生物技术及其产业化发展前景biotechnologyand

四川大学生命科学学院张义正教授2002级硕士生基因工程原理PrincipleofGeneEngineering引言三大重中之重高技术生物技术（BT)信息技术（IT）新材料技术（纳米技术，NT）生物技术概念与特征定义：利用活体生物或它们的产物来生产或修饰一种产品以改良植物和动物、或发展具有特殊用途的微生物的技术。特征：21世纪最具潜力的高新技术多学科、交叉、综合的技术影响最为深远最广泛的技术生物技术与生物工程的区别BiotechnologyandBioengineering生物技术侧重于利用生物学方法解决生物体本身的问题生物工程则侧重于利用工程学方法解决生物学问题生物技术的基础DNA操作技术基因组计划：人类基因组和其他生物基因组计划蛋白质组生物信息学下游支撑技术与手段生物技术的类别传统生物技术：制酒、制醋、制豆瓣工业生物发酵技术：抗生素发酵、氨基酸发酵等现代生物技术生物技术的内容基因工程技术蛋白质工程技术细胞（组织）工程技术酶工程技术发酵工程技术基因工程的概念利用DNA体外重组或PCR扩增技术从某种生物基因组中分离感兴趣的基因，或是用人工合成的方法获取基因，然后经过一系列切割，加工修饰，连接反应形成重组DNA分子，再将其转入适当的受体细胞，以期获得基因表达的过程.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、食品基因本身也是一个产业Rockfeller大学将人肥胖基因出售0.2亿美元（1995年3月）Amgen公司将FKBP神经免疫因子配体转让达3.29亿美元（1997年）Millennium公司以4.65亿美元向Bayer公司转让225种基因的开发权（1998年9月）蛋白质工程的概念在基因工程技术对编码蛋白质的基因的了解基础上，对蛋白质的氨基酸序列、结构和功能进行分析，进而通过对蛋白质的结构、氨基酸序列和翻译后的修饰等手段改变甚至创造出新的和更有效的蛋白质。蛋白质工程主要内容主要目标蛋白质氨基酸序列的分析蛋白质晶体结构分析蛋白质功能预测和分析蛋白质组分析细胞（组织）工程概念利用工程学原理进行细胞生物学的基础研究和制造使用活细胞的产品，如组织工程和生物加工工程。前者是利用移植的细胞、骨架、DNA、蛋白质或蛋白质片段替代或修复已受伤或损坏的组织和器官；后者是利用活细胞生产生物医药产品。组织工程——人造器官干细胞：1999年4月，美国的科研人员首次成功地从成年人骨髓的干细胞在体外培养分化出软骨、脂肪和骨骼细胞。标志着干细胞的研究取得了重大进展。以这项技术为代表的组织工程的突破具有广阔的应用前景，在不远的将来为实现人造“器官”成为可能。酶工程的概念是酶学与工程学的相互渗透和结合所发展起来以酶为研究对象，改造并应用酶的特异催化功能。目标就是通过工程化技术大规模生产和转化相应原料成为有用物质的技术。传统的酶工程主要是指天然酶制剂在工业上的大规模生产与应用。随着科学的发展，尤其是基因工程技术的日趋完善，为酶工程赋予了新的内容，特别是利用DNA操作技术，修饰改造酶分子的结构或活性位点、酶与底物作用位点，重组酶的生产，模拟酶的人工设计与合成等成为新的内容。酶工程的主要内容酶的分离纯化酶与细胞的固定化技术及反应器酶制剂的发酵生产酶分子化学修饰、遗传突变及结构改造酶抑制剂与激活剂开发与研究人工设计与合成模拟酶及酶分子发酵工程概念发酵工程属于生物技术的下游技术，是工业化大规模培养细胞、生产生物制品的一种技术。传统的发酵工程主要用于微生物。现代生物技术还包括动物、植物细胞和工程菌的发酵培养。发酵工程技术发酵对象：传统微生物发酵、基因工程菌发酵、动物细胞培养、植物细胞培养发酵类型：液体发酵、固体发酵、固定化培养、流式发酵发酵技术设备生物技术的应用领域医药：生物制药；基因治疗；人工器官农业和畜牧业转基因植物：抗病虫害新品种、抗逆新品种、高品质新品种转基因动物：生产有用蛋白质和高品质的畜产品生物反应器：利用动植物细胞或组织作为生物反应器，直接生产有用蛋白质生物技术的应用领域轻工与食品新型食品；营养食品；保健食品；轻工用酶环境污染治理；废物利用；污染物生物降解生物技术产业化生物技术产业：利用细胞和生物分子进行药品、农产品生产开发和环境治理的产业，该产业技术由医药生物技术、农业生物技术和环境生物技术共同组成医药生物技术重点攻克癌症、艾滋病、老年痴呆症、帕金森病、心脏病、糖尿病等危害人类的顽疾农业生物技术着眼于提高农产品的产量和质量。环境生物技术重点用于清除危险废弃物----美国生物技术工业组织生物制药产业化特点高技术：高层次人才，高新技术手段，多学科渗透高投入：在国外，一个生物药品平均要投入1~3亿美元，并随着开发难度的增大,有逐步增高的趋势长周期：国际上，一个新的生物药品需要6~8年时间高风险:一个新药品的开发，经过一系列的程序-研发、中试、动物实验、I~III期临床实验，上市和严格的药政监督管理。每一步都可能失败，而前功尽弃高回报:开发成功一个新的生物药品,回报很高。如美国Amgen公司，首次开发上市的EPO、G-SCF到1997年的销售额分别接近和达到20亿美元基因工程试剂的高回报碱性成纤维细胞生长因子231元/ug红细胞生成素1072元/ug白细胞介素-2410元/ug巨细胞粒细胞集落刺激因子1960元/ug胰岛素10.2元/mg全球生物科技公司前10名（1999年）公司名称市值（亿美元）98年收入（亿美元）Amgen41627遗传技术研究公司18510生物遗传研究公司1185Elan894Immunex712Medimmune562希龙506Alza436Centocor423Genzyme387美国生物技术产业发展情况0100200300400500产值（亿美元）19801991199619972000年份美国生物技术产业发展情况世界主要生物药品年销售额（亿美元）EPO16.5葡萄糖脑苷酯酶2.15抗CD3MAb0.8人白细胞介素20.40凝血因子VIII2.5α-干扰素7.00G-CSF9.36β-干扰素2.55GM-CSF0.41γ-干扰素0.04tPA3.0人生长激素4.50B型肝炎疫苗10.0人胰岛素7.00美国生物制药产品种类及数量（PHRAM）疾病种类产品数量疾病种类产品数量感染性疾病39心脏病26神经系统疾病28呼吸系统疾病22艾滋病及相关疾病19自主免疫系统疾病19皮肤病19移植13消化系统疾病11遗传疾病11血液疾病9糖尿病及并发症7不育症5眼病3生长发育不良症3骨质疏松2妊娠预防2肿瘤疾病175基因治疗人数情况010002000300040005000人数199419962000年份基因治疗个案中国基因工程制药200多家生物技术公司生物技术药品产值：1996-18亿元；1997-30亿元；2000-72亿元可生产药物品种：约20种国内产业化生物药品概况产品种类临床I临床II临床III批准上市凝血因子VIIIXVIII细胞刺激因子SCFTPOG-CSF,M-CSF,EPO生长因子骨形成因子肌营养因子FGF，GM-CSF胰岛素类似物血小板衍生因子HGHEGF干扰素IFN,α1b,α1b,α2a,αn3,β,β1b,γ,γ1b白介素1α,1β3,6,2,4,1211激素人促卵泡素甲状旁腺素胰高血糖素胰岛素，心钠素降钙素促黄体生成素IGF-1甲状腺刺激素酶羧肽酶尿酸氧化酶葡萄脑苷酯酶脱氧核糖核酸酶链激酶疫苗CEAHSV,流感病毒LymeHBV，HCV其他水蛭素松弛素,HB,SODTNF，tPA，白蛋白,杀菌蛋白单克隆抗体可溶性补体受体I型中国生物医药产业化问题缺乏创新、仿制产品重复过多、水平不高投入不足、少而分散产权保护意识淡薄质量管理落后支持技术落后药政管理滞后生物技术产业化—农业领域已有35个科120多种植物获得转基因植物，一些重要的农作物获得商品化的转基因品种。种植面积迅猛发展。采用的基因正在从抗除草剂、抗菌素、抗病虫害基因到抗逆境、高品质方向发展。由单个质量性状基因向多基因数量性状转变。植物反应器生产稀有蛋白。世界转基因作物大田释放情况(1987.1-1998.4)转基因作物特性批准项数所占比例抗除草剂129729.6%抗虫104623.8%提高产品质量88620.2%抗病毒4369.9%改善农学性状2114.8%抗真菌病2084.7%其他3036.9%总计4387100%中国已获准进入大田的转基因植物（1998.3)转基因植物总项数48转基因植物种类15抗除草剂3抗虫16抗病16提高品质2改善农学性状1其他10转基因作物种植面积00.511.522.533.54千万公顷19951996199719981999年份全世界转基因作物种植面积生物技术与传统中药中药现代化——核心是建立与现代基因学说相应的现代中药理论现代中药理论的建立——确立中药与基因表达的关系中药药靶（基因）或作用位点基因的寻找中药化学组：中药有效成分包括较单一的成分和多种成分中药临床药效的科学评价与分析方法生物技术的应用中药基因组——利用现代生物技术研究分析中药对人体（细胞）基因表达（蛋白质）的影响。技术平台：大规模基因表达分析（基因芯片、SAGE、蛋白质组等技术）以及相关信息数据库的建立中药化学组——利用现代仪器分析技术分析有效成分及其药物代谢、动力学。技术平台：色谱及色谱-质谱，色谱-波谱，波谱-波谱联用等分析技术与层析、临界萃取等分离技术中药新剂型一、基因工程原理的授课内容基因工程流程图第一章分子克隆工具酶及其应用限制性内切酶—主要用于DNA分子的特异切割DNA甲基化酶—用于DNA分子的甲基化核酸酶—用于DNA和RNA的非特异性切割核酸聚合酶—用于DNA和RNA的合成核酸连接酶—用于DNA和RNA的连接核酸末端修饰酶—用于DNA和RNA的末端修饰其它酶类--用于生物细胞的破壁，转化，核酸纯化，检测等第二章分子克隆载体分子克隆载体特点分子克隆载体种类细菌克隆载体:E.coli克隆载体(质粒型、噬菌体型、COS质粒型、噬粒型(phagemid))G-菌克隆载体;G+菌克隆载体;链霉菌克隆载体酵母菌克隆载体丝状真菌克隆载体植物克隆载体动物克隆载体克隆载体的选择克隆载体的构建第三章核酸技术核酸分离纯化技术-DNA/供体、载体、片段，RNA/总RNA、mRNA、多聚核糖体RNA核酸电泳技术(DNA和RNA)：常规电泳，脉冲场凝胶电泳，毛细管电泳DNA限制酶切和限制酶图谱绘制技术DNA分子的连接技术DNA聚合酶链式反应(PCR技术)核酸杂交技术——原位、斑点、Southern、Northern、Western核酸测序技术——化学法、酶法第四章基因文库的构建基因组文库的构建cDNA文库的构建第五章基因的分离与鉴定基因的分离与鉴定方法真核基因分离实例染色体ARS的分离鉴定着丝粒DNA的分高鉴定端粒的分离鉴定第六章基因的转移技术第七章基因的表达技术第八章基因的突变技术第九章生物信息技术二、课程特点1.涉及学科多，适用面广2.起点高、发展快，内容新颖3.理论与实际联系密切4.具有理学和工程学的特点三、课程要求四、参考文献1.分子克隆操作指南(1982和1989年版,中英文版)2.D