1、生物技术概论,联系方式：13845368163 信箱： 办公室：B322 授课教师：陈欢,二十一世纪人类社会面临：,人口剧增 食品短缺 资源匮乏 环境污染加剧 疑难病治疗等重大问题,生物工程显示了强大的生命力生物资源的可再生性，在常温常压下生产珍贵产品 节约能源和资源，减少环境污染； 增加粮食生产，开辟食物的新来源； 解决疑难病的治疗； 对传统的旧行业技术改造,生物技术 现代生命科学的革命,1. 生物技术的慨念 2. 生物技术的主要内容 3. 克隆 4. 人类基因组计划（HGP） 5. 安全性与社会伦理问题,1.1 生物技术的作用与意义,生物技术是生命科学的基础 生命科学的基础学科是生物学 生
2、物技术是现实生产力 生物技术是巨大的潜在生产力 生物技术是21世纪高新技术的核心内容 生物技术产业是21世纪的支柱产业,1.2 生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点,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，成为领先学科 建立在实验室研究基础上的，现代生物技术的发展，为人类带来了巨大的利益和财富,1.3 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,高技术 高投入 高利润 高风险,1.4 生物技术的特点,1.5 传统生物技术,人类在
3、进化过程中，逐渐形成的、低级的、简单的技术方法。如驯化动物（如猪、马、羊等），培养改进植物（如水稻、高粱、玉米等），利用谷物（酿酒、制醋、做酱油等）,1.6 现代生物技术,又称生物工程或生物工艺学，是以生命科学为基础，用先进的科学原理和技术手段来研究生物体(材料)，为人类生产出所需要的产品或达到某种目的(如防治疾病、保护环境等)。,突 破 点DNA双螺旋结构的发现 发展方向分子生物学 技术突破重组DNA技术,1953年，美国生物学家，沃森，英国物理学家，克里克，发现了DNA由两条螺旋多核苷酸链组成。为人类揭开生命的秘密奠定了基础。,基因是带有遗传效应的DNA片段,DNA双螺旋结构,1982年，
4、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物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，还包括改良有重要经济价值的植物与动物，以及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 克隆羊“多莉”,1.7 生物技术定义：,此外还有：基因诊断与基因治疗技术、克隆动物技术、生物芯片技术、生物材料技术、生物能源技术、利用生物降解环境中有毒有害化合物的技术,2. 生物技术的主要内容,主要是指：基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质（酶）工程,对科学和
5、技术的理解,科学与技术及工程的关系人类在实践中发现的客观规律称之为“科学”。当人们运用这些规律去创造出成果时需要经过三个转化过程。第一个转化是应用规律去发明一些称之为“技术”的方法和手段（如工具、设备）；第二个转化是运用技术去设计出要求的工作目标，被称为“工程”；第三个转化是按照设计好的目标去实施之，创造出物质化成果。,科学最早由哲学家提出：进行研究 得出规律成为科学，科学用于解决实际问题就是技术。我国著名砖建李国豪院士有一个很好的比喻，他说科学树根，技术是树干和大的树枝，众多的树叶就是工程,分子生物学、微生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、化学工程学、医药学等 对人类和社会生活各方面影响最
6、大的生物技术领域：,2.1 直接相关联的学科与领域,农业生物技术、医药生物技术环境生物技术、海洋生物技术,创造新生物，并给新生物特殊功能的过程,2.2 基因工程,基因工程与建筑工程,制造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，它标志着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、-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,转基因植物,转基因农作物,转基因蔬菜,转基因果树,转基因花卉,转基因草类,转基因林木,1983年世界上第一个问世的转基因植物就是抗除草剂
7、烟草。全球第一个被批准商业化的转基因植物是番茄。,转基因动物,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,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,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 “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,2.3 蛋白质工程,蛋白质的空间结构,现代发酵工程主要指利用微生物、包括利用重组DNA技术改造的微生物
8、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,2.4 发酵工程,发酵工程的应用,食品 药品 精细化工产品 工业用原料 生物降解塑料 ,细胞工程是指通过细胞水平上的筛选或改造，获得有商业价值的细胞株或细胞系，再通过规模培养，获得特殊商品的技术与过程。 细胞工程包括动物细胞工程和植物细胞工程，它们分别以动物细胞和植物细胞为主要生产对象，以细胞培养为主要过程和内容。,2.5 细胞工程,动物细胞培养,单细胞藻类培养,一些单细胞低等植物如单细胞藻类的大规模培养成为细胞工程的重要组成部分 获得蛋白质资源
9、、营养食品、精细化工产品等等,细胞融合,细胞重组 杂交瘤技术,3. 克隆,基本概念：又称无性繁殖、无性生殖、生物放大技术，是生命的全息复制，其下一代和上一代的遗传信息是完全相同的,3.1 克隆羊“多莉”,3.2 克隆羊“多莉”的产生过程,3.3 克隆人的技术路线实验,人胚胎的发育过程,1988年，美国国家卫生院和能源部迄今为止在生命科学领域最宏大的研究计划人类基因组计划 主要内容是完成人体23对染色体的全部基因的遗传作图和物理作图，完成23对染色体上30亿个碱基的序列测定 以美国为主，包括英国、法国、德国、日本和中国多国科学家参加的国际合作计划,4. 人类基因组计划(HGP),人类基因组计划主
10、要应用了4方面相互配合与补充的研究方法和技术：,核苷酸自动测序仪和测序谱图,5.转基因技术的安全性与伦理问题,可能引起生物体内一系列未知的结构与功能的变化 转基因操作对生物体的影响会通过遗传传递,5.1 转基因技术存在的问题,外源基因引入后，是否会影响其他重要的调节基因，甚至会激活原癌基因？转基因技术的广泛应用，是否会导致难以消灭的新病原物出现？是否会造成生态学灾难？人类摄食大量转基因食品，是否会影响人类及其后代的健康？,5.2 克隆人的伦理问题,在克隆阶段，如果有关胚胎发育的基因重新编排或启动不完全，对新生儿可能产生什么严重后果呢？兄弟、姐妹、父母、子女？器官克隆和干细胞培养和分化器官，用于
11、医学和临床治疗？,5.3 个人基因信息的隐私权问题,人类基因信息利用的伦理、法律和社会影响计划，称之为ELSI项目：,1、在应用和解释基因信息时的隐私权和公正性2、基因信息由实验室研究向实际医疗应用的转化3、人类基因组计划参与者相互协调和成果发布4、公众与专业教育,5.4 基因治疗的应用问题,一个人有权决定另一个人的基因结构或未来命运吗？万一这种基因操作失败了，或者造成了将来才能发现的不可挽回的缺陷和后果，谁承担责任呢？ 是否可以通过基因治疗操作来增加运动员的身高或短跑速度？这与运动员服用兴奋剂有什么本质区别？,5.5 生物技术引发的其他问题,生物技术费用高，在自身健康上的贫富差距？涉及人类自
12、身发展的重要生物技术的垄断？生物武器？,人类与自然的和谐统一,了解生物技术发展生物技术利用生物技术,二、生物技术的产生和发展,第一代生物工程技术产品:远古时代公元前6000年前，苏米尔人即古代巴比伦人 酿造啤酒 公元前4000年前，古代埃及人 发酵面包 我国的先民在仰韶时期（公元前5000 年公元前4000 年），就利用小口尖底瓮保温发酵酿制谷芽酒，并在该容器内澄清、饮用。 到了大汶口时期（公元前4300年4公元前2400年），酿酒有了较大发展，饮酒之风很盛行，出土了数量较多的大件酿酒发酵窖器大口尖底陶尊及多姿多彩的酒具，表明了酒已具有礼仪功能。,第二代生物工程产品：巴斯德时代19世纪中叶，法
13、国科学家路易.巴斯德，Pasteur实验证明发酵原理,19世纪末，德国人利斯特.柯赫（Rober Koch）细菌纯粹培养技术流行病判断的柯赫法则 一、该病的每一个病者体内必须能找到引起该病的微生物； 二、这种微生物必须能被分离出，并能在培养基（物）中生长； 三、这种微生物的纯培养物接种到易感动物能再发生这种病的自然状态时出现的症状及病变； 四、在人工发病的动物体中又可分离到这种微生物。,1897年，法国布赫纳（Buchner）：任何生物都有引起发酵的物质：酶 1928年，弗莱明（A. Fleming）发现青霉素，抗生素的工业化,现代生物工程技术的崛起与发展1953年，Watson and Cr
14、ick DNA 核酸双螺旋结构，半保留复制 1970，分离纯化限制性核酸内切酶 1971年，美国保罗.伯格（Berg）: DNA体外重组技术，基因工程技术的开始 1976年，诞生了第一家生物技术公司 1982年第一个基因工程产品胰岛素投入市场 1983 聚合酶链反应（PCR）体外基因扩增技术,1997年，生物学界发生了一件轰动世界的大事：克隆羊多莉诞生,体细胞克隆利用克隆技术将需要进行器官或组织移植病人的体细胞核移植到去核的卵母细胞内,构建核移植胚,使其进行一定程度的发育,并经过适当处理,对其进行诱导,使其定向发育成供病人移植所需的器官或组织,不但可解决器官和组织来源不足的问题,还可以克服异体
15、器官和组织移植中的免疫排斥反应,从而提高器官和组织移植的成功率,三、现代生物技术的应用与前景,3.1 现代生物技术的应用 3.2 现代生物技术的前景,3.1 现代生物技术的应用,现代生物技术主要应用在7个方面 疾病治疗 诊断试剂 农林和园艺 食品 环境 化学品 设备,在疾病治疗方面的应用主要包括：,生物制药,抗生素,基因治疗,在诊断试剂方面的应用,临床检测与诊断检测，食品、环境及农业检测 利用单克隆抗体、DNA探针等检测疾病 利用DNA 探针、PCR 技术等检测食品、环境中的微生物种类和数量,在农林和园艺方面的应用,改良作物和苗木品质，现已有4500多种作物转基因获得成功 人工种子 转基因动物
16、 生物杀虫剂、除草剂等,在食品方面的应用,扩大食品、饮料及营养素的来源 对食品资源的改造 对食品加工过程和食品品质的改良 在食品处理及分析过程中的应用 开发新食品材料 获得功能性保健食品素材 在农副产品深加工和综合利用方面的应用,在能源和环境方面的应用,废物处理、生物净化及新能源 解决能源危机 （1）改变石油开采途径 （2）生物量的利用 A、燃烧 B、微生物作用： 在常温下湿物质产生：乙醇、沼气 C、碳氢化合物：某些植物（特别是大戟属植物）汁液中含有碳氢化合物可作石油代用品或作提取石油化学工业的各种原材料代用品。 D、光合放氢： 特殊情况下：绿藻、蓝藻、细菌 E、 生物电池：生物燃料电池：利用
17、酶或微生物将没有电活性燃料转化为电活性燃料。如甲醇、甲醛、,消除环境污染,生化过程代替化学合成过程； 生物农药代替化学农药，以虫治虫，菌治菌； 阻止有害三废物质过度产生，尽量再循环利用,在化学品方面的应用,生物技术从医药领域逐渐向化工领域转移,使传统的以石油为原料的化学工业发生变化,从而向条件温和、以可再生资源为原料的生物加工过程转化。 1 ,3 丙二醇(PDO) 是一种重要的化工原料,可以合成聚酯PTT(聚对苯二甲酸丙二酯) 。目前国际上主要是采油化学法生成PTT，但其副产物多，选择性差。现已开始研究采用生物发酵法生产1 ,3 丙二醇，美国杜邦通过基因工程方法开发了以淀粉为原料生产PDO的工
18、艺,该工艺不产生污染物,并通过发酵法合成的POD合成了聚酯PTT。,生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一,可以生产有特殊功能、性能、用途或环境友好的化工新材料 传统化学法由丙烯腈合成丙烯酰胺,转化率仅为97 %98 %。由化学法合成的丙烯酰胺聚合生成的聚丙烯酰胺分子质量很难超过1 200万。而采用生物法即采用丙烯腈水合酶催化合成,丙烯酰胺转化率达99. 99 % 以上,比化学法成本低10 %以上。由于丙烯酰胺纯度高,聚合生成的聚丙烯酰胺分子质量可达到2 000 万,可成功用于油田三次采油,在设备方面的应用,在生产金属、生物反应器等方面。 生物冶金，利用细菌把矿物中的不溶性化合物变成可溶性的化合物，再用湿法冶金从溶液中回收金属的方法。 膜生物反应器处理废水,目前，生物技术对人们生产和生活的影响越来越大，创造的经济价值越来越大，2001年全球生物技术公司达4284家，其中上市的有622家，销售收入348美元，这些公司主要分布在欧美达85。专家预计，到2020年后，人类将走向生物经济时代。 中国一直把生物技术放在日益重要的位置，以在生物医药、作物和畜牧品种选育等方方面取得了很大成就。,3.2 现代生物技术的前景,生物工程技术预计发展方向： 基因组：酵母、线虫、果蝇、拟南芥、人类 生物芯片：基因芯片、蛋白质芯片 干细胞生物学：动物克隆、生物信息学 生物信息学：计算机模拟 神经科学：,
