生物技术总论

生物技术与人类生活主讲教师：生命科学学院王丽萍联系电话：[phone]Email：[e-mail]第一章生物技术总论一、生物技术的含义（一）生物技术的定义生物技术（Biotechnology)是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。(二)生物技术发展简史1.传统的生物技术（1）古代生物技术：-1857年以非纯种微生物发酵为主（2）近代生物技术：1857-1973以纯种微生物发酵为主1857年法国科学家L.Pasteur首先证实发酵是由微生物引起的，并首先建立了微生物的纯种培养技术，为发酵技术的发展提供了理论基础。2.现代生物技术：1973-至今以基因工程技术诞生为始，70年代末80年代初发展起来的，以现代生物学研究成果为基础，以基因工程技术为核心的新兴学科。（三）生物技术的内容基因工程(geneengineering)细胞工程(cellengineering)酶工程(enzymeengineering)发酵工程(fermentationengineering)蛋白质工程(proteinengineering)（四）生物技术涉及的学科生物学科：分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫学、人体生理学、动物生理学、植物生理学、微生物生理学、生物化学、生物物理学、遗传学其他学科：化学、化学工程学、数学、微电子技术、计算机科学二、基因工程1.DNA是遗传信息的携带者DNA存在于染色体中双螺旋碱基配对DNAmRNA蛋白质的中心法则2.生物分子遗传大分子-DNA最重要，功能大分子—蛋白质最关键。DNA重组实验操作示意图分子克隆的质粒载体pBR322载体pBR322BamHISalIHindIIIPstIScaIAmprori(4.36kb)筛选重组子的示意图重组DNAAmprTcs提取DNA电泳AmprAmprAmprAmprTcrTcrTcAmprTcsTcs转化无菌落阳性菌落筛选重组子2)DNA重组无DNA插入有DNA插入外源DNA1)限制酶切基因工程的应用基因工程技术及其应用供体细胞目的基因载体重组DNA分子转化细胞受体细胞多肽药物疫苗、抗体基因治疗基因诊断转基因动物(畜牧业、渔业生物反应器)转基因植物(农业、林业生物反应器)冶金、环保轻工、食品中国已获批准进入大田的转基因植物二、细胞工程（一）细胞工程的含义以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖，或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种的过程。主要包括：细胞大量培养、微生物细胞和植物细胞的原生质体的融合、动物细胞的融合、单克隆抗体的制备、核移植、体细胞杂交、植物再生等细胞操作技术。(二）细胞的基本特点1.细胞是一切生命活动的基本结构和功能单位(1)细胞是由膜包围的原生质团通过质膜与周围环境进行物质和信息交流；(2)细胞是构成有机体的基本单位，具有自我复制的能力，是有机体生长发育的基础；(3)是代谢与功能的基本单位，具有完整的代谢和调节体系，不同的细胞执行不同的功能；(4)是遗传的基本单位，具有发育的全能性。2.细胞的全能性•植物细胞全能性：一个植物细胞可分化为机体的所有细胞。•成熟动物细胞不具备全能性。–60年代的爪蟾和80年代小鼠的核移殖，90年代末多利羊的诞生都证明了分化细胞具有完整的DNA。融合过程示意图单克隆抗体的概念单:单个细胞克隆:无性繁殖抗体:化学性质单一、特异性强实验目的:制备单克隆抗体.实验原理：B淋巴细胞能产生抗体，骨髓瘤细胞能无限增殖，杂交瘤细胞既能产生抗体又能无限增殖。实验材料：小白鼠实验器材：培养皿、针筒等等。实验过程：根据阿根廷科学家米尔斯坦和德国科学家柯勒设计的实验方案:单克隆抗体制备过程单克隆抗体的应用主要用于疾病的诊断、治疗和预防。与常规抗体相比，具有特异性强、灵敏度高的优点。如；各种癌症、肝炎病毒、SARS病毒、细菌及血吸虫等数百种疾病的诊断；疾病治疗方面，单克隆抗体犹如人体卫士，能识别“自己”与“异己”，一旦发现致病因素便与之结合将其杀死。若在单抗上带上抗癌药物制成“生物导弹”，将药物定向带到癌细胞所在部位，既消灭了癌细胞又不会伤害健康细胞。（四）克隆动物英国PPL生物技术公司Roslin研究所的Wilmut博士1997年2月27日在世界著名权威杂志《Nature》宣布用乳腺细胞的细胞核克隆出一只绵羊Dolli的消息。—说明体细胞核的遗传全能性clonesheepDolly体细胞提取核重组细胞体外培养移入子宫Dolly卵细胞去核细胞2004年8月11日，英国人类生育和胚胎学管理局向纽卡斯尔大学生命中心颁发了世界第一份“克隆执照”，批准它以医疗为目的进行克隆人类胚胎研究。该中心的科学家将使用细胞核转移技术培育人类胚胎干细胞，来探求糖尿病、帕金森氏症和阿尔茨海默氏症等疾病的治疗方法。英国纽卡斯尔大学生命中心的基因学家艾利森·默多克（左）和米奥德拉格·斯托伊英国批准培育“双母亲”胚胎英国政府2005年9月8日向纽卡斯尔大学颁发执照，允许其培育具有两个母体遗传物质的人类胚胎，用以开展线粒体疾病的研究。（五）干细胞1.干细胞的含义干细胞的“干”译自英文“Stem”，意为“树”、“干”和“起源”。干细胞即起源细胞，是指尚未发育成熟的细胞，它具有多分化潜能和自我复制的功能。干细胞是人体内所有细胞的“母”细胞。在特定条件下，可以分化成不同的功能细胞，例如肌肉、神经和骨骼等，形成多种组织和器官。干细胞从一个5至6天大的胚胎内群细胞中提取的干细胞骨髓神经细胞心肌细胞胰岛细胞《细胞》上，美国科学家报告了最新的研究成果，他们在头发毛囊深处发现的主细胞可能为秃顶的人以及烧伤患者找到了一个新疗法。这种细胞被认为是干细胞，不仅可以生长为毛发，还可以生长为皮肤的弹性组织和毛脂腺，这对于健康的皮肤和毛发来说至关重要。三、发酵工程（一）什么是发酵?通过微生物的培养,大量生产代谢产物的过程叫发酵.（二）什么是发酵工程?采用现代工程技术手段,利用微生物的某些特定功能,为人类生产有用的产品,或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术.菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验发酵工程的应用1.在医药工业上的应用①生产出种类繁多的药品②生产出大量的基因工程药品2.在食品工业上的应用①生产传统的发酵食品,使产品的质量和产量得到明显的提高.②生产各种各样的食品添加剂,改善食品的品质及色、香、味.③为解决人类粮食短缺问题开辟新的途径(单细胞蛋白).发酵工业产品种类发酵食品有机酸氨基酸核酸类物质酶制剂医药工业（抗生素…）饲料工业（单细胞蛋白)环境工程（废物处理）其它（冶金工业…）四、酶工程（1）酶定义：酶是由细胞产生的具有催化功能的蛋白质。（2）酶的特点：酶的作用具有高度专一性，酶的催化能力很高，酶的反应条件温和。（3）酶工程：利用酶、细胞器或细胞所具有的特异性催化功能，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。它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术以及酶反应器的设计等技术。抗体酶（Abzyme)概念：抗体酶或催化抗体（Catalyticantibody)是一种新型人工酶制剂，是一种具有催化功能的抗体分子，在其可变区赋予了酶的属性。它是利用现代生物学与化学的理论与技术交叉研究的成果，是抗体的高度选择性和酶的高效催化能力巧妙结合的产物。五、蛋白质工程在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造技术等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质。应用（1）延长酶的半衰期；（2）提高酶的热稳定性（3）延长药用蛋白的保存期六、五大工程间的相互关系七、生物技术对经济社会发展的影响1.改善农业生产、解决食品短缺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请谈谈你对生物技术领域的发展有哪些了解，对本课程的讲授有哪些建议？