生物技术、生物工程与生物制药

生物技术、生物工程与生物制药一、生物学发展简史1.进化论和细胞学说2.经典遗传学3.分子生物学4.现代生物技术第一节生物学简介人类基因组计划(humangenomeproject,HGP)是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦共和国、日本国国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。这一计划旨在为30多亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学计划。二、人类基因组计划HGP的诞生和启动1985年5月在加州SantaCruz由美国DOE的SinsheimerRL主持的会议上提出了测定人类基因组全序列的动议，形成了美国能源部的“人类基因组计划”草案。1988年，美国成立了“国家人类基因组研究中心”1990年10月1日，经美国国会批准美国HGP正式启动，总体计划在15年内投入至少30亿美元进行人类全基因组的分析。1989年2月英国开始HGP1990年6月法兰西共和国的HGP启动。1995年德意志联邦共和国开始HGP。2、物理图谱（physicalmap）物理图谱是指有关构成基因组的全部基因的排列和间距的信息，它是通过对构成基因组的DNA分子进行测定而绘制的。绘制物理图谱的目的是把有关基因的遗传信息及其在每条染色体上的相对位置线性而系统地排列出来。DNA物理图谱是指DNA链的限制性酶切片段的排列顺序，即酶切片段在DNA链上的定位。因限制性内切酶在DNA链上的切口是以特异序列为基础的，核苷酸序列不同的DNA，经酶切后就会产生不同长度的DNA片段，由此而构成独特的酶切图谱。因此，DNA物理图谱是DNA分子结构的特征之一。DNA是很大的分子，由限制酶产生的用于测序反应的DNA片段只是其中的极小部分，这些片段在DNA链中所处的位置关系是应该首先解决的问题，故DNA物理图谱是顺序测定的基础,也可理解为指导DNA测序的蓝图。广义地说，DNA测序从物理图谱制作开始，它是测序工作的第一步。3、序列图谱随着遗传图谱和物理图谱的完成，测序就成为重中之重的工作。DNA序列分析技术是一个包括制备DNA片段化及碱基分析、DNA信息翻译的多阶段的过程。通过测序得到基因组的序列图谱。4、基因图谱基因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结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。在人类基因组中鉴别出占具2%~5%长度的全部基因的位置、结构与功能，最主要的方法是通过基因的表达产物mRNA反追到染色体的位置。基因图谱的意义：在于它能有效地反应在正常或受控条件中表达的全基因的时空图。通过这张图可以了解某一基因在不同时间不同组织、不同水平的表达；也可以了解一种组织中不同时间、不同基因中不同水平的表达，还可以了解某一特定时间、不同组织中的不同基因不同水平的表达。三、现代生物工程1、基因工程指在体外将核酸分子插入病毒、质粒、或其他载体分子，构成遗传物质的新组合，并使之参入到原先没有这类分子的寄主细胞内，而能持续稳定地繁殖，并通过工程化为人类提供有用的产品及技术服务的技术。如：人工合成胰岛素基因工程(geneengineering)常和以下名称混用遗传工程(geneticengineering);基因克隆(genecloning);分子克隆(molecularcloning);基因操作(genemanipulation);重组DNA技术(recombinationDNAtechnique)克隆(clone):作名词时指含有某目的DNA片段的重组DNA分子或含有该重组分子的无性繁殖系.作动词时是指基因的分离与重组过程。基因工程的主要内容1、从复杂的生物有机体基因组中，经过酶切消化或PCR扩增等步骤，分离出带有目的基因的DNA片段。2、在体外，将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我复制的并具有选择记号的载体分子上，形成重组DNA分子。3、将重组DNA分子转移到适当的受体细胞(亦称寄主细胞)，并与之一起增殖。4、从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组DNA分子的受体细胞克隆。5、从这些筛选出来的受体细胞克隆，提取出已经得到扩增的目的基因，供进一步分析研究使用。6、将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表达，产生出人类所需要的物质。2、酶工程酶工程是利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。1）酶的来源提取法化学合成法发酵法2）酶的生产菌对菌种的要求：a、产酶量高，酶的性质符合使用要求，而且最好是产生胞外酶的菌；b、不是致病菌，在系统发育上与病原体无关，也不产生毒素；c、稳定，不易变异退化，不易感染噬菌体；d、能利用廉价的原料，发酵周期短，易于培养。生产酶菌的来源a、菌种保藏机构和有关研究部门获得；b、大量要从自然界中分离筛选；自然界是产酶菌种的主要来源，土壤、深海、温泉、火山、森林等都是菌种采集地。筛选产酶菌的方法：采集、菌种的分离初筛、纯化、复筛和生产性能检定等。菌种改良的途径：应用遗传学原理进行基因突变、基因转移和基因克隆。3）酶的分离纯化细胞破碎酶的提取高速离心后过滤与膜分离浓缩和干燥纯度和活力测定4）酶的分子改造生物酶工程法基因工程技术生产酶蛋白质工程技术改造酶5）酶与细胞固定化A、固定化酶固定化酶（immobilizedenzyme）的定义:指限制或固定于特定空间位置的酶。具体讲是指经物理或化学方法处理，使酶变成不易随水流失即运动受到限制，而又能发挥催化作用的酶制剂。制备固定化酶的过程称为酶的固定化。固定化所采用的酶，可以是纯化的酶，也可以是结合在菌体（死细胞）或细胞碎片上的酶或酶系。B、固定化细胞将细胞限制或定位于特定空间位置的方法称为细胞固定化技术。被限制或定位于特定空间位置的细胞称为固定化细胞，它与固定化酶同被称为固定化生物催化剂。细胞固定化技术是酶固定化技术的发展，因此固定化细胞也称第二代固定化酶。固定化细胞主要是利用细胞内酶和酶系，比固定化酶应用普遍。6）生物传感器生物传感器是利用生物活性物质（即生物元件）做敏感器件，配以适当的换能器（即信号传导器）所构成的分析检测工具。目前国际上已研制成功的酶传感器有20余种，其中最成熟的是葡萄糖传感器。3、细胞工程细胞工程是指在细胞水平上的遗传操作，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的技术。原核细胞核真核细胞原核细胞指没有核膜而只有一个构成核样体的染色体且不进行有丝分裂的细胞。如细菌。真核细胞指有细胞核能进行有丝分裂的细胞。如我们人体的细胞。细胞表面的一层单位膜，特称为质膜。真核细胞除了具有质膜、核膜外，发达的细胞内膜形成了许多功能区隔。由膜围成的各种细胞器，如核膜、内质网、高尔基体、线粒体、叶绿体、溶酶体等。在结构上形成了一个连续的体系，称为内膜系统。内膜系统将细胞质分隔成不同的区域，即所谓的区隔化。1）植物细胞工程植物细胞培养植物细胞融合转基因植物技术植物次生代谢物的生产转基因植物技术生物药品（植物抗体）食品工业用酶农作物生物药品（植物抗体）1989年，Hiatt等将分泌特异性抗体的杂交瘤中得到的抗体的重链和轻链基因片段转入烟草，在转化株中表达了抗体的重链和轻链，通过表达重链和轻链的单株杂交，其后代体内得到完整的具有免疫活性的抗体。动物的免疫系统同样能够在植物体内发挥抗病毒的作用。食品在如何对转基因生物作安全性评价，国际上有一个广泛接受和采用的“实质等同”原则。这一原则强调，评价转基因食品安全性的目的，不是要了解该食品的绝对安全性，而是评价它与非转基因的同类食品比较的相对安全性。在评价时注重“个案分析”，即对转基因食品的安全性不一概而论。2）动物细胞工程1975年，著名免疫学家米尔斯坦和同事克勒尔在英国剑桥大学分子实验室内巧妙地把B淋巴细胞和能无限生长的骨髓细胞合并成一个杂交瘤细胞。杂交瘤细胞因而具备了双重特性：既能无限生长，又能产生B淋巴细胞的抗体。当杂交瘤细胞注射进老鼠的腹腔后，它就能产一种特异性抗体－单克隆抗体。细胞拆合所谓细胞拆合就是把核与质分离开来，然后把不同来源的细胞质和细胞核相互配合，形成核质杂交细胞。细胞拆合可以分为物理法和化学法两种类型。4、发酵工程发酵：利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程。发酵工程：是一门将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机结合起来，利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。由于它以培养微生物为主，所以又称为微生物工程。发酵工程的历史地球上有了生命活动就有了发酵现象始于作为家庭工业的食品酿造业啤酒、葡萄酒、白酒、面包、泡菜、酱油、醋、米酒发酵工程概况特点：投资少见效快污染小外源基因易高效表达•比例：占国民生产总值的5%医药产品中，占总产值20%发酵技术的应用医药行业食品工业能源工业化学工业冶金工业农业环境保护四、生物药物1、生物药物的概念生物药物是指运用生物学、医学、生物化学等研究成果,从生物体、生物组织、细胞、体液等,综合利用物理学、化学、生物化学、生物技术、药学等学科的原理和方法制造的一类用于预防、治疗和诊断的制品。（1）生物药物的原料来源天然生物材料:动物、植物、微生物等。人工生物材料:免疫法制备的动物原料、基因工程技术制备的微生物或其它细胞原料。（2）生物药物的特性1、药理学特性（1）治疗的针对性强：治疗的生理生化机制合理，疗效可靠。如：细胞色素c治疗组织缺氧。（2）药理活性高：精制的高活性物质，具高效的药理活性。ATP（3）毒副作用小，营养价值高：主要是蛋白、核酸、糖、脂类。（4）生理副作用常有发生：不同生物、不同个体的活性物质的结构有差异。表现在免疫反应和过敏反应。2、生物药物的历史与发展（1）生物制药的历史“五谷为养、五果为助、五菜为充、五畜为益”甲骨文（4000年）记载40多种动物入药《肘后备急方》海藻治疗甲状腺孙思邈用羊肝治疗“雀目”“本草纲目”收录444种动物药(2)我国现阶段的生物药物是从动物药开始发展起来的。如20世纪50年代的胰岛素和脑啡肽。1966—1972研究生产停顿。1976年后发展迅速，称为“脏器制药”阶段1980年以后，由于生产技术提高，原料使用面广，称为“生化制药”阶段。(3)生物制药的更新第一代以生物体活性物质为主第二代利用现代生化技术得到活性物质第三代利用生物技术生产天然生化物质3、生物药物的分类与临床用途1、按药物的化学本质和化学特性分类（1）氨基酸及其衍生物类药物：天然氨基酸和氨基酸混合物及衍生物（2）多肽和蛋白质类药物：化学本质相同，性质相似，但Mr不同，在生物学上性质差异则较大。如大小分子的免疫原性差异较大。（3）酶和辅酶类药物：分为消化酶类、消炎酶类、心脑血管疾病治疗酶类、抗肿瘤酶类、氧化还原酶类。种类多，结构各异。（4）核酸及其降解物和衍生物类药物：包括核酸、多聚核苷酸、单核苷酸、核苷、碱基等。（5）糖类药物：以粘多糖为主。特点是具有多糖结构，由于糖苷键的位置不同，多糖种类繁多，药理功能各异。（6）脂类药物：性质相似，结构差异较大。主要有脂肪和脂肪酸类、磷脂类、胆酸类、固醇类、卟啉类。（7）细胞生长因子类：是人或动物各类细胞分泌的具有多种生物活性的因子。是近年来发展最迅速的生物药物之一。（8）生物制品类：作为预防、治疗、诊断特定传染病和其他疾病的制剂。2、按原料来源分类：有利于对不同原料进行综合利用、开发研究。（1）人体组织来源：种类多，疗效好，无副作用。但受到法律和伦理的限制，主要有人血液制品、人胎盘制品、人尿制品。（2）动物组织来源：包括动物脏器制药的全部内容。原料来源丰富，价格低廉，可批量生产。但由于动物种族的差异，产品要进行严格的药理毒理实验。还有其它小