现代生物技术

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1、现代生物技术吴鹏举 2007年3月 电话：22861980；13790458939 Email: 本章主要内容一、生物技术的含义二、生物技术的产生和发展三、现代生物技术的应用与前景一、生物技术的含义1.1 对科学和技术的理解 1.2 生物学与生物技术 1.3 生物技术的主要内容1.1 对科学和技术的理解科学与技术及工程的关系人类在实践中发现的客观规律称之为“科学”。当人们运用这些规律去 创造出成果时需要经过三个转化过程。第一个转化是应用规律去发明一 些称之为“技术”的方法和手段（如工具、设备）；第二个转化是运用技 术去设计出要求的工作目标，被称为“工程”；第三个转化是按照设计好 的目标去实施之

2、，创造出物质化成果。 科学最早由哲学家提出：进行研究 得出规律成为科学，科学用于解决实 际问题就是技术。我国著名砖建李国豪院士有一个很好的 比喻，他说科学树根，技术是树干和大的 树枝，众多的树叶就是工程 思考中国古代有科学和技术吗？ 有：吴文俊等的观点 没有，为什么？竺可桢、爱因斯坦 等 李约瑟难题 1.2 生物学与生物技术生物学：是研究生物各 个层次的种类、结构 、发育和起源进化以 及生物与周围环境的 关系的学科。人也是 生物学研究的对象 现代生物技术：以现代生命科学为基础，结 合先进的工程技术手段和其他基础学科的 科学原理，按照预先的设计改造生物或加 工生物原料，为人类生产所需产品或达到

3、某种目的，即现代生物工程技术。 标志：1953年，Watson & Crick 发现了DNA 的双螺旋结构，及其后来DNA重组技术的 的发展。现代生物技术特征1）生物技术的多学科性和综合性2）微生物、动植物作为生物催化剂，有别于化学催 化剂3）最终目的将生物反应开发成为工业生产的工艺过 程，即生物反应过程（Bioprocess）。生物技术的上、中、下游过程上游过程：反应前的加工，最重要的是提供和制 备高产优质和足够数量的生物催化剂 ；即应用 常规选育、基因工程、细胞工程和酶工程手段 获得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等中游过程：生物反应器为中心下游过程：反应后的工序，从反应液中提取目的 产物加

4、工精制成合格产品传统生物工程与现代生物工程的区别传统生物工程：利用现有的生物类型或生 物机能为人类服务现代生物工程：按照人们的意愿和需要创 造全新的生物类型和生物机能。1.3 生物技术的主要内容基因工程 细胞工程 蛋白质工程 酶工程 微生物工程基因工程： 它是一项将生物的某个基因通过基因载 体运送到另一种生物的活性细胞中，使之无性繁殖 （称之为克隆）和行使正常的功能（称之为表达） ，从而创造生物新品种或新物种的遗传学技术。细胞工程 是指以组 织、细胞和细胞器为 对象进行操作，在体 外条件下进行培养、 繁殖、或人为地使细 胞某些生物学特性按 人们的意愿发生改变 ，最终获得人们所需 要的组织、细胞

5、或个 体。酶工程 ：利用酶、细胞器或细胞所具有的特异 催化功能以及对酶进行的修饰改造，并借助生 物反应器生产人类所需要的一项技术。蛋白质工程 ：以蛋白质分子的结构规律及其与 生物功能的关系为基础，通过所控制的基因修 饰和基因合成，对现有蛋白质加以定向改造、 设计、构建，并最终产生出性能比自然界存在 的蛋白质更加优良、更加符合社会需要的蛋白 质。微生物工程（发酵工 程） ：利用生物的 生命活动产生的酶， 对无机或有机原料进 行酶加工（生物化学 反应过程）获得产品 的工业。其主体是利 用微生物进行反应的 工业，处于生物工程 的中心地位。这个5个方面的技术并不是各自独立的，它们彼此之 间是相互联系、

6、相互渗透的。其中基因工程处于核 心位置，发酵工程是生物工程的主要终端。二、生物技术的产生和发展第一代生物工程技术产品:远古时代公元前6000年前，苏米尔人即古代巴比伦人 酿造啤酒 公元前4000年前，古代埃及人 发酵面包 我国的先民在仰韶时期（公元前5000 年公元前4000 年） ，就利用小口尖底瓮保温发酵酿制谷芽酒，并在该容器 内澄清、饮用。 到了大汶口时期（公元前4300年4公元前2400年），酿酒有 了较大发展，饮酒之风很盛行，出土了数量较多的大件 酿酒发酵窖器大口尖底陶尊及多姿多彩的酒具， 表明了酒已具有礼仪功能。第二代生物工程产品：巴斯德时代19世纪中叶，法国科学家路易.巴斯德，P

7、asteur实验证 明发酵原理19世纪末，德国人利斯特.柯赫（Rober Koch）细菌纯 粹培养技术流行病判断的柯赫法则 一、该病的每一个病者体内必须能找到引起该病的微生物； 二、这种微生物必须能被分离出，并能在培养基（物）中生长； 三、这种微生物的纯培养物接种到易感动物能再发生这种病的自然 状态时出现的症状及病变； 四、在人工发病的动物体中又可分离到这种微生物。1897年，法国布赫纳（Buchner）：任何 生物都有引起发酵的物质：酶 1928年，弗莱明（A. Fleming）发现青霉 素，抗生素的工业化 现代生物工程技术的崛起与发展1953年，Watson and Crick DNA 核

8、酸双螺旋 结构，半保留复制 1970，分离纯化限制性核酸内切酶 1971年，美国保罗.伯格（Berg）: DNA体外重组 技术，基因工程技术的开始 1976年，诞生了第一家生物技术公司 1982年第一个基因工程产品胰岛素投入市场 1983 聚合酶链反应（PCR）体外基因扩增技术 1997年，生物学界发生了一件轰动世界的大事：克 隆羊多莉诞生 体细胞克隆利用克隆技术将需要进 行器官或组织移植病人的体 细胞核移植到去核的卵母细 胞内,构建核移植胚,使其进行 一定程度的发育,并经过适当 处理,对其进行诱导,使其定向 发育成供病人移植所需的器 官或组织,不但可解决器官和 组织来源不足的问题,还可以 克

9、服异体器官和组织移植中 的免疫排斥反应,从而提高器 官和组织移植的成功率时期名称采用技术附加值第一代产品啤酒、苹果酒，发酵 面包、醋等自然发酵低、中第二代产品抗生素、单细胞蛋白 质、酶、乙醇、丙酮 、维生素、氨基酸等初涉物理、化 学、遗传、分 析、细胞杂交 、物理化学、 诱变育种中、高第三代产品涉及工、农、医、信 息和基础生物学的各 个方面如：基因药品 、DNA芯片、生物导 弹基因工程、细 胞工程高、很高三、现代生物技术的应用与前景3.1 现代生物技术的应用 3.2 现代生物技术的前景3.1 现代生物技术的应用现代生物技术主要应用在7个方面 疾病治疗 诊断试剂 农林和园艺 食品 环境 化学品

10、设备在疾病治疗方面的应用主要包括：生物制药抗 生 素基因治疗在诊断试剂方面的应用临床检测与诊断检测，食品、环境及农业 检测 利用单克隆抗体、DNA探针等检测疾病利用DNA 探针、PCR 技术等检测食品 、环境中的微生物种类和数量在农林和园艺方面的应用改良作物和苗木品质，现已有4500多种作物转基因获 得成功人工种子转基因动物生物杀虫剂、除草剂等在食品方面的应用扩大食品、饮料及营养素的来源对食品资源的改造对食品加工过程和食品品质的改良在食品处理及分析过程中的应用开发新食品材料获得功能性保健食品素材在农副产品深加工和综合利用方面的应用在能源和环境方面的应用废物处理、生物净化及新能源 解决能源危机

11、（1）改变石油开采途径 （2）生物量的利用A、燃烧 B、微生物作用： 在常温下湿物质产生：乙醇、沼气 C、碳氢化合物：某些植物（特别是大戟属植物）汁液中 含有碳氢化合物可作石油代用品或作提取石油化学工业 的各种原材料代用品。 D、光合放氢： 特殊情况下：绿藻、蓝藻、细菌 E、 生物电池：生物燃料电池：利用酶或微生物将没有电 活性燃料转化为电活性燃料。如甲醇、甲醛、消除环境污染生化过程代替化学合成过程； 生物农药代替化学农药，以虫治虫，菌治菌； 阻止有害三废物质过度产生，尽量再循环利用在化学品方面的应用生物技术从医药领域逐渐向化工领域转移,使传统 的以石油为原料的化学工业发生变化,从而向条 件温

12、和、以可再生资源为原料的生物加工过程 转化。 1 ,3 丙二醇(PDO) 是一种重要的化工原料,可 以合成聚酯PTT(聚对苯二甲酸丙二酯) 。目前国 际上主要是采油化学法生成PTT，但其副产物多 ，选择性差。现已开始研究采用生物发酵法生 产1 ,3 丙二醇，美国杜邦通过基因工程方法开发 了以淀粉为原料生产PDO的工艺,该工艺不产生 污染物,并通过发酵法合成的POD合成了聚酯 PTT。生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一,可 以生产有特殊功能、性能、用途或环境友好的 化工新材料 传统化学法由丙烯腈合成丙烯酰胺,转化率仅 为97 %98 %。由化学法合成的丙烯酰胺聚合 生成的聚丙烯酰胺分子质量很

13、难超过1 200万。 而采用生物法即采用丙烯腈水合酶催化合成,丙 烯酰胺转化率达99. 99 % 以上,比化学法成本低 10 %以上。由于丙烯酰胺纯度高,聚合生成的聚 丙烯酰胺分子质量可达到2 000 万,可成功用于油 田三次采油在设备方面的应用在生产金属、生物反应器等方面。 生物冶金，利用细菌把矿物中的不溶性 化合物变成可溶性的化合物，再用湿法冶 金从溶液中回收金属的方法。 膜生物反应器处理废水目前，生物技术对人们生产和生活的影响越 来越大，创造的经济价值越来越大，2001 年全球生物技术公司达4284家，其中上市 的有622家，销售收入348美元，这些公司 主要分布在欧美达85。专家预计，到 2020年后，人类将走向生物经济时代。 中国一直把生物技术放在日益重要的位置， 以在生物医药、作物和畜牧品种选育等方 方面取得了很大成就。3.2 现代生物技术的前景生物工程技术预计发展方向：基因组：酵母、线虫、果蝇、拟南芥、人类生物芯片：基因芯片、蛋白质芯片干细胞生物学：动物克隆、生物信息学生物信息学：计算机模拟神经科学：