现代生物技术概论刘柱生物化学与分子生物学课件

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1、现代生物技术概论课程要求刘柱刘柱生物系生物系2012.03.04授课方式授课方式t 授课方式以授课方式以PowerPoint讲板为主；讲板为主；1 1课堂教学课堂教学2 2课外教学课外教学t 多种渠道的师生交流多种渠道的师生交流；t 科学报告会科学报告会；1 1 平时成绩（平时成绩（2020分分）1)1)考勤（考勤（10 10 分分) )2) 2) 课堂回答问题（课堂回答问题（1010分）分）考试分数的组成考试分数的组成2 2 科学报告会（科学报告会（3030分）分）3 3考查或考试（考查或考试（50分分）科学报告会参考题目4人左右组成小组，讲解英文文献。人左右组成小组，讲解英文文献。主要内容

2、：主要内容：一、现代生物技术概述及应用一、现代生物技术概述及应用二、细胞工程概述二、细胞工程概述三、基因工程技术三、基因工程技术四、基因克隆的一些方法四、基因克隆的一些方法 生物技术（生物技术（Biotechnology）和生物工程）和生物工程（bioengineering）这两个名词常可通用。当）这两个名词常可通用。当“生物工程生物工程”不是指具体的工程项目，而是表示不是指具体的工程项目，而是表示所用的技术系统时，它就等同于所用的技术系统时，它就等同于“生物技术生物技术”了。了。 然而，有时一种生物工程包含不只一种生然而，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。物

3、技术，在具体概念上两者还是有区别的。s 生物工程的概念、特点生物工程的概念、特点s 生物工程的发展历程生物工程的发展历程s 生物工程的应用生物工程的应用一、生物工程一、生物工程（一）生物工程的概念、组成及特点（一）生物工程的概念、组成及特点 概念：是以概念：是以生命科学生命科学作为基础，应用作为基础，应用自然科学及自然科学及工程学工程学的原理，对的原理，对生物资源生物资源（包括动物、植物和微生（包括动物、植物和微生物）进行利用、改造并为人类提供服务的一个综合性物）进行利用、改造并为人类提供服务的一个综合性技术体系。技术体系。 运用现代生物学理论与科学技术改造细胞的遗运用现代生物学理论与科学技术

4、改造细胞的遗 传物质，获得具有优良品质的传物质，获得具有优良品质的动物、植物或微动物、植物或微 生物品系生物品系； 工业规模地利用现有生物体系，制备工业规模地利用现有生物体系，制备生物产品生物产品； 模拟生物体系，以生物化学代替化学工程，制备模拟生物体系，以生物化学代替化学工程，制备 工业产品工业产品； 发展相应的科学理论与工程技术。发展相应的科学理论与工程技术。生物工程概念的内涵：生物工程概念的内涵：生物工程的概念、组成及特点生物工程的概念、组成及特点生物工程产品包括：生物工程产品包括：大宗化工产品，如乙醇、柠檬酸、葡萄糖酸等；大宗化工产品，如乙醇、柠檬酸、葡萄糖酸等；精细化工产品，如各种氨

5、基酸、酶制剂；精细化工产品，如各种氨基酸、酶制剂；医药产品，如各种医药产品，如各种抗生素抗生素、多种甾体激素和维生素、多种甾体激素和维生素、 常规菌苗、常规菌苗、疫苗疫苗等；等；其他产品，如生物农药、食用及药用酵母、饲料蛋白其他产品，如生物农药、食用及药用酵母、饲料蛋白 (单细胞蛋白单细胞蛋白)、沼气等；、沼气等；现代生物技术产品，即通过重组现代生物技术产品，即通过重组DNA技术和细胞融合技术和细胞融合 技术等方法生产的产品，如干扰素、单克隆抗体、新技术等方法生产的产品，如干扰素、单克隆抗体、新 型疫苗等。型疫苗等。 生物工程的概念、组成及特点生物工程的概念、组成及特点 发酵工程发酵工程 酶工

6、程酶工程将常规菌将常规菌(或动植物细胞株或动植物细胞株)作为特定遗作为特定遗传物质受体，使它们获得外来基因，传物质受体，使它们获得外来基因，成为能表达超远缘性状的新物种成为能表达超远缘性状的新物种.为这有巨大潜在价值的新物为这有巨大潜在价值的新物种创造良好的生长与繁殖条种创造良好的生长与繁殖条件，进行大规模的培养件，进行大规模的培养主要技术范畴：主要技术范畴： 基因工程基因工程 细胞工程细胞工程蛋白质工程蛋白质工程组织工程组织工程 生物医学工程等生物医学工程等 1、基因工程：是以分子遗传学为理论基础，以分子生、基因工程：是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来

7、源的基因物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因（DNA分子），按照预先设计的蓝图，在体外构建杂种分子），按照预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新品种的过程。性、获得新品种、生产新品种的过程。 特征：特征：1)外源核酸分子能在不同的寄主生物中进行繁外源核酸分子能在不同的寄主生物中进行繁殖，可以跨越天然物种屏障；殖，可以跨越天然物种屏障； 2)实现很少量实现很少量DNA样品样品“拷贝拷贝”出大量的无污出大量的无污染其它染其它DNA序列的序列的DNA群。群。w获得目的基因获得目的基

8、因w构建构建基因表达载体基因表达载体w将目的基因导入受体将目的基因导入受体 细胞细胞w检测基因是否稳定高效表达检测基因是否稳定高效表达基因工程的相关技术：基因工程的相关技术：DNA体外重组技术：核心技术体外重组技术：核心技术克隆技术：通过细胞的无性繁殖克隆技术：通过细胞的无性繁殖基因工程的应用：基因工程的应用：转基因生物：超级细菌、转基因动物的转基因生物：超级细菌、转基因动物的“乳腺乳腺 制药厂制药厂”；基因诊断与治疗；基因诊断与治疗；基因工程药品：如用大肠杆菌生产人工胰岛素、基因工程药品：如用大肠杆菌生产人工胰岛素、 干扰素干扰素及疫苗等；及疫苗等；真核基因的表达调控；真核基因的表达调控；2

9、、发酵工程：指采用现代工程技术手段，在活细胞、发酵工程：指采用现代工程技术手段，在活细胞催化剂（主要是微生物细胞）作用下，为人类生产催化剂（主要是微生物细胞）作用下，为人类生产有用产品的过程。包括菌种的选育、培养基的配制、有用产品的过程。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灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。纯等方面。 菌种的来源包括细菌、菌种的来源包括细菌、放线菌放线菌、酵母菌和、酵母菌和霉菌霉菌四大类四大类 供菌体生长和产物形成所用培养基的制备；供菌体生长和产物形成所用培养基的制备；培养基、发酵罐和附属设备的灭菌；培养基、发酵罐和附属

10、设备的灭菌；供发酵生产用的种子制备；供发酵生产用的种子制备；在发酵罐中提供最佳条件，以使菌体生长和产物形成；在发酵罐中提供最佳条件，以使菌体生长和产物形成；产品的提炼和纯化；产品的提炼和纯化；生产中所产生的废物的处理。生产中所产生的废物的处理。发酵工程按获得的产品分为四个主要类型：发酵工程按获得的产品分为四个主要类型： 以获得微生物细胞为产品的过程；以获得微生物细胞为产品的过程； 以获得微生物酶为产品的过程；以获得微生物酶为产品的过程； 以获得微生物代谢产物的过程；以获得微生物代谢产物的过程； 以微生物进行以微生物进行生物转化生物转化的过程的过程 3、酶工程酶工程：是指利用酶催化剂所具有的特异

11、催化功能，：是指利用酶催化剂所具有的特异催化功能，借助工艺学手段和生物反应器装置来生产所需的生物借助工艺学手段和生物反应器装置来生产所需的生物化工产品的过程。包括酶制剂的制备、酶的修饰与改造、化工产品的过程。包括酶制剂的制备、酶的修饰与改造、酶的固定化及酶反应器等方面。主要应用于食品工业、酶的固定化及酶反应器等方面。主要应用于食品工业、轻工业以及医药工业中。轻工业以及医药工业中。 酶反应过程专一性强，转化率高，但成本较高；发酶反应过程专一性强，转化率高，但成本较高；发酵过程应用面广，成本较低，但反应机理复杂，难以进行酵过程应用面广，成本较低，但反应机理复杂，难以进行控制，产物中常含有杂质，给提

12、取带来困难。控制，产物中常含有杂质，给提取带来困难。 、 产酶的微生物发酵或动植物细胞培养过程。产酶的微生物发酵或动植物细胞培养过程。胞内酶胞内酶的微生物细胞破碎过程，的微生物细胞破碎过程，胞外酶胞外酶直接将发直接将发酵液过滤除去菌体即可。酵液过滤除去菌体即可。酶的分离纯化过程。根据酶分子与其他蛋白质之酶的分离纯化过程。根据酶分子与其他蛋白质之间性质的差异，例如分子的大小、溶解度的不同，用盐间性质的差异，例如分子的大小、溶解度的不同，用盐析法、有机溶媒沉淀法、电渗析法、离子交换层析和电析法、有机溶媒沉淀法、电渗析法、离子交换层析和电泳法等技术，将酶进行分离纯化。泳法等技术，将酶进行分离纯化。

13、酶的修饰：酶蛋白侧链基团的修饰、金属离子置酶的修饰：酶蛋白侧链基团的修饰、金属离子置换等，以提高酶活力、稳定性，降低或消除抗原性。换等，以提高酶活力、稳定性，降低或消除抗原性。 酶固定在载体上的酶固定在载体上的固定化过程固定化过程。 酶反应器的设计和酶反应控制。对于游离酶反应，酶反应器的设计和酶反应控制。对于游离酶反应，通常采用分批搅拌槽反应器；对于固定化酶反应，则常通常采用分批搅拌槽反应器；对于固定化酶反应，则常用连续柱式反应器。用连续柱式反应器。 酶工程的流程：酶工程的流程：4、细胞工程细胞工程：应用细胞生物学的方法，有计划地改变：应用细胞生物学的方法，有计划地改变细胞遗传物质并使之增殖，

14、从而生产有用的产物或引向细胞遗传物质并使之增殖，从而生产有用的产物或引向成体化的综合科学技术。成体化的综合科学技术。 细胞工程包括：细胞大量培养及控制生长、增殖并细胞工程包括：细胞大量培养及控制生长、增殖并引向成体化等一系列技术、细胞融合技术、细胞拆合引向成体化等一系列技术、细胞融合技术、细胞拆合技术、向细胞内引入高分子物质等技术。技术、向细胞内引入高分子物质等技术。5蛋白质工程在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学，计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，对蛋白质进行修饰，改造和拼接以生产出能满足人类需要的新型蛋白质的技术。5、组织工程：组织工程：由美国国家科学基金委员会于1987年正式

15、提出和确定的，是应用细胞生物学、生物材料和工程学的原理，研究开发用于修复或改善人体病损组织或器官的结构、功能的生物活性替代物的一门科学。1970康奈尔大学 化学工程学士1974麻省理工学院化学工程博士 “Enzymatic regeneration of ATP ”19741977 哈佛医学院博士后癌症研究1977麻省理工学院教授研究领域：生物技术、药学、化学、医学Langer的成就的成就发表论文1050篇-药物控释;申请专利750篇; 获得170多项奖励其中包括2006年美国国家科学奖, Charles Stark Draper Prize ,相当于工程界的Nobel Prize; 2008

16、 Millennium, 世界上最大的技术应用奖。Lab Members MIT (2005) 存在问题在组织缺损修复治疗中，对器官组织移植有巨大需求。但在器官移植技术中，仍存在许多困难和问题，如自体组织器官移植，由于组织供区有限而存在较大局限性。严重的器官和组织短缺，使外源性器官移植难以实现。外源性器官移植还存在着不能克服的短期和长期免疫排斥问题。曾经的麦蒂征战多年伤痕累累按照现有医疗水平恢复的麦蒂组织工程临床应用后麦蒂王者归来！生物工程重点研究的内容生物工程重点研究的内容：新型生物反应器研究开发，特别是针对重组新型生物反应器研究开发，特别是针对重组DNA技术、技术、细胞融合技术所获得的新产

17、品的投产；细胞融合技术所获得的新产品的投产；新型分离方法新型分离方法及设备的开发；及设备的开发；各种描述生物反应过程的数学模型的建立，将有利于各种描述生物反应过程的数学模型的建立，将有利于过程的控制和优化以及计算机的运用；过程的控制和优化以及计算机的运用；生产过程控制手段的改造，重点要解决的是各种能反生产过程控制手段的改造，重点要解决的是各种能反映反应过程变化特性参数的传感器的研制和计算机控制映反应过程变化特性参数的传感器的研制和计算机控制系统的完善。系统的完善。（二）生物工程的发展历程（二）生物工程的发展历程 生物工程是个古老而又年轻的科学，它的历史几乎与生物工程是个古老而又年轻的科学，它的

18、历史几乎与人类文明的发展史一样源远流长，可以追溯到几千年以前。人类文明的发展史一样源远流长，可以追溯到几千年以前。第一代生物工程：古代以第一代生物工程：古代以非纯种微生物非纯种微生物发酵工艺为标志发酵工艺为标志 8000年前苏米尔人已掌握制作年前苏米尔人已掌握制作啤酒啤酒技术；技术； 6000年前埃及人已能制作年前埃及人已能制作面包面包； 5000年前我国已掌握了年前我国已掌握了酿酒酿酒技术。技术。第二代生物工程：近代以第二代生物工程：近代以纯种微生物纯种微生物发酵工艺为标志发酵工艺为标志 从从1857年年Pasteur L 发现发酵过程是微生物作用的发现发酵过程是微生物作用的结果，开始利用纯

19、种微生物发酵工业大规模生产抗生素、结果，开始利用纯种微生物发酵工业大规模生产抗生素、氨基酸、有机酸、酶制剂、核酸及单细胞蛋白等产品。氨基酸、有机酸、酶制剂、核酸及单细胞蛋白等产品。 19世纪大规模生产乳酸、酒精、面包酵母、柠檬世纪大规模生产乳酸、酒精、面包酵母、柠檬 酸和蛋白酶等初级代谢产物；酸和蛋白酶等初级代谢产物； 20世纪世纪40年代，以获取微生物的次级代谢产物年代，以获取微生物的次级代谢产物 抗生素工业成为生物工程的支柱产业；抗生素工业成为生物工程的支柱产业； 20世纪世纪50年代后，随着微生物代谢调控机制的阐年代后，随着微生物代谢调控机制的阐 明，开始发展氨基酸、核苷酸、酶制剂等发酵

20、工业。明，开始发展氨基酸、核苷酸、酶制剂等发酵工业。生物工程的发展历程生物工程的发展历程第三代生物工程：以第三代生物工程：以1973年建立的重组年建立的重组DNA技术基因技术基因 工程为标志工程为标志 1973年后，年后，细胞融合细胞融合及及单克隆抗体技术单克隆抗体技术相继成相继成功，并实现了动植物细胞的大规模培养技术，同时功，并实现了动植物细胞的大规模培养技术，同时固定化生物催化剂固定化生物催化剂也得到了广泛应用、也得到了广泛应用、 新型生物反新型生物反应器不断涌现，且形成了相应的产业，使生物工程应器不断涌现，且形成了相应的产业，使生物工程迅速完成了从传统生物技术向现代生物技术的飞跃迅速完成

21、了从传统生物技术向现代生物技术的飞跃转变，成为真正意义上的生物工程，代表着转变，成为真正意义上的生物工程，代表着21世纪世纪的发展方向。的发展方向。 生物工程的发展历程生物工程的发展历程（三）生物工程的应用（三）生物工程的应用1、发酵工程：由微生物发酵大量生产各种氨基酸、抗、发酵工程：由微生物发酵大量生产各种氨基酸、抗生素、酶、核酸、有机酸、醇类制品，提供了大量药物、生素、酶、核酸、有机酸、醇类制品，提供了大量药物、食品、饲料添加剂及化工原料。食品、饲料添加剂及化工原料。 如，在制药工业，筛选了低毒氨基酸糖苷抗生素、如，在制药工业，筛选了低毒氨基酸糖苷抗生素、抗肿瘤抗生素等；在农业，研制了一大

22、批新型无公害、抗肿瘤抗生素等；在农业，研制了一大批新型无公害、高效、专一性强的高效、专一性强的杀虫剂杀虫剂、除莠剂除莠剂、植物生长调节剂、植物生长调节剂等微生物新药。等微生物新药。2、酶工程：、酶工程： 发现和制备了更丰富的生物酶；对酶催化反应的机理、发现和制备了更丰富的生物酶；对酶催化反应的机理、工艺和应用研究达到新水平；固定化酶技术的发展使酶工工艺和应用研究达到新水平；固定化酶技术的发展使酶工程效率更高、成本更低、产品更丰富；装有固相化酶或菌程效率更高、成本更低、产品更丰富；装有固相化酶或菌体的化学传感器已被用来监测生成抗生素、维生素、氨基体的化学传感器已被用来监测生成抗生素、维生素、氨基

23、酸及生物需氧量等。酸及生物需氧量等。生物工程的应用生物工程的应用生物工程的应用生物工程的应用3、基因工程：、基因工程：转基因植物：抗病虫害的转基因作物如棉花、水稻、玉转基因植物：抗病虫害的转基因作物如棉花、水稻、玉米和马铃薯以及米和马铃薯以及抗除草剂抗除草剂的高粱、小麦、大豆和玉米等的高粱、小麦、大豆和玉米等已形成产业规模已形成产业规模 ；富含；富含高色氨酸、高蛋白的转基因玉米高色氨酸、高蛋白的转基因玉米、含含高不饱和脂肪酸高不饱和脂肪酸的转基因油类等高营养和特殊功能的的转基因油类等高营养和特殊功能的食品已培育成功。食品已培育成功。但很多转基因植物富含争议。但很多转基因植物富含争议。转基因动物

24、：将人体基因注入动物中，获得的子代动物转基因动物：将人体基因注入动物中，获得的子代动物具有人体蛋白，可从中提取人体需要的药物蛋白；具有人体蛋白，可从中提取人体需要的药物蛋白；“乳腺乳腺制药厂制药厂”；转基因猪、鱼生长加快，增加产量，转基因羊；转基因猪、鱼生长加快，增加产量，转基因羊增加产毛量。增加产毛量。转基因药品：疫苗、单克隆抗体、胰岛素、细胞因子等转基因药品：疫苗、单克隆抗体、胰岛素、细胞因子等生物工程的应用生物工程的应用4、细胞工程：、细胞工程： 避免直接从动、植物整体提取产物所受到的资源限制避免直接从动、植物整体提取产物所受到的资源限制及环境条件的影响，为某些及环境条件的影响，为某些珍

25、稀植物珍稀植物的快速繁殖、植物的快速繁殖、植物的复壮等提供可行的办法。的复壮等提供可行的办法。 通过不同植物或动物细胞之间的融合，可获得杂种细通过不同植物或动物细胞之间的融合，可获得杂种细胞，培育出新的动植物杂交种。如，在美国，采用胚胎胞，培育出新的动植物杂交种。如，在美国，采用胚胎移植技术实现奶牛良种化，比传统的杂交改良方法至少移植技术实现奶牛良种化，比传统的杂交改良方法至少节省节省10年时间，已建立起高产奶牛的繁育体系和生产体系。年时间，已建立起高产奶牛的繁育体系和生产体系。 现代生物工程技术已在农业、医药、轻工业、现代生物工程技术已在农业、医药、轻工业、食品、环保、海洋和能源等许多领域得

26、到广泛的食品、环保、海洋和能源等许多领域得到广泛的应用。应用。生物工程的应用生物工程的应用生物工程的发展趋势：生物工程的发展趋势： 新技术交织应用，育种跨越生物新技术交织应用，育种跨越生物“界界”的鸿沟。的鸿沟。 基因工程药物、疫苗研究与开发突飞猛进。基因工程药物、疫苗研究与开发突飞猛进。 转基因植物与动物取得重大突破。转基因植物与动物取得重大突破。 阐明生物体基因组及其编码蛋白质的结构与功能阐明生物体基因组及其编码蛋白质的结构与功能发展发展迅速，如人、拟南芥、斑马鱼等全基因组测序已经完成。迅速，如人、拟南芥、斑马鱼等全基因组测序已经完成。 基因治疗取得重大进展，可能革新整个疾病的预防和基因治

27、疗取得重大进展，可能革新整个疾病的预防和治疗领域。治疗领域。 分子生物学、（蛋白质）结构生物学、计算机技术等分子生物学、（蛋白质）结构生物学、计算机技术等学科结合紧密，生物信息学发展迅速。学科结合紧密，生物信息学发展迅速。生物工程的应用生物工程的应用二、细胞工程简介二、细胞工程简介s 细胞工程的研究内容、细胞工程的研究内容、 主主要技术及其应用要技术及其应用s 细胞工程与基因工程的关系细胞工程与基因工程的关系s 细胞工程的主要成就细胞工程的主要成就s 细胞工程的生物学基础细胞工程的生物学基础（一）细胞工程的研究内容、 主要技术及其应用 细胞工程是在细胞水平上研究、开发、利用各类细胞工程是在细胞

28、水平上研究、开发、利用各类细胞的工程。细胞的工程。 细胞水平上的生命活动，是连接着分子水平上的细胞水平上的生命活动，是连接着分子水平上的各种生物大分子和个体水平上的各种器官系统的综合生各种生物大分子和个体水平上的各种器官系统的综合生命活动。命活动。 围绕着生命活动这个中心，分子水平上研究的是围绕着生命活动这个中心，分子水平上研究的是DNA的复制与转录、的复制与转录、RNA的翻译、蛋白质执行各种生的翻译、蛋白质执行各种生命活动；细胞水平的是细胞增殖、分化、死亡；而个体命活动；细胞水平的是细胞增殖、分化、死亡；而个体水平上则是遗传和发育。水平上则是遗传和发育。 研究内容：研究内容： 细胞工程的发展

29、建立在细胞融合的基础上，人们细胞工程的发展建立在细胞融合的基础上，人们可以根据需要，经过科学设计，在细胞水平上改造生可以根据需要，经过科学设计，在细胞水平上改造生物的遗传物质。物的遗传物质。细胞工程的研究内容、细胞工程的研究内容、 主要技术及其应用主要技术及其应用主要技术方法？主要技术方法？细胞培养：细胞培养：是将生物体内的某一组织分散成单个细胞，是将生物体内的某一组织分散成单个细胞，接种在人工配制的培养基上，然后在适当的条件下接种在人工配制的培养基上，然后在适当的条件下（如一定的光照、温度和（如一定的光照、温度和pH值等）进行培养技术。值等）进行培养技术。由于单个细胞的培养难度大一些，目前多

30、采用组织培由于单个细胞的培养难度大一些，目前多采用组织培养技术。如通过植物器官（根尖、茎尖、花药等）的离养技术。如通过植物器官（根尖、茎尖、花药等）的离体培养，生成新植株（试管苗）。从而快速、大量繁殖体培养，生成新植株（试管苗）。从而快速、大量繁殖一些有价值的植物。一些有价值的植物。细胞融合：指在外力（诱导剂或促融剂）作用下，两个细胞融合：指在外力（诱导剂或促融剂）作用下，两个或两个以上的异源（种、属间）细胞或原生质体相互接或两个以上的异源（种、属间）细胞或原生质体相互接触，从而发生膜融合、胞质融合和核融合并形成杂种细触，从而发生膜融合、胞质融合和核融合并形成杂种细胞的现象，也称为细胞杂交；如

31、取材为体细胞则称为体胞的现象，也称为细胞杂交；如取材为体细胞则称为体细胞杂交。细胞杂交。细胞凝集细胞凝集膜粘连，融膜粘连，融合成多核细胞合成多核细胞核融合成单核融合成单核的杂种细胞核的杂种细胞灭活的仙台病毒、硫酸二乙酯灭活的仙台病毒、硫酸二乙酯等等促融剂促融剂融合融合细胞拆合：将完整细胞的细胞核和细胞质用特殊的方法细胞拆合：将完整细胞的细胞核和细胞质用特殊的方法分离开来，如把细胞核从细胞质中吸取出来，或用分离开来，如把细胞核从细胞质中吸取出来，或用紫外紫外线等线等-，然后再把分离的不同细胞的细，然后再把分离的不同细胞的细胞核和胞质重新组合起来，培育成新的细胞或新的生物体。胞核和胞质重新组合起来

32、，培育成新的细胞或新的生物体。细胞重组：将细胞融合技术与细胞拆合技术结合，在融合细胞重组：将细胞融合技术与细胞拆合技术结合，在融合介质诱导下，使胞质体（去核的细胞结构）与完整细胞合介质诱导下，使胞质体（去核的细胞结构）与完整细胞合并，重新构成胞质杂种细胞的过程。并，重新构成胞质杂种细胞的过程。细胞重组的方式：细胞重组的方式： 胞质体与完整细胞重组形成胞质杂种；胞质体与完整细胞重组形成胞质杂种； 微细胞（微细胞（只含有少数染色体与薄层细胞质、细胞膜只含有少数染色体与薄层细胞质、细胞膜的结构的结构）与完整细胞重组形成微细胞异核体；）与完整细胞重组形成微细胞异核体； 胞质体与核体重新组合形成重组细胞

33、。胞质体与核体重新组合形成重组细胞。向细胞内引入高分子物质：把蛋白质、核酸等有生物活向细胞内引入高分子物质：把蛋白质、核酸等有生物活性的高分子物质或细胞器，应用性的高分子物质或细胞器，应用磷酸钙、脂质体、红细磷酸钙、脂质体、红细胞血影、仙台病毒及直接的显微注射胞血影、仙台病毒及直接的显微注射等方法引入细胞内，等方法引入细胞内，观察该类物质进入细胞后所发生的变化及起的作用等。观察该类物质进入细胞后所发生的变化及起的作用等。 不涉及应用不涉及应用DNA体外重组技术构建质粒来转移基因，体外重组技术构建质粒来转移基因，不属于基因工程。不属于基因工程。细胞工程的兴起：细胞工程的兴起： 在植物学界，早在在

34、植物学界，早在1902年德国的植物学家哈泊兰德就年德国的植物学家哈泊兰德就 预言植物细胞的全能性，之后得到了一系列实验的证预言植物细胞的全能性，之后得到了一系列实验的证实。实。 在动物学界，在动物学界，1907年美国哈里森采用盖玻璃片悬滴培年美国哈里森采用盖玻璃片悬滴培养养 蛙胚神经组织，存活了数周并观察到细胞的生长现蛙胚神经组织，存活了数周并观察到细胞的生长现象，象， 从而开创动物细胞培养的先河。从而开创动物细胞培养的先河。 微生物繁殖快、世代时间短、单倍体期较长，在较短微生物繁殖快、世代时间短、单倍体期较长，在较短 时间内能生长出大量相对同源的种群，便于遗传育种。时间内能生长出大量相对同源

35、的种群，便于遗传育种。 1964-1967年，植物细胞年，植物细胞“全能性全能性”学说证实后，经离体学说证实后，经离体 组织、细胞或组织、细胞或花药、花粉花药、花粉培养获得单倍体植株，使得培养获得单倍体植株，使得 高等植物像微生物一样在大发酵罐中生产各种植物的高等植物像微生物一样在大发酵罐中生产各种植物的 代谢产物成为可能，如纤维素酶、果胶酶等酶制剂的代谢产物成为可能，如纤维素酶、果胶酶等酶制剂的 大量生产。大量生产。 20世纪世纪60年代初，年代初，Cocking 等用酶溶解植物细胞壁，等用酶溶解植物细胞壁， 制备了大量有活力的原生质体，为原生质体实验系统制备了大量有活力的原生质体，为原生质

36、体实验系统 奠定了基础。奠定了基础。 1958年，冈田善雄发现紫外线灭活的仙台病毒可引起年，冈田善雄发现紫外线灭活的仙台病毒可引起 艾氏腹水瘤细胞彼此融合；艾氏腹水瘤细胞彼此融合；1965年，年，Harris & Warkins 成功地将人细胞和鼠细胞融合在一起，证实动物界中成功地将人细胞和鼠细胞融合在一起，证实动物界中 细胞融合没有种和属的界限。细胞融合没有种和属的界限。 20世界世界70年代，科学家尝试用各种化学诱变剂诱导年代，科学家尝试用各种化学诱变剂诱导原生原生 质体质体融合，自融合，自1974年发现用聚乙二醇（年发现用聚乙二醇（PEG）和）和Ca 2+ 能显著提高植物原生质体的融合效

37、率，能显著提高植物原生质体的融合效率，PEG现已扩展应现已扩展应 用到动物、真菌、酵母及细菌、放线菌、霉菌等多种微用到动物、真菌、酵母及细菌、放线菌、霉菌等多种微 生物种间、属间原生质体融合技术中。生物种间、属间原生质体融合技术中。 20世纪世纪70年代初，诞生了细胞拆合工程，去核细胞和核年代初，诞生了细胞拆合工程，去核细胞和核 移植实验长期依赖于显微外科手术进行。移植实验长期依赖于显微外科手术进行。1967年，年，Carter 发现细胞松弛素发现细胞松弛素B （CB）能诱发体外培养的小鼠）能诱发体外培养的小鼠L 细胞细胞 的排核作用；的排核作用；1972年，年，Prescott 首次应用首次

38、应用离心技术离心技术结合结合 CB 成功分离哺乳类细胞的胞质体，为研究细胞核、质成功分离哺乳类细胞的胞质体，为研究细胞核、质 关系及细胞质基因的转移开创了新途径。关系及细胞质基因的转移开创了新途径。 20世界世界80年代，细胞重组工程得到了发展。年代，细胞重组工程得到了发展。1982年，年， Perenczy 首先在真菌中使核与原生质体融合成重组细胞首先在真菌中使核与原生质体融合成重组细胞 取得成功，成为育种的一种新途径，取得成功，成为育种的一种新途径， 最近最近20年，细胞工程技术与基因工程技术紧密结合起来，年，细胞工程技术与基因工程技术紧密结合起来， 使动物胚胎移植技术进入实用化阶段；培育

39、出抗病毒、使动物胚胎移植技术进入实用化阶段；培育出抗病毒、 抗除草剂、抗虫害、抗除草剂、抗虫害、高蛋白的各种农作物品种高蛋白的各种农作物品种，培养出，培养出 携带携带人的生长激素基因的猪和鱼人的生长激素基因的猪和鱼，得到了转基因鼠、兔、，得到了转基因鼠、兔、 绵羊、猪、牛等，并从这些动物的血液、乳汁中得到有绵羊、猪、牛等，并从这些动物的血液、乳汁中得到有 医用价值的蛋白质和各种细胞因子等。医用价值的蛋白质和各种细胞因子等。 l 最具代表性的游戏是美国耶鲁大学教授克莱白特最具代表性的游戏是美国耶鲁大学教授克莱白特L马格特和罗伯特马格特和罗伯特M彼德斯的杰作。彼德斯的杰作。 他们在黑毛鼠、白毛鼠、

40、黄毛鼠的受精卵分裂成他们在黑毛鼠、白毛鼠、黄毛鼠的受精卵分裂成8个个细胞时用特制的吸管把细胞时用特制的吸管把8细胞胚吸出输卵管，然后用一种细胞胚吸出输卵管，然后用一种酶将包裹在各个胚胎上的粘液溶解，再把这三种鼠的酶将包裹在各个胚胎上的粘液溶解，再把这三种鼠的8细细胞胚放在同胞胚放在同 一溶液中使之组装成一个具有一溶液中使之组装成一个具有24个细胞的个细胞的“组组装胚装胚”。马格特和彼德斯把。马格特和彼德斯把“组装胚组装胚”移移 植到一只老鼠的子植到一只老鼠的子宫内。不久，一只奇怪的组装鼠问世了，这只组装鼠全身宫内。不久，一只奇怪的组装鼠问世了，这只组装鼠全身披着黄、白、披着黄、白、 黑三种不同

41、颜色的皮毛。黑三种不同颜色的皮毛。 英国和美国还英国和美国还“组装组装”了绵羊和山羊的嵌合体了绵羊和山羊的嵌合体绵山羊。绵山羊。l 1978年英国采用胚胎工程技术成功培育出世界首例试年英国采用胚胎工程技术成功培育出世界首例试管婴儿管婴儿 试管婴儿是试管婴儿是“体外受精和胚胎移植体外受精和胚胎移植”的简称。它通的简称。它通过手术将女性的成熟卵子取出，然后与精子于试管中受过手术将女性的成熟卵子取出，然后与精子于试管中受精，在培养精，在培养4天后，再把这个受精卵移植到女子的子宫天后，再把这个受精卵移植到女子的子宫里安胎，发育为胎儿。里安胎，发育为胎儿。试管婴儿是由英国医生帕特里克斯特普托发明的，试管

42、婴儿是由英国医生帕特里克斯特普托发明的，主要用来治疗有排卵功能而输卵管堵塞引起的女性不育主要用来治疗有排卵功能而输卵管堵塞引起的女性不育症。症。 世界上第一个试管婴儿路易斯布朗（女）于世界上第一个试管婴儿路易斯布朗（女）于1978年年7月月25日诞生在英国的曼彻斯特。目前全世界已有几日诞生在英国的曼彻斯特。目前全世界已有几千名试管婴儿诞生，我国第一个试管婴儿于千名试管婴儿诞生，我国第一个试管婴儿于1988年年3月月10日诞生。日诞生。克隆即无性繁殖系，是指从一个共同的祖先，通克隆即无性繁殖系，是指从一个共同的祖先，通过无性繁殖的方法产生出来的一群遗传特性相同过无性繁殖的方法产生出来的一群遗传特

43、性相同的分子、细胞或个体。克隆动物一般是指的分子、细胞或个体。克隆动物一般是指通过无性繁殖形成动物后代。通过无性繁殖形成动物后代。l 克隆动物：克隆动物：动物细胞的全能性：动物细胞的全能性：低等动物的鱼、两栖类等，从低等动物的鱼、两栖类等，从2细胞到囊胚期细胞到囊胚期的细胞的细胞都具有全能性，高等动物从都具有全能性，高等动物从胚胎胚胎2细胞到细胞到64细胞以及细胞以及内细胞团的胚胎细胞内细胞团的胚胎细胞也具有发育的全能性也具有发育的全能性 细胞工程的研究内容、细胞工程的研究内容、 主要技术及其应用主要技术及其应用l 1997年年 “多莉羊多莉羊” 多莉羊是由多莉羊是由多塞特母绵羊成体提供多塞特

44、母绵羊成体提供乳腺细胞的细胞核乳腺细胞的细胞核，由黑面母绵羊排出未受精的卵细胞，并摘去细胞核，在电由黑面母绵羊排出未受精的卵细胞，并摘去细胞核，在电脉冲作用下进行二者细胞融合，由此形成的胚胎细胞植入脉冲作用下进行二者细胞融合，由此形成的胚胎细胞植入到另一只黑面母绵羊子宫中发育，最后产下多莉羊。到另一只黑面母绵羊子宫中发育，最后产下多莉羊。 它存活了它存活了8年，表形特征同核供体多塞特母绵羊完全一年，表形特征同核供体多塞特母绵羊完全一样，并能够繁殖，可能具有样，并能够繁殖，可能具有早衰现象早衰现象。 多莉羊多莉羊克隆成功，表明动物体细胞克隆获得成功，将克隆成功，表明动物体细胞克隆获得成功，将为为

45、医学界带来巨大机遇医学界带来巨大机遇，同时，也在，同时，也在伦理界引来道德的谴伦理界引来道德的谴责声责声。 2001年英国克隆猪：年英国克隆猪： 总部设在苏格兰的英国总部设在苏格兰的英国PPL医疗公司称，已经克医疗公司称，已经克隆出了隆出了5头幼猪，它们身上没有人体会排斥的基因，从头幼猪，它们身上没有人体会排斥的基因，从而解决了而解决了猪器官移植时常常出现的排异现象猪器官移植时常常出现的排异现象。 2005年年10月意大利媒体报道，几周前月意大利媒体报道，几周前14只克隆小猪只克隆小猪仔降生于意大利著名的克雷莫纳繁殖技术研究中心，仔降生于意大利著名的克雷莫纳繁殖技术研究中心，目前的健康状态良好

46、。为动物目前的健康状态良好。为动物-人类的异种器官移植的人类的异种器官移植的早日实现带来了更大的希望。早日实现带来了更大的希望。细胞工程的研究内容、细胞工程的研究内容、 主要技术及其应用主要技术及其应用细胞工程的主要技术及其应用：细胞工程的主要技术及其应用： 细胞融合技术、细胞拆合技术、胚胎移植技术和细胞融合技术、细胞拆合技术、胚胎移植技术和细胞组织培养技术细胞组织培养技术（二）细胞工程与基因工程的关系（二）细胞工程与基因工程的关系 细胞工程与基因工程相互渗透细胞工程与基因工程相互渗透（三）细胞工程的主要成就（三）细胞工程的主要成就 细胞工程所要求的技术条件、实验设备及试剂、细胞工程所要求的技

47、术条件、实验设备及试剂、经费等均比基因工程要求的低一些。利用细胞工程经费等均比基因工程要求的低一些。利用细胞工程技术，可以大量培养细胞组织乃至完整个体。技术，可以大量培养细胞组织乃至完整个体。 1、植物细胞工程方面、植物细胞工程方面 植物细胞培养：理论基础为植物细胞全能性植物细胞培养：理论基础为植物细胞全能性（2 2）无病毒植物的培育）无病毒植物的培育（3 3）提取原料）提取原料（4 4）人工种子人工种子（5 5）转基因植物的培育）转基因植物的培育（1）试管苗的快速繁殖：如从一个嫩枝茎尖可育出）试管苗的快速繁殖：如从一个嫩枝茎尖可育出10万株苹果苗，仅需万株苹果苗，仅需1年零年零4个月便可开花

48、结果。个月便可开花结果。离体的植物器官、组织或细胞离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织愈伤组织根、芽根、芽植物体植物体外植体外植体脱分化脱分化植物激素：细胞分裂植物激素：细胞分裂素、生长素素、生长素再分化再分化植物组织培养：植物组织培养：植物组织培养条件：植物组织培养条件： 含有全部营养成分的含有全部营养成分的培养基、一定的温度、空培养基、一定的温度、空气、无菌环境、适合的气、无菌环境、适合的PHPH、适时光照等。适时光照等。区分几个概念：区分几个概念： 分化：分化：在个体发育中，相同细胞的后代在形态、结在个体发育中，相同细胞的后代在形态、结构和生理功能上发生差异的过程，具有普遍性、持久性、构和

49、生理功能上发生差异的过程，具有普遍性、持久性、稳定性和不可逆性。分化的结果是形成不同的组织器官，稳定性和不可逆性。分化的结果是形成不同的组织器官，帮助个体完成正常的生长发育。帮助个体完成正常的生长发育。 脱分化（去分化）：脱分化（去分化）：由高度分化的植物器官、组织由高度分化的植物器官、组织或细胞产生愈伤组织的过程。脱分化有利于细胞全能性的或细胞产生愈伤组织的过程。脱分化有利于细胞全能性的表达。动物细胞的卵细胞有帮助动物细胞核脱分化的作用。表达。动物细胞的卵细胞有帮助动物细胞核脱分化的作用。 再分化：再分化：愈伤组织经过培养，又重新分化成根或芽等愈伤组织经过培养，又重新分化成根或芽等器官的过程

50、。由于愈伤组织是由已经分化的植物器官、组器官的过程。由于愈伤组织是由已经分化的植物器官、组织或细胞脱分化产生的，所以把这次分化叫再分化。织或细胞脱分化产生的，所以把这次分化叫再分化。 植物体细胞杂交植物体细胞杂交： 运用远缘杂交与染色体工程技术培育成具优良性状的运用远缘杂交与染色体工程技术培育成具优良性状的 新品种，如新品种，如“小偃六号小偃六号”小麦新品种具抗病、抗旱、抗小麦新品种具抗病、抗旱、抗 干热风等特性，目前已推广到全国。干热风等特性，目前已推广到全国。不足：不足：在粮食作物、经济作物上开展较少。在粮食作物、经济作物上开展较少。打破了不同种生物间的生殖隔离限制，打破了不同种生物间的生

51、殖隔离限制，大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围。大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围。植物体细胞杂交的过程：植物体细胞杂交的过程：植物A细胞植物B细胞去壁原生质体A原生质体B原生质体融合融合体再生壁杂种细胞细胞分裂愈伤组织杂种植株去壁的常用方法：去壁的常用方法：酶解法（纤维素酶、果胶酶等）酶解法（纤维素酶、果胶酶等） 原生质体融合方法：原生质体融合方法：物理法：离心、振动、电刺激等物理法：离心、振动、电刺激等 化学法：聚乙二醇（化学法：聚乙二醇（PEGPEG） 植物体细胞杂交和植物体细胞杂交和多倍体多倍体育种：育种： 植物体细胞杂交植物体细胞杂交 多倍体育种多倍体育种 相同点相同点都采用一定的方

52、法，通过改变细胞或植株染都采用一定的方法，通过改变细胞或植株染色体数目来改变生物性状，获得新品种色体数目来改变生物性状，获得新品种染色体染色体 方法方法原理原理 不不同同点点原生质体融合和原生质体融合和 组织培养组织培养染色体数目变异染色体数目变异获得杂种植株获得杂种植株秋水仙素秋水仙素加倍，同种加倍，同种不一定加倍，不同种不一定加倍，不同种植物体细胞杂交与杂交育种：植物体细胞杂交与杂交育种：相同点相同点不不同同点点植物体细胞杂交植物体细胞杂交杂交育种杂交育种原理原理杂交性质杂交性质染色体变化染色体变化亲本来源亲本来源育种年限育种年限基因重组基因重组原生质体融合和原生质体融合和 组织培养组织培

53、养有性杂交有性杂交无性杂交无性杂交与亲代相同与亲代相同与亲代不同与亲代不同不一定同种，种间杂种不一定同种，种间杂种同种，种内杂种同种，种内杂种1-2年年4-5年年通过改变细胞内遗传物质，达到改变植物体性状通过改变细胞内遗传物质，达到改变植物体性状的目的，培育出符合人们要求的新品种的目的，培育出符合人们要求的新品种细胞工程的主要成就细胞工程的主要成就2、动物细胞工程方面、动物细胞工程方面 最突出成就就是胚胎移植，使牲畜快速实现良种化。最突出成就就是胚胎移植，使牲畜快速实现良种化。 如从母牛的一个如从母牛的一个胚胎胚胎获得多头小牛，可将胚胎一分为获得多头小牛，可将胚胎一分为 二，再将半份胚胎分别移

54、植到两头母牛身上，还可用二，再将半份胚胎分别移植到两头母牛身上，还可用 四分之一胚胎产生牛仔。四分之一胚胎产生牛仔。 B淋巴细胞杂交瘤技术被用于制备大量单克隆抗体。淋巴细胞杂交瘤技术被用于制备大量单克隆抗体。 现已有几千种单克隆抗体产品面市。现已有几千种单克隆抗体产品面市。将免疫淋巴与骨髓瘤细胞融合在一起，形成杂交将免疫淋巴与骨髓瘤细胞融合在一起，形成杂交瘤细胞。这种细胞既能够像肿瘤细胞那样长期进行无性瘤细胞。这种细胞既能够像肿瘤细胞那样长期进行无性繁殖，又能像淋巴细胞那样分泌特异抗体。而且由于繁殖，又能像淋巴细胞那样分泌特异抗体。而且由于这种抗体可以是由单一的无性繁殖细胞系的细胞产生的，这种

55、抗体可以是由单一的无性繁殖细胞系的细胞产生的，故又可以称单克隆抗体。故又可以称单克隆抗体。单克隆抗体：单克隆抗体：单克隆抗体制备过程： 注射抗原注射抗原B B淋巴细胞淋巴细胞骨髓瘤细胞骨髓瘤细胞细胞融合、筛选细胞融合、筛选杂交瘤细胞杂交瘤细胞细胞培养细胞培养筛选，继续培养筛选，继续培养足够数量的、能产生足够数量的、能产生特定抗体的细胞群特定抗体的细胞群体外培养体外培养注射到小鼠腹腔注射到小鼠腹腔单克隆抗体单克隆抗体诱导其融合的方法诱导其融合的方法有哪些？有哪些？单克隆单克隆过程过程 动物细胞大规模培养技术生产大量产品，成本低。如动物细胞大规模培养技术生产大量产品，成本低。如 治疗一个身材矮小的

56、人生长激素的剂量，需要从成千治疗一个身材矮小的人生长激素的剂量，需要从成千 上万个已故病人的脑垂体中提取，现在，用表达人生上万个已故病人的脑垂体中提取，现在，用表达人生 长激素的基因工程细胞株，经动物细胞大规模培养可长激素的基因工程细胞株，经动物细胞大规模培养可 获得大量的产品满足临床的需要，且不会传染疾病。获得大量的产品满足临床的需要，且不会传染疾病。 将外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，用转基因将外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，用转基因 动物的乳腺组织生产药用蛋白，成为生产药用蛋白质动物的乳腺组织生产药用蛋白，成为生产药用蛋白质 的全新模式。如我国在的全新模式。如我国在1998年培育

57、出可在乳汁中表达年培育出可在乳汁中表达 生产药用蛋白凝血因子生产药用蛋白凝血因子X的转基因山羊。的转基因山羊。 细胞治疗：利用干细胞修复、取代受损组织或丧失功细胞治疗：利用干细胞修复、取代受损组织或丧失功 能的组织或器官；利用脐带血干细胞或骨髓干细胞治能的组织或器官；利用脐带血干细胞或骨髓干细胞治 疗白血病。疗白血病。细胞工程的主要成就细胞工程的主要成就3、微生物细胞工程方面、微生物细胞工程方面 主要体现在生物药品生产上。生物药品包括抗生素、主要体现在生物药品生产上。生物药品包括抗生素、 生物活性物质、疫苗等内容，适用于疾病的诊断、生物活性物质、疫苗等内容，适用于疾病的诊断、 预防及治疗。预防

58、及治疗。 抗生素工业的出现与发展，象征着细胞工程的诞抗生素工业的出现与发展，象征着细胞工程的诞 生与发展；用理化因素诱发突变，使青霉素的效价提生与发展；用理化因素诱发突变，使青霉素的效价提 高几千倍；通过原生质体融合得到的产头孢菌素菌株，高几千倍；通过原生质体融合得到的产头孢菌素菌株， 产量比先前提高产量比先前提高40%；酿酒酵母和糖化酵母的种间杂；酿酒酵母和糖化酵母的种间杂 交成功，获得糖化和发酵的双重能力等。交成功，获得糖化和发酵的双重能力等。 在环保上的应用：目标是培育出新型的微生物、藻在环保上的应用：目标是培育出新型的微生物、藻类、植物等，消除环境中的有害物质或变废为宝。类、植物等，消

59、除环境中的有害物质或变废为宝。 如在美国，科学家获得了一种专门分解煤和石油如在美国，科学家获得了一种专门分解煤和石油中所含硫化物的细菌，一周内就能分解煤和石油中绝中所含硫化物的细菌，一周内就能分解煤和石油中绝大部分的硫化物；还有，有人从垃圾中分离出一种细大部分的硫化物；还有，有人从垃圾中分离出一种细菌，专门消化农药三氯苯氧基醋酸，从中获得细菌本菌，专门消化农药三氯苯氧基醋酸，从中获得细菌本身生长所需的身生长所需的碳源和能源碳源和能源。 细胞工程在短时间内，在细胞与组织培养、再生细胞工程在短时间内，在细胞与组织培养、再生植株、单克隆抗体、生物制品、食品工业、畜牧业、植株、单克隆抗体、生物制品、食品工业、畜牧业、能源、环保等方面获得长足发展。能源、环保等方面获得长足发展。小结：小结：