《生物技术的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物技术的应用（107页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六章第六章 生物技术的应用生物技术的应用 医药卫生（医药生物技术）医药卫生（医药生物技术） 生命科学生命科学 农林牧渔（农业生物技术）农林牧渔（农业生物技术） 环境保护（环境生物技术）环境保护（环境生物技术）生命科学直观影响的相关领域生命科学直观影响的相关领域人类面临与生命科学相关的六大问题人类面临与生命科学相关的六大问题环境污染资源枯竭生态破坏能源危机气候反常人口爆炸以绿色环保和可持续发展为特征生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点二十世纪后叶，分子生物学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；近50年生命科学的发展超
2、过了此前500年的总和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“生命产业是一个朝阳、永恒的产业”生物技术的应用与评价生物技术的应用与评价q人类基因组计划（人类基因组计划（HGPHGP）q动物克隆技术动物克隆技术q生物技术与医药生物技术与医药q生物技术与农业生物技术与农业q生物技术与工业生物技术与工业q生物技术与食品生物技术与食品q生物能源生物能源q生物技术与环境生物技术与环境第一节第一节 人类基因组研究
3、人类基因组研究 Human Genomic Project 揭开生命的奥秘揭开生命的奥秘u人类的遗传信息以核苷酸顺序的形式贮存在DNA分子中，它们以功能单位(基因)在染色体上占据一定的位置u基因组就是细胞内遗传信息的携带者DNA的总体。u人类基因组包含着决定人类生、老、病、死以及精神、行为等活动的全部遗传信息。人类基因组计划人类基因组计划HGPHGP简介简介n人类基因组计划n1990年正式启动。n美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一价值达30亿美元的人类基因组计划。n计划旨在为30多亿个碱基对构成的人类基因组作图、精确测序，基因鉴定和功能分析，破译人类全部遗传信息 n曼哈顿计
4、划n阿波罗计划20世纪科学史上3个里程碑HGPHGP的意义的意义了解生命的起源与进化认识种属之间和个体之间存在差异的起因五种“模式生物” 基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠解码生命，认识自身了解生命体生长发育的规律认识疾病产生的机制，掌握生老病死规律疾病的诊断和治疗人类单倍体基因组人类单倍体基因组n含 32亿碱基对(bp)的DNA序列n编码序列约占3%，非编码序列约占97%。n包括约34万个基因，分布于22条常染色体和 X、Y性染色体。人类基因组计划人类基因组计划人类基因组研究的技术原理人类基因组研究的技术原理一、人类基因组研究方案及技术一、人类基因组研究方案及技术人类基因组计划人
5、类基因组计划n遗传图谱（连锁图谱，遗传图谱（连锁图谱，linkage map)linkage map)n通过家谱分析和测量不同性状一起遗传（即连锁）的频率，将基因或通过家谱分析和测量不同性状一起遗传（即连锁）的频率，将基因或其它其它DNADNA顺序标定在染色体上构建连锁图顺序标定在染色体上构建连锁图n单位：厘摩（单位：厘摩（cMcM，即每次减数分裂的重组频率为，即每次减数分裂的重组频率为1%1%）；）；MbMb水平的标记水平的标记n作用作用n确定基因或确定基因或DNADNA片断在染色体的定位片断在染色体的定位n各基因或各基因或DNADNA片断的相对距离片断的相对距离n方法：家系分析方法：家系分
6、析n1 12222染色体：染色体：8 8个家系个家系 134134个个体个个体nX X染色体：染色体：1212家系，家系， 170170个个体个个体1 1 遗传图谱遗传图谱 - - 孟德尔的孟德尔的“新生新生” 人类基因组计划人类基因组计划2 2 物理图谱物理图谱 - - 路标与路轨路标与路轨n是通过对是通过对DNADNA的的化学测度化学测度而而绘制的，反映的是绘制的，反映的是DNADNA序列序列上两点之间的上两点之间的实际距离实际距离n目的：把有关基因的遗传信目的：把有关基因的遗传信息及其在每条染色体上的相息及其在每条染色体上的相对位置线性而系统地排列出对位置线性而系统地排列出来。来。n以碱
7、基对的数目为衡量单位，以碱基对的数目为衡量单位，精度在精度在100kb100kb水平水平人类基因组计划人类基因组计划第第21号染色体的物理图谱号染色体的物理图谱3 3 大片段外源大片段外源DNADNA克隆体系克隆体系人类基因组计划人类基因组计划酵母人工染色体（酵母人工染色体（YACYAC）克隆体系的构建克隆体系的构建重叠群组建（步移法）重叠群组建（步移法） 4 DNA 4 DNA序列测定序列测定 序列图谱序列图谱 - - 重中之重重中之重nDNADNA序列分析技术是一序列分析技术是一个包括制备个包括制备DNADNA片段化片段化及碱基分析、及碱基分析、DNADNA信息信息翻译的多阶段的过程翻译的
8、多阶段的过程n通过测序得到基因组通过测序得到基因组的序列图谱的序列图谱 人类基因组计划人类基因组计划大规模基因组测序大规模基因组测序 Megabace 测序仪测序仪3700 测序仪测序仪人类基因组计划人类基因组计划运用计算机软件进行序列拼接运用计算机软件进行序列拼接人类基因组计划人类基因组计划现在，你能否设计较理现在，你能否设计较理想的人基因组计划？想的人基因组计划？人类基因组测序完成人类基因组测序完成2003年4月14日，美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯柯林斯博士在华盛顿宣布基因组测序图已由美、英、日、德、法、中六国经13年努力完成5. 5. 基因的确定与分析基因的确定与分析 基
9、因转录图谱基因转录图谱 - - 生命的乐谱生命的乐谱断裂基因人类基因组计划人类基因组计划转录图谱是在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础上绘制的有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。确定特定基因的方法确定特定基因的方法n通过通过DNADNA全序列分析确定基因全序列分析确定基因n根据人类基因组根据人类基因组DNADNA测序，利用计算机分析，找出测序，利用计算机分析，找出ORFORFn功能克隆功能克隆n根据基因的功能，分离并测定基因结构根据基因的功能，分离并测定基因结构 n定位克隆：已知基因染色体定位然后进行的克隆定位克隆：已知基因染色体定位然后进行的克隆n已完成几十个疾病基因的克隆分离已完
10、成几十个疾病基因的克隆分离n鉴定基因鉴定基因n据基因编码蛋白质的氨基酸序列分析蛋白质的类型、功据基因编码蛋白质的氨基酸序列分析蛋白质的类型、功能能人类基因组计划人类基因组计划我国对人类基因组计划的贡献我国对人类基因组计划的贡献n1994年，我国HGP在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明的倡导下启动n最初由国家自然科学基金会和863高科技计划的支持下，先后启动了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”和“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构和功能研究”；n1998年在上海成立了南方基因中心；n1999年在北京成立了北方人类基因组中心；n1999年7月在国际人类基因组注册，得到完成人类3号染色体短臂上一个
11、约30Mb区域的测序任务，该区域约占人类整个基因组的1。n1999年11月12日：科技部、中科院、“863”计划生物领域专家委员会讨论决定“863”计划出资3000万元，中科院出资1000万元人类基因组计划人类基因组计划国际人类基因组测序任务分配情况国际人类基因组测序任务分配情况人类基因组计划人类基因组计划遗传病基因克隆重大突破遗传病基因克隆重大突破夏家辉教授实验室1998年克隆了高频耳聋疾病基因2001年上海和北京科学家发现遗传性乳光牙本质II型基因人类基因组计划人类基因组计划后基因组时代后基因组时代n结构基因组学向结构基因组学向功能基因组学功能基因组学转变转变n研究基因表达、调控，以及在生
12、长发研究基因表达、调控，以及在生长发育、疾病发生、药物反应等方面的作育、疾病发生、药物反应等方面的作用用n研究上：研究上：n系统研究系统研究：不是针对单个基因或蛋白，：不是针对单个基因或蛋白，而是对一个细胞或个体内整个基因或而是对一个细胞或个体内整个基因或蛋白质的研究；蛋白质的研究；n组学研究组学研究：功能基因组、结构基因组、：功能基因组、结构基因组、蛋白质组学蛋白质组学n技术上：高通量基因、蛋白筛选与鉴技术上：高通量基因、蛋白筛选与鉴定，基因敲除动物等定，基因敲除动物等n在基因的功能与利用上有望突破在基因的功能与利用上有望突破第二节第二节 克隆技术与克隆技术与“多莉多莉”克隆，是Clone的
13、译音，意为生物体通过细胞进行的无性繁殖形成的基因型完全相同的后代个体组成的种群，简称为无性繁殖。 从细胞到个体从细胞到个体n细胞分化细胞分化：在个体：在个体发育中，细胞后代在发育中，细胞后代在形态结构和功能上发形态结构和功能上发生差异的过程。生差异的过程。n细胞全能性细胞全能性：细胞：细胞具有形成完整个体的具有形成完整个体的潜能称细胞全能性。潜能称细胞全能性。克隆技术克隆技术n植物植物n分化成熟的植物细胞体，仍有可能发育成完整植株。n动物动物n随着分化的演进，分化成熟细胞逐渐丧失其分化潜能,不能发育成为完整的动物个体。n实验证明，囊胚阶段的细胞乃至成熟的体细胞，保持着全套基因组的细胞核仍具有全
14、能性可能发育成完整个体。n细胞质中有着决定细胞分化全能性的物质，称为分化决定子。决定动物细胞全能性的关键在于细胞质。植物体细胞具有全能性克隆技术克隆技术“多莉多莉”羊实验的设计和实施羊实验的设计和实施 细胞工程材料细胞工程材料多莉羊与生母多莉羊与生母,1997n芬兰道塞特绵羊：芬兰道塞特绵羊：n提供细胞核提供细胞核n苏格兰黑面母绵羊苏格兰黑面母绵羊2 2只只： n提供卵细胞提供卵细胞n子宫子宫: :胚胎的发育环境胚胎的发育环境 多莉的生母多莉的生母实 验 过 程细胞核受体 黑面母绵羊细胞核供体6岁道塞特母绵羊培养于0.5%胎牛血清培养基中，使从生长周期中出来停顿于G。3436h取出核注射促性腺
15、激素释激素经 28-33 h 排卵乳腺细胞克隆技术克隆技术移入苏格兰黑面母羊子宫分裂成长至桑椹期或囊胚期克隆技术克隆技术多莉羊与寄母多莉羊与寄母,19971998年,美国夏威夷大学的Yanagimachi等成功地用卵丘细胞进行了小鼠的克隆、克隆再克隆按供体细胞的类型不同分为三个阶段同种胚胎细胞克隆同种体细胞克隆异种体细胞克隆动物克隆的发展动物克隆的发展治治疗疗性性克克隆隆 动物模型动物模型器官移植器官移植濒濒危危动动物物转基因动物乳腺转基因动物乳腺生物反应器生物反应器基础研究基础研究遗传育种遗传育种 克克 隆隆生产蛋白质药物克隆技术及其应用克隆技术及其应用移植日期:2001.5.12流产日期:
16、2001.7.15移植日期:2001.5.3流产日期:2001.8.4动物克隆研究中动物克隆研究中普遍存在的问题普遍存在的问题存在不分裂胚供体核受体卵细胞受胎率低（26.2%） 流产率高(53.8%)克隆动物的存活率低（35.7%)克隆技术克隆技术第三节第三节 生物技术在医药生物技术在医药卫生领域的应用卫生领域的应用 （P171)生物制药（基因工程制药）基因诊断（Gene Diagnosis ）基因治疗（and Gene Therapy）干细胞工程一、生物医药行业的特点一、生物医药行业的特点高技术（精细和密集的技术）产品来源于实验室科学家往往就是公司的领导人高投入尤其是前期科研投入,生物药品平
17、均13亿美元长周期：一个新的生物药品需要68年时间高利润美Amgen公司，开发上市的EPO（促红细胞生长素）、细胞集落因子（G-SCF）到1997年的销售额达20亿美元高风险全世界不超过100家生物技术公司有自己的产品;其中真正盈利的公司很少。政策风险产品潜在安全风险基本方法是：将基本方法是：将目的基因目的基因用用DNADNA重组的方法连接重组的方法连接在在载体载体上，然后将载体导入上，然后将载体导入靶细胞靶细胞，使目的基因，使目的基因在靶细胞中得到表达，最后将表达的目的在靶细胞中得到表达，最后将表达的目的蛋白质蛋白质提纯及做成制剂，从而成为蛋白类提纯及做成制剂，从而成为蛋白类药或疫苗。药或疫
18、苗。 二、基因工程制药二、基因工程制药19761976年第一家基因工程技术开发药物的公司建立；年第一家基因工程技术开发药物的公司建立；19821982年第一个基因工程药物重组年第一个基因工程药物重组人胰岛素人胰岛素正式生产，推向市场正式生产，推向市场20022002年全球生物技术公司总数已达年全球生物技术公司总数已达42844284家，家，美国美国占占3434。20042004年基因重组生物技术药物的年销售额已经突破年基因重组生物技术药物的年销售额已经突破400400亿美元；亿美元；。20052005年年市市场场上上的的生生物物技技术术药药物物达达到到200200种种左左右右，而而在在研研的的
19、药药物物为为600600种。种。全世界已有全世界已有2.52.5亿人使用生物技术药物和疫苗。亿人使用生物技术药物和疫苗。国外生物医药的发展国外生物医药的发展生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生19891989年年我我国国批批准准了了第第一一个个在在我我国国生生产产的的基基因因工工程程药药物物-重组人干扰素重组人干扰素1b1b近近年年来来我我国国生生物物制制药药业业销销售售收收入入以以平平均均超超过过20%20%的的速速度度增增长。长。国内生物医药的发展国内生物医药的发展 起步晚，起点低，但发展迅速起步晚，起点低，但发展迅速许多药品的生产是从许多药品的生产是从生物组织生物组织中提取的。受材料来源
20、限制中提取的。受材料来源限制产产量有限量有限，其，其价格价格往往十分往往十分昂贵昂贵。如胰岛素长期以来只能依靠从如胰岛素长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取。猪、牛等动物的胰腺中提取。将合成的胰岛素基因导入大肠将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每杆菌，每2000L2000L培养液培养液就能产生就能产生100g100g胰岛素！相当于胰岛素！相当于1000Kg1000Kg猪猪胰脏胰脏中提取的量。中提取的量。基因工程药品的生产基因工程药品的生产生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生生物反应器生物反应器将外源基因在动、植物体内将外源基因在动、植物体内表达并生产出我们所需的营表达并生产出我们所需的营养
21、（蛋白）或工业用原材料养（蛋白）或工业用原材料的动植物基因改良（操作）的动植物基因改良（操作）的个体称为生物反应器。的个体称为生物反应器。动物乳腺生物反应器生产药用蛋白质技术原理与操作主要是依据转基因技术技术原理与操作主要是依据转基因技术动物生物反应器：是指利用动物作为载体（平台）的反动物生物反应器：是指利用动物作为载体（平台）的反应器体系。应器体系。生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生 动物生物反应器动物生物反应器乳腺生物反应器乳腺生物反应器: :使外源基因在哺乳使外源基因在哺乳动物的乳腺组织（上皮细胞）中进动物的乳腺组织（上皮细胞）中进行特异表达我们需要的蛋白产物；行特异表达我们需要的蛋白
22、产物；血液生物反应器血液生物反应器细胞生物反应器细胞生物反应器已生产的药物：已生产的药物：22抗胰蛋白酶、抗凝血抗胰蛋白酶、抗凝血因子因子、 TPA TPA 、蛋白质蛋白质C C 、凝血因子凝血因子、白细胞介素白细胞介素2222等等 从从转转基基因因羊羊的的羊羊奶奶中中提提取取出出治治疗疗心心脏脏病病的的药物药物tPAtPA（组织型纤溶酶原激活物）（组织型纤溶酶原激活物）血液、尿腺、乳腺、禽卵、昆虫目前已制作成功并产生重大社会、经济效益（应）的乳腺生目前已制作成功并产生重大社会、经济效益（应）的乳腺生物反应器（动物）有物反应器（动物）有: :转基因牛转基因牛( (荷兰荷兰PhramingPhr
23、aming公司公司- -人乳铁蛋白、人乳铁蛋白、EPO)EPO)转基因羊（山羊、绵羊）转基因羊（山羊、绵羊）( (英英PPLPPL公司公司- -抗胰蛋白酶抗胰蛋白酶; ; 美美GTC-GTC-人凝血酶原人凝血酶原III)III)等等生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生治疗用转基因牛研究的时间与资金要求生物技术药物与化学药物和中药将形成三足鼎立的局面生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生二、基因诊断（二、基因诊断（Gene DiagnosisGene Diagnosis）nG G到到T T一个碱基的改变，决定了一个碱基的改变，决定了一个人的命运一个人的命运n小皓珩出生小皓珩出生2323个月就出现皮
24、疹、个月就出现皮疹、便血等病状，患上了罕见的原发便血等病状，患上了罕见的原发性免疫缺陷病。性免疫缺陷病。 nDNADNA序列分析，证实了小皓珩序列分析，证实了小皓珩WASWAS蛋白基因的蛋白基因的13881388位核苷酸由位核苷酸由G G突突变为变为T T，使编码谷氨酸的密码，使编码谷氨酸的密码GAGGAG突变为终止密码突变为终止密码TAGTAGnWASWAS蛋白突变为无功能的蛋白突变为无功能的WASWAS蛋白，蛋白，导致患儿血小板减少，淋巴细胞导致患儿血小板减少，淋巴细胞形态和功能异常形态和功能异常 n希望：希望：WASWAS目前已经可以用骨髓目前已经可以用骨髓移植或干细胞移植根治移植或干细
25、胞移植根治通过从患者体内提取样本(DNA)用基因检测方法来判断患者是否有基因异常或携带病原微生物的方法，就是基因诊断。生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生传统与基因诊断的比较 传统的诊断n望 问 听 触经验n化验/检验微生物、免疫学、生物化学、病理学等对细胞、组织、酶、代谢物等检测n影像学X线、B超、CT、核磁共振、内窥镜等n特殊检查肌电/脑电/心电、骨密度等基因诊断n应用分子生物学方法：如应用分子生物学方法：如PCRPCR技术或技术或PCRPCR与分子杂交与分子杂交标记标记n主要应用于主要应用于n先天遗传性疾患（苯丙酮尿先天遗传性疾患（苯丙酮尿症、血红蛋白病）症、血红蛋白病）n后天基因突变引
26、起的疾病后天基因突变引起的疾病（肿瘤、糖尿病）（肿瘤、糖尿病）n病原生物的侵入（流感、肝病原生物的侵入（流感、肝炎、艾滋病）炎、艾滋病）n个体识别、法医物证个体识别、法医物证生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生感染性疾病检测感染性疾病检测n 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n乙型肝炎病毒n丙型肝炎病毒n结核杆菌和疟原虫的分型n公安司法系统公安司法系统罪犯及受罪犯及受害人的身份识别及亲子鉴定害人的身份识别及亲子鉴定n部队部队 伤亡士兵的身份识伤亡士兵的身份识别；印尼海啸中死难人员身别；印尼海啸中死难人员身份识别份识别n保安保安 个人个人DNADNA身份证
27、，身份证，用于人员识别用于人员识别1985年Jeffreys应用RFLP进行亲子鉴定,创建DNA指纹分析方法Jeffreys和DNA指纹个体识别个体识别三三 基因治疗（基因治疗（Gene TherapyGene Therapy）目前，基因疗法的对象基因病、肿瘤、心血管病、糖尿病、血友病、严重贫血、关节炎、爱滋病等15种以上疑难顽症基因治疗人类遗传性疾病,仍在探索阶段基因治疗是将正常的外源基因导入靶细胞中以弥补靶细胞所缺失或突变的基因、或抑制异常表达的基因生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生基因治疗的策略基因治疗的策略原位修复(基因修复）对有缺陷的基因在原来位置上进行修复，使该基因恢复正常基因替
28、代疗法治疗策略是切除发生缺陷的基因，再转入有功能的正常基因增强将目的基因导入靶细胞，目的基因的表达产物可以补偿缺陷细胞的功能基因抑制导入外源基因以抑制原有的基因，目的在于阻断有害基因的表达生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生基因治疗掀起了一场临床医学革命基因治疗的基本方式基因治疗的基本方式n体细胞介导的基因治疗体细胞介导的基因治疗 回体法回体法 ex vivoex vivon体内直接转基因体内直接转基因 体内法体内法 in vivoin vivo生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生基因治疗的应用基因治疗的应用 转入功能基因（单基因遗传病）n血友病B 薛京伦等用逆转录病毒载体将IX因子的cDNA
29、至血友病B患者的皮肤成纤维细胞中，再回植患者皮下，患者凝血因子IX的表达明显增高，症状得到改善n重症综合性免疫缺乏症（SCID）重症综合性免疫缺乏症（重症综合性免疫缺乏症（SCIDSCID）n腺苷脱氨酶（腺苷脱氨酶（ADAADA）缺乏症缺乏症是常染色体隐性遗传的致死是常染色体隐性遗传的致死性疾病，患者由于性疾病，患者由于ADAADA缺乏缺乏导致脱苷腺氨酸增多，改变导致脱苷腺氨酸增多，改变了甲基化能力，致使淋巴细了甲基化能力，致使淋巴细胞受损，从而导致免疫缺陷胞受损，从而导致免疫缺陷生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生n19901990年，年，首次将首次将ADAADA转基因转基因T T淋巴细胞注
30、射淋巴细胞注射到人体骨髓组织到人体骨髓组织（患有患有腺苷脱氨酶腺苷脱氨酶（ADAADA）缺乏症的）缺乏症的4 4岁儿岁儿童童） ，治疗SCID转基因治疗的问题与危险性转基因治疗的问题与危险性n有效的目的基因过少；有效的目的基因过少；n安全性安全性: :导入的基因缺乏调导入的基因缺乏调控手段；控手段；n有效性和稳定性：有效性和稳定性：缺少高效缺少高效和导向的载体系统；和导向的载体系统；n目前人们多重视分子水平的目前人们多重视分子水平的研究而忽略了整体研究，对研究而忽略了整体研究，对整体宏观水平缺乏了解。整体宏观水平缺乏了解。 1999年年9月月17日，美国日，美国Arizona州州18岁岁的青年
31、的青年格格尔尔辛格辛格在宾夕法尼亚大学人在宾夕法尼亚大学人类基因治疗研究所接受基因治疗类基因治疗研究所接受基因治疗4天后天后不幸死亡，成为基因治疗实施以来第不幸死亡，成为基因治疗实施以来第1个直接死于这种试验的病人。个直接死于这种试验的病人。 生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生四四 创建遗传病的动物模型创建遗传病的动物模型 n意义n研究癌症基因的致病机理；癌症基因表达的调控过程；新药物疗效n研究基因治疗的良好材料 n目前已建立了人类的动脉粥样硬化、镰刀形红细胞贫血、初老期痴呆症、自身免疫病、淋巴组织生成、真皮炎及前列腺癌等遗传病的动物模型 生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生在猴子的未受精卵
32、中加入附加基因（如老年性痴呆病的基因、帕金森病基因等），并利用它成功培育出健康活泼的小猴“安迪”。加快针对这类疾病疫苗的开发研究。 通过研究“基因敲除”的小鼠将帮助研究人类的癌症、糖尿病和高血压等慢性疾病与遗传的关系。 生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生五五 干细胞工程干细胞工程n干细胞是指尚未发育成熟的细胞，它具有再生为各种组织器官的潜能，可称其为种子细胞。n是一类具有自我更新和分化潜能的细胞n具有多能性，甚至全能性干细胞的类型干细胞的类型n全能干细胞n它具有形成完整个体的分化潜能n胚胎干细胞n多能干细胞n具有分化出多种细胞组织的潜能，失去了发育成完整个体的能力n专能干细胞n只能向一种类型
33、或密切相关的两种类型的细胞分化Microinjection Manipulation Facility生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生胚胎干细胞具有发育成所有细胞、组织和器官的能力生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生具体应用举例具体应用举例骨髓移植造血干细胞n造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源，主要存在于骨髓、脐带血中n造血干细胞的移植是治疗血液系统疾病、先天性遗传疾病以及多发性和转移性恶性肿瘤疾病的有效方法。脐血干细胞库脐血干细胞库 n新生儿脐血主要直接用于血液病和免疫功能不全的临床治疗 n局限性n脐血采集量有限，其中所含的核细胞数较少，不能满足成人
34、患者移植所需。 n遗传病第四节第四节 生物技术在生物技术在农业科学方面的应用农业科学方面的应用农业科技革命农业科技革命n20世纪初开始的农业科技革命n达尔文、孟德尔（19世纪下半叶）：育种技术（30）n李比希、缪勒（20世纪30年代）： 化肥和农药（50） 水利、灌溉（20）以育种技术和农业化学技术为主导的第一次农业科技革命，建立了现代农业。 n20世纪下半叶，2个重大的科学事件，拉开了新的农业科技革命的序幕nDNA双螺旋结构的发现、DNA重组成功：分子生物学、生物技术n计算机、信息技术：覆盖面广、渗透性极强n其它现代技术n航空航天、自动控制、新型材料、先进制造等生物技术引发的生物育种生物技术
35、引发的生物育种 细胞和胚胎工程育种、分子标记技术、转基因技术等已趋成熟，在动植物育种中得到应用n高产、稳定、优质、抗虫、抗病、除草剂、固氮酶基因等如：抗除草剂大豆、抗黄矮病小麦、抗病毒马铃薯、耐贮运番茄n动物品质改良、提高动物快速生长能力或抗病能力；n功能性食品：可饲性疫苗、富含VE的不饱和油料等生物技术与农业科学生物技术与农业科学转基因植物转基因植物用携带外源基因的农杆菌用携带外源基因的农杆菌TiTi质粒转化植物材料，使外质粒转化植物材料，使外源源DNADNA与植物染色体与植物染色体DNADNA整合，通过进一步组织培养，整合，通过进一步组织培养，转化的植物材料分化成愈伤组织，最后发育成具有新
36、转化的植物材料分化成愈伤组织，最后发育成具有新性状的完整植株性状的完整植株转基因植物转基因植物生物技术与农业科学生物技术与农业科学n有有3535个科个科120120多种转基因多种转基因植物，一些重要的农作物植物，一些重要的农作物获得商品化的转基因品种获得商品化的转基因品种n种植面积迅猛发展种植面积迅猛发展n发展趋势发展趋势n采用的基因正在从抗除草采用的基因正在从抗除草剂、抗菌素、抗病虫害基剂、抗菌素、抗病虫害基因到因到抗逆境、高品质抗逆境、高品质方向方向发展。发展。n由单个质量性状基因向由单个质量性状基因向多多基因基因数量性状转变。数量性状转变。n植物反应器植物反应器生产稀有蛋白生产稀有蛋白转
37、基因植物现状及趋势转基因植物现状及趋势生物技术与农业科学生物技术与农业科学1 1、生物技术与粮食、生物技术与粮食 提高产量、品质提高产量、品质n普通大米实际上不是普通大米实际上不是“健康食品健康食品”。n大大米米中中含含有有一一种种叫叫做做肌肌醇醇六六磷磷酸酸的的小小分分子子，它它能能与与铁铁紧紧地结合，使得小肠难以吸收食物中的铁；紧紧地结合，使得小肠难以吸收食物中的铁；n以大米为主食的人，易患铁缺乏症而导致贫血以大米为主食的人，易患铁缺乏症而导致贫血哪种大米更有益身体健康？n转基因水稻转基因水稻 n“金金大大米米” ” ：转转入入胡胡萝萝卜卜素素合合成成相相关关基基因因提提高高大大米米中中维
38、维生生素素A A前前体体的的含含量量，以以减减少少亚亚洲洲人人普普遍遍存存在在的的维维生生素素A A缺乏症缺乏症n解决铁吸收的问题，往解决铁吸收的问题，往“金大米金大米”中再转入三种基因：中再转入三种基因：n一种是来自真菌的酶基因，这种酶能够把肌醇六磷酸降解掉；一种是来自真菌的酶基因，这种酶能够把肌醇六磷酸降解掉；n一种是来自菜豆的铁蛋白基因，铁蛋白能够储存铁；一种是来自菜豆的铁蛋白基因，铁蛋白能够储存铁；n还还有有一一种种是是来来自自印印度度香香米米的的基基因因，它它生生产产的的蛋蛋白白质质有有助助于于人人的的肠道吸收铁肠道吸收铁n低过敏性转基因水稻低过敏性转基因水稻n低蛋白转基因水稻低蛋白
39、转基因水稻哪种大米更有益身体健康？哪种大米更有益身体健康？ 超级杂交稻超级杂交稻 2005 2005年年5 5月月1313日，位于三亚市田独日，位于三亚市田独镇新村田洋的中国超级杂交稻第一镇新村田洋的中国超级杂交稻第一块块“百亩片试种示范田百亩片试种示范田”正式通过正式通过了海南省级验收。经由全国多位农了海南省级验收。经由全国多位农业专家共同检测，这批超级杂交稻业专家共同检测，这批超级杂交稻的亩产高达的亩产高达833.23833.23公斤。公斤。 功能稻米功能稻米 基尔米：拥有降血压、改善睡眠、减肥美基尔米：拥有降血压、改善睡眠、减肥美容等功能的大米，售价最高的一种达容等功能的大米，售价最高的
40、一种达元钱斤元钱斤。生物技术与农业科学生物技术与农业科学2 2、抗性基因工程育种、抗性基因工程育种n基因工程为培育抗病虫的作物提供了新的手段基因工程为培育抗病虫的作物提供了新的手段n目前，已经获得的转基因抗虫农作物包括烟草、番茄、目前，已经获得的转基因抗虫农作物包括烟草、番茄、马铃薯、棉花、玉米等马铃薯、棉花、玉米等n在抗逆境育种上的应用为克服干旱、盐碱等提供在抗逆境育种上的应用为克服干旱、盐碱等提供新思路新思路n美国斯坦福大学把仙人掌基因导入小麦、大豆等作物，美国斯坦福大学把仙人掌基因导入小麦、大豆等作物，育成抗旱、抗逆的新品种。育成抗旱、抗逆的新品种。n我国已克隆了耐盐碱相关基因，我国已克
41、隆了耐盐碱相关基因， 通过遗传转化已获得了耐盐烟草、通过遗传转化已获得了耐盐烟草、 水稻、西红柿、草莓等。水稻、西红柿、草莓等。 生物技术与农业科学生物技术与农业科学转基因抗虫棉转基因抗虫棉 我国是世界上最大的棉花生产我国是世界上最大的棉花生产国和消费国，约占世界产棉总量国和消费国，约占世界产棉总量的的25%以上。以上。 自自90年代以来，由于棉铃虫在年代以来，由于棉铃虫在我国大部分棉区持续性大发生或我国大部分棉区持续性大发生或暴发，给我国棉花生产带来了巨暴发，给我国棉花生产带来了巨大的威胁，棉农谈虫色变，面积、大的威胁，棉农谈虫色变，面积、单产、总产一直处于低谷的徘徊单产、总产一直处于低谷的
42、徘徊阶段。阶段。n我国现已有我国现已有1818个国产抗虫棉品种通过个国产抗虫棉品种通过了审定了审定 ，目前种植的转基因品种中约，目前种植的转基因品种中约有一半是国产品种。在全国各棉区正有一半是国产品种。在全国各棉区正在大面积推广。在大面积推广。 n19901990年，美国利用生物技术，合成年，美国利用生物技术，合成苏苏云金芽孢杆菌云金芽孢杆菌 （B.tB.t）杀虫基因，导）杀虫基因，导入棉花获得抗虫转基因棉花。入棉花获得抗虫转基因棉花。n抗植物虫害的基因有多种，日前经常抗植物虫害的基因有多种，日前经常使用的主要有三种：使用的主要有三种：nBtBt基因基因n从植物中分离出的昆虫的蛋白酶抑从植物中
43、分离出的昆虫的蛋白酶抑制剂，其中应用最广泛的是豇豆胰制剂，其中应用最广泛的是豇豆胰蛋白酶抑制剂基因蛋白酶抑制剂基因( (CpTICpTI) )n植物凝集素基因植物凝集素基因( (lectinlectin gene) gene) 生物技术与农业科学生物技术与农业科学3 3、花卉基因工程、花卉基因工程n花色工程花色工程n花卉香味工程花卉香味工程n通过合成酶的引入，增强单萜的合成通过合成酶的引入，增强单萜的合成n花卉保鲜花卉保鲜n通过导入反义通过导入反义ACCACC合成酶基因及反义合成酶基因及反义ACCACC氧化酶基因可阻止乙烯生化合成，延长氧化酶基因可阻止乙烯生化合成，延长花期和鲜切花寿命花期和鲜
44、切花寿命 n花卉抗性基因工程花卉抗性基因工程圆个缤纷的梦圆个缤纷的梦花色工程花色工程n花色素主要由类黄酮、类胡萝卜素、生物碱三类物质决定 n影响花色的因子还有共色作用、液泡的酸碱值及细胞的形状等生物技术与农业科学生物技术与农业科学基因工程改变花色的途径n通过引入外源基因来补充通过引入外源基因来补充某些品种缺乏合成某些颜某些品种缺乏合成某些颜色的能力色的能力n利用反义利用反义RNARNA和共抑制技和共抑制技术抑制基因的活性，造成术抑制基因的活性，造成无色底物的积累，使花的无色底物的积累，使花的颜色变浅或变成无色颜色变浅或变成无色星条、网状：共抑制法、反义RNA技术黄色：直接导入外源结构基因n花卉
45、基因转移结果常无法获得预期效果n由于育成蓝色月季需要同时具备三个条件，即翠雀素的合成、黄酮醇共染剂和较高的PH值，其中关键是改变植物细胞液泡液的PH值 生物技术与农业科学生物技术与农业科学运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动物4、 在畜牧业中的应用生物技术与农业科学生物技术与农业科学中国科学院水生生物研究所朱作言首次用人的生长激素基中国科学院水生生物研究所朱作言首次用人的生长激素基因因( (hGHhGH) )构建了转基因鱼，制作的主要目的是提高生长速构建了转基因鱼，制作的主要目的是提高生长速度、增加抗逆性以及为发育生物学和插入突变提供研究
46、的度、增加抗逆性以及为发育生物学和插入突变提供研究的材料。材料。使用鱼类自身的基因元件构建转基因鱼，可以解决基因表使用鱼类自身的基因元件构建转基因鱼，可以解决基因表达强度问题和推广转基因鱼的环境和伦理道德问题。达强度问题和推广转基因鱼的环境和伦理道德问题。 自自19841984年以来先后进行了泥鳅、鲤鱼、鲫鱼等的转基因研年以来先后进行了泥鳅、鲤鱼、鲫鱼等的转基因研究。究。5 5、生物技术与农药、生物技术与农药n绿绿色色农农药药包包括括微微生生物物杀杀虫虫剂剂、微微生生物物杀杀菌菌剂剂、农农畜畜抗抗菌菌素素、植物源农药等植物源农药等n植植物物源源生生物物水水剂剂农农药药（松松脂脂酸酸钠钠和茶皂素
47、的复合制剂、和茶皂素的复合制剂、苦楝油）苦楝油）n生物农药菌种资源（苏云金杆菌）生物农药菌种资源（苏云金杆菌）n特点特点n环保，良好的环境相容性环保，良好的环境相容性n先先天天弱弱势势：药药效效慢慢、击击倒倒慢慢、适适应力差应力差n综合防治综合防治生物技术与农业科学生物技术与农业科学农业领域的拓展农业领域的拓展 n拓展领域拓展领域n向食品轻工领域发展：酶工程、向食品轻工领域发展：酶工程、L-L-乳酸发酵工程乳酸发酵工程n向能源：燃料：石油（黑金）向能源：燃料：石油（黑金） 作物（绿金）作物（绿金） n向材料环保：向材料环保：n全淀粉全淀粉乳酸乳酸聚合塑料、生物全降解塑料聚合塑料、生物全降解塑料
48、n生物农药及生物防治技术生物农药及生物防治技术n发展趋势发展趋势n生物资源创新工程生物资源创新工程专业、区域、企业、市场化专业、区域、企业、市场化n传统农业传统农业 “ “高投入、低产出高投入、低产出” “” “低投入、高产出低投入、高产出”n投身生命科学投身生命科学生物技术与农业科学生物技术与农业科学第六节第六节 生物技术在食品领域的应用生物技术在食品领域的应用 (p181) (p181) n主要应用主要应用在食品生物在食品生物资源的改造资源的改造、提高食品品质提高食品品质和和改善食品风味改善食品风味、油脂生产油脂生产以及食品卫生检测等。食品卫生检测等。n不是仅仅解决粮食问题，不是仅仅解决粮
49、食问题， 更重要的是，满足人们更重要的是，满足人们 对食物感官舒适、营养对食物感官舒适、营养 丰富、功能全面的完美丰富、功能全面的完美 要求。要求。食品级壳聚糖：用于功能性食品，保健品，胶粘剂，人体补铁剂，可降解性食品包装袋等一、一、应用现状应用现状n主要技术n基因工程n细胞工程n酶工程n应用领域n发酵工程n食品添加剂:用生物法代替化用生物法代替化学合成，要大力开发功能性学合成，要大力开发功能性食品添加剂等。食品添加剂等。生物技术与食品业生物技术与食品业二、在食品加工过程的应用二、在食品加工过程的应用n工程菌改良食品微生物的生产性能n改变合成途径，改善风味n氨基酸生产n生产食品酶制剂，提高活性
50、、稳定性（淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶等，添加酶类进行食品组分的改性）n食品保鲜：乳酸菌肽防腐生物技术与食品业生物技术与食品业三、农副产品深加工和综合利用三、农副产品深加工和综合利用n玉米等深加工玉米等深加工 作为新型糖源、变性淀作为新型糖源、变性淀粉、玉米油、发酵酒精、环粉、玉米油、发酵酒精、环状糊精以及工业用材料提供状糊精以及工业用材料提供优质充足的原料优质充足的原料n 肉、奶、水产品加工肉、奶、水产品加工n 植物纤维素资源植物纤维素资源 生物技术与食品业生物技术与食品业n在食品检测中的应用n食源性病原菌快速检测n转基因食品检测n我国农业转基因生物安全管理n2004年10月，我国制定农业转基因
51、生物安全管理条例n一般应经过中间试验、环境释放和生产性试验四、生物技术与食品安全性检测四、生物技术与食品安全性检测生物技术与食品业生物技术与食品业第七节第七节 生物技术在生物技术在能源开发上的应用能源开发上的应用n能源分能源分n不可再生能源：煤、天然气和石油（包括核能）不可再生能源：煤、天然气和石油（包括核能）等化石原料等化石原料n可再生能源：太阳能、风能、地热能、生物能、可再生能源：太阳能、风能、地热能、生物能、海洋能和水能海洋能和水能 n生物能源是从太阳能转化而来的生物能源是从太阳能转化而来的n绿色植物就是光能转换器和能源之源，碳水化绿色植物就是光能转换器和能源之源，碳水化合物是光能储藏库
52、。合物是光能储藏库。n我国拥有丰富的生物质资源我国拥有丰富的生物质资源 n每年每年7 7亿多吨作物桔秆、亿多吨作物桔秆、2 2亿多万吨林地废弃物、亿多万吨林地废弃物、2525亿多吨畜禽粪便及大量有机废弃物亿多吨畜禽粪便及大量有机废弃物生物能源制煤气：柴草桔杆气化炉 （一）沼气n沼气是微生物发酵秸秆、禽畜粪等有机物产生的混合气体，主要成分是可燃的甲烷。n生产沼气的设备简单，方法简易，适合在农村推广使用。n目前，沼气的规模化生产需要解决的是设备及提高甲烷含量等技术问题。生物技术与能源生物技术与能源（二）氢气n氢气的燃烧产物只有水，因此氢气是最清洁的能源。n可利用生物质通过微生物发酵得到，这一过程被
53、称为生物制氢。n实现生物制氢的产业化，还有许多技术和经济问题需要解决。生物制氢产业化示范基地业已初具规模生物技术与能源生物技术与能源（三）生物柴油n利用生物酶将植物油或其它油脂分解后得到的液体燃料，作为柴油的替代品更加环保n欧洲、美国已专门种植油料作物用来生产生物柴油n一些微生物也能合成油脂，可以为克服生物柴油的原料问题（四）燃料乙醇n目前世界上生产规模最大的生物能源n燃料乙醇是以玉米等为原料，经过粉碎、液化、糖化、发酵、蒸馏、脱水等一系列精密工艺流程而制成的，在汽油中混配10%的燃料乙醇即成为乙醇汽油,排放的尾气更清洁。n我国的燃料乙醇生产已形成规模，主要是以玉米为原料，同时正在积极开发甜高
54、粱、薯类、秸秆等其他原料生产乙醇，目前产量居世界第三。 生物技术与能源生物技术与能源微生物与生物能源微生物与生物能源n微生物将在生物能源领域扮演重要的角微生物将在生物能源领域扮演重要的角色，生物能源的制备离不开微生物色，生物能源的制备离不开微生物n利用生物技术尤其是基因工程改良相关利用生物技术尤其是基因工程改良相关微生物，势必能够提高生物能源的开发微生物，势必能够提高生物能源的开发利用。利用。n（一）燃料乙醇发酵微生物（一）燃料乙醇发酵微生物 n（二）产氢细菌（二）产氢细菌 生物技术与能源生物技术与能源第八节第八节 生物技术在环境科学方面的应用生物技术在环境科学方面的应用 （p192p192）
55、 一、什么是环境生物技术一、什么是环境生物技术 是生物技术在环境治理和是生物技术在环境治理和 环境保护中的应用而衍生环境保护中的应用而衍生 出的一门新学科和新技术。出的一门新学科和新技术。二、生物技术在环境保护中的应用二、生物技术在环境保护中的应用1.1.生物传感器为代表的环境污染监控技术生物传感器为代表的环境污染监控技术2.2.工业和生活污染物的微生物降解技术工业和生活污染物的微生物降解技术3.3.生态环境生物防治和生物修复技术生态环境生物防治和生物修复技术4.4.环境友好可再生材料和能源的生物合成技术等环境友好可再生材料和能源的生物合成技术等 n 生物传感器生物传感器利用固定化利用固定化生
56、物层与目标污染物之间生物层与目标污染物之间的专一性作用进行检测。的专一性作用进行检测。n 根据所用敏感物质可将根据所用敏感物质可将生物传感器分为生物传感器分为n 生物催化和免疫生物催化和免疫( (酶、酶、微生物等微生物等) )n 利用核酸做探针的利用核酸做探针的DNA DNA 传感器传感器生物技术与环境生物技术与环境1 1、环境污染监控技术、环境污染监控技术水污染监测n在水质评价过程中最常用、最重要的指标之一是生化需氧量(BOD)n常规BOD测定方法是:在(20 1) 培养5d ,分别测定样品培养前后的溶解氧,二者之差即为5d 的生化需氧量,并以BOD5 表示n生物传感器测定BOD 只涉及到初
57、始氧化速率,两者之间的相关性可以通过对标准溶液的测定获得, 将测定时间缩短到1h以内。生物技术与环境生物技术与环境基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。生物技术与环境生物技术与环境生物技术与环境生物技术与环境2 2、环境污染治理、环境污染治理：生物降解：生物降解：基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解油（烷烃类）、有机农药等多种污染环境的物质。生物技术与环境生物技术与环境空气污染治理技术空气污染治理技术n二氧化硫排放，酸雨污染严重二氧化硫排放，酸雨污染严重n生物技术解决方法：微生物脱去生物技术解决方法：微生物脱去煤中的硫煤中的硫n无机硫脱除：利用微生物的氧化作无机
58、硫脱除：利用微生物的氧化作用将用将黄铁矿黄铁矿氧化分解成铁离子和硫氧化分解成铁离子和硫酸，硫酸溶于水后将其从煤炭中排酸，硫酸溶于水后将其从煤炭中排除的脱疏方法除的脱疏方法n微生物降解微生物降解DBTDBT（煤中有机硫）（煤中有机硫）4s4s途径：由亚枫途径：由亚枫(sufoxide)(sufoxide)枫枫(sulfone)(sulfone)磺酸盐磺酸盐(sulfoMte)(sulfoMte)硫酸盐硫酸盐(sMlfaM)(sMlfaM)，在这一途径中，在这一途径中，微生物只将微生物只将DBTDBT分子中的分子中的S S特异性地特异性地氧化成氧化成H H2 2SOSO4 4，而不引起碳的损失，而
59、不引起碳的损失生物技术与环境生物技术与环境3 3、生态环境生物防治和生物修复技术、生态环境生物防治和生物修复技术 n生物修复是指利用生生物修复是指利用生物的代谢活动减少环物的代谢活动减少环境境( (包括土壤、地表及包括土壤、地表及地下水或海洋地下水或海洋) )中有毒中有毒有害化合物的工程技有害化合物的工程技术系统术系统n应用土壤植物和微生应用土壤植物和微生物修复物修复生物技术与环境生物技术与环境4 4、环境友好可再生、环境友好可再生生物材料和能源开发技术生物材料和能源开发技术 生物技术与环境生物技术与环境n 生物降解塑料生物降解塑料“天然产品天然产品聚交酯聚交酯”n 微生物在不平衡生长（如氮或
60、微生物在不平衡生长（如氮或磷不足）条件下，以颗粒状态在磷不足）条件下，以颗粒状态在细胞内储存各种细胞内储存各种生物高分子聚合生物高分子聚合物物统称为聚羟基脂肪酸酯统称为聚羟基脂肪酸酯 本章小结n人类基因组计划人类基因组计划n克隆技术克隆技术n医药生物技术医药生物技术n农业生物技术、食品、能源农业生物技术、食品、能源n环境生物技术环境生物技术第六章第六章 生物技术的应用生物技术的应用思考题：1 1、什么是人类基因组计划？（、什么是人类基因组计划？（164164）2 2、“多莉多莉”有什么特殊的？简述多莉诞生的细有什么特殊的？简述多莉诞生的细胞工程操作过程。（胞工程操作过程。（169169170170）3 3、花卉色素有几种？特征如何？（、花卉色素有几种？特征如何？（178178）4 4、生物能源有几种形式？（、生物能源有几种形式？（188188190190）5 5、微生物在生物能源上的作用是什么？（、微生物在生物能源上的作用是什么？（190190191191）6 6、什么是环境生物技术？有何作用？（、什么是环境生物技术？有何作用？（192192198198）第六章第六章 生物技术的应用生物技术的应用
