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1、湖工细胞工程绪论学时参考书目教材：细胞工程，李志勇主编，科学出版社参考书：u植物细胞工程，谢从华主编，高等教育出版社u细胞工程，罗立新等主编，华南理工大学出版社细胞工程-简介绪论细胞工程在现代生物技术中的地位细胞工程学的概念及研究范畴细胞工程与其它相关学科的关系细胞工程的发展细胞工程-简介细胞工程在现代生物技术中的地位关于现代生物技术的含义关于现代生物技术的含义现代生物技术的内容现代生物技术的内容细胞工程在现代生物技术中的细胞工程在现代生物技术中的地位及其实践意义地位及其实践意义 细胞工程-简介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，分子生物学领域
2、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。细胞工程-简介(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 改造生命本身细胞工程-简介生物技术的定义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生物材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
3、价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术。该定义强调了生物技术的商品属性。细胞工程-简介生物技术(Biotechnology) 是在分子生物学和细胞生物学基础上结合现代工程学的方法和原理而发展起来的一门综合性科学技术。生物技术是以生物科学为基础，利用生物体的特性和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，以及与工程原理相结合进行加工生产，为社会提供商品和服务的一个综合性技术体系。细胞工程-简介生物技术的定义细胞工程-简介综合上述观点，生物技术主要包括以下四个方面：l运用现代生物学理论与科学技术改造细胞的遗传物质，培育出人们需要的生物新品种；l工业规模地利用现有生物体系，制备生物产品；l模拟
4、生物体系，以生物化学工程代替化学工程，制备工业产品；l发展相应的科学理论与工程技术。生物技术的定义传统生物技术发展阶段传统生物技术发展阶段古代，人们就会利用微生物发酵法来制醋、做酱、醇酒等，但古代人并不知道微生物的存在，更不懂得什么是发酵，他们对微生物利用完全靠着多年来摸索出来的经验。19世纪中期，法国微生物学家巴斯德发现了发酵现象，这可以说是生物工程的一个里程碑。20世纪初，第一次世界大战期间，人们用发酵法生产原料，制造炸药，从此发酵工业开始出现。20世纪40年代发现了青霉素，抗生素工业开始出现。20世纪60年代，日本人在制造氨基酸产品时发明了固定化酶连续使用的新技术，于是使酶制剂、氨基酸、
5、核酸、有机酸发酵工业相继获得了发展。细胞工程-简介现代生物技术发展阶段到了20世纪70的代初，随着分子生物学的发展、杂交瘤技术的产生、单克隆抗体的出现、固定化技术的提高，逐渐出现了生物技术（biotechnology）这个词，形成了现代新生物工程。细胞工程-简介生物技术的研究领域基因工程（20世纪70年代）细胞工程（20世纪70年代）酶工程（20世纪60年代）发酵工程（19世纪50-80年代）生物化学工程（20世纪40年代）蛋白质工程（第二代基因工程，20世纪80年代）代谢工程（途径工程，第三代基因工程，20世纪80年代后期）组织工程（20世纪80年代）细胞工程-简介基因工程是指在微观领域（分
6、子水平）中，根据分子生物学和遗传学原理，设计并实施一项把一个生物体中有用的目的DNA(遗传信息)转入另一个生物体中，使后者获得新的需要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。基因工程与建筑工程基因工程与建筑工程基因工程与建筑工程基因工程与建筑工程细胞工程-简介l 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、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、乙肝疫苗等等。细胞工程-简介l 畜牧业中的应用动物疫苗、生长激素等例：从
7、转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA细胞工程-简介l 种植业中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，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细胞工程-简介l 种植业中的应用抗化学除草剂基因转基因西红柿固氮酶基因人类DNAl 环境保护等等细胞工程-简介“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。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，对蛋白质人工改造与合成，最终获得商业化的产品。
8、u蛋白质工程细胞工程-简介蛋白质工程的主要步骤通常包括：（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;n 蛋白质工程（4) 设计各种处理条件，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；（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。细胞工程-简介现代发酵工程主要指利用微生物、包括利用DNA重组技术改造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。现代发酵工程是生物代谢、微生物生长动力学、大型发酵罐或生物反应器研制、化工原理
9、等密切结合和应用的结果。u发酵工程细胞工程-简介一般发酵工程包括以下基本步骤：（1）菌种选育；（2）细胞大规模培养即发酵过程；（3）生产活性产物的诱导；（4）菌体及产物的收获；发酵工程的产品范围非常广泛。从食品、药品、精细化工产品到许多工业用原料等等，生物可降解塑料PHB等。细胞工程-简介第一代生物工程：发酵酿造近代生物工程：抗生素、氨基酸、酶制剂现代生物工程：基因重组、细胞和组织培养、克隆发展历程：细胞工程-简介 现阶段的生物技术大致可分为两大体系：生物控制和改造技术：基因工程 细胞工程 发酵工程 酶工程 蛋白质工程 生物化学工程 生物模拟技术：生物机体和功能模拟技术人工生物系统技术现代生物
10、技术最大特征：多学科性，商业性细胞工程-简介细胞工程-简介细胞工程-简介改善农业生产技术动植物品种改良; 植物快速繁殖保护生态环境生物工业避免化学工业污染; 名贵药物的细胞生产保护自然资源生物医药开发免疫医药工业; 基因工程药物生产实践意义细胞工程-简介细胞工程-简介细胞工程学的概念及研究范畴l细胞工程学(cell engineering)是应用细胞生物学和分子生物学方法，在细胞水平上研究改造生物遗传特性，以获得特定细胞（系）、组织产品或新型物种的有关理论和技术方法的学科。l研究对象： 动植物细胞（原生质体），也包括细胞器、染色体、细胞核、胚胎l细胞工程的核心技术： 细胞培养与繁殖l目的：获得
11、新性状、新个体、新物质细胞工程-简介细胞工程学的概念及研究范畴l优势： 避免了分离、提纯、剪切、拼接等基因操作只需将细胞遗传物质直接转移到受体细胞中就能够形成杂交细胞，可以在植物、动物、微生物间形成杂交物种。l特点：前沿性：现代生物技术的起点综合性：多学科交叉应用性：工程类课程，重点产品与技术争议性：新技术给伦理道德带来的冲击细胞工程-简介l研究范畴：动物细胞工程：细胞培养技术(包括组织、器官培养) 细胞融合技术胚胎工程技术(核移植、胚胎分割等) 染色体工程（添加、削减、替换）克隆技术(单细胞系、器官和个体再生)植物细胞工程: 细胞培养技术原生质体融合与培养技术组织培养技术亚细胞水平的遗传操作
12、技术微生物细胞工程：细胞工程-简介细胞工程学的概念及研究范畴细胞工程学与相关学科的关系l细胞工程学的建立依赖于相关学科理论的发展；l细胞工程为生物学研究提供了新的实验体系从而又促进了生物科学的迅速发展；l细胞工程必须与其它生物技术相结合才能更好的发挥作用。细胞工程-简介细胞工程的发展动物细胞工程发展植物细胞工程的发展细胞工程-简介1859年，法国解剖学家Vulpian最早尝试将蛙(Rana)胚尾部组织切下，放到普通水中“培养”，观察到组织的生长和分化现象；1903年，Jolly用盖片悬滴法将蝾螈(Ambystoma maculatum)白细胞培养了将近一个月。1906年，Beebe和Ewing
13、用动物血清作培养基，将狗(Canis familiaris)淋巴肉瘤细胞培养2h，并观察到细胞生长现象。1907年，Harrison在无菌条件下，从蝌蚪的脊索中分离出神经组织，把它放在青蛙的凝固的淋巴液中培养，开创了动物组织培养的先河。l动物细胞工程发展探索期细胞工程-简介 19世纪30年代，Muller（马勒）, Schwann, Virchow等相继在肺结核、天花、水痘、麻疹等病理组织中观察到多核细胞现象； 1849年Lobing（罗宾）在骨髓中也发现了多核现象的存在； 1855年-1858年，科学家们在肺组织和各种正常组织及发尖和坏死部位都发现了多核细胞； 1859年，A. Barli在
14、研究黏虫生活史时发现，某些黏虫存在着由单个细胞核融合形成多核的原生质团的情况。据此，他认为多核细胞是由单个细胞彼此融合而形成据此，他认为多核细胞是由单个细胞彼此融合而形成的。至此，自然界中广泛存在着多核细胞的事实，才被的。至此，自然界中广泛存在着多核细胞的事实，才被生命科学工作者接受。生命科学工作者接受。 细胞工程-简介l动物细胞工程发展细胞融合现象的发现 1907年，Harrison（哈里森）首先利用盖玻片悬滴培养蛙胚神经管区细胞，并观察到从中生长出的轴突细胞（神经纤维），他的工作被认为是动物细胞培养开始的标志； 1911年，Carrel发现了鸡胚浸出液对于培养细胞的生长促进作用，并首次把无
15、菌技术引入组织培养技术中。 1914年，Thomson建立了器官培养技术。 1923年，Carrel设计了卡氏培养瓶。Carrel把外科手术的无菌操作观念带到了细胞体外培养实验中，在解决细胞培养的营养和污染方面作出了贡献。0年，1951年，Earle和Gay分别建立了C3H细胞系的L系和Hela细胞系。A.Carrel细胞工程-简介l动物细胞工程发展动物细胞技术的建立 1958年, Okada发现紫外灭活仙台病毒可引起艾氏腹水瘤细胞彼此融合。 60年代，Harris(1965)诱导不同动物体细胞融合获得成功并培养存活。 Lifflefield(1964)根据亲本细胞的酶缺陷型，利用HAT选择性
16、培养基能使亲本细胞死亡而只留下异型融合细胞，并能不断地增殖，从此形成了细胞融合到杂种细胞选择、培养的一整套技术。 1975年，免疫学家Kohler和Milstein利用仙台病毒诱导绵羊红细胞免疫的小鼠脾细胞与小鼠骨髓瘤细胞融合，选择到能分泌单一抗体的杂种细胞。该杂种细胞具有在小鼠体内和体外培养条件下大量繁殖的能力，并能长期地分泌单克隆抗体，从而建立了小鼠淋巴细胞杂交瘤技术。细胞工程-简介l动物细胞工程发展细胞融合技术的建立和杂交瘤技术的诞生 1962年，英国学者Grudon把非洲爪蟾(zhua chan)小肠上皮细胞的核注入同种或异种非洲爪蟾未受精卵(经紫外线照射杀死卵细胞核)中，约有1的重组
17、卵发育成为成熟蛙。组装鼠，绵山羊。 1997,哺乳动物 克隆羊多利诞生。转基因克隆猪。转基因鱼，试管婴儿。动物器官克隆为生物医学材料开辟新途径。细胞工程-简介l动物细胞工程发展动物克隆技术的建立国内动物细胞工程的研究现状1、单克隆抗体2、家畜胚胎移植3、核移植技术5、胚胎干细胞4、转基因动物技术细胞工程-简介单克隆抗体近几年来，淋巴细胞杂交瘤技术发展很快。至1985年底，已研制成功了抗胃癌、抗肺癌、抗乙型肝炎表面抗原、抗疟疾、抗丝虫等47类单克隆抗体。其中，抗乙型肝炎病毒单克隆抗体已投入了临床应用，创造了一定的经济效益。细胞工程-简介农用单克隆抗体研究，已研究制成一大批单克隆抗体试剂盒：马传染
18、性贫血、猪瘟、鸡新城疫、草鱼出血病等，并应用于动物疫病的快速诊断。在家畜胚胎移植技术方面，中国科学院遗传研究所以及其它农业科研机构等单位已取得了一些成果。山东省农业科学院在兔胚移植研究方面已初获成功。西北农业大学研究生张涌（1987），中国农业科学院朱裕鼎领导的课题组（1987年）利用胚胎切割技术繁殖半胚绵羊获得成功。家畜胚胎移植细胞工程-简介我国利用移核技术培育新型鱼已获得实际应用成果。3、核移植技术生长快、质量好，增重速率比亲本荷包红鲤快20，而且蛋白质含量高，具有一定的经济效益。荷包红鲤细胞核鲫鱼细胞质鲤鲫移核鱼中科院发育所、水科院长江所和广西水产所等单位：我国在鱼类远缘核移植技术方面达
19、到了国际先进水平核移植此项研究成果已于1986年通过鉴定细胞工程-简介特别值得提及的是，中科院生殖生物学国家重点实验室以陈大元为首的课题组，1999年将熊猫体细胞核植入家兔的去核卵中，移核卵在体外培养中发育到胚泡阶段。熊猫属食肉目动物，家兔属兔形目，如此远缘核质杂交体能发育到囊胚，在世界上尚属首例。此项研究成果被中国科学院院士评选为1999年中国十大科技成果之一。细胞工程-简介转基因动物技术被应用于动物育种，我国已获得生长激素的转基因猪200余头，转基因猪的生长水平高20%。上海医学遗传研究所利用生物反应器技术获得40头乳腺特异表达外源基因的转基因羊，首批转基因羊乳汁中分泌生长激素的含量已达4
20、00mg/L。中科院发育所和江苏省生物工程重点实验室已建成在乳腺中高效表达促红细胞生成素(erythropoietin, EPO)转基因山羊50头。转基因动物技术细胞工程-简介从20世纪80年代开始，一批学者又致力于胚胎干细胞(embryonic stem cell, ES cell)的研究，中科院上海细胞所丛笑倩等在这方面作了大量工作并已建立了自己的ES细胞系；中科院发育所郑瑞珍以及北京大学生命科学学院尚克刚等都在ES细胞的分离培养方面作出了杰出的贡献。胚胎干细胞细胞工程-简介 1937年，荷兰植物学家温特（Went）发现B族维生素和生长素对植物根的生长具有促进作用。 19371938年，法
21、国科学家高特里特（Gautheret）和诺比考特（Nobercourt）几乎同时离体培养了胡萝卜组织，并使细胞成功增殖。细胞工程-简介植物细胞工程发展探索阶段温特、高特里特和诺比考特一起成为植物组织温特、高特里特和诺比考特一起成为植物组织培养的奠基人培养的奠基人1756年，Moncean首先发现植物在受伤愈合的组织皮层能产生芽，因而预言这一途径可以成为一种繁殖途径.1902年，Haberlandt提出了细胞全能性学说，并进行了植物叶肉细胞、髓细胞、腺毛细胞、气孔保卫细胞、表皮细胞的培养试验.细胞工程-简介植物细胞工程发展探索阶段培养基P.R. WhiteF. Skoog脱毒技术G. Morel
22、细胞工程-简介植物细胞工程发展培养技术建立阶段激素 K.V. Thimann其一，组织培养领域的研究迅速在世界各国的有关实验室广泛展开。其二，组织培养技术体系（培养基和培养方法）更加完善。其三，研究目的性更加明确，与相关学科研究结合更紧密。其四，形成了较为完整的理论和技术体系（以细胞全能性为基本理论基础，以细胞脱分化和再分化调控为中心的理论体系），并已广泛应用到生物科学研究的各个领域，以细胞工程为基础的新型生物技术产业也正在兴起。细胞工程-简介植物细胞工程发展应用研究阶段3 植物特殊倍性创造植物细胞工程1 培育植物新品种2 种苗脱毒与快速繁殖4 体细胞杂交5 次生产物生产6 基础研究细胞工程-
23、简介国内植物细胞工程的研究现状培育植物新品种以“九五”为例l加倍单倍体技术育成品种23 个51.1%l 无性系变异筛选育成品种12 个26.7%l 染色体工程技术育成品种8 个17.8%l 其它方法育成品种2 个4.4%细胞工程-简介细胞工程-简介单倍体培养花药培养花粉培养三倍体培养胚乳培养创制特殊倍性材料细胞工程-简介小麦冰草马铃薯：2X+2X柑橘：黄皮甜橙体细胞融合产生远缘杂种细胞工程-简介产品成分产品成分用途用途年销售额（亿美元）年销售额（亿美元）长春花碱长春花碱治疗白血病治疗白血病18182020（美国）（美国）阿吗灵阿吗灵循环系统障碍药循环系统障碍药5 52525（全世界）（全世界）奎宁奎宁治疗疟疾治疗疟疾5 51010（美国）（美国）致热素致热素杀虫剂杀虫剂2020（全世界）（全世界） 地高辛地高辛 心脏病药心脏病药20205555（美国）（美国）植物次生代谢产品的市场潜能细胞工程-简介基础研究中的应用遗传作图/基因功能研究植物生理/植物病理机制研究植物发育生物学研究细胞工程-简介
