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1、生物技术概论(INTRODUCTION to BIOTECHNOLOGY)周口师范学院生命科学系2010年 生物技术的含义生物技术(biotechnology)：指人们以现代生命科学为基础，结合其他 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，为人类生产出所需要产品或达到某种目的 。现代生命科学： 1 生命体的物质基础组成生物体的化学元素 C、H、O、N、P、K有机物：糖类、脂类、蛋白质、核酸 2 生命体的新陈代谢 3 高等植物的结构、功能和调控 4 高等动物的结构、功能和调控 5 生物的遗传和变异 6 生物与环境，生物资源多样性工程技术手段：基因工
2、程 细胞工程酶工程 发酵工程蛋白质工程目的：获得人们所需要的产品 疾病的预防、诊断与治疗，食品检验，环境 污染的检测和治理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： 1 基因工程(gene engineering)获得目的基因构建克隆载体将目的基因导入受体细胞转基因生物细胞的筛选及转基因生物的鉴定 2 细胞工程(cell engineering) 植物细胞的体外培养技术 细胞融合技术 细胞器移植技术 干细胞技术干细胞(Stem Cell)是一种未充分分化，尚不成熟的细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，医学界称为“万用细胞”。 3 酶工程(enzyme engi
3、neering)将微生物细胞、动植物细胞、细胞器等在 一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物 催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成 有用物质并应用于社会生活的一门技术。 酶的固定化技术 细胞的固定化技术 酶的修饰改造技术 酶反应器的设计4 发酵工程(fermentation engineering)利用微生物生长速度快、生长条件简单以 及代谢过程特殊等特点，在合适的条件下，通 过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定 功能生产出人类所需要的产品。 5 蛋白质工程(protein engineering) 对蛋白质进行修饰、改造和拼接以产生能 满足人类需要的新型蛋白质的技术。生物技术之间的
4、关系：彼此之间是相互联系、相互渗透 基因工程是核心化工产品生物技术发展简史：1 传统生物技术指旧有的制造酱、醋、酒、面包、酸奶及其 它食品。石器时代 ：我国人民利用谷物造酒公元前221年：我国人民制作豆腐、酱和醋。公元10世纪：中国预防天花的活疫苗公元前6000年：苏美尔人巴比伦人会啤酒发酵 2 现代生物技术现代生物技术以20世纪70年代 DNA重组技术的建立为标志的。奥斯瓦德西奥多艾弗里 (OTAvery，18771955）美国细菌学家1944年首次证明DNA是遗传 信息的载体詹姆斯沃森 (Watson，James Dewey 1928 ) 美国生物学家 弗朗西斯哈里康普顿克里克（ Fran
5、cis Harry Compton Crick 1916.6.82004.7.28）1953年英国生物物理学家 建立DNA双螺旋结构1996年第一只体细胞克隆 动物(多利)在英国诞生.1972年美国生物学家Berg首创基因重组技术. 1978年美国哈佛大学(Harvard university)的科学 家利用DNA重组技术产生胰岛素.生物技术对经济社会发展的影响： 1 农业我国耕地现状：受农业结构调整、生态退耕、自然灾害损坏和非农业用地 影响，耕地资源逐年减少。土地沙化、土壤退化、“三废”污染等问题严重2007年全国耕地面积18.26亿亩，比1996年减少1.25亿亩 ，年均减少1100万亩。
6、随着工业化和城镇化进程的加快，耕 地面积仍在减少。受干旱、陡坡、瘠薄、洪涝、盐碱等多种因素的影响， 质量相当较差的中低产田占60%目前全国人均耕地面积1.38亩，约为世界平均水平的40% 。 新华网 月日 目前，中国西南、华南和北方部分省份的 旱情仍呈发展态势。来自国家防汛抗旱总指挥部的最新统计显 示，截至月日，全国耕地受旱面积 万亩。其中，作物受旱万亩 ，待播耕地缺水缺墒万亩，有 万人、万头大牲畜因旱饮水困难。 盐碱地泥石流工业污染地震引起的 农田受灾2008年5月 中国汶川 8.0级 2010年1月 海地 7.3级 2010年2月 智利 8.8级别对策：抗逆性育种抗性细胞突变体育种抗除草剂
7、、旱、涝、盐、寒、病、虫作物品种转基因育种转Bt基因抗虫棉花转Bt基因抗虫玉米 植物种苗的工厂化生产工厂化育苗的优点：用材料少，占地面积少人为控制环境 提高粮食品质氨基酸是蛋白质的基本的构成单位。自然界中的氨基 酸有20余种，其中有八种是人类不能自己合成，但又是维 持生命活动所必需的，必须由食物提供，称之为“必需氨基 酸”。它包括有亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙 氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸，缺乏其中任何一种，都 会导致生理功能异常发生疾病。 小麦缺少赖氨酸和苏氨酸玉米缺少赖氨酸和色氨酸水稻缺少赖氨酸通过对氨基酸或其类似物抗性突变体的选择，以提高 植物中游离氨基酸的含量，从而改善农作物
8、或牧草的品质 。 生物固氮氮肥的主要来源：尿素、硫胺缺点：使土壤板结土壤肥力下降污染环境对策：将具有固氮能力的细菌的固氮基因转移到作物根际周围 的微生物体内，进行生物固氮，减少化肥的使用量。 生物农药按照联合国粮农组织的标准，生物农药一般是天然化合 物或遗传基因修饰剂，主要包括生物化学农药(信息素、激素 、植物调节剂、昆虫生长调节剂)和微生物农药(真菌、细菌、 昆虫病毒、原生动物，或经遗传改造的微生物)两个部分 优点：不污染环境，对人和动物安全，不伤害虫天敌。培育动物优良品系生长快，耐不良环境，肉质好的转基因鱼（中国）乳汁中含有人生长激素的转基因牛（阿根廷）2 提高生命质量羊胎素 全面有效地改
9、善人体皮肤状况，美容养颜，美白肌肤 增强免疫力，强化身体免疫系统 胰岛素 治疗糖尿病从动物胰腺中100kg提取45g，采用基 因工程技术手段9L培养液产生5mg。 干扰素 具有抗病毒，抑制肿瘤细胞增生，调节 人体免疫功能的作用从300L人血中才提取1mg 基因治疗把功能基因导入病人体内使之表达，并 因表达产物蛋白质发挥功能，使疾病得以 治疗。“21世纪生物技术”论坛上（2000年10月13号） ，中国第 一片应用型芯片发明人青年科学家马文丽和郑文岭两 教授受到与会专家的高度关注。他们发明的基因芯片将引导 21世纪的医学模式从疾病诊治向“亚健康状态”的诊治过渡。例如肿瘤的病人，当他从健康状态发展
10、到疾病状态之间， 有一个“亚健康状态”，这一阶段的人可以不发生任何身体上 的不适，或者已经出现了容易疲劳、注意力不集中、便秘、 不明原因的失眠等情况，但到医院用仪器和其他检验方法又 找不到异常。在“亚健康”阶段用基因芯片进行检测可以发现 ，血液里的基因已经发生改变例如癌基因被激活，正常 的基因发生丢失、突变或者数量上的增减。通过基因芯片灵敏快速的检测结果，我们可以实现中国 古语中“上医治未病”的理想，对疾病作出前瞻性的诊断，这 就是“基因诊断”。 基因芯片的发明改变了现有的医学模式：人们不是在发生 疾病后才去医院治疗，平时定期使用基因芯片进行体检，可以 预先诊断出几年甚至十几年以后才发生的疾病
11、(包括肿瘤、艾滋 病、心血管病等)，提早进行基因治疗、基因预防。著名的财富杂志曾这样评价基因芯片的历史意义：“在 20世纪的科学史上，有两件大事值得大写特写，一个是计算机 的发明，它改变了我们的经济和文化；第二是生物芯片的发明 ，它将变更整个生命医学，极大地提高人类的健康水平。马文丽和郑文岭两位科学家的发明，使得中国在继“工业革 命”和“信息技术革命”后的“基因组革命”与世界同步。主要有体细胞治疗和性细胞治疗 主流是体细胞治疗，但不能改变病人已有单个或多个基因缺陷 的遗传背景，以致后代还会有人患病。 对一下几点进行深入研究后才可做基因治疗：人类基因组的运转机制基因的调控机制疾病的分子机理 SC
12、ID（重症联合免疫缺陷）原因：常染色体上编码腺苷酸脱氨酶的基因发生突变表现：缺乏正常人体免疫功能，稍被感染（细菌、病毒）就会 死亡人类基因组计划(HGP)1986年，著名生物学家、诺贝尔奖获得者雷纳托杜尔贝科 （Renato Dulbecco）在Science杂志上率先提出“人类基因组计 划”（Human Genomic Project,简称HGP）。 1990年，人类基因组计划在美国正式启动。 1991年，美国建立第一批基因组研究中心。 1993年，桑格研究中心在英国剑桥附近成立。 1997年，法国国家基因组测序中心成立。 1998年，中国在北京和上海设立国家基因组中心。 1999年，中国获
13、准加入人类基因组计划，承担1%的测序任务 ，成为参与这一计划的惟一发展中国家。 2000年6月26日，中、美、日、德、法、英等6国科学家宣布 首次绘成人类基因组“工作框架图”。 2001年2月12日，六国科学家联合在学术期刊上发表人类基因 组“工作框架图”及初步分析结果。2001年8月26日，人类基因组“中国卷”的绘制工作宣告完成2003年4月14日，中、美、日、德、 法、英等6国科学家宣布人类基因组 序列图绘制成功，人类基因组计划 的所有目标全部实现。 2004年10月，人类基因组完成图公 布。 2005年3月，人类X染色体测序工作 基本完成，并公布了该染色体基因草图。 人类基因组计划与阿波
14、 罗登月计划、曼哈顿原子弹 计划并称为人类科学史上的 三大计划。3 解决能源危机，保护环境 4 制造工业原料 5 生物安全转基因食品的安全克隆技术的法律、道德和伦理问题个人基因序列的隐私问题生物武器（炭疽杆菌、天花病毒、霍乱、鼠疫）基因治疗其它问题查尔斯罗伯特达尔文 （Charles Robert Darwin，1809.2.121882.4.19） 英国博物学家，生物学家，进化论的奠基人 1859年 物种起源 澳大利亚科学家兰刘易斯与澳大利亚首头克隆 牛 多莉于1996年7月5日出生，2003年2月14日死亡。维尔穆特领导培 育的世界上第一只体细胞克隆动物-克隆羊“多莉”于2003年2月因
15、肺部感染而死亡患关节炎时的多莉 生物技术的种类和任务生物技术（Biotechnology）也称为生物工艺 学或生物工程学。它是七十年代初在分子生物学 和细胞生物学基础上结合现代工程学的方法和原 理而发展起来的一门综合性科学技术。生物技术 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。生物技术所包含的内容，在不同国家、不 同时期、不同学者中，是有不同的看法和认识 的。在我国，1986年国家科委制订“中国生物 技术政策纲要”时，经专家们共同讨论认定， 生物技术共包括基因工程、细胞工程、酶工程 、发酵工程四个方面，后又增加了生化工程和 蛋白质工程。目前在微生物学会和生物工程学 会中，都有酶工程、基因工程、细胞工程、发 酵工程和生化工程专业委员会，而没有蛋白质 工程专业委员会。 此外，生物技术无论作为一个新兴领域或产 业，都是发展极快，现在国际上又有分析生 物技术、植物生物技术、环境生物技术等新 的分化，特别是由于计算机技术的应用，许 多新发现不一定是在实验台上完成的，而可 能是在计算机终端上实现的。所有这些内容 要想在
