生命科学导论生物技术与人类未来8课件

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1、第十二章 生物技术与人类未来第一节 生物技术及其发展历史 第二节 重组DNA技术基因工程 第三节 蛋白质工程、发酵工程和细胞工程简介第四节 生物技术在农业、医药等方面的应用第五节 生物技术面临的问题与挑战第六节 生物科技造福人类 第八章 生物技术与人类未来第十二章 生物技术与人类未来第一节第一节 生物技术及其发展历史生物技术及其发展历史第一节一、一、生物技术的定义和特点 生生物物技技术术是是应应用用自自然然科科学学及及工工程程学学的的原原理理，依依靠靠微微生生物物、动动物物、植植物物体体作作为为反反应应器器将将物物料料进进行行加加工工以以提提供供产产品品为为社社会会服服务的技术。务的技术。 应

2、应用用生生物物或或来来自自生生物物体体的的物物质质制制造造或或改改进进一一种种商商品品的的技技术术，其其还还包包括括改改良良有有重重要要经经济济价价值值的的植植物物与与动动物物以以及及利利用用微微生生物物改良环境的技术。该定义强调了改良环境的技术。该定义强调了生物技术的商品属性生物技术的商品属性。 高技术、高投入、高利润是生物技术产业的显著特点。高技术、高投入、高利润是生物技术产业的显著特点。 第十二章 生物技术与人类未来第一节生物技术通常包括生物技术通常包括基因工程基因工程、细胞工程、发酵工程和蛋白、细胞工程、发酵工程和蛋白质（酶）工程质（酶）工程4 4个方面内容个方面内容。现代生物技术实际

3、上是建立在多学科基础之上、涉及面广现代生物技术实际上是建立在多学科基础之上、涉及面广泛的综合技术。泛的综合技术。农业生物技术、医药生物技术、环境生物技术、海洋生物农业生物技术、医药生物技术、环境生物技术、海洋生物技术、材料生物技术、能源生物技术等。技术、材料生物技术、能源生物技术等。 上游技术上游技术-重组重组DNADNA等实验室操作为主等实验室操作为主; ;下游技术下游技术-发酵工发酵工程等为主的工业化生产。程等为主的工业化生产。二、二、生物技术包含的主要内容生物技术包含的主要内容第十二章 生物技术与人类未来第一节1919世纪世纪, ,以酿酒发酵等为代表的传统生物技术以酿酒发酵等为代表的传统

4、生物技术; ; 2020世纪世纪7070年代以来，基因工程技术的重要成就，为世界农年代以来，基因工程技术的重要成就，为世界农业及粮食生产和制药产业的发展提供了广阔的发展空间。业及粮食生产和制药产业的发展提供了广阔的发展空间。到到2020世纪末，世界各国已累计批准了约世纪末，世界各国已累计批准了约50005000个个( (次次) )转转基因作物释放于田间，其中近基因作物释放于田间，其中近5050个转基因作物产品已个转基因作物产品已经进入市场，转基因作物的种植面积近经进入市场，转基因作物的种植面积近40004000万公顷，万公顷，产值达产值达1515亿美元。亿美元。在中国，正在研究和开发的转基因作

5、物有在中国，正在研究和开发的转基因作物有5050多种，涉多种，涉及各类基因及各类基因100100多个。在生物制药和诊疗方面，近几多个。在生物制药和诊疗方面，近几十年来也积累了丰硕的成果。十年来也积累了丰硕的成果。 三、生物技术发展的历史概况三、生物技术发展的历史概况 第十二章 生物技术与人类未来第二节第二节 重组重组DNADNA技术技术基因工程基因工程 第二节重组重组DNADNA操作的一般步骤操作的一般步骤第十二章 生物技术与人类未来第二节进行行DNADNA重重组操作，首先要操作，首先要获得需要的目的基因，得需要的目的基因，最常用的方法包括：最常用的方法包括：（1 1）直接从生物体中提取）直接

6、从生物体中提取总DNADNA，构建基因文构建基因文库，从，从中中调用目的基因。用目的基因。（2 2）以）以mRNAmRNA为模板，模板，逆逆转录合成互合成互补的的DNADNA片段片段。（3 3）利用聚合）利用聚合酶酶链反反应(PCR)(PCR)特异性地特异性地扩增所需要的增所需要的目的基因片段。目的基因片段。 一、获得目的基因一、获得目的基因 第十二章 生物技术与人类未来第二节聚合酶链反应技术聚合酶链反应技术即即PCRPCR技术是在体外技术是在体外的小试管中通过酶的小试管中通过酶促反应有选择地大促反应有选择地大量扩增量扩增( (包括分离包括分离) )一段目的基因的技一段目的基因的技术术-高效、

7、快捷、高效、快捷、特异。特异。1）变性：在）变性：在95,双链双链DNA解解成单链。成单链。2）退火：）退火：55-60，引物与模，引物与模板互补配对。板互补配对。3）延伸：）延伸：72左右，左右，Taq DNA聚合酶在引物之后形成互补聚合酶在引物之后形成互补的的DNA双链。双链。第十二章 生物技术与人类未来限制性内切酶、载体和宿主菌。限制性内切酶、载体和宿主菌。 限限制制性性内内切切酶酶是是从从细细菌菌中中分分离离提提纯纯的的核核酸酸内内切切酶酶，可可以以识识别一小段特殊的核酸序列并将其别一小段特殊的核酸序列并将其在特定位点处切开在特定位点处切开。 载载体体是是运运送送目目的的基基因因片片段

8、段进进入入宿宿主主细细胞胞的的工工具具，目目前前最最常常用用的的载载体体包包括括细细菌菌质质粒粒（如如pUC18pUC18）、噬噬菌菌体体、cosmidcosmid质粒等。质粒等。基基因因克克隆隆过过程程是是通通过过将将携携带带目目的的基基因因的的重重组组DNADNA分分子子转转入入到宿主细胞中来完成的。到宿主细胞中来完成的。酶酶切切和和电电泳泳方方法法来来检检查查克克隆隆的的基基因因，还还可可以以利利用用DNADNA杂杂交交的技术的技术直接鉴定带有重组质粒的细菌克隆。直接鉴定带有重组质粒的细菌克隆。 第二节二、基因重组和克隆二、基因重组和克隆 第十二章 生物技术与人类未来第二节几种常用的限制

9、性内切酶几种常用的限制性内切酶 第十二章 生物技术与人类未来基基因因克克隆隆以以后后使使目目的的基基因因在在合合适适的的宿宿主主细细胞胞中中表表达达，产产生生需需要要的的基基因因表表达达产产物物或或使使宿宿主主生生物物具具备备所所需需要要的的性性状状，同同时时，该该外外源源目目的的基基因因还还能能在在宿宿主主细细胞胞中中稳稳定定地地遗遗传传。这这一一过过程就是程就是遗传转化遗传转化。宿宿主主细细胞胞就就是是接接纳纳外外源源DNADNA的的细细胞胞，它它们们可可以以是是细细菌菌等等原原核核生生物物，也也可可以以是是植植物物或或动动物物细细胞。胞。 第二节三、三、转化受体细胞和转化子筛选转化受体细

10、胞和转化子筛选 第十二章 生物技术与人类未来基因的直接转移方法包括：基因的直接转移方法包括：1 1）利用高压电脉冲的电激穿孔作用把外源）利用高压电脉冲的电激穿孔作用把外源DNADNA引入动引入动植物细胞或组织中。植物细胞或组织中。2 2）基因枪法基因枪法，用粒子枪把表面吸附有外源，用粒子枪把表面吸附有外源DNADNA的金属的金属微粒高速地射入动植物细胞或组织中。微粒高速地射入动植物细胞或组织中。3 3）微注射法，利用显微注射仪等将外源）微注射法，利用显微注射仪等将外源DNADNA直接注入直接注入细胞核或细胞质中。对于植物细胞，常用除去了细细胞核或细胞质中。对于植物细胞，常用除去了细胞壁的原生质

11、体为受体；对于动物细胞，常用的受胞壁的原生质体为受体；对于动物细胞，常用的受体包括受精卵、胚胎干细胞等。体包括受精卵、胚胎干细胞等。 第二节第十二章 生物技术与人类未来蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动力学等结构与功能认识的基础上，对蛋白质人工力学等结构与功能认识的基础上，对蛋白质人工改造与合成，最终获得商业化的产品。改造与合成，最终获得商业化的产品。( (在现阶段，在现阶段，蛋白质工程主要是改造和表达现有的蛋白质，包括通过修改氨基酸蛋白质工程主要是改造和表达现有的蛋白质，包括通过修改氨基酸序列来改善蛋白质的结构或构象，以提高蛋白质的活性、稳定

12、性和序列来改善蛋白质的结构或构象，以提高蛋白质的活性、稳定性和产率产率) )蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：（1 1）分离纯化目的）分离纯化目的蛋白。（蛋白。（2 2）测定氨基酸序列。（）测定氨基酸序列。（3 3）测定蛋白质的结构。（）测定蛋白质的结构。（4 4）了解）了解蛋白质的结构变化对活性与功能的影响。（蛋白质的结构变化对活性与功能的影响。（5 5）设计基因改造方案。）设计基因改造方案。（6 6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。如如通通过引入引入二二硫硫键提高提高酶酶的的热稳定性定性。 第三节第三节 蛋白质

13、工程、发酵工程和细胞工程简介蛋白质工程、发酵工程和细胞工程简介第三节一、蛋白质工程一、蛋白质工程 第十二章 生物技术与人类未来现代现代发酵工程发酵工程主要是指利用微生物、包括利用主要是指利用微生物、包括利用DNADNA重组重组技术改造过的微生物在全自动发酵罐或生物反应器中生技术改造过的微生物在全自动发酵罐或生物反应器中生产某种商品的技术。产某种商品的技术。( (发酵工程的产品从食品、药品、精细化工产品到许发酵工程的产品从食品、药品、精细化工产品到许多工业用原料等，范围非常广泛多工业用原料等，范围非常广泛) ) 现代发酵工程是分子生物学、生物代谢、微生物生长动现代发酵工程是分子生物学、生物代谢、

14、微生物生长动力学、力学、大型发酵罐大型发酵罐或生物反应器研制、化工原理密切结或生物反应器研制、化工原理密切结合和应用的结果。合和应用的结果。 基本步骤：（基本步骤：（1 1）菌种选育和改造获得工程菌等。（）菌种选育和改造获得工程菌等。（2 2）细胞大规模培养即发酵过程。（细胞大规模培养即发酵过程。（3 3）生产活性的诱导。）生产活性的诱导。（4 4）菌体及产物的收获，从细胞或培养液中分离纯化）菌体及产物的收获，从细胞或培养液中分离纯化所需要的代谢产物。所需要的代谢产物。 第三节二、发酵工程二、发酵工程 第十二章 生物技术与人类未来细胞工程细胞工程是指通过组织、细胞和细胞器水平上的筛选或是指通过

15、组织、细胞和细胞器水平上的筛选或改造，获得有商业价值的细胞株、细胞系或细胞组织，改造，获得有商业价值的细胞株、细胞系或细胞组织，再通过规模培养，获得特殊商品的技术与过程。再通过规模培养，获得特殊商品的技术与过程。动物细胞培养动物细胞培养：体外培养可分为：体外培养可分为原代培养原代培养与与继代培养继代培养。动物细胞培养动物细胞培养的操作步骤的操作步骤 包括：包括： 1 1）对动物体的胚胎、肌肉、肾等组织经酶解消化分离）对动物体的胚胎、肌肉、肾等组织经酶解消化分离出单个细胞。出单个细胞。2 2）将分散的细胞转入特殊培养液中，于二氧化碳培养）将分散的细胞转入特殊培养液中，于二氧化碳培养箱中进行保温培

16、养。箱中进行保温培养。3 3）原代细胞分装到多个扁形的瓶中进行继代培养。）原代细胞分装到多个扁形的瓶中进行继代培养。 第三节三、细胞工程三、细胞工程 第十二章 生物技术与人类未来第三节高等植物细胞组织培养高等植物细胞组织培养。高等植物细胞具有全能性，其幼。高等植物细胞具有全能性，其幼胚、根、茎、叶、花和果实等不同器官的组织中分离的单胚、根、茎、叶、花和果实等不同器官的组织中分离的单个细胞，经过特殊培养形成愈伤组织，并生成完整的植株。个细胞，经过特殊培养形成愈伤组织，并生成完整的植株。第十二章 生物技术与人类未来细胞融合细胞融合将不同种类的细胞经特殊处理形成杂种细胞。将不同种类的细胞经特殊处理形

17、成杂种细胞。 细胞重组细胞重组是把不同种类细胞的细胞器重新组合装配，包是把不同种类细胞的细胞器重新组合装配，包括核移植、叶绿体移植、核糖体重建及线粒体装配等。括核移植、叶绿体移植、核糖体重建及线粒体装配等。杂交瘤技术杂交瘤技术是通过细胞融合产生特异杂交瘤细胞，进而是通过细胞融合产生特异杂交瘤细胞，进而使杂交瘤细胞产生单一的抗体（使杂交瘤细胞产生单一的抗体（单克隆单克隆抗体），在医药业抗体），在医药业用作药物和诊断试剂。用作药物和诊断试剂。 制备单克隆抗体的过程制备单克隆抗体的过程 涉及细胞培养、细胞融合等多涉及细胞培养、细胞融合等多种步骤。种步骤。 单克隆抗体技术现已应用于临床诊断和疾病的单克

18、隆抗体技术现已应用于临床诊断和疾病的治疗，在癌症的研究治疗中也具有应用潜力。治疗，在癌症的研究治疗中也具有应用潜力。第三节第十二章 生物技术与人类未来第四节第四节 生物技术在农业、医药等方面的应用生物技术在农业、医药等方面的应用 第四节转基因基因动物主要物主要应用于促用于促进动物生物生长，改善畜，改善畜产品的品的产量，提高量，提高动物的抗病性和物的抗病性和生生产药用蛋白用蛋白等。畜牧等。畜牧业中的中的基因工程基因工程产品品还包括包括动物疫苗、生物疫苗、生长激素等。激素等。 植物基因工程在种植植物基因工程在种植业生生产上上显示了更好的示了更好的应用前景。用前景。如如用用农杆菌杆菌TiTi质粒粒转

19、化植物化植物培养出具有抗化学除草剂的培养出具有抗化学除草剂的转基因植物基因植物，转基因番基因番茄茄，转BtBt基因基因作物等。作物等。基因工程技基因工程技术还被被应用于用于环境保境保护，如利用，如利用转基因微生基因微生物吸收物吸收环境中的重金属，降解有毒有害化合物，境中的重金属，降解有毒有害化合物，处理工理工业废水等方面的研究已水等方面的研究已经取得了取得了许多多进展。展。 一、农业生物技术一、农业生物技术 第十二章 生物技术与人类未来第四节传染性疾病的诊断。利用传染性疾病的诊断。利用PCRPCR技术或技术或PCRPCR与分子杂交标记与分子杂交标记相结合，可以快速准确地检测出病原性物质。分子生

20、物相结合，可以快速准确地检测出病原性物质。分子生物学技术应用于学技术应用于传染性疾病的诊断传染性疾病的诊断具有专一性强，灵敏度具有专一性强，灵敏度高，且抗干扰好和操作快速简便等优点。高，且抗干扰好和操作快速简便等优点。 人类遗传性疾病早期诊断。胎儿出生前诊断应用最多的人类遗传性疾病早期诊断。胎儿出生前诊断应用最多的方法是方法是羊水和胎盘绒毛膜检测羊水和胎盘绒毛膜检测，如，如镰形细胞贫血症镰形细胞贫血症胎儿胎儿出生前的基因组型分析。出生前的基因组型分析。 特异性互补寡核苷酸法特异性互补寡核苷酸法：该方法根据被检基因特定的：该方法根据被检基因特定的DNADNA序列，人工合成两种特异性的寡核苷酸分子

21、探针（序列，人工合成两种特异性的寡核苷酸分子探针（ASOASO），），一种与正常的基因序列完全互补，另一种与突变的基因一种与正常的基因序列完全互补，另一种与突变的基因序列完全互补。序列完全互补。 二、分子诊断二、分子诊断 第十二章 生物技术与人类未来第四节基因治疗基因治疗就是利用基因工程技术来治疗人类遗传性疾病和就是利用基因工程技术来治疗人类遗传性疾病和多因素疾病。多因素疾病。基因治疗通常需要在基因治疗通常需要在DNADNA水平上认识发病机制，掌握了基水平上认识发病机制，掌握了基因的克隆分离、体外操作和适量表达的技术，还要应用合因的克隆分离、体外操作和适量表达的技术，还要应用合适的载体或基因转

22、移系统（如适的载体或基因转移系统（如逆逆转录病毒转录病毒）将人正常的结）将人正常的结构基因以及相关的调节序列送入到人体组织和细胞中去，构基因以及相关的调节序列送入到人体组织和细胞中去，使之稳定、安全地表达。如使之稳定、安全地表达。如重症综合性免疫缺乏症重症综合性免疫缺乏症（SCIDSCID）的基因治疗）的基因治疗。 RNARNA干扰技术干扰技术在基因治疗研究中显示了良好的应用前景，在基因治疗研究中显示了良好的应用前景，所谓所谓RNARNA干扰（干扰（RNAiRNAi）技术）技术, ,就是利用一小段双链就是利用一小段双链RNARNA（dsRNAdsRNA）导入人体或其他哺乳动物细胞中，使特定的）

23、导入人体或其他哺乳动物细胞中，使特定的基因表达产生沉默。基因表达产生沉默。 三、基因治疗三、基因治疗 第十二章 生物技术与人类未来第四节生物芯片生物芯片是指本身贮存有大量的生物信息，并能够对生物是指本身贮存有大量的生物信息，并能够对生物分子或组分进行高通量快速并行处理和分析的薄型固体器分子或组分进行高通量快速并行处理和分析的薄型固体器件。件。DNADNA芯片芯片或或基因芯片基因芯片，是，是DNADNA杂交探针技术与半导体工业技杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。该技术系指将大量（通常每平方厘米点术相结合的结晶。该技术系指将大量（通常每平方厘米点阵密度高于阵密度高于400400）探针分子固

24、定于支持物上后与带荧光标）探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的记的DNADNA样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。DNADNA芯片由于同芯片由于同时将大量探将大量探针固定于支持物上，所以可以固定于支持物上，所以可以一次性一次性对样品大量序列品大量序列进行行检测和分析和分析。四、生物芯片技术四、生物芯片技术 第十二章 生物技术与人类未来第四节应用：基因表达谱测定、突变检测、多态性应用：基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、基因组文库作图及杂交测序等。分析、基因

25、组文库作图及杂交测序等。 DNADNA芯片技术用于基因组分析时，具有样品芯片技术用于基因组分析时，具有样品用量小、信息量大、分析方法简易快速、用量小、信息量大、分析方法简易快速、自动化程度高等多项优点。自动化程度高等多项优点。 生物芯片具有仪器体积小、重量轻、便于携生物芯片具有仪器体积小、重量轻、便于携带等特点，作为一项全新的技术，具有集带等特点，作为一项全新的技术，具有集成化、并行化、高通量、自动化和微型化成化、并行化、高通量、自动化和微型化的优势，在许多领域具有广泛的应用。的优势，在许多领域具有广泛的应用。 第十二章 生物技术与人类未来第五节第五节 生物技术面临的问题与挑战生物技术面临的问

26、题与挑战 第五节科学是一把双刃剑，生物技术的发展为人类带来了科学是一把双刃剑，生物技术的发展为人类带来了巨大的利益，也带来了某些潜在的威胁和社会伦理巨大的利益，也带来了某些潜在的威胁和社会伦理等问题。等问题。 基因工程是现代生物技术发展最快的领域，其核心基因工程是现代生物技术发展最快的领域，其核心技术是在基因水平上进行操作（如技术是在基因水平上进行操作（如转基因食物转基因食物），），改变已有的基因，改良甚至创造新的物种。改变已有的基因，改良甚至创造新的物种。如果转基因技术应用不当，一旦产生不良后果，其如果转基因技术应用不当，一旦产生不良后果，其危害会不断扩展和传递。危害会不断扩展和传递。 一、

27、一、转基因技术的安全性问题转基因技术的安全性问题 第十二章 生物技术与人类未来第五节从理论和技术层从理论和技术层面上来看，实现面上来看，实现人的克隆是完全人的克隆是完全可能的。可能的。 克隆动物技术引克隆动物技术引发的威胁人类社发的威胁人类社会现有法律、伦会现有法律、伦理、道德和观念理、道德和观念的问题是人类必的问题是人类必须面对的严峻挑须面对的严峻挑战。战。 二二 、克隆人的伦理问题克隆人的伦理问题 第十二章 生物技术与人类未来第五节作为人类基因组计划的一部分，还特别设立了人类基因作为人类基因组计划的一部分，还特别设立了人类基因信息利用的伦理、法律和社会影响计划，称之为信息利用的伦理、法律和

28、社会影响计划，称之为ELSIELSI项项目。目。ELSIELSI项目主要关注以下项目主要关注以下4 4方面：方面：1 1）在应用和解释基因信息时的隐私权和公正性。）在应用和解释基因信息时的隐私权和公正性。2 2）基因信息由实验室研究向实际医疗应用的转化。）基因信息由实验室研究向实际医疗应用的转化。3 3）人类基因组计划参与者相互协调和成果发布。）人类基因组计划参与者相互协调和成果发布。4 4）公众与专业教育。）公众与专业教育。 个人的基因信息资料由谁来负责保管、保护和保密，有个人的基因信息资料由谁来负责保管、保护和保密，有基因缺陷或差异的人在社会活动中是否能受到真正平等基因缺陷或差异的人在社会

29、活动中是否能受到真正平等和公正的对待。和公正的对待。 三、个人基因信息的隐私权问题三、个人基因信息的隐私权问题 第十二章 生物技术与人类未来第五节从社会伦理和人类自身安全考虑，基因治疗仍然需要限从社会伦理和人类自身安全考虑，基因治疗仍然需要限制或规范在一定的应用范围中。制或规范在一定的应用范围中。 涉及基因治疗应用范围的另一个问题是基因治疗技术是涉及基因治疗应用范围的另一个问题是基因治疗技术是否不仅限于疾病治疗，还可用于增强人的体能。否不仅限于疾病治疗，还可用于增强人的体能。 五、五、 生物技术引发的其他问题生物技术引发的其他问题 生命伦理学专家提出了自主、有利、不伤害、公正四原生命伦理学专家

30、提出了自主、有利、不伤害、公正四原则来面对生物科技引发的伦理难题。则来面对生物科技引发的伦理难题。 生物技术除了引发伦理问题，还引发了许多社会问题。生物技术除了引发伦理问题，还引发了许多社会问题。 在加强生命科学基础知识学习的基础上，由自己对这些在加强生命科学基础知识学习的基础上，由自己对这些问题做出判断。问题做出判断。 四、基因治疗的应用范围问题四、基因治疗的应用范围问题 第十二章 生物技术与人类未来第六节第六节 生物科技造福人类生物科技造福人类第六节生物技术发展的正面作用要远远大于负面作用，而且在生物技术发展的正面作用要远远大于负面作用，而且在实践和发展中，人类也有智慧和能力来面对并逐步解

31、决实践和发展中，人类也有智慧和能力来面对并逐步解决好由生物技术引发的一系列问题。好由生物技术引发的一系列问题。 解决人类生存与发展面临的一系列重大问题和挑战，在解决人类生存与发展面临的一系列重大问题和挑战，在很大程度上将依赖于生命科学的发展。生命科学对人类很大程度上将依赖于生命科学的发展。生命科学对人类经济、科技、政治和社会发展的作用是全方位的。经济、科技、政治和社会发展的作用是全方位的。 与生命科技发展同步，人类社会进入与生命科技发展同步，人类社会进入2121世纪以后，生物世纪以后，生物技术产业正在全世界范围内高速成长。继信息技术产业技术产业正在全世界范围内高速成长。继信息技术产业拉动信息经

32、济以后，生物技术产业拉动生物经济的时代拉动信息经济以后，生物技术产业拉动生物经济的时代即将到来。即将到来。 一、一、2121世纪是生物科技大发展的世纪世纪是生物科技大发展的世纪 第十二章 生物技术与人类未来第六节 21 21世世纪的人的人类对生命生命质量和生命健康的追求与期望量和生命健康的追求与期望会越来越高。会越来越高。 第十二章 生物技术与人类未来第六节生命之美不但在生命之美不但在“形形”，更在其内在的规律及，更在其内在的规律及本质。人是生命的最高本质。人是生命的最高级形式，人体之美不但级形式，人体之美不但在在“形形”，更在其创新，更在其创新的思维和梦想。的思维和梦想。 生命是一种艺术，这

33、种生命是一种艺术，这种艺术的精彩与魅力就在艺术的精彩与魅力就在于：生命有形，梦想无于：生命有形，梦想无限！限！ 二、生命有形，梦想无限二、生命有形，梦想无限第十二章 生物技术与人类未来生物技术是生物技术是“应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术，其还包括改良有重要经济价值的植物与动物以及利用微生物改良环境的，其还包括改良有重要经济价值的植物与动物以及利用微生物改良环境的技术技术”。高技术、高投入、高利润是生物技术产业的显著特点。生物技术。高技术、高投入、高利润是生物技术产业的显著特点。生物技术通常包括基因工程、细胞工程、通常包括基因

34、工程、细胞工程、 发酵工程和蛋白质（酶）工程发酵工程和蛋白质（酶）工程4 4个方面内个方面内容。容。 重组重组DNADNA技术是基因工程的核心技术。一般重组技术是基因工程的核心技术。一般重组DNADNA操作通常包括：操作通常包括：获得目的基因。获得目的基因。与克隆载体连接形成重组与克隆载体连接形成重组DNADNA分子。分子。用重组用重组DNADNA分子转分子转化受体细胞。化受体细胞。对转化子进行筛选和鉴定。对转化子进行筛选和鉴定。对获得外源基因的细胞或生对获得外源基因的细胞或生物体通过发酵、细胞培养、养殖或栽培等，最终获得所需要的遗传性状或物体通过发酵、细胞培养、养殖或栽培等，最终获得所需要的

35、遗传性状或表达出所需要的产物。获得目的基因的常用方法包括直接从生物体中提取表达出所需要的产物。获得目的基因的常用方法包括直接从生物体中提取总总DNADNA，构建基因文库，从中调用目的基因；以，构建基因文库，从中调用目的基因；以mRNAmRNA为模板，人工合成互补为模板，人工合成互补的的DNADNA片段；利用聚合酶链反应（片段；利用聚合酶链反应（PCRPCR）特异性地扩增所需要的目的基因片）特异性地扩增所需要的目的基因片段等。可用紫外分光光度计测定段等。可用紫外分光光度计测定DNADNA溶液的纯度和浓度。限制性内切酶是从溶液的纯度和浓度。限制性内切酶是从细菌中分离提纯的核酸内切酶，可以识别一小段

36、特殊的核酸序列并将其在细菌中分离提纯的核酸内切酶，可以识别一小段特殊的核酸序列并将其在特定位点处切开。凝胶电泳是用于分离、纯化和鉴定特定位点处切开。凝胶电泳是用于分离、纯化和鉴定DNADNA片段最常规的实验片段最常规的实验技术。可利用载体转化法和基因的直接转移等技术将外源目的基因转入合技术。可利用载体转化法和基因的直接转移等技术将外源目的基因转入合适的宿主细胞中进行表达，用适的宿主细胞中进行表达，用SouthernSouthern印迹进行检测和分析。印迹进行检测和分析。 本章摘要第十二章 生物技术与人类未来分子诊断是利用分子生物学的手段如分子诊断是利用分子生物学的手段如PCRPCR、限制性酶切

37、、克隆、核酸杂、限制性酶切、克隆、核酸杂交等对多种疾病，特别是对遗传性疾病作出早期诊断的技术。在临床上，交等对多种疾病，特别是对遗传性疾病作出早期诊断的技术。在临床上，分子生物学技术的应用为传染性疾病和其他疾病的诊断开辟了崭新的高效分子生物学技术的应用为传染性疾病和其他疾病的诊断开辟了崭新的高效途径。利用基因工程技术来治疗人类遗传性疾病和多因素疾病称为基因治途径。利用基因工程技术来治疗人类遗传性疾病和多因素疾病称为基因治疗。疗。RNAiRNAi是一种操纵基因表达、使特定基因沉默的新技术，它有望用于基是一种操纵基因表达、使特定基因沉默的新技术，它有望用于基因治疗或基因药物的研制。基因治疗的研究和

38、应用对疾病的防治具有良好因治疗或基因药物的研制。基因治疗的研究和应用对疾病的防治具有良好的应用前景。的应用前景。 目前最主要的生物芯片是目前最主要的生物芯片是DNADNA芯片或基因芯片，它们是芯片或基因芯片，它们是DNADNA杂交探针技杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。该技术系指将大量探针分子固定于支术与半导体工业技术相结合的结晶。该技术系指将大量探针分子固定于支持物上后与标记的持物上后与标记的DNADNA样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。生物芯片具有仪器体积小、号强度进而获取样品分子的数

39、量和序列信息。生物芯片具有仪器体积小、重量轻、便于携带等特点，在医学、化学、新药开发、司法鉴定、农业技重量轻、便于携带等特点，在医学、化学、新药开发、司法鉴定、农业技术和食品技术领域具有广泛的应用。术和食品技术领域具有广泛的应用。 蛋白质工程的主要步骤通常包括：从生物体中分离纯化需要改造的目蛋白质工程的主要步骤通常包括：从生物体中分离纯化需要改造的目的蛋白；测定其氨基酸序列；借助于核磁共振和的蛋白；测定其氨基酸序列；借助于核磁共振和X X射线晶体衍射等实验手段，射线晶体衍射等实验手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构；设计各种处理条件，了尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构；设

40、计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；对编解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；对编码该蛋白的基因设计改造方案，使蛋白质的活性中心或整个构象发生变化；码该蛋白的基因设计改造方案，使蛋白质的活性中心或整个构象发生变化；分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。 第十二章 生物技术与人类未来现代发酵工程主要是指利用微生物，包括利用经过现代发酵工程主要是指利用微生物，包括利用经过DNADNA重组技术改造过重组技术改造过的微生物在全自动发酵罐或生物反应器中生产某种商品的技术。一般发酵的微生物在全自动

41、发酵罐或生物反应器中生产某种商品的技术。一般发酵工程的步骤包括菌种选育；细胞大规模培养即发酵过程；生产活性的诱导；工程的步骤包括菌种选育；细胞大规模培养即发酵过程；生产活性的诱导；菌体及产物的收获和从细胞或培养液中分离纯化所需要的代谢产物。菌体及产物的收获和从细胞或培养液中分离纯化所需要的代谢产物。 细胞工程是指通过组织细胞和细胞器水平上的筛选或改造，获得有商细胞工程是指通过组织细胞和细胞器水平上的筛选或改造，获得有商业价值的细胞株、细胞系或细胞组织，再通过规模培养，获得特殊商品的业价值的细胞株、细胞系或细胞组织，再通过规模培养，获得特殊商品的技术与过程。细胞工程包括动物细胞工程和植物细胞工程

42、。制备单克隆抗技术与过程。细胞工程包括动物细胞工程和植物细胞工程。制备单克隆抗体涉及细胞培养、细胞融合等多种步骤。即向小鼠体内注射特定的抗原蛋体涉及细胞培养、细胞融合等多种步骤。即向小鼠体内注射特定的抗原蛋白，从免疫后的小鼠脾中分离出能分泌特定抗体的白，从免疫后的小鼠脾中分离出能分泌特定抗体的B B淋巴细胞。将淋巴细胞。将B B淋巴细淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合，从获得的杂交细胞中筛选出能产生特定抗体的克隆。胞与骨髓瘤细胞融合，从获得的杂交细胞中筛选出能产生特定抗体的克隆。单克隆抗体技术已应用于临床诊断和疾病治疗，单克隆抗体药物又被称为单克隆抗体技术已应用于临床诊断和疾病治疗，单克隆抗体药物又被称

43、为医药领域的分子导弹。医药领域的分子导弹。 转基因技术的安全性问题、克隆人的伦理问题、个人基因信息的隐私转基因技术的安全性问题、克隆人的伦理问题、个人基因信息的隐私权问题、基因治疗的应用范围问题等都是当今人类面临的由生物技术引发权问题、基因治疗的应用范围问题等都是当今人类面临的由生物技术引发的新问题。的新问题。 2121世纪，生命科学成为自然科学的带头学科，并将人类社会推世纪，生命科学成为自然科学的带头学科，并将人类社会推进到进到“生物技术和生物经济的时代生物技术和生物经济的时代”。第十二章 生物技术与人类未来第一节返回生物技术的商品属性。生物技术的商品属性。 第十二章 生物技术与人类未来第一

44、节返回基因工程基因工程是通过是通过DNADNA的体外重组，实现不同物种之间基因的的体外重组，实现不同物种之间基因的转移，或者在基因的水平上设计和改造生物结构和功能，转移，或者在基因的水平上设计和改造生物结构和功能，最终获得具有目的性状的生物个体或表达产物。最终获得具有目的性状的生物个体或表达产物。 细胞工程细胞工程是以组织、细胞和细胞器为对象进行操作，在细是以组织、细胞和细胞器为对象进行操作，在细胞水平上重组细胞的结构和内含物，或者通过一定规模的胞水平上重组细胞的结构和内含物，或者通过一定规模的细胞培养或组织培养，最终获得所需要的组织、细胞和生细胞培养或组织培养，最终获得所需要的组织、细胞和生

45、物体及其产物。物体及其产物。蛋白质（酶）工程蛋白质（酶）工程是在对蛋白质结构与功能解析的基础上，是在对蛋白质结构与功能解析的基础上，对蛋白质结构进行改造，或通过对蛋白质结构的反向设计，对蛋白质结构进行改造，或通过对蛋白质结构的反向设计，选择或改造相应的基因，获得所需要的蛋白质。选择或改造相应的基因，获得所需要的蛋白质。发酵工程发酵工程通过对微生物菌株的选择、培育或改造，对发酵通过对微生物菌株的选择、培育或改造，对发酵罐和反应器的设计和对发酵工艺的改进，实现目标工程菌罐和反应器的设计和对发酵工艺的改进，实现目标工程菌或细胞的规模化发酵培养，最终从发酵液或细胞中分离提或细胞的规模化发酵培养，最终从

46、发酵液或细胞中分离提取所需要的生物工程产品。取所需要的生物工程产品。 第十二章 生物技术与人类未来第一节返回 生物技术按其进行的顺序和性质一般包含以重组生物技术按其进行的顺序和性质一般包含以重组DNADNA等实验室操作为主的上游技术和以发酵工程等为主的工等实验室操作为主的上游技术和以发酵工程等为主的工业化生产的下游技术。业化生产的下游技术。第十二章 生物技术与人类未来第二节返回 将总将总DNADNA包含的基因组各片段分别包含的基因组各片段分别克隆克隆在细菌质粒载在细菌质粒载体或噬菌体载体上，便构成了该生物的体或噬菌体载体上，便构成了该生物的基因文库。基因文库。第十二章 生物技术与人类未来第二节

47、返回逆转录人工合成互补逆转录人工合成互补DNADNA：（1 1）细胞核内的基因组经过转录，）细胞核内的基因组经过转录，产生出前体产生出前体mRNAmRNA；（2 2）经剪切作用后，除去内含子，）经剪切作用后，除去内含子，形成了成熟形成了成熟mRNA.mRNA.（3 3）从细胞中分离出所需要的）从细胞中分离出所需要的mRNAmRNA，再以，再以mRNAmRNA为模板，在逆转录为模板，在逆转录酶的作用下，根据碱基互补原则人酶的作用下，根据碱基互补原则人工合成一段与之互补的工合成一段与之互补的DNADNA片段，片段，这一过程称为逆转录。这一过程称为逆转录。（4 4）逆转录完成时，）逆转录完成时，RN

48、ARNA被降解。被降解。接着，在大肠杆菌接着，在大肠杆菌DNADNA聚合酶的作聚合酶的作用下，再以第一条用下，再以第一条DNADNA为模板，人为模板，人工合成另一条互补的工合成另一条互补的DNADNA子链。子链。 第十二章 生物技术与人类未来第二节 19881988年由美国科学家年由美国科学家Kary Kary MullisMullis发明；发明；开汽车时的联想，使他以开汽车时的联想，使他以后发明了后发明了PCRPCR技术；技术； 19931993年获得了诺贝尔奖。年获得了诺贝尔奖。 返回PCRPCR的发明：的发明：第十二章 生物技术与人类未来第二节返回EcoEcoRIRI是最早被发现的限制性

49、内切酶。是最早被发现的限制性内切酶。第十二章 生物技术与人类未来第二节1 1 该质粒比较小，可以插入一段较该质粒比较小，可以插入一段较长的长的DNADNA片段。片段。 2 2 进入宿主细菌细胞后，进入宿主细菌细胞后，pUC18pUC18在在每个细胞中可复制形成约每个细胞中可复制形成约500500个拷贝。个拷贝。 3 3 在在pUC18pUC18中有一小段人为设计和中有一小段人为设计和插入的具有多种限制性酶切位点的序插入的具有多种限制性酶切位点的序列，即多克隆位点。列，即多克隆位点。4 4 pUC18pUC18中有一个中有一个lacZlacZ基因，多克基因，多克隆位点区就位于隆位点区就位于lac

50、ZlacZ基因之中。插入基因之中。插入了外源了外源DNADNA片段的片段的pUC18pUC18进入宿主细菌进入宿主细菌后，在含有后，在含有X-galX-gal底物的培养基上形底物的培养基上形成白色菌落，而不是蓝色菌落；。成白色菌落，而不是蓝色菌落；。 5 5 pUC18pUC18还携带了氨卞青霉素抗性还携带了氨卞青霉素抗性基因，便于筛选。基因，便于筛选。 返回实用质粒载体实用质粒载体pUC118pUC118：第十二章 生物技术与人类未来第二节返回将目的基因克隆到大肠杆菌细胞中的操作步骤将目的基因克隆到大肠杆菌细胞中的操作步骤 。第十二章 生物技术与人类未来第二节返回用于分离、纯化和鉴定用于分离

51、、纯化和鉴定DNADNA片段凝胶电泳技术。片段凝胶电泳技术。第十二章 生物技术与人类未来第二节返回利用利用DNADNA杂交技术直接鉴定携带克隆基因的菌落。杂交技术直接鉴定携带克隆基因的菌落。 第十二章 生物技术与人类未来第二节返回 构建缺失构建缺失chlLchlL基因的蓝基因的蓝细菌突变株。细菌突变株。 第十二章 生物技术与人类未来第二节返回 基因直基因直接转移的基接转移的基因枪法因枪法 。第十二章 生物技术与人类未来返回第三节通过在蛋白质分子中导入二硫键提高酶的热稳定性。通过在蛋白质分子中导入二硫键提高酶的热稳定性。 第十二章 生物技术与人类未来返回第三节用于微生物发酵实验的大型发酵罐。用于

52、微生物发酵实验的大型发酵罐。第十二章 生物技术与人类未来返回第三节 动物细胞培养的动物细胞培养的操作步骤。操作步骤。第十二章 生物技术与人类未来返回第三节 制备单克隆抗制备单克隆抗体的过程涉及细胞体的过程涉及细胞培养、细胞融合等培养、细胞融合等多种步骤。多种步骤。 第十二章 生物技术与人类未来返回第四节 科学家从利用基因工程技术获得的转基因羊的羊奶科学家从利用基因工程技术获得的转基因羊的羊奶中，提取出了一种治疗心脏病的药物中，提取出了一种治疗心脏病的药物tPAtPA。 第十二章 生物技术与人类未来返回第四节 用携带了外源基因的农杆菌用携带了外源基因的农杆菌TiTi质粒转化植物原生质质粒转化植物

53、原生质体，发育成具有新性状的完整植株体，发育成具有新性状的完整植株转基因植物。转基因植物。 第十二章 生物技术与人类未来返回第四节转基因番茄。转基因番茄。第十二章 生物技术与人类未来返回第四节 利用利用PCRPCR技术或技术或PCRPCR与分子杂交标记相结与分子杂交标记相结合，可以快速准确地合，可以快速准确地检测出病原性物质。检测出病原性物质。 第十二章 生物技术与人类未来返回第四节 胎儿出生前胎儿出生前诊断应用羊水和诊断应用羊水和胎盘绒毛膜检测胎盘绒毛膜检测遗传病遗传病 。第十二章 生物技术与人类未来返回第四节镰形细胞贫血症的早期诊断。镰形细胞贫血症的早期诊断。 第十二章 生物技术与人类未来返回第四节 镰形细胞贫血症的镰形细胞贫血症的ASOASO方法诊断。方法诊断。 第十二章 生物技术与人类未来返回第四节逆转录病毒作为基因治疗的转移系统。逆转录病毒作为基因治疗的转移系统。 第十二章 生物技术与人类未来返回第四节 转基因转基因T T淋巴细淋巴细胞注射到人体骨髓胞注射到人体骨髓组织中治疗重症综组织中治疗重症综合性免疫缺乏症。合性免疫缺乏症。 第十二章 生物技术与人类未来返回第四节RNARNA干扰技术原理示意图。干扰技术原理示意图。第十二章 生物技术与人类未来返回第五节 转基因食物转基因食物第十二章 生物技术与人类未来第四节返回DNADNA芯片芯片