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1、细 胞 工 程,大理大学农生学院细胞与分子生物学教研室 E-mail:,2016.9.27,第一章 细胞工程简介,一、了解生物工程的概念、基本内容和发展史 二、掌握细胞工程的概念、理论基础和内容 三、了解细胞工程的发展历程、主要应用,一、生物工程的概念,1.定义：是以生命科学为基础，利用生物体系和工程学原理产生生物制品和创造新物种的一门综合技术。或者说：利用生物有机体或部分组织、器官、细胞等发展新工艺和制造新产品的一门科学技术。1982年国际合作及发展组织对生物技术进行了重新定义：生物技术是应用自然科学和工程原理，依靠微生物、动物、植物作为反应器将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。,二
2、、生物工程的发展史,1、古代生物工程阶段 历 史：4000多年前-20世纪30年代 产品特点：化合物结构较简单，属初级代谢产物。生产过程：设备要求不高、规模小、过程较简单，属嫌气发酵。,2、近代生物工程阶段历 史： 1928-60年代。四十年代抗生素工业兴起，在它带动下，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用于医药、食品、化工、制革和农产品加工等产业部门。产品特点：产品类型多，包括：初级代谢产物、次级代谢产物、以及生物转化、酶反应等产品。生产过程：技术要求高，需在无菌条件下进行。大多数过程为好气发酵，发酵规模巨大。,3、现代生物工程阶段 历 史：1953年始-至今。1973年基
3、因工程和1975年单克隆抗体技术建立为标志的生物工艺。产品特点：主要是利用DNA重组技术和细胞融合等技术生产生物产品，如胰岛素、生长激素、细胞因子、单克隆抗体、生物杀虫剂、生物杀菌剂等。生产过程：技术要求高，设备更高，用生物反应器大规模生产。,三、生物工程的基本内容 按照生物工程的研究或操作层次分为：微观生物工程：染色体操作、细胞重组等。宏观生物工程：试管植物、发酵罐。 按照生物工程改造的对象，主要包括基因工程、酶工程、细胞工程、发酵工程（四大支柱）和蛋白质工程、生物化学工程六个方面。基因工程是生物工程的核心。基因工程的核心技术是DNA重组。现阶段生物工程是以核酸和蛋白质为主的工程。,四、生物
4、工程在国民经济中的应用 1)生物制药 2)绿色食品 3)环境保护 4)培育超级农业品种 5)农业现代化 6)提高人类健康水平 7)全面仿生技术,生物工程被誉为革新技术革命的前沿技术之一，许多国家都把生物工程列为优先发展的技术。,第二节 细胞工程,一、细胞工程,细胞工程是运用细胞生物学和分子生物学的方法，通过结合工程学的步骤，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿改变细胞内的遗传物质以获得新型生物或特殊产品的一门综合性科学技术。,细胞工程,应用的原理和方法：细胞生物学和分子生物学 研究的水平：细胞整体水平或细胞器水平 研究的目的：按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品,理论基础
5、-细胞的全能性,二、细胞工程的发展历史,1902，哈泊兰德预言了植物细胞的全能性； 1958，Steward 利用胡萝卜根尖为外植体成功的获得了单细胞培养的再生植株。证明了植物细胞的全能性。 1972，美国卡尔森等用NaNO3为融合诱导剂，将来自不同种的烟草原生质体进行融合，获得世界上第一个体细胞杂种植株； 1977，英国胚胎工程技术，首例试管婴儿； 1997，多莉克隆羊；,三、细胞工程的主要研究内容及技术手段,1.研究内容 动植物细胞与组织培养； 细胞融合； 染色体工程； 胚胎工程； 干细胞与组织工程,从体内取出组织，模拟体内生理 环境，在无菌、适当温度和一定 营养条件下，使之生存和生长，
6、并维持其结构和功能的方法。习 惯上又泛指所有体外培养，即： 器官培养、组织培养和细胞培养,动物细胞与组织培养,植物细胞与组织培养,在无菌条件下，利用人工培养基对植物组织的培养，包括原生质体、悬浮细胞和植物器官等的培养。,许多名贵植物，之所以名贵，是因为繁殖系数太低，种子结实率低或者不结种子，而营养繁殖又很慢。利用组织培养再生植株，进行大量繁殖，可以大大提高繁殖系数。目前组织培养快速繁殖已在许多植物上应用，最早是兰花（60年代）。,在离体条件下利用人工方法把不同的细胞通过无性方式融合成一个杂合细胞的技术。,细胞融合,植物利用细胞融合技术，克服远缘杂交不亲和性。野生种往往有许多优良性 状，如抗干旱
7、、抗病虫害、耐涝、耐瘠薄、耐盐碱、抗冻等特性。但大部分 野生种与栽培种杂交不亲和，严重影响了野生种优良遗传基因的应用。利用 细胞融合，可以克服杂交不亲和性，获得体细胞杂种，使野生种的利用成为 可能。动物-单克隆抗体。,染色体工程,按照一定的设计，以染色体组或个别染色体为单位，有计划地消减、添加或替换同种或异种染色体。 例如：三倍体无籽西瓜,胚胎工程 定义：以生殖细胞和胚胎细胞为对象进行的操作，主要技术包括超数排卵、体外受精、胚胎切割、胚胎移植等。,克隆动物-细胞核移植,利用显微操作技术将细胞核与细胞质分离，然后再将不同来源的核与质重组，形成杂种细胞。,2002年5月24日，广西大学动物繁殖研究
8、所宣布，研究人员于5月中旬成功地繁殖了一只胚胎细胞克隆兔。这只克隆兔出生时重82克，如今体重增长数倍，看上去发育良好。与一般实验动物相比，兔子与人类的生理更加接近，克隆兔的成功诞生，有助于人类医学研究。出生近两周的克隆兔(前)与同日出生的普通兔(后)相比，体形上要大许多。,多利于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“多利”于2003年2月因肺部感染而安乐死。,动植物细胞培养 动植物细胞融合 单克隆抗体 胚 胎 移 植 核 移 植,2.常用的技术手段,四、细胞工程重要应用及其与其它生物工程的关系,(一)细胞工程重要应用 优质植物快
9、速培育与繁殖； 动物胚胎工程快速繁殖优良、濒危品种； 利用动植物细胞培养生产活性产物、药品； 新型动植物品种的培育； 供医学器官修复或者移植的组织工程； 转基因动植物的生物工程反应器； 在遗传学、发育学等领域的理论研究； 在能源、环保等领域的应用。,(二)细胞工程与其它生物工程之间的关系,1.细胞工程的建立依赖于相关科学理论的发展。2.为生物学研究提供新的实验体系。3.细胞工程必须和其它生物技术结合才能更好地发挥作用。,现代生物工程热点,人类基因组计划（HGP）,干细胞研究与发展前景,克隆技术的发展,HGP的科学意义重大，可与产生原子弹的曼哈顿工程和人类登月阿波罗飞行任务相媲美，是当前国际生物
10、学、医学领域内一项引人注目的工程，是人类自然科学史上最重大的研究项目之一，将推动整个生命科学的发展。,美国：WASHMIT等7家研究中心，贡献率为54。 英国：SANGER一家研究中心，贡献率为33。 日本：RIKEN等两家研究中心，贡献率为7。 法国：GENOSCOPE研究中心，贡献率为2.8。 德国：IMB等3家研究中心，贡献率为2.2。 中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究中心等三家，贡献率为1。,基因数量少得惊人 人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠” 三分之一为“垃圾”DNA 种族歧视毫无根据 男性基因突变比例更高,人类基因组研究结论,研究揭示干细胞移植治疗帕金森病机理 科学家
11、用多能干细胞培育出胃组织 首次用成体干细胞培养出肾脏组织 干细胞疗法或能让脱发再生 利用干细胞技术诞生的体外受精婴儿引发争议 ,干细胞研究与发展前景,也就是说，以后生孩子没男人什么事儿了？！,克隆技术-乳汁中含人生长激素的转基因牛(阿根廷),2000年，法国科学家利用基因技术“制造”出了一只可以发出绿色荧光的兔子“Alba”。在普遍光线下，它看上去与其它同类没有区别，但是在较暗的光线下，它的身体就会放射出奇异的绿光来。,人工关节-软骨再生,细胞工程其它应用,Nobel Prize For Physiology Or Medicine,2010,In vitro fertilization(IVF),细胞工程相关学习网络,细胞工程 上海交通大学 李志勇 http:/ 华中农业大学http:/
