生物技术概述课件

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1、第一章 生物技术概述,生物技术教研室 任课教师：王妍,序 言,当今世界，我们所处的这个时代，是科学技术飞速发展、知识信息爆炸的知识经济时代，世界各国都在相互竞争，竞争的焦点集中在科学技术上，谁的科技发达，谁的综合国力就强大。 现在世界七大高新技术分别是现代生物技术、航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术。,研究人员培育的“超级水稻”.,粮 食 联合国粮农组织水稻研究所(菲,马尼拉)。 绿色革命,资 源 矿物能源(石油煤) 必将枯竭,生物能源已在开发之中。 很多不起眼的生物,很可能就是药物、材料等的宝贵资源。 图为墨西哥荒原中的仙人掌类植物。,防辐射、降压、血凝等作用,

2、一个20 米直径的水池年产 4 吨藻类,加工后可得相当于3000 升柴油的燃料。 一英亩三角大戟可生产相当于 50 吨石油的燃料。,图为生长在淡水和海水中的一种硅藻,环 境 这是最早一份关于环境对生物种群影响的研究。,工业化前英国乡村有很多白色蛾子停在布满淡色苔藓的树皮上，不易被鸟发现； 工业化后，黑色蛾子逐渐取而代之，因为黑烟污染了环境，黑色蛾子更易藏身。,工人正在向被石油污染的海滩喷洒营养液，促使吃石油的细菌长起来。,其中生物技术列在首位，生物技术之所以令世界各国如此重视，是因为它是解决人类所面临的最重大的问题和挑战,人口膨胀； 粮食短缺； 疾病危害； 环境污染； 能源危机； 资源匮乏；

3、生态平衡破坏； 生物物种大量消亡。,解决人类生存与发展所面临的一系列重大问题，在很大程度上将依赖于生命科学的发展。生命科学对人类经济、科技、政治和社会发展的作用是全方位的。,1980年以来，世界著名大学如MIT等，纷纷把生物类课程列为全校必修课. 1995年以后，国内重点大学陆续把生物类课程列为全校非生物类专业大学生的限选或必修课程。,这是因为人们意识到，21世纪将是生命科学的世纪，面向21世纪的大学生应有生命科学基础，而不应该成为“生物盲”。,细胞是生物的基本组成单位(病毒除外),新陈代谢、生长和运动是生命的基本功能 物理运动化学运动生命运动,生命通过繁殖而延续,DNA是生物遗传的基本物质。

4、,漂亮的模特 遗传学家,“中心法则”,生物具有个体发育和系统进化的历史,生物对外界可产生应激反应，对环境有适应性,生命(生物体)的基本特征,1、细胞是生物的基本组成单位(病毒除外) 2、新陈代谢、生长和运动是生命的基本功能 3、生命通过繁殖而延续，DNA是生物遗传的基本物质 4、生物具有个体发育和系统进化的历史 5、生物对外界可产生应激反应和自我调节，对环境具有适应性,在 20世纪90年代初，“21世纪是生命科学的世纪”，还是科学家的预言，仅仅十年的发展，在刚刚进入21世纪，这个预言正在变成现实。 圣经载，上帝在创世纪中创造了果木、动物和人；21世纪人类将成为造物主，因为基因的发现使人类能够改

5、变生命并创造生命。,人类文明发展的三次技术革命：,生物技术革命 21世纪：创造生命 ！ 信息革命 20世纪：解放大脑 工业革命 19世纪：解放双手,生物学经历了三个发展阶段： 描述生物学阶段 (19世纪中叶以前),从传统生物学到现代生命科学 生命科学能够迎接21世纪的挑战,实验生物学阶段(19世纪中到20世纪中),创造生物学阶段 (20世纪中叶以后),(1) 描述生物学阶段(19世纪中叶以前),主要从外部形态特征观察、描述、记载各种类型生物，寻找他们之间的异同和进化脉络。 达尔文 物种起源(1859),(2) 实验生物学阶段(19世纪中到20世纪中),利用各种仪器工具，通过实验过程，探索生命活

6、动的内在规律。,巴斯德在实验室里,“自生说”是一个古老的学说，认为一切生物是自然发生的。到了17世纪，虽然由于研究植物和动物的生长发育和生活循环，使“自生说”逐渐削弱，但是由于技术问题，如何证实微生物不是自然发生的仍然是一个难题，这不仅是“自生说”的一个顽固阵地，同时也是人们正确认识微生物生命活动的一大屏障。 巴斯德在前人工作的基础上，进行了许多试验，其中著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物，它们引起有机质的腐败。巴斯德自制了一个具有细长而弯曲的颈的玻瓶，其中盛有有机物水浸液，经加热灭菌后，瓶内可一直保持无菌状态，有机物不发生腐败，因为弯曲的瓶颈阻挡了外面空气中微生物直达有机物

7、浸液内，一旦将瓶颈打断，瓶内浸液中才有了微生物，有机质发生腐败。巴斯德的实验彻底否定了“自生说”，并从此建立了病原学说，推动了微生物学的发展。,(3)创造生物学阶段(20世纪中叶以后),分子生物学和基因工程的发展使人们有可能“创造”新的物种。,沃生和克里克在讨论DNA双螺旋模型,第一例基因工程实验,含有荧光水母基因的小猪,美国密苏里大学最近通过克隆技术培育出四只含有荧光水母基因的小猪。 左为荧光小猪，右为正常小猪,悠游的奇幻精灵水母,生物技术的定义,1982年，国际合作与发展组织(ICDO)对生物技术进行了定义：即应用自然科学及工程学原理，依靠微生物、动物体、植物体作为生物反应器，将原料加工以

8、提供产品来为社会服务的技术。 美国政府技术顾问委员会(OAT) 的定义：应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术，其还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术。,一、概述,1、生物技术概念P1：生物技术，有时也称为生物工程，是以现代生命科学为基础，运用先进的科学原理和工程技术手段按预先的设计来加工或改造生物材料从而产生出人类需要的产品或达到某种目的。,化学工程、基因工程、控制工程、环境工程等,与人类健康、农业、资源、能源、环境,基因、细胞、有用物、个体或个体的一部分,植物学、动物学、遗传学、分子生物学、微生物学等,粮食、医药、食品、能源、金属等,生命科学,工程科学

9、,生物技术 (生物工程),研究领域,基因工程,细胞工程,酶工程,发酵工程,分离工程,蛋白质工程,服务领域,人类健康,农业,资源,能源,环境,食品,化学,设备,传统生物技术：是指通过微生物的初级发酵来生产产品，包括酱、醋、酒、面包、奶酪、酸奶等传统制造工艺。,现代生物技术：20世纪70年代末80年代初,以现代生物学研究成果为基础，以基因工程为核心的新兴学科。,生物技术, DNA重组技术的发展改变了生物技术的本质，现代生物技术应运而生。,现代生物技术,生命科学,工程技术,其他相关学科,现代生物技术,1953年，Watson和Crick发现DNA双螺旋分子结构。,现代生物技术,1973年， Boye

10、r和Cohn实现了DNA体外重组。 “基因克隆”策略。,传统与现代生物技术的区别 古代传统生物技术和近代生物技术(旧有的制造酱、酒、面包、奶酪、 酸奶及其它食品的传统工艺。 )只是利用现有的生物类型或生物机能为人类服务，而现代生物技术(5大工程)是按照人们的意愿创造全新的生物类型和生物机能，造福于人类。它是人类在建立实用生物技术中从必然王国走向自由王国，从等待大自然的恩赐转向索取的质的飞跃。,（1）以制酒、食品加工、农业、畜牧业为主的作坊式生物技术。 （2）以抗生素为代表，发酵工程为主要技术的工业化生物技术。 （3）以基因工程为主的现代生物技术。,生物技术发展经历的三个阶段：,生物技术的内容,

11、基因工程技术 细胞（组织）工程技术 酶工程技术 发酵工程技术 蛋白质工程技术,第一节 基因工程操作原理 第二节 细胞工程操作原理 第三节 酶工程 第四节 发酵工程 第五节 蛋白质工程,第一节 基因工程操作原理,一、基因工程的概念,利用DNA体外重组或PCR扩增技术从某种生物基因组中分离感兴趣的基因，或是用人工合成的方法获取基因，然后经过一系列切割，加工修饰，连接反应形成重组DNA分子，再将其转入适当的受体细胞，以期获得基因表达的过程。,二、基因工程技术及其应用,第二节 细胞工程,细胞工程：是指以细胞为对象，应用生命科学理论，借助工程学原理与技术，有目的地利用或改造生物遗传特性，以获得特定的细胞

12、、组织产品或新型物种的一门综合性科学技术。,一、什么是细胞工程,细胞工程与基因工程一起代表着生物技术最新的发展前沿，伴随着试管植物、试管动物、转基因生物反应器等相继问世，细胞工程在生命科学、农业、医药、食品、环境保护等领域发挥着越来越重要的作用。,细胞（组织）工程,利用工程学原理进行细胞生物学的基础研究和制造使用活细胞的产品，如组织工程和生物加工工程。前者是利用移植的细胞、骨架、DNA、蛋白质或蛋白质片段替代或修复已受伤或损坏的组织和器官；后者是利用活细胞生产生物医药产品。,组织工程人造器官,干细胞：1999年4月， 美国的科研人员首次成功地从成年人骨髓的干细胞在体外培养分化出软骨、脂肪和骨骼

13、细胞。标志着干细胞的研究取得了重大进展。 以这项技术为代表的组织工程的突破具有广阔的应用前景，在不远的将来为实现人造“器官”成为可能。,原理：先用一种高分子材料聚羟基乙酸做成“人耳”的模型支架，然后让人体的软骨组织细胞在这个支架上繁殖生长。一周以后，在裸鼠的背上割开一个口子，将培育过的这个“人耳”模子植入缝合，软骨组织的细胞不断增殖，聚羟基乙酸做成的支架慢慢地被机体降解吸收，使“人耳”和裸鼠融为一体。,在培育多莉的过程中，科学家采用体细胞克隆技术，主要分四个步骤进行： 从一只六岁雌性的芬兰多塞特白面绵羊的乳腺中取出乳腺细胞，将其放入低浓度的培养液中，细胞逐渐停止分裂，此细胞称之为供体细胞。 从

14、一头苏格兰黑面母绵羊的卵巢中取出未受精的卵细胞，并立即将细胞核除去，留下一个无核的卵细胞，此细胞称之为受体细胞。,利用电脉冲方法，使供体细胞和受体细胞融合，最后形成融合细胞。融合细胞也能像受精卵一样进行细胞分裂、分化，从而形成胚胎细胞。 将胚胎细胞转移到另一只苏格兰黑面母绵羊的子宫内，胚胎细胞进一步分化和发育，最后形成小绵羊多莉。,第三节 酶工程,酶是一种在生物体内具有新陈代谢催化剂作用的蛋白质。具有反应效率高、条件温和、反应产物污染小、能耗低和反应易控制等特点。 酶工程又称酶工艺学，就是利用酶的催化作用，利用酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等，通过工程学的手段，在一定的生物反应器中，将相

15、应的原料转化成所需要的产品。,一、酶工程的概念和内容,传统的酶工程主要是指天然酶制剂在工业上的大规模生产与应用。随着科学的发展，尤其是基因工程技术的日趋完善，为酶工程赋予了新的内容，特别是利用DNA操作技术，修饰改造酶分子的结构或活性位点、酶与底物作用位点，重组酶的生产，模拟酶的人工设计与合成等成为新的内容。,酶工程的主要内容,酶的分离纯化 酶与细胞的固定化技术及反应器 酶制剂的发酵生产 酶分子化学修饰、遗传突变及结构改造 酶抑制剂与激活剂开发与研究 人工设计与合成模拟酶及酶分子,酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业、医药工业和临床诊断等方面。,1857年，法国微生物学家巴斯德发现了发酵原理

16、，人们才认识到发酵是微生物活动的结果。,第四节 发酵工程,发酵工程,发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。 现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。,发酵工程：是指利用微生物的特定性状，通过现代化工程技术，在生物反应器中生产有用物质的一种技术系统，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。 发酵工程的内容包括菌种的选育、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。,一、发酵工程的概念和内容,二、工业发酵步骤和工艺流程,(1) 用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制 (2) 培养基、发酵罐以及辅