《生物技术与人类未来》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物技术与人类未来（82页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 1111 生物技术与人类未来生物技术与人类未来11.1 生物技术、主要内容和发展概况11.2 生物技术方法 一、基因工程-DNA重组技术与蛋白质工程 二、单克隆抗体技术 三、细胞工程与动物克隆技术 四、生物芯片技术11.3 生物技术的应用11.4 生物技术面临的问题与挑战11.5 生物技术造福人类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，分子生物学等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
2、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1982年，国际合作与发展组织的定义为：生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术。美国政府技术顾问委员会(OAT)的定义是：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，其中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。该定义强调了生物技术的商商品品属属性性。生物工程-应用11.1 生物技术定义、主要内容和发展概况l生物技术的定义和特点生物技术具有多学科交叉和综合运用的特点： 1）其理论来源于实验室大量复杂的基础研究工作
3、2）微生物学、分子生物学、化学工程、材料科学等多学科交叉的综合性学科生物技术的显著特点 高技术高技术（精细和 密集的复杂技术）高投入高投入 高利润高利润周期长( (三高一长三高一长) )利用生物技术的生产线利用生物技术的生产线利用生物技术的生产线利用生物技术的生产线通常生物技术主要包括基因工程基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质（酶）工程四大工程，此外还有单克隆抗体技术；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毒有害化合物的技术等都可属生物技术范畴的内容。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、生物信息学、化学工程学、医药学、材
4、料科学等。涉及的学科还远不止这些生物技术是对人类和社会生活影响最大的技术领域按应用领域划分：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、能源生物技术等等。11.2生物技术的内容、方法：基因工程是指在分子水平，设计并实施把一个生物体中有用的目的基因或DNA(遗传信息)转入另一个生物体中，使后者获得新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。一、基因工程与蛋白质工程基因工程与建筑工程雷同基因工程与建筑工程雷同基因工程与建筑工程雷同基因工程与建筑工程雷同以克隆和重组DNA为核心的技术即基因工程技术，又称为重组DNA技术重组DNA技术的重大突破带动了现代生物技术
5、的兴起，并很快产生了许多生命科学的高技术产业克隆(clone)-无性繁殖（系）分子克隆DNA的无性繁殖技术重组DNA技术包括了基因克隆基因克隆为主的一系列的分子生物学操作步骤，实现不同物种间基因的转移。基因工程技术基因工程技术是现代生物技术的基础重组DNA操作的一般步骤：1）获得需要的目的基因；2）克隆:目的基因与载体连接，形成新的重组DNA分子；3）转化或转染：用重组DNA分子转化受体细胞，使之进入受体细胞并能在受体细胞中复制和遗传；4）对转化子即获得外源基因的受体细胞进行筛选和鉴定；(阳性克隆)5）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，获得所需的遗传性状或表达出所需要
6、的产物。重组DNA技术-基因工程图示获得需要的目的基因常用的方法：（1）直接从生物体中提取总DNA，构建基基因因组组DNADNA文文库库(genomicDNAlibrary)，从中调用目的基因；（2）以mRNA为模板，反转录合成互补的DNA片段，建立cDNAcDNA文库文库；（3）利利用用聚聚合合酶酶链链式式反反应应（PCR）特异性地扩增所需要的目的基因片段，等等。（4）化学合成 获得需要的目的基因（外源基因）l细胞内总DNA的提取分离程序：苯酚变性沉淀蛋白质(1)(1)细胞内总DNA的提取分离与基因组文库的构建l紫外分光光度计测定DNA溶液的纯度和浓度l基因组DNA文库的构建将总DNA经过酶
7、解，经蔗糖梯度离心或琼脂糖凝胶电泳分离不同长短的DNA片段。包含的基因组片段分别克隆在质粒或噬菌体载体上，转染细菌或体外包装到噬菌体颗粒上便构成了该生物的基因组文库。用标记的单链DNA为探针调用目的基因(2)(2)逆转录人工合成互补逆转录人工合成互补DNADNAcDNAcDNA文库文库的构建的构建mRNA逆转录cDNA(互补DNA）第二条DNA链基因组文库与cDNA文库的比较构建基因组文库获取目的基因存在的问题费时费事有内含子序列cDNA文库，反转录人工合成互补DNA方法的优势1、不含内含子序列2、获取的DNA片段往往是具有特定功能的目的基因目的基因(3)(3) 聚合酶链式反应（PCRPCR技
8、术技术）lPCR技术就是在体外的小试管中通过酶促反应有选择地大量扩增（包括分离）一段目的基因的技术。该技术高效、快捷、特异性好。l小试管中反应需加入4种物质： （1）作为模板的DNA序列即微量的总DNA；（2）与欲分离的目的基因两条链的各自5端序列相互补的DNA引物（约20个左右碱基的短DNA单链）；（3）TaqDNA聚合酶；（4）4种核苷酸4dNTP（即dATP, dTTP, dGTP和dCTP）。聚合酶链式反应（PCR）l变性、退火、延伸三步曲变性：双链DNA解链成为单链DNA退火：部分引物与模板的单链DNA的特定互补部位相配对和结合延伸：以目的基因为模板，合成互补的新DNA链聚合酶链式反
9、应（PCR）l每一轮聚合酶链式反应可使目的基因片段增加一倍30轮循环可获得230（1.07109)个基因片段在特制的PCR仪中进行lPCR技术的发明PCR的发明是DNA操作技术的革命美国Mullis教授 开汽车时的联想 逶迤崎岖的山路DNA双螺旋 行驶的汽车一小段DNA引物 1988年发明了PCR技术 1993年获得诺贝尔奖基因重组和克隆操作最重要的工具有以下3个：(1)限制性内切酶（和连接酶）(2)载体(3)宿主菌微量的目的基因必须经过基因克隆获得大量的拷贝后，才能实现进一步的重组、转化和表达等操作。 构建重组重组DNADNA和基因克隆限制性内切酶是从细菌中分离提纯的核酸内切酶，可以识别并切
10、开核酸序列的特定位点-称分子手术刀Arber、Smith和Nathans因为在发现限制性内切酶方面的开创性工作而共同获得了1978年的诺贝尔奖。限制性内切酶限制性内切酶限制性内切酶限制性内切酶识别特定的核苷酸序列，一般46个碱基对。例如：EcoRI特异识别GAATTC及其互补碱基组成的双链DNA片段酶切后形成粘性末端或平端，互补的粘性末端或平端用T4连接酶可连接起来限制性内切酶-DNA的分子刀已经发现和鉴定的限制性内切酶有200多种n限制性内切酶切与DNADNA重组的操作：重组的操作： 基因体外重组（基因克隆） 1973年，由美国斯坦福大学教授Cohn和美国加州大学教授Boyer带领各自的研究
11、组几乎同时分别完成了DNA体外重组，一举打开了基因工程学大门打开了基因工程学大门。载体载体载体：是运送目的基因片段进入宿主细胞的工具。（因为切割的DNA并不能直接进入到细菌等宿主细胞中）一般载体要求具备以下特性：（1）能够自我复制，并带动插入的外源基因一起复制（2）具有合适的限制性酶切位点（3）细胞内拷贝数要多（4）通常载体的分子量要小（有时要求载体分子量要大）（5）具有合适的筛选标记筛选标记（6）细胞内稳定性高目前最常用的原核细胞的克隆载体包括细菌质粒、噬菌体、cosmid质粒等DNA。质粒是细菌细胞中自然存在于染色体外可以自主复制的一段环状DNA分子。进入到宿主细胞中的一个质粒可以大量增加
12、其拷贝数。质粒载体（1)该质粒比较小，可以插入一段较长的DNA片段。（2)进入宿主细菌细胞后，pUC18在每个细胞中可大量复制，形成大约500个拷贝。（3)在pUC18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列，即多克隆位点。l例如：例如：细菌质粒细菌质粒pUC18pUC18就是一种已被改造的实用载体：就是一种已被改造的实用载体：质粒载体的一般结构pUC118质粒的多克隆位点整整合合在lacZ基因中。该位点如果没有插入外源目的基因，lacZ基因便可表达出半乳糖苷酶，这时如果平板培养基中含有IPTGIPTG（即乳糖操纵子的诱导物）和X-galX-gal，X-galX-gal（即半乳糖
13、苷酶的底物）便会被半乳糖苷酶水解成兰色，大肠杆菌形成蓝蓝色色克隆克隆。 但是，如果在多克隆位点插入外源目的基因，破坏了lacZ基因的结构，大肠杆菌形成白色的克隆,即形成白色克隆白色克隆的细菌是携带有插入片段重组质粒的细菌。（4)带有筛选标记筛选标记如如lacZ基因的插入失活，筛选重组质粒（5)带有其他筛选标记筛选标记：如pUC18载体携带了另一种筛选标记抗生素（antibiotic）如氨卞青霉素抗性（AmpR）的基因。只有插入外源目的基因的宿主细胞能在含有氨卞的培养基板上生长，所以也可依此特性筛选重组质粒。含有重组质粒的宿主菌又称“转化子转化子”。 DNA克隆常用质粒载体改进的改进的pUC18
14、pUC18重组基因导入宿主菌（即转化）将目的基因克隆或转化到大肠杆菌细胞中的操作步骤包括：制备感受态细胞 感受态细胞感受态细胞（competent cell）受体细胞处理后所处的易接受外源基因的状态用重组质粒转化大肠杆菌感受态细胞；筛选含重组质粒的大肠杆菌细胞，进行检查或鉴定。基因克隆获得大量目的基因后，就要使其在合适的宿主细胞中表达，产生需要的基因表达产物或使宿主生物具备所需的性状，同时目的基因还能在宿主细胞中稳定遗传。这一过程就是遗传转化遗传转化。若需要让克隆的基因表达和产生大量编码蛋白，可对转化的大肠杆菌或转化的细胞（即转转化化子子）进行培养，使目的基因大量表达和积累，然后对表达产物分离
15、纯化，便可获得想要的产品。导入基因的大肠杆菌细胞是基因克隆的宿主，大量表达目的基因。 转化或转染受体细胞和转化子的筛选宿主菌或受体细胞：n n大肠杆菌大肠杆菌n n蓝藻蓝藻n n酵母酵母n n昆虫细胞昆虫细胞n n哺乳动物细胞哺乳动物细胞 通过DNA体外重组技术构建的重组质粒除了转化到细菌中表达外，还可以直接用以转化蓝藻等原核生物或其他一些原生生物细胞以及酵母、酵母、昆虫、哺乳动物昆虫、哺乳动物CHOCHO等等真核生物细胞真核生物细胞。 也可直接转染到动、植物细胞培养。l植物和动物的遗传转化常用的方法-复杂的多载体法转化如上所述的细菌转化等。植物采用的是农杆菌介导法（TiTi质粒质粒）基因的直
16、接转移（1）高压电脉冲电激穿孔（2）基因枪法（3）微注射法（4）同源重组等等对转化子的筛选和克隆基因的鉴定琼脂糖凝胶电泳分离鉴定大小不等的酶解片段： DNA片段上的磷酸基团带负电荷酶解片段向阳极移动，受到电场驱动力和凝胶阻力两种作用- 不同大小的DNA片段的迁移率不同（参照已知分子量标准的迁移率，找出未知片段）l酶切和电泳方法-最常用的鉴定转化子是否含目的基因的方法纪念发明者Edward Southern（1）提取总DNA（2）酶解总DNA（3）对酶切产物电泳（4）转移到滤膜（5）变性解链（6）DNA探针及杂交（7）洗脱（8）放射自显影（9）比较分析又称DNA杂交法转化子的分析Southern
17、杂交鉴定克隆“后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究，包括研究蛋白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作用。因为对生物体的结构和功能直接发生作用的是基因表达产物蛋白质。蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动力学等结结构构与与功功能能认认识识的的基基础础上上，对蛋白质人工改造与合成，最终获得商业化的产品。 蛋白质工程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）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2）测定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构;（4）设计各种处理条件，了解蛋
18、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；（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变来改造蛋白结构；（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。T T44溶菌酶溶菌酶举一例：构 建 缺 失chlL基因的蓝细菌（即蓝藻）突变株（直接转化法之一）chlL一种控制叶绿素合成的基因Southern分子杂交杂交分析分析示例（用探针杂交）A.DNA体外重组实验B.抗生素筛选转化子细胞C.培养突变株细胞D.Southern杂交实验结果显示，外源目的基因已经转入突变株细胞中32P标记的DNA分子探针杂交放射自显影法确定转化子挑出阳性菌落进一步培养或进入下一步操作lDNA分子杂交直接鉴定-分
19、子探针方法鉴定单克隆是指所有制备抗体的细胞都是同一个细胞的拷贝，因此其产生的抗体完全相同。制备单克隆抗体的过程涉及到细胞培养、细胞融合等多种步骤，得到的是在体外无限生长、又可分泌单一种抗体的杂交瘤。二、单克隆抗体-细胞融合技术单克隆抗体是大规模细胞培养的产物，而不是直接来自于动物血清。AntierbB2（ScFv-Fc)AntierbB2 （Herceptin)工程抗体药物-如肿瘤抗原erbB2的单克隆抗体的工程化细胞工程是指通过细胞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，获得特殊商品的技术与过程。细胞工程包括动物细胞工程和植物细胞工程，它们分别以动物细胞
20、和植物细胞为主要生产对象，以细胞培养为主要过程和内容。三、细胞工程与动物克隆技术生产药物为主，如生产药物为主，如EPOEPO、tPAtPA、CSFCSF、抗体、疫苗、抗体、疫苗n 动物细胞培养l单单细胞细胞藻类培养藻类培养一些单细胞低等植物如单细胞藻类的大规模培养成为细胞工程的重要组成部分获得蛋白质资源、营养食品、精细化工产品等等含有多种营养物质。如：绿藻胡萝卜素螺旋藻亚油酸等n植物细胞工程一植物细胞工程一l高等植物细胞培养高等植物细胞培养高等植物细胞具有全能性。从高等植物的幼胚、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，并可进一步诱导生成完整的植株。通过
21、载体介导可得到转基因植株。n植物细胞工程二植物细胞工程二n n细胞融合和细胞重组也是细胞工程主要内容细胞融合是将不同种类的两种细胞经过特殊处理后放在一起，在某些促融因子作用下发生融合，形成杂种细胞，具有新的性状。如杂交瘤技术。杂交瘤技术。细胞重组是把不同种类的细胞的部件重新组合装配，包括核的移植、叶绿体移植、核糖体重建及线粒体装配等。以克隆羊为例1997年2月23日苏格兰Roslin研究所Wilmut和Campbell，在Nature杂志宣布：世界首例来源于哺乳动物体细胞的克隆羊“多莉”问世了应用核移植技术，就是利用一个动物的体细胞体细胞的细胞核（供体核）来取代受精或未受精卵中的细胞核，形成一
22、个重建的“合子”。克隆原意是无性繁殖系。克隆动物就是不经过生殖细胞的受精过程而直接由体细胞获得新的动物个体，这个新个体是原“核供体动物”的拷贝。n动物克隆技术434次核移植成功277次乳腺细胞核移植实验；获得29个发育为8细胞的“胚”；13头代孕母亲；1996年7月5日，羊羔6LL3，被命名为“多莉”。其他克隆动物相继问世，达几百头，如猪（1）既然绵羊的体细胞可以被成功地克隆成一个新的个体，是否意味着人类也可以克隆自己呢？（2）是否应该允许进行克隆人的实验？在最后讨论克隆技术产生的两个重大问题：四、干细胞技术n n什么是干细胞？什么是干细胞？ 存在于胚胎和成体中具有自我更新和分化能力并可分化产
23、生存在于胚胎和成体中具有自我更新和分化能力并可分化产生至少一种或多种终极特化细胞的至少一种或多种终极特化细胞的功能细胞功能细胞。n n干细胞的种类干细胞的种类 1 1、胚胎干细胞（胚胎干细胞（ESES细胞）细胞）: :胚胎发育早期，受精卵分裂发育成胚胎发育早期，受精卵分裂发育成囊胚时的内层细胞团，可以自我更新并具有分化为体内所有组囊胚时的内层细胞团，可以自我更新并具有分化为体内所有组织的能力，是全能性细胞织的能力，是全能性细胞 2 2、成体干细胞（、成体干细胞（ASCASC）: :包括造血干细胞、表皮干细胞、神经包括造血干细胞、表皮干细胞、神经干细胞等，研究进展使人们扩大了对干细胞等，研究进展
24、使人们扩大了对ASCASC分化潜能的认识分化潜能的认识n n干细胞的技术方法干细胞的技术方法 小鼠小鼠胚胎干细胞胚胎干细胞在在7070年代就可体外培养，人，最近才成功；年代就可体外培养，人，最近才成功； 造血干细胞造血干细胞：骨髓、外周血、脐带血中，：骨髓、外周血、脐带血中，5050年代就临床移植；年代就临床移植； 其他干细胞培养和定向分化诱导，是当前的研究热点。其他干细胞培养和定向分化诱导，是当前的研究热点。n n干细胞技术的应用和前景干细胞技术的应用和前景 理论上，可以用来治疗各种疾病，可以体外制造人体器官等，理论上，可以用来治疗各种疾病，可以体外制造人体器官等，前景广阔，但还有许多机理和
25、技术需要探索和解决。前景广阔，但还有许多机理和技术需要探索和解决。五、生物芯片技术生物芯片又称DNA芯片或基因芯片，它们是DNA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DNA探针分子固定于支持物上后，与带荧光标记的DNA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而获取样品分子的数量和序列信息。信息量大、高通量、可快速并行处理信息量大、高通量、可快速并行处理。1996年底，美国Affymetrix结合照相平板印刷、计算机、半导体、寡核苷酸合成、荧光标记、核酸探针分子杂交和激光共聚扫描等高新技术，研制创造了世界第一块DNA芯片（仅仅2mm2mm2 2的胶片，的胶片，40
26、40万个小格万个小格)。n 生物芯片技术的一般原理A. 用于微阵列芯片制作的点样仪。；B. 封装在卡盒中的微阵列芯片; C. 用于微阵列芯片荧光标记检测的激光共聚焦扫描器；D. 微阵列芯片的局部放大；E. 微阵列芯片上固定DNA探针的示意图。图中蓝色的DNA链是预先固定在芯片表面的捕获探针，红色的DNA链是与捕获探针互补的靶DNA分子。DNA芯片可用于大规模筛查基因突变所引起的疾病；分析基因组及发现新基因等具有很大的优势；DNA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、自动化程度高等多项优点，特别适合于寻找新基因、基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因文库作
27、图以及杂交测序等方面。此外，医学、化学、新药开发、司法鉴定、农业技术和食品技术领域也具有广泛的应用；蛋白芯片和芯片实验室n 生物芯片技术的主要应用1998年底，美国科学促进会将基因芯片技术列为该年度自然科学领域十大进展之一。基因芯片和蛋白质芯片称为“可以随身携带的微型实验室”。一、生物技术与医药健康- 分子诊断和基因治疗二、生物技术与工业- 新型生物材料 生物能源 微生物发酵工程三、生物技术与农业11.3生物技术的应用l生产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、
28、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、乙肝疫苗等等一、生物技术与医药健康n 分 子 诊断l对传传染染性性疾疾病病的的诊诊断断：利用PCR技术或PCR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。包括病毒、细菌真菌、寄生虫等。专一性强、灵敏度高、抗干扰性好、操作快速简便l对遗传性疾病的诊断（可诊断可诊断200200多种遗传性疾病多种遗传性疾病）羊水和胎盘绒毛膜检测遗传病产前检测l例：例：shouthernshouthern 印迹法印迹法检测检测镰状红细胞贫血症镰状红细胞贫血症一种常染色体退化遗传病引起原因：基因的点突变丢失了可被MstI
29、I或Cvnl切开的一个限制性内切酶位点。用shouthern印记法和限制性片段多态性RFLP分析，Mst酶切正常：三正常：三条带条带患病：一条带患病：一条带子女子女1 1：正常：正常子女子女2 2：患病：患病子女子女3 3：携带者：携带者l例例：特异性互补寡核苷酸法特异性互补寡核苷酸法检测检测镰状红细胞贫血症镰状红细胞贫血症（1）提取DNA，热处理成为单链DNA；（2）以单链DNA为模板，仅对可能发生突变的核苷酸区域设计引物进行PCR扩增后转移到滤膜上，热变性成单链；（3）分别用两种特异性互补寡核苷酸分子探针（ASO）杂交。是一种更快速、简便和高效地诊断技术n 基 因 治疗基因治疗即利用基因工
30、程技术治疗人类遗传性疾病。（导致30的儿童死亡和60的成年人疾病的原因）理论上，将正常的人类基因克隆，并引入到遗传病患者的体细胞中，这些基因都会产生蛋白，以替代、修复或纠正有缺陷的基因，有望缓解疾病进程。通常使用一种反转录病毒作为基因治疗的转移系统，无害病毒重组载体可以感染人的组织和细胞，但不自我复制不自我复制！l例：例：基因治疗基因治疗重症综合性免疫缺乏症（重症综合性免疫缺乏症（SCIDSCID）1990年，转基因T淋巴细胞注射到人体骨髓组织中治疗SCID（ADA缺乏症），3年后，患者50的T淋巴细胞出现新的ada基因并合成了腺苷酸脱氨酶（ada).06年美国成功治愈晚期皮肤癌患者也有失败
31、RNAi 现象的首次发现，是外源的多拷现象的首次发现，是外源的多拷贝转基因被引入牵牛花后所激起的基因沉默贝转基因被引入牵牛花后所激起的基因沉默响应，导致了封面上的花的双色彩图案。响应，导致了封面上的花的双色彩图案。Argonaute是是RNAi 效应复合体中的标志组效应复合体中的标志组分，分，2004年年Science封面上登载了它的晶体封面上登载了它的晶体结构。结构。 1995年，年，Andrew Fire和和Craig Mello等人发现在秀丽新小杆菌中仅等人发现在秀丽新小杆菌中仅需少量需少量dsRNA（双链（双链RNA ）分子就可以抑制与）分子就可以抑制与dsRNA的同源基因的同源基因p
32、ar-1表达，并将此种表达，并将此种dsRNA 触发的转录后基因沉默现象命名为触发的转录后基因沉默现象命名为RNA干扰干扰（RNA interference，RNAi）。）。 RNA干扰现象广泛存在于从植物、真干扰现象广泛存在于从植物、真菌、线虫、昆虫、蛙类、鸟类、大鼠、小鼠、猴一直到人类几乎所有菌、线虫、昆虫、蛙类、鸟类、大鼠、小鼠、猴一直到人类几乎所有的真核生物中。的真核生物中。RNAiRNAi的发现的发现的发现的发现RNA干扰技术在基因治疗中的应用前景 20012001年年年年NatureNature首家报导：在哺乳动物培养细胞中首家报导：在哺乳动物培养细胞中首家报导：在哺乳动物培养细胞
33、中首家报导：在哺乳动物培养细胞中通过通过通过通过 RNAiRNAi成功诱导了成功诱导了成功诱导了成功诱导了特异性靶基因表达沉默特异性靶基因表达沉默特异性靶基因表达沉默特异性靶基因表达沉默。随随着着RNARNA干扰的分子生物学机制和功能的进一步阐干扰的分子生物学机制和功能的进一步阐明，明，RNARNA干扰技术体系的逐步建立，使干扰技术体系的逐步建立，使 RNARNA干干扰技术已成功应用于线虫、果蝇、真菌、植物及扰技术已成功应用于线虫、果蝇、真菌、植物及哺乳动物等生物的哺乳动物等生物的基因功能研究基因功能研究，并在研究与治，并在研究与治疗遗传性疾病、病毒感染免疫缺陷和肿瘤等重大疗遗传性疾病、病毒感
34、染免疫缺陷和肿瘤等重大疾病的疾病的基因治疗和药物筛选基因治疗和药物筛选基因治疗和药物筛选基因治疗和药物筛选方面，具有广阔的应方面，具有广阔的应用前景。用前景。RNARNA干扰技术的应用干扰技术的应用In humansCancer 69%动动植植物物原原材材料料：生生物物生生命命过过程程中中形形成成的的材材料料，如麻、棉、蚕丝和贝壳等如麻、棉、蚕丝和贝壳等生生物物医医用用材材料料：植植入入人人体体内内可可起起某某种种生生物物学学功功能能的的材材料料，如如胶胶原原蛋蛋白白制制成成的的人人工工血血管管、人人工工皮皮仿仿生生和和组组织织工工程程材材料料：模模仿仿生生物物功功能能的的人人工工合合成材料成
35、材料n 新型生物材料- 是生物材料学与材料科学的交叉科学二、生物技术与工业现现代代发发酵酵工工程程主主要要指指利利用用微微生生物物、包包括括利利用用DNADNA重重组组技技术术改改造造的的微微生生物物在在全全自自动动发发酵酵罐罐或或生生物物反反应应器器中中生生产产某某种商品的技术。种商品的技术。现现代代发发酵酵工工程程是是分分子子生生物物学学、生生物物代代谢谢、微微生生物物生生长长动动力力学学、大大型型发发酵酵罐罐或或生生物物反反应应器器研研制制、化化工工原原理理等等密密切切结结合和应用的结果。合和应用的结果。n 微生物发酵-发酵工程一般发酵工程包括以下一般发酵工程包括以下基本步骤基本步骤：（
36、1）菌种选育；（通过细胞诱变或基因工程技术改造等）（2）细胞大规模培养即发酵过程；（3）生产活性的诱导；（在发酵特定阶段，用化学或物理法）（4）菌体及产物的收获（利用浓缩、吸附、过滤、离心、萃取、干燥、重结晶等手段）上游技术：指基因重组和微生物育种技术等获得工程菌下游技术：指发酵生产、产物分离到产品制作等过程监控现现代代发发酵酵工工程程的的应应用用范范围围非非常常广广泛泛，从食品、药品（如抗生素类产品）、酶制剂、精细化工产品到许多工业用原料等等生物可降解塑料PHB（即聚羟基丁酸脂Biopol)n n美国：用现代生物技术建成美国：用现代生物技术建成美国：用现代生物技术建成美国：用现代生物技术建成
37、“ “工程微藻工程微藻工程微藻工程微藻” ”，生产柴油，生产柴油，生产柴油，生产柴油n n芬兰：用一亿欧元在南部建芬兰：用一亿欧元在南部建芬兰：用一亿欧元在南部建芬兰：用一亿欧元在南部建世界首座生物柴油加工厂世界首座生物柴油加工厂( (从植物油如油菜和从植物油如油菜和从植物油如油菜和从植物油如油菜和动物脂肪中提炼柴油燃料，每年可生产动物脂肪中提炼柴油燃料，每年可生产动物脂肪中提炼柴油燃料，每年可生产动物脂肪中提炼柴油燃料，每年可生产17171717万吨，万吨，万吨，万吨，2007200720072007年完工并投产年完工并投产年完工并投产年完工并投产) )n n中国：生物能源公司发展迅速，如中
38、国：生物能源公司发展迅速，如中国：生物能源公司发展迅速，如中国：生物能源公司发展迅速，如由帝斯曼投资参股的天津国韵由帝斯曼投资参股的天津国韵由帝斯曼投资参股的天津国韵由帝斯曼投资参股的天津国韵生物科技有限公司聚羟基脂肪酸酯生物科技有限公司聚羟基脂肪酸酯生物科技有限公司聚羟基脂肪酸酯生物科技有限公司聚羟基脂肪酸酯(PHA)(PHA)生产基地在天津泰达开发生产基地在天津泰达开发生产基地在天津泰达开发生产基地在天津泰达开发区开工建设。该基地为中国目前最大的聚羟基脂肪酸酯生产基地，区开工建设。该基地为中国目前最大的聚羟基脂肪酸酯生产基地，区开工建设。该基地为中国目前最大的聚羟基脂肪酸酯生产基地，区开工
39、建设。该基地为中国目前最大的聚羟基脂肪酸酯生产基地，预计预计预计预计20092009年初可投入生产。建成后，年初可投入生产。建成后，年初可投入生产。建成后，年初可投入生产。建成后，PHAPHA年生产量可达年生产量可达年生产量可达年生产量可达1 1万吨。万吨。万吨。万吨。 海南正和生物能源公司海南正和生物能源公司海南正和生物能源公司海南正和生物能源公司 四川古杉油脂化工公司四川古杉油脂化工公司四川古杉油脂化工公司四川古杉油脂化工公司 福建卓越新生物能源发展公司福建卓越新生物能源发展公司福建卓越新生物能源发展公司福建卓越新生物能源发展公司 河南河南河南河南相继建成了规模超过万吨的生产厂相继建成了规
40、模超过万吨的生产厂n n全球：生物柴油年产量已超过全球：生物柴油年产量已超过全球：生物柴油年产量已超过全球：生物柴油年产量已超过350350350350万吨，预计万吨，预计万吨，预计万吨，预计2010201020102010年可达年可达年可达年可达3000300030003000万吨万吨万吨万吨以上以上以上以上n n优点：含硫量低、较好的低温发动机启动性能、较好的润滑性能优点：含硫量低、较好的低温发动机启动性能、较好的润滑性能优点：含硫量低、较好的低温发动机启动性能、较好的润滑性能优点：含硫量低、较好的低温发动机启动性能、较好的润滑性能n n生物能源生物柴油三、生物技术与农业转基因动物-1、促
41、进动物生长、改善畜产品质量和提高抗病性2、作为生物反应器：如从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA畜牧业中的基因工程幼畜腹泻疫苗、口蹄疫疫苗（亚单位疫苗），牛、羊生长激素、纤维素酶在大肠杆菌表达植物基因工程在种植业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，或直接转化，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。已培育出的作物有抗化学除草剂大豆、水稻和小麦，抗虫棉、玉米和马铃薯等（转微生物的Bt基因可特异性毒死昆虫），抗旱、抗寒作物及花卉品种改良等等。转基因西红柿将多聚半乳糖醛酸酶（催化西红柿成熟的一种酶）克
42、隆，将其互补的基因转入西红柿植株，生成互补的mRNA，使西红柿不能正常成熟。需要时，微量乙烯气体熏一次，西红柿很快即可成熟。固氮酶基因转入水稻、小麦人类DNA移到苜宿属植物生产干扰素、胰岛素、白介素2等l环境保护等等转基因微生物吸收环境有害化合物10.4 生物技术面临的问题与挑战基因一旦被改动，一方面可能引起生物体内一系列未知的结构与功能的变化；另一方面，转基因操作对生物体的影响会通过遗传传递。如：n 转基因技术的安全性问题MM外外源源基基因因引引入入后后，是是否否会会影影响响其其他他重重要要的的调调节节基基因因，甚甚至至会会激活原癌基因？激活原癌基因？MM转转基基因因技技术术的的广广泛泛应应
43、用用是是否否会会导导致致难难以以消消灭灭的的新新病病原原物物出出现现？MM是否会造成生态学灾难？是否会造成生态学灾难？MM人类摄食大量转基因食品是否会影响人类及其后代的健康人类摄食大量转基因食品是否会影响人类及其后代的健康？n 克隆人的伦理问题M在克隆阶段，如果有关胚胎发育的基因重新编排或启动不完全，对新生儿可能产生什么严重后果呢？M兄弟、姐妹、父母、子女？伦理关系M器官克隆和干细胞培养和分化器官，用于医学和临床治疗？n 个人基因信息的隐私权问题，基因歧视人类基因信息利用的伦理、法律和社会影响计划，称之为ELSI项目，规定了：（1）在应用和解释基因信息时的隐私权和公正性；（2）基因信息由实验室
44、研究向实际医疗应用的转化；（3）人类基因组计划参与者相互协调和成果发布；（4）公众与专业教育n 基因治疗的应用范围问题M一个人有权决定另一个人的基因结构或未来命运吗？M万一这种基因操作失败了或者造成了将来才能发现的不可挽回的缺陷和后果，谁承当责任呢？M是否可以通过基因治疗操作来增加人的体能？如运动员的身高或短跑速度，这与运动员服用兴奋剂有什么本质区别？n 生物技术引发的其它问题M生物技术费用高，在自身健康上的贫富差距？M涉及人类自身发展的重要生物技术的垄断？M生物武器？M11.5 生物科技造福人类生物科技造福人类n n21212121世纪是生物科学与生物技术大发展的世纪世纪是生物科学与生物技术
45、大发展的世纪世纪是生物科学与生物技术大发展的世纪世纪是生物科学与生物技术大发展的世纪 著名化学家诺贝尔奖得主罗伯特科尔：著名化学家诺贝尔奖得主罗伯特科尔：著名化学家诺贝尔奖得主罗伯特科尔：著名化学家诺贝尔奖得主罗伯特科尔： 21212121世纪是生物科学的世纪；世纪是生物科学的世纪； Bill Gates Bill Gates Bill Gates Bill Gates ：21212121世纪是信息网络和生物科技两种产业的世纪；世纪是信息网络和生物科技两种产业的世纪； TimeTimeTimeTime杂志：到杂志：到2020202020202020年，经济的主导形式将转变为年，经济的主导形式将
46、转变为“生物经济生物经济”，等等。，等等。 生物技术在保障粮食安全、提高公众健康水平、促进经济发展、缓解生物技术在保障粮食安全、提高公众健康水平、促进经济发展、缓解生物技术在保障粮食安全、提高公众健康水平、促进经济发展、缓解生物技术在保障粮食安全、提高公众健康水平、促进经济发展、缓解能源短缺压力、改善生态环境、维护国家安全中已经显现和正在孕育的能源短缺压力、改善生态环境、维护国家安全中已经显现和正在孕育的能源短缺压力、改善生态环境、维护国家安全中已经显现和正在孕育的能源短缺压力、改善生态环境、维护国家安全中已经显现和正在孕育的巨大潜力巨大潜力巨大潜力巨大潜力，使，使，使，使越来越多的国家将生物
47、技术及产业发展列为国家战略。越来越多的国家将生物技术及产业发展列为国家战略。越来越多的国家将生物技术及产业发展列为国家战略。越来越多的国家将生物技术及产业发展列为国家战略。 生物科技发展的同时带来了生物技术产业的高速发展。目前，全球生生物科技发展的同时带来了生物技术产业的高速发展。目前，全球生生物科技发展的同时带来了生物技术产业的高速发展。目前，全球生生物科技发展的同时带来了生物技术产业的高速发展。目前，全球生物技术产业增长率高达物技术产业增长率高达物技术产业增长率高达物技术产业增长率高达25-30%25-30%25-30%25-30%，是整个经济增长平均数的，是整个经济增长平均数的，是整个经
48、济增长平均数的，是整个经济增长平均数的8-108-108-108-10倍。可见，倍。可见，倍。可见，倍。可见，生物经济已初具雏形，是全世界面临的一个重大的经济发展机遇。生物经济已初具雏形，是全世界面临的一个重大的经济发展机遇。生物经济已初具雏形，是全世界面临的一个重大的经济发展机遇。生物经济已初具雏形，是全世界面临的一个重大的经济发展机遇。 生物经济的时代即将到来！生物经济的时代即将到来！生物经济的时代即将到来！生物经济的时代即将到来！n n各国纷纷制定策略，以抢占这一战略高地！各国纷纷制定策略，以抢占这一战略高地！各国纷纷制定策略，以抢占这一战略高地！各国纷纷制定策略，以抢占这一战略高地！
49、中国生物工程杂志中国生物工程杂志中国生物工程杂志中国生物工程杂志20082008年第年第年第年第2828卷第卷第卷第卷第7 7期期期期 ，“ “国外生物技术与产业国外生物技术与产业国外生物技术与产业国外生物技术与产业发展专题报告发展专题报告发展专题报告发展专题报告” ”（见本课（见本课（见本课（见本课“ “绪论绪论绪论绪论” ”）n n生命有形，梦想无限！生命有形，梦想无限！生命有形，梦想无限！生命有形，梦想无限！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，其还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术”，通常包括基因工程、细胞工程、发酵工程和蛋白质（酶）
50、工程4个方面内容。高技术、高投入、高利润是生物技术的显著特点。以重组DNA操作为核心技术的过程被称为基因工程。基因工程的发展带动和促进了蛋白质工程、发酵工程和细胞工程的发展，它们相互补充和相互渗透，形成了生物技术的上游与下游的关系。分子诊断是利用分子生物学的手段如PCR、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。利用基因工程技术来治疗人类遗传性疾病称为基因治疗。克隆动物是不经过生殖细胞的受精过程而直接由体细胞获得新的动物个体。生物芯片又称DNA芯片或基因芯片，它们是DNA杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。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、等等都是当今人类面临的由生物技术引发的新问题。本章摘要课外作业1、DNA克隆（或重组克隆（或重组DNA）技术的过）技术的过程包括哪几个步骤？需要哪些工具程包括哪几个步骤？需要哪些工具?2、干细胞有哪几种？它们的主要区别、干细胞有哪几种？它们的主要区别是什么？是什么？
