细胞工程

细胞工程CellEngineering山东师范大学生命科学学院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第一章绪论•细胞工程在现代生物技术中的地位•细胞工程概念与研究范畴•细胞工程的发展•细胞工程的理论基础•细胞工程的基本技术•细胞工程技术的应用绪论一、细胞工程在现代生物技术中的地位1何谓生物技术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。生物技术是指，人们运用现代生物科学、工程学和其他基础学科的知识，按照预先的设计，对生物进行控制和改造或模拟生物及其功能，用来发展商业性加工、产品生产和社会服务的新兴技术领域。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、核酸、有机酸发酵工业相继获得了发展。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。2生物技术的研究领域•基因工程•细胞工程•酶工程•发酵工程•蛋白质工程基因工程是指在微观领域（分子水平）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。基因工程基因工程与建筑工程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、集落刺激因子、乙肝疫苗等等畜牧业中的应用动物疫苗、生长激素等例：从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA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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DNA……环境保护等等“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。蛋白质工程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;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。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、化工原理等密切结合和应用的结果。发酵工程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3生物技术与人类的生存息息相关•1）改善农业生产，解决世界粮食短缺•2）提高生命质量，延长人类寿命•3）解决能源危机，治理环境污染•4）制造工业原料，生产贵重金属二、细胞工程的概念与研究范畴细胞工程(cellengineering)是以细胞生物学和分子生物学为基础理论，采用原生质体、细胞或组织培养等试验方法或技术，在细胞水平上研究改造生物遗传特性，以获得具有新的性状的细胞系或生物体以及生物的次生代谢产物，并发展有关理论和技术方法的学科。细胞工程的核心技术：细胞培养与繁殖目的：获得新性状、新个体、新物质1细胞工程的定义2细胞工程的研究范畴•动物细胞与组织培养•植物细胞与组织培养•细胞融合•细胞核移植•染色体工程•胚胎工程•干细胞与组织工程•转基因生物与生物反应器三、细胞工程的发展细胞工程的发展1动物细胞工程的发展2植物细胞工程的发展四、细胞工程的理论基础•细胞学说的建立•胚胎学的发展•分子生物学的发展五、细胞工程的基本技术①从健康植株的特定部位或组织，如根、茎、叶、花、果实、胚珠、花药和花粉等，选择用于组织培养的起始材料，称之为外植体。②用一定的化学药剂，最常用的有次氯酸钠，升汞和酒精等对外植体表面消毒，建立无菌培养体系。严格控制无菌条件，这是获得培养成功的重要一步。②外植体块在培养基上形成疏松的愈伤组织，由愈伤组织分化出芽并可诱导形成根的小植株。1）植物细胞和组织培养技术2）动物细胞和组织培养技术3）细胞融合技术（体细胞杂交技术）4）细胞器移植技术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”。预想的克隆人技术路线5）染色体工程技术染色体工程是按人们的需要来添加、削减或替换生物的染色体的一种技术。主要分为动物染色体工程玫植物染色体工程5）胚胎工程技术六、细胞工程技术的应用•优质植物快速培育与繁殖•动物胚胎工程快速繁殖优良、濒危品种•利用动植物细胞培养生产活性产物、药品。•新型动植物品种的培育。•在医学器官修复或移植中的应用。•制备转基因动植物的生物反应器。•珍稀动植物资源的保存与保护。•在遗传学、发育生物学等领域的理论研究。•在能源、环境保护等领域的应用