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1、四川大学生命科学学院张义正教授2002级硕士生Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望引引 言言三大重中之重高技术三大重中之重高技术l生物技术（生物技术（BT)l信息技术（信息技术（IT）l新材料技术（纳米技术，新材料技术（纳米技术，NT）生物技术概念与特征生物技术概念与特征l定义：定义： 利用活体生物或它们的产物来生产或修饰利用活体生物或它们的产物来生产或修饰一种产品以改良植物和动物、或发展具有特一种产品以改良植物和动物、或发展具有特殊用途的微生物的技术。殊用途的微生物的技
2、术。l特征：特征： 21世纪最具潜力的高新技术世纪最具潜力的高新技术 多学科、交叉、综合的技术多学科、交叉、综合的技术 影响最为深远最广泛的技术影响最为深远最广泛的技术生物技术与生物工程的区别生物技术与生物工程的区别lBiotechnology and Bioengineeringl生物技术侧重于利用生物学方法解决生物技术侧重于利用生物学方法解决生物体本身的问题生物体本身的问题l生物工程则侧重于利用工程学方法解生物工程则侧重于利用工程学方法解决生物学问题决生物学问题生物技术的基础生物技术的基础lDNA操作技术操作技术l基因组计划：人类基因组和其他生物基因组计划：人类基因组和其他生物基因组计划基
3、因组计划l蛋白质组蛋白质组l生物信息学生物信息学l下游支撑技术与手段下游支撑技术与手段生物技术的类别生物技术的类别l传统生物技术：制酒、制醋、制豆瓣传统生物技术：制酒、制醋、制豆瓣l工业生物发酵技术：抗生素发酵、氨基工业生物发酵技术：抗生素发酵、氨基酸发酵等酸发酵等l现代生物技术现代生物技术生物技术的内容生物技术的内容l基因工程技术基因工程技术l蛋白质工程技术蛋白质工程技术l细胞（组织）工程技术细胞（组织）工程技术l酶工程技术酶工程技术l发酵工程技术发酵工程技术基因工程的概念基因工程的概念利利用用DNA体体外外重重组组或或PCR扩扩增增技技术术从从某某种种生生物物基基因因组组中中分分离离感感兴
4、兴趣趣的的基基因因，或或是是用用人人工工合合成成的的方方法法获获取取基基因因，然然后后经经过过一一系系列列切切割割，加加工工修修饰饰，连连接接反反应应形形成成重重组组DNA分分子子，再再将将其其转转入入适适当当的的受受体体细细胞胞，以期获得基因表达的过程以期获得基因表达的过程.基因工程基因工程(gene engineering)常和以下名称混用常和以下名称混用:l遗传工程遗传工程(genetic engineering);l基因克隆基因克隆(gene cloning);l分子克隆分子克隆(molecular cloning);l基因操作基因操作(gene manipulation);l重组重组
5、DNA技术技术(recombination DNA technique)l克克隆隆(clone): 作作名名词词时时指指含含有有某某目目的的DNA片片段段的的重重组组DNA分子或含有该重组分子的无性繁殖系分子或含有该重组分子的无性繁殖系.l作动词时是指基因的分离与重组过程。作动词时是指基因的分离与重组过程。基因工程技术及其应用基因工程技术及其应用基因本身也是一个产业基因本身也是一个产业lRockfeller 大学将人肥胖基因出售大学将人肥胖基因出售0.2亿美亿美元元（1995年年3月）月）lAmgen公司将公司将FKBP神经免疫因子配体转神经免疫因子配体转让达让达3.29亿美元亿美元（1997
6、年）年）lMillennium公司以公司以4.65亿美元亿美元向向Bayer公司公司转让转让225种基因的开发权（种基因的开发权（1998年年9月）月）蛋白质工程的概念蛋白质工程的概念在基因工程技术对编码蛋白质的基在基因工程技术对编码蛋白质的基因的了解基础上，对蛋白质的氨基酸因的了解基础上，对蛋白质的氨基酸序列、结构和功能进行分析，进而通序列、结构和功能进行分析，进而通过对蛋白质的结构、氨基酸序列和翻过对蛋白质的结构、氨基酸序列和翻译后的修饰等手段改变甚至创造出新译后的修饰等手段改变甚至创造出新的和更有效的蛋白质。的和更有效的蛋白质。蛋白质工程主要内容蛋白质工程主要内容l主要目标主要目标 蛋白
7、质氨基酸序列的分析蛋白质氨基酸序列的分析 蛋白质晶体结构分析蛋白质晶体结构分析 蛋白质功能预测和分析蛋白质功能预测和分析 蛋白质组分析蛋白质组分析细胞（组织）工程概念细胞（组织）工程概念 利用工程学原理进行细胞生物学的基利用工程学原理进行细胞生物学的基础研究和制造使用活细胞的产品，如组础研究和制造使用活细胞的产品，如组织工程和生物加工工程。前者是利用移织工程和生物加工工程。前者是利用移植的细胞、骨架、植的细胞、骨架、DNA、蛋白质或蛋白蛋白质或蛋白质片段替代或修复已受伤或损坏的组织质片段替代或修复已受伤或损坏的组织和器官；后者是和器官；后者是 利用活细胞生产生物医利用活细胞生产生物医药产品。药
8、产品。组织工程组织工程人造器官人造器官 干细胞：干细胞：1999年年4月，月， 美国的科研人员美国的科研人员首次成功地从成年人骨髓的干细胞在体首次成功地从成年人骨髓的干细胞在体外培养分化出软骨、脂肪和骨骼细胞。外培养分化出软骨、脂肪和骨骼细胞。标志着干细胞的研究取得了重大进展。标志着干细胞的研究取得了重大进展。 以这项技术为代表的组织工程的以这项技术为代表的组织工程的突破具有广阔的应用前景，在不远的将突破具有广阔的应用前景，在不远的将来为实现人造来为实现人造“器官器官”成为可能。成为可能。酶工程的概念酶工程的概念l是酶学与工程学的相互渗透和结合所发展起来以酶是酶学与工程学的相互渗透和结合所发展
9、起来以酶为研究对象，改造并应用酶的特异催化功能。目标为研究对象，改造并应用酶的特异催化功能。目标就是通过工程化技术大规模生产和转化相应原料成就是通过工程化技术大规模生产和转化相应原料成为有用物质的技术。为有用物质的技术。l传统的酶工程主要是指天然酶制剂在工业上的大规传统的酶工程主要是指天然酶制剂在工业上的大规模生产与应用。随着科学的发展，尤其是基因工程模生产与应用。随着科学的发展，尤其是基因工程技术的日趋完善，为酶工程赋予了新的内容，特别技术的日趋完善，为酶工程赋予了新的内容，特别是利用是利用DNA操作技术，修饰改造酶分子的结构或活操作技术，修饰改造酶分子的结构或活性位点、酶与底物作用位点，重
10、组酶的生产，模拟性位点、酶与底物作用位点，重组酶的生产，模拟酶的人工设计与合成等成为新的内容。酶的人工设计与合成等成为新的内容。 酶工程的主要内容酶工程的主要内容l酶的分离纯化酶的分离纯化l酶与细胞的固定化技术及反应器酶与细胞的固定化技术及反应器l酶制剂的发酵生产酶制剂的发酵生产l酶分子化学修饰、遗传突变及结构改造酶分子化学修饰、遗传突变及结构改造l酶抑制剂与激活剂开发与研究酶抑制剂与激活剂开发与研究l人工设计与合成模拟酶及酶分子人工设计与合成模拟酶及酶分子发酵工程概念发酵工程概念发酵工程属于生物技术的下游技发酵工程属于生物技术的下游技术，是工业化大规模培养细胞、生产术，是工业化大规模培养细胞
11、、生产生物制品的一种技术。生物制品的一种技术。 传统的发酵工程主要用于微生物。传统的发酵工程主要用于微生物。现代生物技术还包括动物、植物细胞现代生物技术还包括动物、植物细胞和工程菌的发酵培养。和工程菌的发酵培养。发酵工程技术发酵工程技术l发酵对象：发酵对象： 传统微生物发酵、基因工程菌发酵、动物传统微生物发酵、基因工程菌发酵、动物细胞培养细胞培养、植物细胞培养植物细胞培养l发酵类型：发酵类型： 液体发酵、固体发酵、固定化培养、流式液体发酵、固体发酵、固定化培养、流式发酵发酵l发酵技术设备发酵技术设备生物技术的应用领域生物技术的应用领域l医药：医药： 生物制药；基因治疗；人工器官生物制药；基因治
12、疗；人工器官l农业和畜牧业农业和畜牧业 转基因植物转基因植物：抗病虫害新品种、抗逆新：抗病虫害新品种、抗逆新品种、品种、 高品质新品种高品质新品种 转基因动物转基因动物：生产有用蛋白质和高品质的：生产有用蛋白质和高品质的畜产品畜产品 生物反应器生物反应器：利用动植物细胞或组织作为：利用动植物细胞或组织作为生物反应器，直接生产有用蛋白质生物反应器，直接生产有用蛋白质生物技术的应用领域生物技术的应用领域l轻工与食品轻工与食品 新型食品；营养食品；保健食品；轻工用酶新型食品；营养食品；保健食品；轻工用酶l环境环境 污染治理；废物利用；污染物生物降解污染治理；废物利用；污染物生物降解生物技术产业化生物
13、技术产业化生物技生物技术产业：利用利用细胞和生物分子胞和生物分子进行行药品、品、农产品生品生产开开发和和环境治理的境治理的产业，该产业技技术由医由医药生物技生物技术、农业生物技生物技术和和环境境生物技生物技术共同共同组成成l医医药生物技生物技术重点攻克癌症、艾滋病、老年重点攻克癌症、艾滋病、老年痴呆症、帕金森病、心痴呆症、帕金森病、心脏病、糖尿病等危害病、糖尿病等危害人人类的的顽疾疾l农业生物技生物技术着眼于提高着眼于提高农产品的品的产量和量和质量。量。l环境生物技境生物技术重点用于清除危重点用于清除危险废弃物弃物-美国生物技术工业组织生物制药产业化特点生物制药产业化特点l高技术高技术：高层次
14、人才，高新技术手段，多学科渗透：高层次人才，高新技术手段，多学科渗透l高投入高投入：在国外，一个生物药品平均要投入：在国外，一个生物药品平均要投入13亿美亿美元，并随着开发难度的增大元，并随着开发难度的增大,有逐步增高的趋势有逐步增高的趋势l长周期长周期：国际上，一个新的生物药品需要：国际上，一个新的生物药品需要68年时间年时间l高风险高风险: 一个新药品的开发，经过一系列的程序一个新药品的开发，经过一系列的程序-研发、中试、动物实验、研发、中试、动物实验、IIII期临床实验，上市和期临床实验，上市和严格的药政监督管理。每一步都可能失败，而前功严格的药政监督管理。每一步都可能失败，而前功尽弃尽
15、弃l高回报高回报: 开发成功一个新的生物药品开发成功一个新的生物药品, 回报很高。回报很高。如美国如美国Amgen公司，首次开发上市的公司，首次开发上市的EPO、G-SCF到到1997年的销售额分别接近和达到年的销售额分别接近和达到20亿美元亿美元基因工程试剂的高回报基因工程试剂的高回报l碱性成纤维细胞生长因子碱性成纤维细胞生长因子 231元元/ugl红细胞生成素红细胞生成素 1072元元/ugl白细胞介素白细胞介素-2 410元元/ugl巨细胞粒细胞集落刺激因子巨细胞粒细胞集落刺激因子 1960元元/ugl胰岛素胰岛素 10.2元元/mg全球生物科技公司前全球生物科技公司前10名名（1999
16、年）年）公司名称公司名称市值（亿美元）市值（亿美元） 98年收入（亿美元）年收入（亿美元）Amgen 41627遗传技术研究公司遗传技术研究公司18510生物遗传研究公司生物遗传研究公司1185Elan 894Immunex 712Medimmune 562希龙希龙506Alza 436Centocor 423Genzyme 387美国生物技术产业发展情况美国生物技术产业发展情况世界主要生物药品年销售额世界主要生物药品年销售额 （亿美元亿美元亿美元亿美元） EPO 16.5 葡萄糖脑苷酯酶葡萄糖脑苷酯酶 2.15 抗抗CD3MAb 0.8 人白细胞介素人白细胞介素2 0.40凝血因子凝血因子V
17、III 2.5 -干扰素干扰素 7.00 G-CSF 9.36 -干扰素干扰素 2.55GM-CSF 0.41 -干扰素干扰素 0.04 tPA 3.0 人生长激素人生长激素 4.50B型肝炎疫苗型肝炎疫苗 10.0 人胰岛素人胰岛素 7.00 美国生物制药产品种类及数量美国生物制药产品种类及数量（PHRAM）疾病种类疾病种类 产品数量产品数量 疾病种类疾病种类 产品数量产品数量感染性疾病感染性疾病 39 心脏病心脏病 26神经系统疾病神经系统疾病 28 呼吸系统疾病呼吸系统疾病 22艾滋病及相关疾病艾滋病及相关疾病 19 自主免疫系统疾病自主免疫系统疾病 19皮肤病皮肤病 19 移植移植 1
18、3消化系统疾病消化系统疾病 11 遗传疾病遗传疾病 11血液疾病血液疾病 9 糖尿病及并发症糖尿病及并发症 7不育症不育症 5 眼病眼病 3生长发育不良症生长发育不良症 3 骨质疏松骨质疏松 2妊娠预防妊娠预防 2 肿瘤疾病肿瘤疾病 175基因治疗人数情况基因治疗人数情况中国基因工程制药中国基因工程制药l200多家生物技术公司多家生物技术公司l生物技术药品产值：生物技术药品产值：1996-18亿元；亿元；1997-30亿元；亿元；2000-72亿元亿元l可生产药物品种：约可生产药物品种：约20种种 国内产业化生物药品概况国内产业化生物药品概况产品种类产品种类 临床临床I 临床临床II 临床临床
19、III 批准上市批准上市凝血因子凝血因子 VII IX VIII细胞刺激因子细胞刺激因子 SCF TPO G-CSF, M-CSF,EPO生长因子生长因子 骨形成因子骨形成因子 肌营养因子肌营养因子 FGF，GM-CSF 胰岛素类似物胰岛素类似物 血小板衍生因子血小板衍生因子 HGH EGF干扰素干扰素 IFN, 1b, 1b , 2a, n3 , 1b, , 1b白介素白介素 1 , 1 3, 6, 2, 4, 12 11激素激素 人促卵泡素人促卵泡素 甲状旁腺素甲状旁腺素 胰高血糖素胰高血糖素 胰岛素，心钠素胰岛素，心钠素 降钙素降钙素 促黄体生成素促黄体生成素 IGF-1 甲状腺刺激素甲
20、状腺刺激素酶酶 羧肽酶羧肽酶 尿酸氧化酶尿酸氧化酶 葡萄脑苷酯酶葡萄脑苷酯酶 脱氧核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶 链激酶链激酶疫苗疫苗 CEA HSV,流感病毒流感病毒 Lyme HBV，HCV其他其他 水蛭素水蛭素 松弛素松弛素,HB,SOD TNF， tPA， 白蛋白白蛋白,杀菌蛋白杀菌蛋白 单克隆抗体单克隆抗体 可溶性补体受体可溶性补体受体I型型中国生物医药产业化问题中国生物医药产业化问题l缺乏创新、仿制产品缺乏创新、仿制产品l重复过多、水平不高重复过多、水平不高l投入不足、少而分散投入不足、少而分散l产权保护意识淡薄产权保护意识淡薄l质量管理落后质量管理落后l支持技术落后支持技术落后l药政管
21、理滞后药政管理滞后生物技术产业化生物技术产业化农业领域农业领域l已有已有35个科个科120多种植物获得转基因植物，一多种植物获得转基因植物，一些重要的农作物获得商品化的转基因品种。些重要的农作物获得商品化的转基因品种。l种植面积迅猛发展。种植面积迅猛发展。l采用的基因正在从抗除草剂、抗菌素、抗病采用的基因正在从抗除草剂、抗菌素、抗病虫害基因到抗逆境、高品质方向发展。虫害基因到抗逆境、高品质方向发展。l由单个质量性状基因向多基因数量性状转变。由单个质量性状基因向多基因数量性状转变。l植物反应器生产稀有蛋白。植物反应器生产稀有蛋白。世界转基因作物大田释放情况世界转基因作物大田释放情况(1987.1
22、-1998.4)转基因作物特性转基因作物特性批准项数批准项数所占比例所占比例抗除草剂抗除草剂129729.6%抗虫抗虫104623.8%提高产品质量提高产品质量88620.2%抗病毒抗病毒4369.9%改善农学性状改善农学性状2114.8%抗真菌病抗真菌病2084.7%其他其他3036.9%总计总计4387100%中国已获准进入大田的转基因植物中国已获准进入大田的转基因植物（1998.3)转基因植物总项数转基因植物总项数48转基因植物种类转基因植物种类15抗除草剂抗除草剂3抗虫抗虫16抗病抗病16提高品质提高品质2改善农学性状改善农学性状1其他其他10转基因作物种植面积转基因作物种植面积生物技
23、术与传统中药生物技术与传统中药l中药现代化中药现代化核心是建立与现代基因学说相应的现代中药核心是建立与现代基因学说相应的现代中药理论理论l现代中药理论的建立现代中药理论的建立确立中药与基因表达的关系确立中药与基因表达的关系 中药药靶中药药靶（基因）或作用位点基因的寻找（基因）或作用位点基因的寻找 中药化学组中药化学组：中药有效成分包括较单一的成分和多种成分：中药有效成分包括较单一的成分和多种成分 中药临床药效中药临床药效的科学评价与分析方法的科学评价与分析方法l生物技术的应用生物技术的应用 中药基因组中药基因组利用现代生物技术研究分析中药对人体（细利用现代生物技术研究分析中药对人体（细胞）基因
24、表达（蛋白质）的影响。胞）基因表达（蛋白质）的影响。 技术平台技术平台：大规模基因表：大规模基因表达分析（基因芯片、达分析（基因芯片、SAGE、蛋白质组等技术）以及相关信蛋白质组等技术）以及相关信息数据库的建立息数据库的建立 中药化学组中药化学组利用现代仪器分析技术分析有效成分及其药利用现代仪器分析技术分析有效成分及其药物代谢、动力学。物代谢、动力学。 技术平台技术平台：色谱及色谱：色谱及色谱-质谱，色谱质谱，色谱-波谱，波谱，波谱波谱-波谱联用等分析技术与层析、临界萃取等分离技术波谱联用等分析技术与层析、临界萃取等分离技术 中药新剂型中药新剂型一、基因工程原理的授课内容一、基因工程原理的授课
25、内容基因工程流程图基因工程流程图第一章第一章分子克隆工具酶及其应用分子克隆工具酶及其应用l限制性内切酶限制性内切酶主要用于DNA分子的特异切割lDNA甲基化酶甲基化酶用于DNA分子的甲基化l核酸酶核酸酶用于DNA和RNA的非特异性切割l核酸聚合酶核酸聚合酶用于DNA和RNA的合成l核酸连接酶核酸连接酶用于DNA和RNA的连接l核酸末端修饰酶核酸末端修饰酶用于DNA和RNA的末端修饰l其其它它酶酶类类-用于生物细胞的破壁，转化，核酸纯化，检测等第二章第二章 分子克隆载体分子克隆载体l分子克隆载体特点分子克隆载体特点l 分子克隆载体种类分子克隆载体种类l细菌克隆载体细菌克隆载体: E.coli克隆
26、载体(质粒型、噬菌体型、COS质粒型、噬粒型(phagemid)G-菌克隆载体;G+菌克隆载体;链霉菌克隆载体l酵母菌克隆载体酵母菌克隆载体l 丝状真菌克隆载体丝状真菌克隆载体l 植物克隆载体植物克隆载体l 动物克隆载体动物克隆载体l 克隆载体的选择克隆载体的选择l 克隆载体的构建克隆载体的构建第三章第三章 核酸技术核酸技术l核酸分离纯化技术核酸分离纯化技术-DNA/供体、载体、片段，RNA/总RNA、mRNA、多聚核糖体RNAl核酸电泳技术核酸电泳技术(DNA和RNA)：常规电泳，脉冲场凝胶电泳，毛细管电泳lDNA限制酶切和限制酶图谱绘制技术限制酶切和限制酶图谱绘制技术lDNA分子的连接技术
27、分子的连接技术lDNA聚合酶链式反应聚合酶链式反应(PCR技术)l核酸杂交技术核酸杂交技术原位、斑点、Southern、Northern、Westernl核酸测序技术核酸测序技术化学法、酶法第四章第四章 基因文库的构建基因文库的构建l基因组文库的构建基因组文库的构建l cDNA文库的构建文库的构建第五章第五章 基因的分离与鉴定基因的分离与鉴定l基因的分离与鉴定方法基因的分离与鉴定方法l 真核基因分离实例真核基因分离实例l 染色体染色体ARS的分离鉴定的分离鉴定l 着丝粒着丝粒DNA的分高鉴定的分高鉴定l 端粒的分离鉴定端粒的分离鉴定第六章第六章 基因的转移技术基因的转移技术第七章第七章 基因的
28、表达技术基因的表达技术第八章第八章 基因的突变技术基因的突变技术第九章第九章 生物信息技术生物信息技术二、课程特点二、课程特点1.涉及学科多，适用面广涉及学科多，适用面广 2. 起点高、发展快，内容新颖起点高、发展快，内容新颖 3. 理论与实际理论与实际联系密切联系密切 4. 具有理学和工程学的特点具有理学和工程学的特点三、课程要求三、课程要求四、参考文献四、参考文献1.分子克隆操作指南(1982和1989年版,中英文版)2.DNACloning(Vol.1-4,1996)3.酶学方法相关卷4.各种国外生物技术公司产品目录和定期出版物5.Internet相关网址五、考试五、考试期中和期末各一次；开卷考试谢谢 谢！谢！
