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1、第二章 现代生物技术进步,1,第一节 生物技术概述,生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点，主要由于两方面的原因： （1）二十世纪后叶，分子生物学领域一系列突破性成就，使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的变化 （2）建立在实验室研究基础上的生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财富。 生物技术将是未来经济发展的新动力 第一次技术革命 工业革命 解放人的双手 第二次技术革命 信息技术 扩展人的大脑 第三次技术革命 生物技术 改造生命本身,2,第一节 生物技术概述,一、何为生物技术 组成生物技术的三个互相关联的基本要素： 1、采用现代科学的基本理论和技术 生命科学涉及生物学、医学和农学等与
2、生命有关的学科领域。 生物学理论和技术是现代生物技术最重要的基础 探讨的问题有： 从DNA到蛋白质 从染色体到细胞 从生理现象到遗传变异 从受精到凋亡 从个体发育到物种进化,3,第一节 生物技术概述,2、应用生物材料和生物系统 开发利用的生物材料有： 植物、动物和微生物 上述三种的器官、组织、细胞、细胞器 无细胞系统、酶系统 利用生物特有的方式，在适当的条件下，经济地制备人类所需要的生物活性物质。,4,第一节 生物技术概述,3、通过一定的工程系统获得产品或提供服务 通过工程学途径，规模化地制备市场需要的生物产品。 提供治疗预防疾病、改善自然生态环境、消除环境污染等方面的服务。 如：药品、细胞、
3、DNA制品、动植物新品种、食品、肥料、试剂等。,5,第一节 生物技术概述,定义： 生物技术是以生命科学为基础，利用生物体及其细胞的、亚细胞的和分子的组成部分，结合工程学、信息学等手段开展研究及制造产品，或改造动物、植物、微生物等，并使其具有所期望的品质，特性，从而为社会提供商品和服务的综合性技术。,6,第一节 生物技术概述,二、生物技术发展沿革 1、近代生物学发展历程 三项伟大成就： 细胞学说 生物进化论 遗传定律,7,细胞学说,1665年,英国科学家胡克用自己设计与制造的的简易显微镜观察栎树软木塞切片时，发现其中有许多小室，他把这些小室称为细胞，实际上胡克当时看到的是细胞壁。这是人类发现细胞
4、的第一步。,8,1665年,细胞学说,1838年，德国植物学家施莱登使用分辨率达1m的显微镜，观察了量的植物组织后提出：“植物，不论发展到多么高级，都是由充分个体化的、各自独立的、分离的物体组成的聚合物，这些物体就是细胞。”,9,1838年,细胞学说,1839年，德国动物学家施旺通过对鱼、蛙、猪、等多种多细胞的系统观察后提出：“细胞是有机体，整个动物和植物都是细胞的集合体，它们依照一定的规律排列在动植物体内” 。,10,1839年,细胞学说,1858年，德国医生和病理学家魏尔肖指出：“细胞只能来自细胞，细胞是一个相对独立的生命活动的基本单位。这被认为是对细胞学说的重要补充。”,11,1858年
5、,生命的起源,12,生物进化论,13,达尔文,“贝格尔”号舰的航行,达尔文和进化论,1859年物种起源这部巨著出版了，引起极大的反响。 自然界中生物的物种是不断进化的，是不断从低级向高级发展的。 自然界进化的规则是物竞天择，适者生存。,14,孟德尔遗传定律,从1856-1871年进行了大量植物杂交试验研究； 其中对豌豆(严格自花授粉/闭花授粉)差别明显的7对简单性状进行了长达8年研究，提出遗传因子假说及其分离与自由组合规律； 1865年2月8日和3月8日先后两次在布尔诺自然科学会例会上宣读发表； 1866年整理成长达45页的植物杂交试验一文，发表在布隆自然科学会志第4卷上。,15,意义：奠定了
6、遗传科学基础,2、现代生物技术的兴起,1910年，果蝇白眼突变的研究，确证基因在染色体上，创立了基因论。 1941年，红色面包霉营养突变体研究，发现基因的功能是制造各种各样的蛋白质，提出“一种基因产生一种酶”的学说。 1950年玉米斑驳性状遗传研究，发现转座遗传因子，又叫“跳跃基因”，在染色体之间转移位置，调控基因的表达。 在此基础上，10年后另一项重大发现：3种不同的基因，即结构基因、操纵基因和调节基因。,16,2、现代生物技术的兴起,1953年，DNA双螺旋结构模型的创立，第一次提示了DNA分子的结构、组成及功能，开创了从分子水平揭示生命现象本质的新纪元。 1958年，证明了DNA半保留复
7、制和中心法则 1961年，发现DNA的遗传密码是由3个碱基组成的三联体。 1967年破译遗传密码，制定对应的密码子表，并适用于所有生物。 1970年，分离出第一个核酸限制性内切酶，使得有目的地割成为可能。 1972年，利用限制性内切酶和连接酶，得到第一个体外重组的DNA分子，从而建立了重组DNA技术。将生物技术带进了基因工程时代。 1976年，世界上第一家应用生物技术开发新药的公司（Genetech）的建立，拉开了现代生物技术产业发展的序幕。 1990年10月，正式启动“人类基因组计划”，2000年6月26日，参与 该项目的各国科学家公布了科学史上具有里程碑意义的第一张人类基因组工作草图。,1
8、7,2、现代生物技术的兴起,近20年崛起的各类生物技术： 酶或细胞固定化技术 细胞或原生质体融合技术 细胞大规模培养技术 生物反应器技术 动植物转基因技术 蛋白质工程技术 蛋白质组学技术 生物芯片技术 基因组测序分析技术 基因治疗技术 等等20多种。 应用范围：农业食品、医药卫生、化工环保、资源能源、海洋开发等。 解决问题：具有解决人类面临的食物、健康、资源和环境等重大问题的巨大潜力,18,第二节 生物技术的主要内容,生物技术的主要内容： 基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质（酶）工程 此外还有基因诊断与基因治疗技术、克隆动物技术、生物芯片技术、生物材料技术、生物能源技术、利用生物降解环境中有
9、毒有害化合物的技术。 直接相关联的学科：分子生物学、微生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、化学工程学、医药学等。 对人类和社会生活各方面影响最大的生物技术领域： 农业生物技术、医药生物技术、环境生物技术、海洋生物技术。,19,1、基因工程,基因工程是指在微观领域（分子水平）中，根据分子生物学和遗传学原理，设计并实施一项把一个生物体中有用的目的DNA(遗传信息)转入另一个生物体中，使后者获得新的需要的遗传性状或表达所需要的产物，最终实现该技术的商业价值。,20,基因工程与建筑工程,21,基因工程的应用,稀少珍贵的蛋白质药物： 1982年，美国食品与药物管理局批准了首例基因工程产品人胰岛素投放市
10、场它标志了基因工程产品正式进入到商业化阶段。 人生长激素、表皮生长因子、肿瘤坏死因子、a-干扰素、纤维素酶、抗血友病因子、红细胞生成素、尿激酶原、白细胞介素-2、集落刺激因子、乙肝疫苗等等。,22,基因工程的应用,畜牧业中的应用 动物疫苗、生长激素等。 例：从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA。,23,基因工程的应用,种植业中的应用 用携带外源基因的农杆菌Ti质粒转化植物原生质体，使外源DNA与植物染色体DNA整合，通过原生质体的培养分化成愈伤组织，最后发育成具有新性状的完整植株转基因植物,24,基因工程的应用,抗化学除草剂基因 转基因西红柿 固氮酶基因 ,25,转基因抗虫杨,基因工
11、程的应用,生态环境保护 环境监测 环境污染治理,26,环境监测,27,利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。,环境污染治理,基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。 通常一种假单孢杆菌只能分解石油中的一种烃类。用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。 科学家还培育出能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等有毒物质的细菌。,28,2、细胞工程,细胞工程 (cell engineering)是以细胞生物学和分子生物学为基础理论，采用原生质体、细胞或组织培养等试验方法或技术，在细胞
12、水平上研究改造生物遗传特性，以获得具有新的性状的细胞系或生物体以及生物的次生代谢产物，并发展有关理论和技术方法的学科。 细胞工程的核心技术：细胞培养与繁殖 目的：获得新性状、新个体、新物质,29,1）植物细胞和组织培养技术,从健康植株的特定部位或组织，如根、茎、叶、花、果实、胚珠、花药和花粉等，选择用于组织培养的起始材料，称之为外植体。 用一定的化学药剂，最常用的有次氯酸钠，升汞和酒精等对外植体表面消毒，建立无菌培养体系。严格控制无菌条件，这是获得培养成功的重要一步。 外植体块在培养基上形成疏松的愈伤组织，由愈伤组织分化出芽并可诱导形成根的小植株。,30,31,过程,离体的植物器官、组织或细胞
13、,愈伤组织,根、芽,植物体,外植体,脱分化,植物激素： 细胞分裂素、生长素,再分化,植物组织培养,植物组织培养条件：,含有全部营养成分的培养基、一定的温度、空气、无菌环境、适合的PH、适时光照等。,32,切取,33,接种,愈伤组织： 在人工培养基上由外植体长出来的一团无序生长的薄壁细胞（细胞排列疏松、无规则、高度液泡化的无定形的薄壁细胞）。,34,植物组织培养（试管苗的形成）,35,36,37,培养室,38,试管苗大规模培养,移栽,39,经过炼苗的小苗，可以和一般植物一样进行大规模栽培。,40,请同学们讨论如何实现?,2）动物细胞和组织培养技术,41,3）细胞融合技术（体细胞杂交技术）,42,
14、原生质体A,原生质体B,原生质体融合,正在融合的原生质体,再生出细胞壁,杂种细胞,愈伤组织,杂种植株,纤维素酶 果胶酶,物理方法 化学方法：,离心 振动 电刺激,聚乙二醇,植物组织培养,植物细胞融合,成果和尚未解决的问题： 成 果：克服不同生物远缘杂交的障碍， 出现自然界没有的新品种。 未解决问题：尚未让杂种植物按照人们的需要 表现出亲代的优良性状,43,44,4） 细胞器移植技术,277次乳腺细胞核移植实验； 获得29个发育为8细胞的“胚”； 1996年7月5日，羊羔6LL3，被命名为“多莉”。,45,预想的克隆人技术路线,5）染色体工程技术,染色体工程是按人们的需要来添加、削减或替换生物的
15、染色体的一种技术。主要分为动物染色体工程和植物染色体工程。,46,3、发酵工程,1. 什么是发酵? 通过微生物的培养,大量生产代谢产物的过程叫发酵. 2. 什么是发酵工程? 采用现代工程技术手段,利用微生物的某些特定功能,为人类生产有用的产品,或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术.,47,发酵工程的内容,48,1.菌种的选育,(1)最初,从自然界寻找所需菌种,(2)20世纪40年代,人工诱变育种,人工诱变方法,物理:,化学:,x、r射线、紫外线、激光,亚硝酸、硫酸二乙酯、氮芥,(3)开始用细胞工程、基因工程等方法,构建工程细胞或工程菌,优点:,能生产出一般微生物所不能生产的产品,发酵工
16、程的内容,49,2.培养基的配制,目的要明确 营养要协调 PH要适宜,3.灭菌,污染杂菌的危害?,导致产量大大下降,甚至得不到产物.,灭菌方法:,高压蒸汽灭菌 高温灭菌,发酵工程的内容,50,4.扩大培养和接种,5.发酵过程,-发酵的中心阶段,随时取样检测培养液中的细菌数目, 产物浓度等 及时添加必需的培养基成分 严格控制温度、PH、溶氧、通气量、 转速等条件,6.分离提纯,发酵工程产品:,代谢产物：,菌 体：,蒸馏、萃取、离子交换法,过滤、沉淀法,发酵过程示意图,51,52,53,54,发酵工程的应用,1.在医药工业上的应用,生产出种类繁多的药品,生产出大量的基因工程药品,2.在食品工业上的应用,生产传统的发酵食品,使产品的质量 和产量得到明显的提高. 生产各种各样的食品添加剂,改善食 品的品质及色、香、味. 为解决人类粮食短缺问题开辟新的途 径(单细胞蛋白).,传统黄酒酿造工艺,55,筛米浸米蒸饭
