和工程学的原理， 研究开发用于修复或改善人体病损组织或 器官的结构、功能的生物活性替代物的一 门科学。,1970康

9、奈尔大学 化学工程学士 1974麻省理工学院化学工程博士 “Enzymatic regeneration of ATP ” 19741977 哈佛医学院博士后 癌症研究 1977麻省理工学院教授,研究领域：生物技术、药学、 化学、医学,Langer的成就,发表论文1050篇-药物控释; 申请专利750篇; 获得170多项奖励 其中包括2006年美国国家科学奖, Charles Stark Draper Prize ,相当于工程界的Nobel Prize; 2008 Millennium, 世界上最大的技术应用奖。,Lab Members MIT (2005),存在问题,在组织缺损修复治疗中，对

10、器官组织移植有巨大需求。但在器官移植技术中，仍存在许多困难和问题，如自体组织器官移植，由于组织供区有限而存在较大局限性。严重的器官和组织短缺，使外源性器官移植难以实现。 外源性器官移植还存在着不能克服的短期和长期免疫排斥问题。,曾经的麦蒂,征战多年伤痕累累,按照现有医疗水平恢复的麦蒂,组织工程临床应用后麦蒂王者归来！,生物工程重点研究的内容： 新型生物反应器研究开发，特别是针对重组DNA技术、细胞融合技术所获得的新产品的投产； 新型分离方法及设备的开发； 各种描述生物反应过程的数学模型的建立，将有利于过程的控制和优化以及计算机的运用； 生产过程控制手段的改造，重点要解决的是各种能反映反应过程变

11、化特性参数的传感器的研制和计算机控制系统的完善。,（二）生物工程的发展历程,生物工程是个古老而又年轻的科学，它的历史几乎与 人类文明的发展史一样源远流长，可以追溯到几千年以前。,第一代生物工程：古代以非纯种微生物发酵工艺为标志,8000年前苏米尔人已掌握制作啤酒技术； 6000年前埃及人已能制作面包； 5000年前我国已掌握了酿酒技术。,第二代生物工程：近代以纯种微生物发酵工艺为标志,从1857年Pasteur L 发现发酵过程是微生物作用的 结果，开始利用纯种微生物发酵工业大规模生产抗生素、 氨基酸、有机酸、酶制剂、核酸及单细胞蛋白等产品。,19世纪大规模生产乳酸、酒精、面包酵母、柠檬 酸和

12、蛋白酶等初级代谢产物； 20世纪40年代，以获取微生物的次级代谢产物 抗生素工业成为生物工程的支柱产业； 20世纪50年代后，随着微生物代谢调控机制的阐 明，开始发展氨基酸、核苷酸、酶制剂等发酵工业。,生物工程的发展历程,第三代生物工程：以1973年建立的重组DNA技术基因 工程为标志,1973年后，细胞融合及单克隆抗体技术相继成功，并实现了动植物细胞的大规模培养技术，同时固定化生物催化剂也得到了广泛应用、 新型生物反应器不断涌现，且形成了相应的产业，使生物工程迅速完成了从传统生物技术向现代生物技术的飞跃转变，成为真正意义上的生物工程，代表着21世纪的发展方向。,生物工程的发展历程,（三）生物

13、工程的应用,1、发酵工程：由微生物发酵大量生产各种氨基酸、抗 生素、酶、核酸、有机酸、醇类制品，提供了大量药物、 食品、饲料添加剂及化工原料。 如，在制药工业，筛选了低毒氨基酸糖苷抗生素、 抗肿瘤抗生素等；在农业，研制了一大批新型无公害、 高效、专一性强的杀虫剂、除莠剂、植物生长调节剂 等微生物新药。,2、酶工程： 发现和制备了更丰富的生物酶；对酶催化反应的机理、 工艺和应用研究达到新水平；固定化酶技术的发展使酶工 程效率更高、成本更低、产品更丰富；装有固相化酶或菌 体的化学传感器已被用来监测生成抗生素、维生素、氨基 酸及生物需氧量等。,生物工程的应用,生物工程的应用,3、基因工程： 转基因植

14、物：抗病虫害的转基因作物如棉花、水稻、玉 米和马铃薯以及抗除草剂的高粱、小麦、大豆和玉米等 已形成产业规模 ；富含高色氨酸、高蛋白的转基因玉米、 含高不饱和脂肪酸的转基因油类等高营养和特殊功能的 食品已培育成功。但很多转基因植物富含争议。 转基因动物：将人体基因注入动物中，获得的子代动物 具有人体蛋白，可从中提取人体需要的药物蛋白；“乳腺 制药厂”；转基因猪、鱼生长加快，增加产量，转基因羊 增加产毛量。 转基因药品：疫苗、单克隆抗体、胰岛素、细胞因子等,生物工程的应用,4、细胞工程： 避免直接从动、植物整体提取产物所受到的资源限制 及环境条件的影响，为某些珍稀植物的快速繁殖、植物 的复壮等提供

15、可行的办法。 通过不同植物或动物细胞之间的融合，可获得杂种细 胞，培育出新的动植物杂交种。如，在美国，采用胚胎 移植技术实现奶牛良种化，比传统的杂交改良方法至少 节省10年时间，已建立起高产奶牛的繁育体系和生产体系。,现代生物工程技术已在农业、医药、轻工业、 食品、环保、海洋和能源等许多领域得到广泛的 应用。,生物工程的应用,生物工程的发展趋势： 新技术交织应用，育种跨越生物“界”的鸿沟。 基因工程药物、疫苗研究与开发突飞猛进。 转基因植物与动物取得重大突破。 阐明生物体基因组及其编码蛋白质的结构与功能发展 迅速，如人、拟南芥、斑马鱼等全基因组测序已经完成。 基因治疗取得重大进展，可能革新整个

16、疾病的预防和 治疗领域。 分子生物学、（蛋白质）结构生物学、计算机技术等 学科结合紧密，生物信息学发展迅速。,生物工程的应用,二、细胞工程简介,细胞工程的研究内容、 主要技术及其应用,细胞工程与基因工程的关系,细胞工程的主要成就,细胞工程的生物学基础,（一）细胞工程的研究内容、 主要技术及其应用,细胞工程是在细胞水平上研究、开发、利用各类细胞的工程。 细胞水平上的生命活动，是连接着分子水平上的各种生物大分子和个体水平上的各种器官系统的综合生命活动。 围绕着生命活动这个中心，分子水平上研究的是DNA的复制与转录、RNA的翻译、蛋白质执行各种生命活动；细胞水平的是细胞增殖、分化、死亡；而个体水平上则是遗传和发育。,研究内容：,细胞工程的发展建立在细胞融合的基础上，人们 可以根据需要，经过科学设计，在细胞水平上改造生 物的遗传物质。,细胞工程的研究内容、 主要技术及其应用,主要技术方法？,细胞培养：是将生物体内的某一组织分散成单个细胞， 接种在人工配