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1、生物工程前沿与热点前沿与热点罗罗 静静上海技术物理所上海技术物理所上海技术物理所上海技术物理所 2004.10.242004.10.24生物工程的历史学科雏形v远古人类发现，吃剩的米粥数日后变成了醇香可口的饮料人类最早发明的酒丰富多彩的酒文化微生物发酵微生物发酵我国古代的酿酒作坊（四川新都县出土的汉代画像）公元前公元前2300年左右，埃及人酿制啤酒的场面（某金字塔壁画）年左右，埃及人酿制啤酒的场面（某金字塔壁画）丰富多彩的酒文化( Edward Jenner,17491823 )首创用牛痘预防天花，是免疫学的发展，开创了预防医学的先河。 1676年荷兰人A.Leeuwenhoek用自磨镜片，创
2、造了一架原始显微镜，生物工程进入微观形态学发展阶段。现代生物工程Modern Bioengineering生物生物工程工程细胞工程细胞工程酶工程酶工程发酵工程发酵工程基因工程基因工程分类分类按研究内容划分按研究内容划分基因工程基因工程1、基因工程的概念、基因工程的概念基因工程是分子遗传学和工程技术结合的基因工程是分子遗传学和工程技术结合的产物。是现代生物技术的核心，它能按人类需产物。是现代生物技术的核心，它能按人类需要，把遗传物质要，把遗传物质DNA分子从生物体中分离出分子从生物体中分离出来，进行剪切、组合、拼装，合成新的来，进行剪切、组合、拼装，合成新的DNA分分子。再将新的子。再将新的DN
3、A分子植入某种生物细胞中，分子植入某种生物细胞中，使遗传信息在新的宿主细胞或个体中得到表使遗传信息在新的宿主细胞或个体中得到表达。以达到定向改造或重建新物种的目的。达。以达到定向改造或重建新物种的目的。基因工程基因工程操作水平：操作水平：DNA分子水平分子水平目的：定向改变遗传物质或获得基因产物。目的：定向改变遗传物质或获得基因产物。2、基因工程的理论基础、基因工程的理论基础1）物质基础）物质基础脱氧核苷酸脱氧核苷酸2）结构基础）结构基础规则的双螺旋结构规则的双螺旋结构3）中心法则，共用一套遗传密码）中心法则，共用一套遗传密码细胞工程细胞工程1、细胞工程的概念、细胞工程的概念利用细胞融合技术把
4、含有不同遗传物质利用细胞融合技术把含有不同遗传物质的细胞合成杂种细胞。并使之分裂生长成为的细胞合成杂种细胞。并使之分裂生长成为杂种生物。杂种生物。它包括体细胞融合、核移植、细胞器摄它包括体细胞融合、核移植、细胞器摄取和染色体片段的重组等。取和染色体片段的重组等。 细胞工程细胞工程操作水平：细胞整体水平或细胞器水平操作水平：细胞整体水平或细胞器水平目的：定向改变遗传物质或获得细胞产品。目的：定向改变遗传物质或获得细胞产品。2、细胞工程的理论基础、细胞工程的理论基础细胞全能性细胞全能性依据依据生物体的每一个干细胞都包含有生物体的每一个干细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质。该物种所特有的全套遗传
5、物质。3、主要技术、主要技术植物组织培养植物组织培养植物体细胞杂交植物体细胞杂交动物细胞培养动物细胞培养动物细胞融合动物细胞融合单克隆抗体技术单克隆抗体技术胚胎移植胚胎移植核移植核移植植物植物细胞细胞工程工程技术技术动物动物细胞细胞工程工程技术技术异种异种植物植物细胞细胞杂种细胞杂种细胞转基因转基因植物植物异种异种动物动物细胞细胞动物细动物细胞群胞群重组细胞重组细胞体细体细胞细胞细胞核胞核早期胚胎早期胚胎受精卵受精卵去核去核卵细卵细胞胞克隆动物克隆动物试管婴儿试管婴儿动物细动物细胞融合胞融合植物体细植物体细胞杂交胞杂交植物组植物组织培养织培养动物细动物细胞培养胞培养核移植核移植胚胎移植胚胎移植
6、体外体外受精受精发酵工程发酵工程1、发酵工程的概念、发酵工程的概念发酵工程是利用微生物的某些特定功发酵工程是利用微生物的某些特定功能，通过技术手段使之生产人类需要的代能，通过技术手段使之生产人类需要的代谢物。以高效率的进行物质转化。谢物。以高效率的进行物质转化。发酵工程包括：用微生物发酵生产产发酵工程包括：用微生物发酵生产产品，如酿酒。用微生物分解有害物质品，如酿酒。用微生物分解有害物质; 细菌细菌选矿和细菌冶金等等！选矿和细菌冶金等等！发酵工程发酵工程2、发酵工程的技术要点、发酵工程的技术要点目的目的定向地改造菌种定向地改造菌种,大量生产微生物大量生产微生物 菌体或代谢产物菌体或代谢产物菌种
7、的选育菌种的选育 诱变育种、基因工程、诱变育种、基因工程、 细胞工程细胞工程环境条件控制环境条件控制营养、营养、PH、温度、溶氧等温度、溶氧等3、流程、流程发酵工程发酵工程（酶工程）（酶工程）商品生产商品生产改造物种改造物种常规菌常规菌(或常规细胞株或常规细胞株) 遗传工程遗传工程 细胞工程细胞工程“工程菌工程菌”（或（或“工程细胞工程细胞株株”） 微生物工程微生物工程 酶工程酶工程 生物反应器工程生物反应器工程 经济效益经济效益 大量产品大量产品 社会效益社会效益 生态效益生态效益酶酶工程工程酶工程是利用酶的特异催化功酶工程是利用酶的特异催化功能，在常温长压下将一种物质转化能，在常温长压下将
8、一种物质转化为另一种物质，以获得高纯度的适为另一种物质，以获得高纯度的适用之物。用之物。该技术包括各种酶的开发和生该技术包括各种酶的开发和生产。酶的分离和纯化技术等。产。酶的分离和纯化技术等。 酶工程用于食品工业很有效。酶工程用于食品工业很有效。啤酒、酱油、葡萄糖等都可用酶工啤酒、酱油、葡萄糖等都可用酶工程生产。程生产。现代生物工程热点 人类基因组计划（人类基因组计划（HGP） 干细胞研究与发展前景干细胞研究与发展前景 克克隆隆技术的发展技术的发展人类基因组计划Human Genome Project染色体（Chromosome）v由于细胞中的由于细胞中的DNA大部分在染色大部分在染色体上，所
9、以说遗传物质的主要载体体上，所以说遗传物质的主要载体是染色体。染色体的化学成分主要是染色体。染色体的化学成分主要是蛋白质和是蛋白质和DNA，其中，其中 DNA含量稳含量稳定，是主要的遗传物质。定，是主要的遗传物质。v各种生物的染色体有一定的数目、形各种生物的染色体有一定的数目、形状和大小，人染色体有状和大小，人染色体有4646条。条。Chromosome 染色体染色体Karyotype 染色体组型染色体组型基因基因( (GeneGene) )v基基因因（genegene）是是19091909年年丹丹麦麦生生物物学学家家W.JohannsenW.Johannsen根根据据希希腊腊文文“给给予予生
10、生命命”之之意创造的。意创造的。v一一个个基基因因就就是是能能够够编编码码一一个个蛋蛋白白质质分分子子的一个的一个DNA或一个或一个RNA片段片段 生物学进入基因组 (Genome)时代vv人类基因组包括分布于人人类基因组包括分布于人4646条染色体的条染色体的30,000-35,00030,000-35,000个基因。个基因。vv人类基因组计划最终目的是测定基因组的全人类基因组计划最终目的是测定基因组的全部序列，弄清整个基因组的的结构、功能及其部序列，弄清整个基因组的的结构、功能及其表达产物，彻底了解人类生命活动本质。表达产物，彻底了解人类生命活动本质。v这一计划的科学意义重大，可与产生原子
11、这一计划的科学意义重大，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，是当前国际生物学、医学领域务相媲美，是当前国际生物学、医学领域内一项引人注目的工程，是人类自然科学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，将推动整个史上最重大的研究项目之一，将推动整个生命科学的发展。生命科学的发展。人类基因组计划的意义人类基因组计划的启动v19851985年年，美美国国能能源源部部提提出出，要要将将共共包包含含约约3 3109109碱碱基基对对的的人人类类基基因因组组全全部部碱碱基基序序列列分析清楚；分析清楚；v19861986年年，美美
12、国国宣宣布布启启动动“人人类类基基因因组组计计划划（Human Genome Project, HGPHuman Genome Project, HGP）”。人类基因组计划的发展v19991999年年1212月月1 1日日，首首条条人人类类染染色色体体完完成成测测序序，人类第人类第2222号染色体号染色体DNADNA全序列测定宣布完成。全序列测定宣布完成。v20002000年年4 4月月6 6日日，美美国国CeleraCelera遗遗传传信信息息公公司司宣宣布布，该该公公司司已已破破译译出出一一名名实实验验者者的的完完整整遗传密码。遗传密码。v20002000年年5 5月月，科科学学家家聚聚集
13、集美美国国冷冷泉泉港港，宣宣布布人类基因组草图的完成。人类基因组草图的完成。6国科学家组成的国家人类基因组中心主要研究比例v美国：美国：WASHWASHMITMIT等等7 7家研究中心，贡献率为家研究中心，贡献率为5454。v英国：英国：SANGERSANGER一家研究中心，贡献率为一家研究中心，贡献率为3333。v日本：日本：RIKENRIKEN等两家研究中心，贡献率为等两家研究中心，贡献率为7 7。v法国法国：GENOSCOPEGENOSCOPE研究中心，贡献率为研究中心，贡献率为2.82.8。v德国：德国：IMBIMB等等3 3家研究中心，贡献家研究中心，贡献率为率为2.22.2。v中国
14、：北京华大研究中心、国家南北方基因研究中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究v 中心等三家，贡献率为中心等三家，贡献率为1 1。 二二000000年六月二十六日克林顿宣布年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成人类基因组草图绘制完成人类基因组研究结论人类基因组研究结论1.1.基因数量少得惊人基因数量少得惊人2.2.人类基因组中存在人类基因组中存在“热点热点”和大片和大片“荒漠荒漠”3.3.三分之一为三分之一为“垃圾垃圾”DNADNA4.4.种族歧视毫无根据种族歧视毫无根据5.5.男性基因突变比例更高男性基因突变比例更高人类基因组计划1%测序中国实验室后基因组时代序幕拉开 哈佛大学科学
15、家麦克贝斯说，人哈佛大学科学家麦克贝斯说，人类基因组图谱并没有告诉我们所有基类基因组图谱并没有告诉我们所有基因的因的“身份身份”以及它们所编码的蛋白以及它们所编码的蛋白质。人体内真正发挥作用的是蛋白质，质。人体内真正发挥作用的是蛋白质，蛋白质扮演着构筑生命大厦的蛋白质扮演着构筑生命大厦的“砖块砖块”角色，其中可能藏着开发疾病诊断角色，其中可能藏着开发疾病诊断方法和新药的方法和新药的“钥匙钥匙”。 干细胞研究与发展前景 长期以来，人类一直在研究和寻找能长期以来，人类一直在研究和寻找能治愈各种疾病、抗衰老甚至长生不老的方法。治愈各种疾病、抗衰老甚至长生不老的方法。随着现代科学技术的发展，尤其是干细
16、胞的随着现代科学技术的发展，尤其是干细胞的研究，人类的这些幻想正在逐步变成现实。研究，人类的这些幻想正在逐步变成现实。19981998年，美国年，美国科学科学杂志将干细胞的研究杂志将干细胞的研究成果列在十大科学进展的首位。成果列在十大科学进展的首位。细胞细胞细胞细胞细胞群细胞群细胞群细胞群组织组织组织组织机体机体机体机体细胞是机体组成的基本单位细胞是机体组成的基本单位干细胞的定义 干干细细胞胞（Stem Stem cellcell）即即起起源源细细胞胞。在在细细胞胞的的分分化化过过程程中中，细细胞胞往往往往由由于于高高度度化化分分而而完完全全失失去去了了再再分分裂裂的的能能力力，最最终终衰衰老
17、老死死亡亡。机机体体在在发发展展适适应应过过程程中中为为了了弥弥补补这这一一不不足足，保留了一部分未分化的原始细胞。保留了一部分未分化的原始细胞。 因因此此，干干细细胞胞是是一一类类具具有有自自我我更更新新和和分分化化潜能的细胞。潜能的细胞。干细胞的分类干细胞的分类v全能干细胞全能干细胞v多能干细胞多能干细胞v单能干细胞单能干细胞按按分化潜能分化潜能按按发育状态发育状态胚胎干细胞胚胎干细胞成体干细胞成体干细胞干干细胞的用途细胞的用途v治疗遗传性疾病和恶性肿瘤。治疗遗传性疾病和恶性肿瘤。v以以干干细胞为种子培育成某些组织和器细胞为种子培育成某些组织和器官，用于移植医学。官，用于移植医学。v抗衰老
18、，延年益寿。抗衰老，延年益寿。干细胞工程干细胞工程 核移植核移植去核胚胎干细胞去核胚胎干细胞组装胚胎干细胞组装胚胎干细胞组织干细胞组织干细胞各种组织器官各种组织器官体体外外诱诱导导培培养养干细胞治疗的进展v科学家们认识到干细胞可能成为一种科学家们认识到干细胞可能成为一种“拯救生拯救生命命”的有效的疾病治疗手段。的有效的疾病治疗手段。v例如：小剂量纯化的造血干细胞足可使患者骨例如：小剂量纯化的造血干细胞足可使患者骨髓再生，可以避免肿瘤病人进行自体骨髓移植髓再生，可以避免肿瘤病人进行自体骨髓移植时所致的瘤细胞（尤其是白血病细胞）污染。时所致的瘤细胞（尤其是白血病细胞）污染。克隆技术的发展克隆技术v
19、克隆来源与英语“clone”或“cloning”的音译，曾译为无性生殖或无性繁殖，即由同一个祖先细胞分裂而形成的纯细胞系，这个细胞系每个细胞的基因彼此是相同的。克隆技术的发展v第一个发展时期微生物克隆。v第二个发展时期生物技术克隆。v第三个发展时期动物克隆。克隆羊多利（Dolly）的诞生v1997年12月，英国Roslin研究所克隆羊多利（Dolly）的诞生揭示一个全新概念：由成年机体的一个体细胞核，可以复制一个基因完全相同的新生命个体。v克隆羊的诞生，预示着动物将成为人类的药物制造厂。从一个从一个6岁母绵羊普通的组织岁母绵羊普通的组织细胞（体细胞）中提取遗传物质，细胞（体细胞）中提取遗传物质
20、，和一个无和一个无DNA遗传物质但具有活性遗传物质但具有活性的另一只母绵羊的卵细胞进行电击融的另一只母绵羊的卵细胞进行电击融合，然后将结合后的新细胞经试管分合，然后将结合后的新细胞经试管分裂。形成胚胎后再移植到第三只母绵裂。形成胚胎后再移植到第三只母绵羊子宫内生长。然后产出与第一只绵羊子宫内生长。然后产出与第一只绵羊一样的羊。羊一样的羊。生物工程的个体应用生物工程的个体应用个体应用个体应用v转基因树的应用前景 v“金米”的故事 v生物技术可以让世界丰衣足食v植入牵牛花基因，西红柿能防癌了 v梦幻之畜转基因动物 v留给我们的思考留给我们的思考1、生态灾难、生态灾难转基因生物大规模释放到环境中，可
21、能会转基因生物大规模释放到环境中，可能会有基因扩散、生长失控、危害其他生物、有基因扩散、生长失控、危害其他生物、物种异化和产生病毒等。物种异化和产生病毒等。2、未来的阴影、未来的阴影转基因活生物体及其产品作为食品，可能转基因活生物体及其产品作为食品，可能对人体产生某些毒理作用和过敏反应。例对人体产生某些毒理作用和过敏反应。例如，转入的生长激素类基因就有可能对人如，转入的生长激素类基因就有可能对人体生长发育产生重大影响。由于人体内生体生长发育产生重大影响。由于人体内生物化学变化的复杂性，有些影响还需要经物化学变化的复杂性，有些影响还需要经过长时间才能表现和监测出来。过长时间才能表现和监测出来。 谢 谢!
