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1、高兴喜 生物技术概论 鲁东大学生命科学学院 E mail gaoxingxi Tel 15066387113 二十一世纪 生命科学世纪 人类进入 如果把当今世界上的学术论文分为生命科学与非生命科学两类 就会发现生命科学类占到了53 在权威刊物如 nature science 中 这个数据达到了56 21世纪是生命科学的世纪 现代生物学的发展 数 理 化相关学科 生物学实验技术 渗透交叉 近代生物学 个性 共性 宏观生物学 生态学为核心 微观生物学 分子生物学为核心 细胞水平 分子水平 结构生物学 发育生物学 系统生物学等新兴学科发展 生物多样性研究 资源保护与利用 生态学 进化论环境保护 持续
2、发展 描述性的生物学 人类对生命现象的认识 了解整个生命现象的本质仍然是零敲碎打研究策略 生物类群之间的本质差异 生物学还原成简单的化学 人类对生命现象的认识 组学 系统生物学 Genome Gene ome Transcriptome Transcript ome non codingRNA SmallRNA 21世纪生命科学发展的重要态势 第一章生物技术总论 一 DefinitionofBiotechnologyTraditionalbiotechnologyBiotechnologyModernbiotechnology 第一节基本概念 1 Traditionalbiotechnolog
3、y 传统生物技术 主要是指通过微生物的初级发酵来生产商品 如旧有的制造酒 酱 醋 面包 奶酪 酸奶及其它食品的传统工艺 也称生物工程 bioengineering 是指人们以现代生命科学为基础 结合其它基础学科的科学原理 采用先进的工程技术手段 按照预先的设计改造生物体或加工生物原料 为人类生产出所需产品或达到某种目的 2 Modernbiotechnology biotechnology 二 生物技术的种类及其相互关系 根据生物技术操作的对象及操作技术的不同 生物技术主要包括以下五项技术 工程 基因工程 细胞工程 发酵工程 蛋白质工程 酶工程 1 基因工程 geneengineering 也
4、称DNA重组技术 指应用人工的方法把生物的遗传物质 通常是DNA 分离出来 在体外进行切割 连接和重组 然后将重组DNA分子导入宿主细胞或受体生物 以获得某种产物或特殊遗传性状的生物个体的技术 2 细胞工程 cellengineering 就是指在细胞水平上研究 开发 利用各类细胞的工程 亦即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 改变动 植物以及微生物细胞的遗传基础 并通过无菌操作 大量培养细胞 组织乃至完整个体或获得某种有用物质的技术 包括细胞培养 细胞融合 细胞代谢物的生产 生物克隆和干细胞技术等 3 酶工程 enzymeengineerin
5、g 研究酶制剂的生产和应用的技术 包括酶制剂的制备 酶的固定化 酶的修饰与改造 以及酶反应器方面的内容 4 发酵工程 fermentationengineering 利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术 它以培养微生物为主 所以又称微生物工程 5 蛋白质工程 proteinengineering 是指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知识 通过对基因的人工定向改造手段 从而达到对蛋白质进行修饰 改造以产生满足人类需要的新型蛋白质技术 其中基因工程技术是核心技术 各项技术之间的关系 三 生物技术涉及的学科及应用领域 五大工程 应用领域 涉
6、及学科 四 Thebasiccharactersofbiotechnology 与其他高新技术一样具有 六高 的基本特征 高效益 可带来高额利润 高智力 具有创造性和突破性 高投入 前期研究及开发需要大量的资金投入 高竞争 时效性的竞争非常激烈 高风险 由于竞争的激烈 必然带来高风险 高势能 对国家的政治 经济 文化和社会发展有很大的影响 具有很强的渗透性和扩散性 有着很高的态势和潜在的能量 第二节生物技术的发展 一 传统生物技术的产生传统生物技术主要是通过微生物的初级发酵来生产商品 几千年前埃及壁画显示 埃及人已经知道用麦粉制造啤酒 公元前221年 我国人民就能制作豆豉腐 酱和醋 并一直沿用
7、至今 19世纪60年代法国科学家路易斯 巴斯德 LouisPasteur 首先证实发酵是由微生物引起的 并首先建立了微生物的纯种培养技术 从而为发酵技术的发展提供了理论基础 使发酵技术纳入了科学的轨道 20世纪20年代 工业生产中开始采用大规模的纯培养技术 发酵工业原料丙酮和丁醇 20世纪50年代 在青霉素大规模发酵生产的带动下 发酵工业和酶制剂工业大量涌现 发酵技术和酶技术被广泛应用于医药 食品 化工 制革和农产品加工等部门 上述诸方面的发展 还只能被示为传统生物技术 因为它们还只是通过微生物的初级发酵来生产商品 二 现代生物技术的发展 现代生物技术是以20世纪70年代DNA重组技术的建立为
8、标志 In1909 the gene waspresented 1944年 阐明了DNA是遗传信息的携带者 1949年 核酸化学研究结果表明 来源于不同生物的DNA都是由A T C G4种碱基组成 1953年 Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模型 阐明了DNA半保留复制方式 开启了分子生物学时代 1961年 破译了遗传密码 揭开了DAN编码的遗传信息是如何传递给蛋白质这一秘密 一系列的三联密码子 除极少数几个以外 同氨基酸之间的对应关系 在所有生物中都是相同的 也就是说 遗传密码是通用的 DNA分子 基因 不管导入什么样的生物细胞中 只要具备转录翻译的条件 均能转录翻译出同样的氨
9、基酸 即使人工合成的DNA分子 基因 同样可以转录翻译出相应的氨基酸 把DNA分子 基因 从一种生物中分离出来 转到另一种生物中 创造新生物和新物种 1967年 Gellert发现了DNA连接酶 1970年 Smith分离到一种限制性核酸内切酶 1975年 Temin和Baltimore在RNA肿瘤病毒中发现了反转录酶 基于上述基础理论的发展 1972 1973年 Boyer和Berg等人发展了重组DNA技术 并完成了第一个细菌基因的克隆 开创了生物技术的核心技术 基因工程技术的新纪元 把整个生物学带入数百年所未见的狂潮 以基因工程为核心 带动了现代发酵工程 酶工程 细胞工程和蛋白质工程的发展
10、 形成了具有划时代意义和战略价值的现代生物技术 第三节生物技术对社会经济发展的影响 生物技术将在本世纪成为全球经济与产业的主力 同时也在日常生活的各方面深刻地影响我们 一 改善农业生产 解决食品短缺 1 生物技术与种植业1 1培育抗逆的作物优良品系 通过基因工程技术培育具有抗寒 抗旱 抗病虫害等优良作物新品系 如抗虫棉 抗病毒的甜椒 抗除草剂的烟草和抗病虫水稻等 1 2植物种苗的工厂化生产利用细胞培养技术对优良品种进行大量的快速无性繁殖 实现工厂化生产 利用植物微繁殖技术还可培育出不带病毒的脱毒苗 由于植物的根尖和茎尖分生细胞常是不带病毒的 用这种细胞在试管中进行无菌培养而繁殖的小苗也是不带病
11、毒的 减少了病毒感染的可能性 如马铃薯脱毒种苗的工厂化生产等 1 3提高粮食品质通过基因工程和转基因技术除了能培育抗逆 抗病虫害的新品系外 还可培育品质好 营养价值高的作物新品系 如把菜豆储藏蛋白基因转到向日葵中 获得含有菜豆储藏蛋白的向日葵种子 利用转基因技术培育的西红柿可延缓其成熟变软 避免运输中破损 人们正试图将大豆储藏蛋白基因转到水稻中 培育高蛋白的水稻新品系 从有什么吃什么吃什么有什么 生物农药 生产绿色食品化学农药使用带来一系列的环境和食品的污染问题 我国加入世界贸易组织之后 在国际农产品和食品贸易中 将面对苛刻的农药残留标准 科学家开始注重生物农药的研发与使用 以减少因化学农药的
12、使用造成对食品的污染 改善食品品质 什么是生物农药 生物农药是指用来防治病 虫 草等有害生物的生物活体或其生理活性物质 如微生物及其次级代谢产物 如用作杀虫剂的苏云金杆菌 Bt 1 4生物固氮 提高粮食产量化肥使用不可避免的带来土地板结 肥力下降 从而影响作物产量 通过转基因技术可将具有固氮能力的细菌的固氮基因转移到根际周围的微生物体内 希望这些微生物进行固氮 减少化肥的用量 如日本学者将固氮基因转移到水稻根际微生物中 使这些微生物提供了水稻需氮量的五分之一 平均增产5 12 5 2 生物技术与养殖业2 1利用转基因技术培育优良动物品系 1 转基因鱼我国学者朱作言首次用人的生长激素基因 hgh
13、 构建了转基因金鱼 转生长激素基因的鲤鱼明显提高了生长速度 显示出转基因鱼在渔业生产和水产养殖业的潜在经济价值 目前已有鲫鱼 鲤鱼 鳟鱼等各种鱼被用于转基因研究 把生长在北美的美洲拟鲽的抗冻蛋白基因导入虹鳟 鲑鱼中 有可能实现南鱼北养 扩大优质鱼种的养殖范围 2 转基因家禽目前只转基因鸡有成功的报道 例如 用鼠的抗流感病毒基因Mx1导入鸡胚的成纤细胞 细胞表现出流感病毒的抗性 将牛生长素基因导入鸡的品系 获得高水平表达牛生长素的鸡 体重大于对照 3 转基因家畜乳铁蛋白能促进婴儿对铁的吸收 提高婴儿的免疫力 抵抗消化道感染 荷兰人研制的转乳铁蛋白基因的牛 生产的牛奶含有较高的乳铁蛋白 促红细胞生
14、产素的转基因牛 红细胞生成素能促进红细胞生成 对肿瘤化疗等红细胞减少症有积极疗效 是目前商业价值最大的细胞因子 英国科学家成功培育了1 抗胰蛋白酶 ATT 转基因羊 ATT具有抑制弹性蛋白酶的活性 用于治疗囊性纤维化和肺气肿 2 2动物的大量快速繁殖利用胚胎移植和胚胎分割技术可以提高家畜的遗传素质和生产率 1 胚胎移植 也称受精卵移植 它是将一头良种母畜配种后的早期胚胎取出 移植到另一头同种的生理状态相同的母畜体内 使之继续发育为新个体 胚胎移植实际上是由产生胚胎的供体和养育胚胎的受体分工合作共同繁育后代 由于超数排卵技术的应用 可以使一头优秀的母畜一次排出许多倍于平常的卵子数 通过胚胎移植
15、免除了其本身的妊娠期 减轻了其负担 因而能留下许多倍于寻常的后代数 通过胚胎移植 向配种的母畜移植一个胚胎 或向未配种的母畜移植两个胚胎 这种做法不但提高了供体母畜的繁殖力 同时也提高了受体的繁殖率 2 胚胎分割 即是将一枚胚胎用显微手术的方法分割成二分 四分甚至八分胚 经体内或体外培养 然后移植入受体子宫中发育 以得到同卵双生或同卵多生的后代 通过体细胞克隆 快速 大量繁殖纯种动物 1972年英国的Roslin研究所用绵羊的乳腺细胞的细胞核培育出世界上第一只小羊 多莉 维尔穆特和克隆羊 多莉 在一起 这说明动物体细胞核的遗传全能性 也翻开了人类以体细胞核竟向克隆哺乳动物的新篇章 二 提高生命
16、质量 延长人类寿命 医药生物技术是生物技术领域中最活跃 产业发展最迅速 效益最显著的领域 包括生产 开发新的药品 提供临床诊断的新试剂和新技术 提供安全性好 免疫能力强的新一代疫苗 1 疫苗生产与疾病预防 什么叫疫苗 疫苗 是指为了预防 控制传染病的发生 流行 用于人体预防接种的生物制品 目前用于人类疾病防治的疫苗有20多种 根据技术特点分为传统疫苗和新型疫苗 传统疫苗主要包括减毒活疫苗和灭活疫苗 如百日咳杆菌疫苗 白喉杆菌疫苗 脑膜炎双球菌疫苗 麻疹病毒疫苗等 第一代疫苗 疫苗生产过程中必须大量繁殖病原体 对工作人员是个严重的威胁 并且在使用中偶见因减毒或灭活不彻底而导致被免疫者被感染的报道 新型疫苗 即基因工程疫苗和基因疫苗 基因工程疫苗 是将病原体的抗原 某种蛋白质 基因克隆在细菌或真核细胞内 利用细菌或细胞生产病原体的抗原 利用抗原而不是病原体本身作为疫苗 安全性好 第二代疫苗 如基因工程乙肝疫苗 一种是将重组DNA导入酵母菌 由酵母菌产生乙肝抗原而制成的疫苗 美国和日本 另一种是将重组DNA导入仓鼠细胞 由仓鼠细胞生产疫苗 以色列等国 基因疫苗 DNA疫苗 指将含有编码抗原蛋
