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第一章现代生物技术革命医学遗传学发展到现代医学分子遗传学与先进技术的发展密切相关,特别两项生物技术:细胞融合技术和DNA重组技术所起的作用十分重要。19世纪:细胞是生命的基本单位。细胞学说:细胞是动植物结构和功能的基本单位,一切生命现象都是以细胞为基础表达的。分子生物学、分子遗传学:20世纪生物学的主流以核酸和蛋白质为中心的生物大分子是生命现象的共同物质基础,细胞和有机体所有生命活动都是以这些生物大分子及其复合物的结构、运动和相互作用来实现的。人类对自然界的要求认识—利用—再造—改造—创造随着反向生物学的问世,在20世纪八十年代诞生了生物技术(Biotechnology这门新学科。生物技术学科的地位生物技术是世界新技术革命的主角之一,生物技术与新材料、信息技术(包括微电子、计算机一起已成为新产业革命三大支柱;阳光技术,朝阳产业,黄金工程,倍受世界各国重视。21世纪是生物生命世纪,生物技术将成为21世纪高技术革命的核心内容。生物技术的重要性有助于解决全球的重大难题:资源(能源、人口、粮食、生态环境、健康与疾病和战争与灾害;促进传统产业的技术改造和新产业的形成,对人类社会生活产生深远的革命性影响;生物技术这一新生事物正迅速走向老百性日常生活各个方面,将对人类的发展做出贡献。重点掌握1、生物技术的概念、内容2、生物技术的特点和重要性3、学习生物技术的意义在于创新4、结合专业选择自己所需的生物技术第一节生物技术的概念和内容一、生物技术的定义及内涵生物技术(Biotechnology,BT,亦称为生物工程(bioengineering,现统一称:生物技术。1、定义:“生物技术”这个词最初是由一位匈牙利工程师Karl·Ereky于1917年提出的。当时,他提出的生物技术这一名词的涵义是:“用甜菜作为饲料进行大规模养猪,即利用生物将原材料转变为产品”。国际上沿用1982年的概念生物技术是指应用生物科学及工程学原理,依靠生物体系作反应器,将物料进行加工改造,获得人类所需产品的技术。现代生物技术定义:以现代生命科学为基础,把生物体系与工程学技术有机结合在一起,按照预先的设计,定向地在不同水平上改造生物遗传性状或加工生物原料,产生对人类有用的新产品(或达到某种目的之综合性科学技术。2、概念要点:(1对象是具遗传特性有生命物质:包括病毒、细菌、植物、动物、直到人类。(2生物体系多个不同水平研究:从大分子(DNA、RNA、蛋白质、酶、亚细胞、细胞、组织、器官到整个机体。(3应用工程学原理:经人类思维,设计方案、定向修饰、加工制作过程、经过体外环节。(4有目的产品:目的产品有三新特征:新遗传功能新遗传性状、新物种要有合乎人类所需的工业‘农业、医疗和食品产品。(5高新技术起重要作用。3、生物技术的主要内容包括五个方面或领域(1细胞工程(2基因工程(3酶工程(4发酵工程(5蛋白质工程4、根据研究对象不同,生物技术又可分为:(1植物生物技术(2动物生物技术(3微生物生物技术二、生物技术的产生与发展生物技术的发展分为两个阶段:生物技术是既古老又现代的应用技术。按照它的发展历程,大致可以分为三个阶段:1、传统生物技术2、近代生物技术3、现代生物技术生命科学经历了三个发展阶段:描述生物学阶段(19世纪中叶以前实验生物学阶段(19世纪中到20世纪中创造生物学阶段(20世纪中叶以后1传统生物技术发展石器时代后期(距今8000多年前我国制曲酿酒,最早的发酵技术。公元前6000年古巴比伦开始啤酒发酵。公元前4000年埃及人制作面包。公元前2500年春秋战国时代中国制造酱油和醋。公元十世纪宋朝中国预防天花活疫苗。1676年荷兰人列文虎克发明显微镜首次观察微生物。1885年,巴斯德首先证实发酵有微生物引起并建立微生物纯种培养技术。20世纪20年代工业大规模纯种培养技术发酵生产丙酮和丁醇。1897年德国人布切尼无细胞的酵母菌压榨汁中的酒化酶对葡萄糖进行酒精发酵成功开创微生物生化研究新时代(一传统生物技术和近代生物技术的发展实际上生物技术的发展和应用可以追溯到l000多年以前,而人类有意识地利用酵母进行大规模发酵生产是在19世纪。当时人类用发方法制备酒、醋、酱及食品等,此时主要是生物技术的经验阶段。并形成产业。1、传统生物技术阶段在20世纪30年代之前时期,主要是通过微生物的初级发酵来生产食品,是以发酵产品为主干的工业微生物技术体系。产品如乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等微生物的初级代谢产物。(1主要包括以下三个步骤:第一步:上游处理过程。第二步:发酵和转化。第三步:下游处理过程。(2步骤第一步:上游处理过程-----粗材料进行加工过程,作为微生物的营养和能量来源;第二步:发酵和转化------发酵指的是目的微生物的大量生长。发酵过程必须在一个大的生物反应器内进行,反应器容积通常大于l00L。可连续生产某一个目的产品,比如抗生素氨基酸或蛋白质等;第三步:下游处理过程----所需目的产物的纯化过程,人们既可以从细胞的培养液个纯化,也可以直接从细胞中纯化。1929年英国人弗莱明发现青霉素,二战期间得到广泛应用。工业上开始采用大规模发酵产生抗生素酶制剂和其他化工原料是近代生物技术建立和全胜时期。20世纪60年代随着遗传学的建立和应用产生了遗传育种学,细胞学广泛应用产生了细胞工程发酵工程取得辉煌成就,被誉为第一次绿色革命2、近代生物技术阶段1928年,Flemming爵士发现了青霉素,从此生物技术产品中增加了一大类新的产品即抗生素。也使生物技术从单纯的食品、饲料制备扩展到抗生素产品,该产业至今长盛不衰。20世纪30年代到70年代这一时期抗生素工业、氨基酸发酵和酶制剂工程相继得到发展,更为突出的是植物组织培养技术日臻完善。(二生物技术研究的主要目标生物技术研究的主要目标是(1最大限度地提高这3个步骤的整体效率;(2同时寻找一些可以用来制备食品、食品添加剂和药物的微生物。从20世纪60—70年代起,生物技术的研究主要集中在上游处理过程、生物反应器的设计和下游的纯化过程方面,这些研究使得下面四个方面都有了很大的发展。①在发酵过程的监测;②生物反应体系的检测技术和;③有效地大量培养微生物的技术及;④相关仪器。二生物技术研究的主要目标在利用微生物生产商品的整个过程中,生物转化这个环节是条件最难优化的一个环节。通常用于大规模生产的培养条件往往不是自然条件下微生物的最佳生长条件。因此,人们一般都通过化学突变、化学诱变或者紫外线照射来产生突变体,从而改良菌种,提高产量;传统的诱导突变和选择的方法在生物技术生产中获得了较大的成功。多种抗生素的大量生产就是这种方法的成功例证。但是,传统生物技术仍然的有其一定局限性。(三传统和近代生物技术的特点(局限性(1主要通过微生物初级发酵获得产品,仅仅局限在微生物发酵和化学工程领域。(2没有改变微生物的遗传物质,也没有出现新的微生物遗传性状。(3生产过程简单,上游主要是培养大量的微生物、对材料进行加工即进行发酵和转化,通过诱变选育良种,下游主要对产品进行纯化。(4生产周期长,费用高,产量低,效率差。(四现代生物技术的产生在1953年Watson和Crick发现DNA双螺旋结构的基础上,1973年DNA重组技术的诞生意味着现代生物技术阶段的开始。而源于近代生物技术的细胞工程,在现代生物技术阶段有了突破性发展。现代生物技术是以20世纪70年代DNA重组技术的建立为标志的。1944年艾弗里等人通过实验证明DNA是遗传物质。2、DNA重组技术1973年,美国加利福尼亚大学旧金山分校的HerberBoyer教授和斯坦福大学的StanleyCohen教授共同完成了一项著名的实验---DNA重组实验,这是人类历史上第一次有目的的基因重组的尝试,并获得成功。这是人类历史上第一次有目的的基因重组的尝试。虽然这两位科学家在这次实验中没有涉及到任何有用的基因,但是他们还是敏感地意识到了这一实验的重大意义,并据此提出了“基因克隆”的策略。特别是DNA重组技术可以1、改变生物的遗传性状,使分离高产量的工程菌变的容易,简化了生产过程;2、扩大了反应器范围,从发酵罐发展到细胞、植物及动物个体天然生物反应器。3、DNA重组技术对生物技术产生的影响(1DNA重组技术使得生物技术过程中生物转化环节的优化过程变得更为有效它所提供的方法不仅可以分离到那些高产量的微生物菌株,还可以人工制造高产量的菌株,原核生物细胞和真核细胞都可以作为生物工厂来生产胰岛素、干扰素、生长激素、病毒抗原等大量外源蛋白;DNA重组技术还可以简化许多有用化合物和大分子的生产过程。(2植物和动物也可以作为天然的生物反应器,用来生产新的或改造过的基因产物3DNA重组技术大大简化了新药的开发和检测系统。DNA重组技术在很大程度上得益于分子生物学、细菌遗传学和核酸酶学等领域的发展;反过来DNA重组技术的逐步成熟和发展对生命科学的许多其它领域都产生了革命性的影响,这些领域包括生物行为学、发育生物学、分子进化、细胞生物学和遗传学等,从而使得生命科学日新月异,其进展一日千里,成为20世纪以来发展最快的学科之一。(4而受DNA重组技术的影响最为深刻的生物技术领域,迅速完成了从传统生物技术向现代生物技术的飞跃转变,从原来的一项鲜为人知的传统产业一跃而成为代表着21世纪的发展方向、具有远大发展前景的新兴学科和产业。基因工程与人类生活及经济发展关系密切是20世纪末和21世纪初发展最为迅速的高新技术之一,使发酵、食品、轻工等传统工业发生了深刻的革命,为解决人类的人口膨胀、食物短缺、能量匮乏、疾病防治和环境污染等问题带来了新的希望;将对人类生活和健康、经济发展、社会进步产生巨大的影响20世纪80年代,现代生物技术的发展日新月异,一跃成为代表21世纪新技术的发展方向,并成为具有广阔应用前景的新兴学科与产业。传统生物技术已被现代生物技术所取代,当前生物技术一词实质上已成为现代生物技术的简称。三.生物技术的特点(八高一低1、高水平:学科具有先进性,是知识、技术密集型产业,处分子水平、新技术前沿。2、高综合:跨学科专业,位多学科发展的交叉点上,涉及的行业多、范围广。3、高投入:与其他技术比较,在资金、人员、设备、试剂及研发上投资大。4、高竞争:各国、各行业、个单位之间,在技术、时效性,知识及人才上竞争激烈。5、高风险:上述原因造成一定风险,加上技术风险带来高风险。6、高效益:应用性强,有目的产品,最易商业化。7、高智力:具有创新性和突破性,可按人类需要定向改变和创造生物的遗传特性,要求在人才、计划、设计、工艺和产品上都要与众不同。从认识、利用、再造阶段上升到改造和创造阶段。8、高控性:采用工程学手段,易自动化、程控化及连续化生产。9、低污染:生物技术以生物资源为对象,生物资源具有再生性,是再生资源。具有不受限制、污染小、周期短的优点。五、生物技术的内容(1医学生物技术(2药学生物技术(3动物生物技术(4农业生物技术(5海洋生物技术(6微生物生物技术注:上述十项工程是国家科委规定统计的上报内容,注意下述三个概念:⏹上游工程:是生物技术的实验室研究阶段,应用基础研究,产生新产品的源泉。⏹中游工程:中游加工以生物反应器为中心,优化和放大生产工艺。⏹下游工程:是生物技术的扩大生产,加工应用阶段使新产品能达到三化:商品化、工程化、企业化,是效益阶段遗传工程(原来的一种笼统概念,现已不用:其基本含义是指对不同来源的物质,人工体外操作,重新组合,定向改建,获得具有新遗传性状的新物品之技术。对象包括:细胞、亚细胞、染色体、核酸分子、基因等,包括大部分上游工程。生物技术涉及的具体技DNA重组技术,细胞培养及融合技术,抗体制备技术,干细胞培养及定向分化,显微注射技术,动物饲养技术,转基因技术,胚胎克隆,细胞及酶的固定化技术,发酵技术,生物反应器,蛋白质分离纯化,生物大分子合成及纯化,生物大分子修饰,生物物理、生物信息及其他相关领域技术。六、生物技术诸工程的内容及种类(十大工程(一基因工程(Geneengineering1、对象:在核酸分子(DNA或RNA或基因上操作