1、第一章复习题,1、“生物技术”一词是由谁提出来的，其最初的含义是什么？国际上沿用1982年的概念是什么？(8、9） 2、现代生物技术的概念是什么？（8） 3、传统的生物技术的重要步骤有哪些？（15） 4、人类社会发展的三次技术革命分别是什么？（2） 5、生物技术的特点是什么？（37） 6、生物技术包括哪些种类的工程？（42） 7、中国生物技术发展存在的问题是什么？（104）,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。,科学技术与学科,19世纪： 细胞是生命的基本单位。 细胞学说：细
2、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
3、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),
4、 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
5、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（
6、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,（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
7、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。,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
8、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6070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。 在发酵过程的监测； 生物反应体系的检测技术和； 有效地大量培养微生物的技术及
9、； 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
10、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。,Watson and Crick 1962年诺贝尔医学奖,1、DNA双螺旋结构的发现,2、DNA重组技术 1973年，美国加利福尼亚大学旧金山分校的Herber Boyer教授和斯坦福大学的Stanle
11、y Cohen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。,Herbert Boyer and Stanley Cohen opened the door to genetic engineering and laid the foundations for gene therapy and the biotechnology industry. For these outstanding achievements, the two collaborators received the $500,000 Lemelson-MIT Pri
12、ze in 1996.,Herbert Boyer,Stanley Cohen,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 （1）DNA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
13、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；,动物脾脏有上百万种不同的B淋巴细胞系，具有不同基因不同的B淋巴细胞合成不同的抗体。当机体受抗原刺激时，抗原分子上的许多决定簇分别激活各个具有不同基因的B细胞。被激活的B细胞分裂增殖形成效应B细胞（浆细胞）和记忆B细胞，大量的浆细胞克隆合成和分泌大量的抗体分子分布到血液、体液中。如果能选出一个制造一种专一抗体的浆细胞进行培养，就可得到
14、由单细胞经分裂增殖而形成细胞群，即单克隆。单克隆细胞将合成针对一种抗原决定簇的抗体，称为单克隆抗体。,抗原决定簇（antigenic determinant）：决定抗原性的特殊化学基团。一般抗原决定簇是由612氨基酸或碳水基团组成，它可以是由连续序列（蛋白质一级结构）组成或由不连续的蛋白质三维结构组成 。,3、 DNA重组技术对生物技术产生的影响 （3）DNA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、
15、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
16、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。
17、6、高效益：应用性强, 有目的产品, 最易商业化。,三、 生物技术的特点 (八高一低) 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。,从事生物技术犹如种树将获得丰硕果实, 如干扰素的投入虽然高达数百万美元,但产值数年达30亿美元, 用于治病将产生巨大经济和社会效益。生物技术在解决人类面临众多难题上是没
18、有任何产业可比的。,四、生物技术与诸学科关系,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
19、，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术包括:,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(Gene engineering) 1、对象: 在核酸分子 (DNA或RNA) 或基因上操作。 2、定义-基因工程：基
20、因工程是指在体外对DNA进行切割、拼接，使遗传物质重新组合，经载体转移到细胞中扩增表达，获得人类所需产品， 或组建新生物类型的技术。,文献上常见到DNA重组、分子克隆、基因克隆、 遗传工程等名词与基因工程混用, 事实上主要内容相似, 不同之处在于所突出的内容有异。,六、生物技术诸工程的内容及种类 ( 十大工程 ),(二)细胞工程(cell engineering) 1、对象：细胞 在细胞水平上实现基因转移或改变生物学性状。 2、定义:（1）广义细胞融合技术：在特定的条件下 (环境、融合技术), 使不同的细胞融合， 获得具有来自双亲代基因的杂交细胞, 杂交细胞的遣传物质发生改变，达到改造物种，创
21、建新种之目的。 （2） 狭义淋巴细胞杂交瘤技术: 骨髓瘤细胞淋巴细胞融合(制备 McAb)。,(二)细胞工程(cell engineering) 2、定义: （3） 现代概念:把广义的概念扩展，细胞工程指在体外条件对细胞进行培养、繁殖，按人们的意愿改变细胞某些生物学特性，获得有用的产品或达到改良生物品种的技术。,3、细胞工程包括 （1） 细胞融合技术 （2） 工程细胞移植, 即有目的地改造细胞遗传特性后, 植入机 体。 （3） 细胞折合, （4）染色体导入及细胞器导入技术, （5）胚胎细胞植入。,4、 分类 （1） 微生物细胞工程, 如原生质体融 合, 试管菌。 （2） 植物细胞工程，1978
22、年培育出土豆西红柿新物种。 （3）动物细胞工程, McAb。 5、 应用以McAb制备成绩突出、 诊断、治疗。,(三) 蛋白质工程(Protein engineering),1、对象基因序列DNA分子中改造, 最终导致蛋白分子氨基酸序列改变。 2、蛋白质工程定义用X衍射和晶体分析术了解蛋白质三维空间结构和功能关系基础上,借用计算机和分子设计辅助技术， 在DNA分子水平上操作更换或改变其序列，达到改变蛋白质分子氨基酸序列，实现人为改变蛋白质分子形状及功能， 使之具有新遗传学特性。,3、 核心蛋白质空间结构， DNA重组，人工定向改造蛋白质功能域构象，使得功能改变。这被称为是生物技术发展的第二浪，
23、如通过增加或减少人工二硫键、置换氨基酸等修饰技术，提高或改变活性多肽 (激素、酶、细胞因子) 的稳定性。,(三) 蛋白质工程(Protein engineering),1、对象：Ig 基因 2、定义抗体工程是指通过对抗体分子结构和功能关系的研究，有计划地对抗体基因序列进行改造，改善抗体的某些功能的技术。在80年代初，抗体基因结构和功能的研究成果与重组DNA技术相结合，产生了基因工程抗体技术。基因工程抗体即将抗体的基因按不同需要进行加工、改造和重新装配，然后导入适当的受体细胞中进行表达的抗体分子。,（四）抗体工程（Antibody engineering ）,3、抗体工程的内容 （1）完整抗体，
24、及抗体的人源化 （2）完整抗体与抗体片段的药代动力学比较 （3）改造抗体片段的多种特异性 （4）mRNA-蛋白质复合物库 （5）抗体库的构建、展示和筛选 （6）抗体的生产、稳定性和表达水平 （7）噬菌体展示技术亲和力成熟 （8）双功能抗体 （10）细胞表面库 （9） 转基因鼠 （11）骨架替换,（四）抗体工程（Antibody engineering ）,4、临床应用 （1）中和病原体及抗病毒治疗 （2）细胞内抗体 （3）肿瘤治疗与细胞补充疗法 （4）疫苗应用 （5）用于未来诊断的生物传感器和微矩阵技术,（四）抗体工程（Antibody engineering ）,(五) 组织工程(Tissu
25、e engineering),1、对象：干细胞、组织和器官。2、定义：组织工程就是运用工程学和生命科学原理和方法， 在了解正常和病理学组织结构与功能关系和生长机理的基础上，研制生物学组织器官替代品，通过移植，达到重建、恢复、维持和改进组织功能学科。 3、要点： （1） 依据正常组织结构、功能设计方案； （2） 选择种子细胞培养； （3） 选择细胞外基质、生物支架材料； （4） 体外构建三维结构替代品； （5） 植入机体，替代病理组织。 4、应用：组织器官移植。,(六)干细胞工程 (stem cell engineering),1、干细胞干细胞是具有无限期产生各种分化细胞能力的细胞。它是各种干细
26、胞的统称。通常认为干细胞有几个主要特征（1）未分化的早期细胞；（2）具有分化成各种特定细胞的能力；（3）可无限地分裂增值，产生大量后裔;（4）其子细胞有两种命运，保持为干细胞或分化为特定细胞。,克隆羊多莉,体细胞核,克 隆 技 术,克隆羊“多莉” 美国乡村音乐女歌手多利帕顿（Dolly Parton） 罗斯林研究所1997年7月宣布培育成功“多莉” 多莉出生于1996年7月5日下午5时，苏格兰的罗斯林研究所，6.6公斤。 供体：a 芬兰多赛特母羊-乳腺细胞-培养5天-取核 b 苏格兰黑脸母羊-卵细胞-去核 电击诱导融合-创造一个人造受精卵-特殊培养-再移植到代孕母亲(受体：苏格兰白脸母羊)子宫
27、中-出生。 维尔穆特及其同事： 1000个卵434个人造未融合的卵电击融合277个人造受精卵移植到羊输卵管中 特殊培养存活247个29个发育到早期胚胎的高级阶段（桑葚胚） 移植到13只代孕母亲的子宫中 只有多利出生了。,英国罗斯林研究所正式向外界宣布，克隆羊多莉已于1998年4月当上了妈妈。 该研究所发布的新闻公报说，多莉1998年4月13日当地时间凌晨自然分娩顺利产 下一只母羊羔，这只取名为“邦尼的小羊体重2.7公斤。新闻公报称，目前多莉母女俩 “状况良好”。 罗斯林研究所所长布尔菲尔德教授在一份书面声明中表示，他对多莉的生产感到高 兴。尽管多莉身份非同寻常，但小羊羔的出世证明多莉完全能够正
28、常怀胎并生下健康的 后代。 罗斯林研究所指出，多莉的生育成功，对克隆技术的商业化具有非常重要的意义。因 为，当利用细胞核移植技术培育出少量转基因动物之后，不必再利用克隆的方法，完全可 以通过像多莉这样正常怀孕生子获得更多性能改良的下一代。 邦尼的父亲戴维是一只普通威尔士公山羊，多莉怀孕的时间为1997年年底。罗斯林 研究所说，在邦尼出生之后，研究人员对母女俩的情况进行了一段时间观察，以确保它们安然无恙，另外也是为了让邦尼和多莉能有时间不受外界干扰地在一起联络感情，因此他 们推迟了10天左右才正式发布多莉当妈妈的消息。,(七) 转基因动物(亦称: 胚胎工程Transgenetic animal）
29、,1、对象：胚胎早期细胞上实现基因转移。 2、定义: 胚胎工程是指把新的遗传信息 (DNA序列) 用特定技术导入胚胎早期受精卵, 经发育后, 外源遗传信息分布到所有体细胞生殖细胞中去, 这种使动物带有新遗传信息的基因转移技术称胚胎工程。 所得动物称转基因动物 (Transgenetic animals)， 或基因工程动物。 ,3、 过程: （1）提取人所需要蛋白质基因、cDNA； （2）基因重组 (cDNA控制基因载体)； （3） 分离、培养人工受精的卵细胞(如牛)； （4）把重组体转入到受精的卵细胞； （5）植入子宫 ,使之发育为个体(每一个体细胞均含有新的基因) （6）活化植入新基因，使之
30、表达 （如在乳腺中表达)； （7） 提取目的基因表达产物,进行验证(定性、定量)； （8） 进行安全性及临床试验。,(七) 转基因动物（亦称: 胚胎工程Transgenetic animal）,4、要点:（1）必须有外源新基因转移,（2）在早期生殖细胞整合,（3）发育成新个体中有外源基因正常表达,（4）可遗传后代。 5、应用:（1）肿瘤发生、传染病的动物模型,（2）新品种:新物种研究, （3）药物生产、动物乳汁中分泌有tPA, IX因子,（4） 免疫机制研究。 ,(七) 转基因动物（亦称: 胚胎工程Transgenetic animal）,1、对象: 人体 2、定义: 生物医学工程是指从工程学
31、角度研究人体结构、功能及生命现象, 为防治疾病提供新技术、新方法、新仪器和新材料的科学。 3、内容: （1）生物材料( 人造器官、起搏器的材料) （2）康复工程 （3）医学成像( 超声、CT、核磁) （4）生物传感 （5）监护系统等。 ,(八) 生物医学工程 ( Biomedical engineering),(九) 生物制药化学制药工程 (Biochemical pharmaceutical engineering),1、生产对象: 药物( 活性多肽、酶、抗生素等) 2、定义 (待确定): 生物制药化学制药工程是指利用现代生物技术, 以生物反应器（微生物、动物细胞、植物及动物个体），大规模地
32、制备高纯度的药物。如基因工程药物、同份异构体的拆分（利用 Abzyme 特异结合、特异地进行酶消化来完成）等。 ,1、对象:酶分子修饰、生产应用和酶的固定化 2、定义: 酶工程是指在给定的生产工艺和生物反应器中, 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提高酶的转化率, 把对应的原料高效地转化成所需有用的物质之技术。 3、要点: 固定化酶、酶分子改造技术和酶反映器的设计是当前酶工程的重点。近年把酶电极生物传感器也归到酶工程范围内。如: 底物固定化酶化学信号电信号人视觉控制反应。,（十） 酶工程 (Enzyme engineering),1、对象：微生物, 在常规发酵工艺上发
33、展而成。有时也称微生物工程。 2、定义: 发酵工程是指利用微生物特定性状（生长快、培养简单和代谢过程特殊等）, 通过现代化工程技术, 快速、连续生产人类所需物质的技术。 3、要点: 核心是提高产率, 过程包括: 菌种选育、生产、代谢产物的利用。 所用技术包括大规模悬浮培养,细胞固定化, 产物分离提取。 4、应用: 药物生产( 活性多肽、抗生素)、单细胞蛋白生产、环境保护、微生物冶金技术。,（十一）发酵工程 (Fermentation engineering),(十二) 生化工程(Biochemistry engineering),1、 对象: 生化反应器(反应环境与装置)， 产品的分离提纯技术
34、。 2、定义(待确定): 生化工程是指为活细胞和酶提供适宜反应环境, 能大规模自动化生产、分离、精制出所需产品的技术。 3、内容包括: 生物反应器的设计、传感器的制造、电泳、离心、层折、免疫层析等。这是下游工程的关键一环。,注,1、十二大工程相互联系, 相辅相成。上游中, 基因工程是基础、核心, 通过它才能真正按人的意向通过设计、改造、生产特定生物工程产品。下游工程中关键是发酵工程的生产和利用生化工程对产物进行提纯, 它们是生物技术产生效益的必要条件。其他工程相互配合,共同组成生物技术体系。 2、生物技术发展迅速, 任务内容不断丰富更新，应密切关注。,第二节 生物技术的意义及应用,生物技术的应
35、用领域很广，可把生物技术分为： 医学生物技术、植物生物技术、动物生物技术、食品生物技术、环境生物技术和军事生物技术等。生物技术应用的意义巨大，主要有以下几个方面。 一、战略意义 1、理论上: 生命学科飞跃, 步入按需改造和创造新生物时代，革命性变化。 2、新技术革命的重要支柱, 具巨大潜在力量, 不亚于原子裂变和半导体的问世。,一、战略意义 3、 为解决人类面临的重大问题提供新途径, 带来了希望 (国外称之为六大危机): （1）人口问题: A）节育: 药、疫苗， B）优生: 遗传病基因治疗。 （2） 粮食问题： 绿色革命, 高产、优质、抗病新品种 ，单细胞蛋白, 农药、肥料。 （3）能源、资源
36、问题：生物电池、光合菌、乙醇生产、石油采集菌、生物冶炼。 （4）环境污染：石油、污水, 有害金属污染, 特嗜菌的构建。 （5）医疗保健：抗衰老、防治心血管病、疟疾、传染病、遗传病。 （6）战争等灾害：生物战剂、生物恐怖。,二、巨大经济效益, 明显社会效益（几个实例） 1、美国生物技术产值达500亿美元以上，单是药物 达100亿美元。到2008年，美国生物技术产品销 售达362亿美元以上。 2、1980年代起，生物技术长盛不衰， 公司林立， 美国达2 000多家。 3、各国政府投资逐年增加，科研人员大量投入 (美 国数十万人)。,美国生物技术产业发展情况,美国生物制药产品种类及数量（PHRAM）
37、,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 175,三、生物技术为人类新医疗保健开辟新纪元,1、是探索生命奥秘, 解开众多遗传之谜的工具。如中心法则的补充与生命起源的RNA假说, 通过产物表达和蛋白功能分析, 发现与证实疾病基因(糖尿病的基因)。又如对癌症发病机理研究, 除外因外, 还有内因,（1）癌基因
38、，（2）抗癌基因等。 2. 疾病诊断 分子水平的诊断向更特异、敏感、快速、简单、稳定方向发展。如: （1）McAb运用: ELISA、IFA、ELA、RIA、蛋白质免疫诊断。 （2）核酸水平本质上诊断: REA、RFLP、核酸杂交、PCR。 （3）新仪器: 生物传感器、成像系统、 监护康复系统等。,3、基因治疗从基因水平上对疾病基因进行修复、替代。如基因工程构建病毒载体导入正常基因治疗先天遗传病。 4、疾病预防: （1） 基因工程疫苗、多价疫苗, 安全、价低、易大量制。 （2）抗独特型抗体疫苗, （3）多肽疫苗(表达)。 ,三、生物技术为人类新医疗保健开辟新纪元,四、为医药工业带来革命新药的设
39、计与生产,1、大量生产生化药物 如基因工程生产的生长激素释放抑制激素：9升发酵液可得50mg纯化产品，这和从50万头羊脑组织中的提取物相当。转基因动物生产 tPA （tissue plasminogen activator 组织型纤溶酶原激活剂，抗凝血因子），一个动物一个工厂， 放牧, 挤奶， 提取便可。目前不包括抗生素在内，研究基因工程药物达500种，如许多活性多肽、激素、酶、细胞因子，尤其是后者目前是热门,研究30种,生产已有19种。,2、改造、促进抗生素工业除固定化酶、细胞技术, 包括对酶的更新。例如: 基因工程可生产强有力的新酰化酶, 可大量制备新抗生素(如头孢毒素等)。 3、 “生物
40、导弹”药物: McAb毒素蛋白、抗癌药、 TNF、酶等。 Abzyme、特异结合酶切分解。 受体药物“爱国者导弹”: CD4受体HIV 等。 4、超级药物人工设计、合成分子药物: （1） 反义核酸、基因封条、阻止转录、翻译, （2） 酶性RNA (Ribozyme) 切掉有害基因。5、酶制剂基因工程如: tPA(组织纤维蛋白溶酶原激活因子), 链激酶等。,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-2 410元/ug 巨细胞粒细胞集落刺激因子 1960元/ug 胰岛素 10.2元/mg,五其他领域应用(简略),1、农业第一次绿色革命
41、是选育高产优质良种，第二次绿色革命则是利用农业生物技术，通过改造和创造，有目的获得新良种、新产品。如具有“五抗” (抗病，抗虫, 抗盐碱，抗倒伏, 抗腐烂) 新品种。土豆西红柿的产生，生物固氮、生物杀虫除草剂研制、快速生长剂的开发等。 2、畜牧良种、基因动物疫苗预防疾病，高科技饲料。 ,第三节 现代生物技术的商业化,（一） 现代生物技术商业化的前景 生物技术研究的最终目标是生产商业产品，因此，与很多科学研究不同，现代生物技术在某种程度上是由经济的发展所推动的，商业投资不仅在支撑着现代生物技术的研究，而且对于商业回报的预期也使人们在现代生物技术发展的早期阶段积极地对它进行投资。,例如，世界著名的
42、生物技术公司Genentech公司就是在投资者Robert Swanson与Herber Boyer教授在对现代生物技术的广阔前景达成共识的基础上于1976年成立的。1978年该公司的科学家们成功地把编码人胰岛素两条链的基因转到一个载体上，并在大肠杆菌中获得了表达，从而获得了世界上第一种基因工程蛋白药物。1979年，该公司的又克隆表达了人类生长激素基因，再次证明利用DNA重组技术，可以在微生物中大量表达外源蛋白。正是由于上述研究的成功，使得1980年Genetech公司的股票一上市，其价格在20min之内就由每股35美元升到了89美元。,又例如：在1980年至1983年间仅在美国就成立了约二百
43、家生物技术公司，到1985年，美国已有四百多家生物技术公司，其中包括一些现在十分著名的公司如Amgen、Biogen、Calgene等。而现在，美的生物技术公司己达到1300多家，欧洲也有800多家生物技术公司，日本有300多家生物技术公司。另外，几乎每一个大的跨国化学和制药公司都在现代生物技术领域，特别是现代生物技术制药的领域中，投入了大量的资金和研究力量，这些公司包括Monsanto、Dupont、America Cynamid、Upjihn 、Smth Kline、Eli Lilly、Hoffmann-LaRoche等。,世界生物技术产业现状 （2001统计数据）全球生物技术公司4284
44、家 ；美国1457家。全球收入384.7亿美元；美国253.19亿美元 。全球研发费用164.27亿美元；美国115.32亿美元。 我国生物技术产业现状300家公司，有能力生产的150家，上市40多家。产品总销售额200亿RMB。,西安迈森生物技术有限公司,（二）现代生物技术商业化的特点 1、 属于典型的技术密集型产业 2、 市场迅速扩张 3、 世界各国均投入了巨额资金 4、 现代生物技术产品不断增加 5、 经营现代生物技术产品的公司竞争激烈 6、 各生物技术公司的研究目标日趋集中，生产的 产品更加专一 7、 医学生物技术产业化进程最快,许多生物技术公司的产品的原型都来源于实验室，而且许多生物
45、技术公司的领导人就是分子生物学家。如，Boyer教授，后来成为Genentech公司的副总裁。同样，在实验室中取得的基础科学领域的成果同样可以大大地促进商业化生产的发展。例如，在1998年1月美国得克萨斯西南医学中心的科学家们宣布他们可能已经发现了人类的抗衰老基因，该基因的蛋白产物是端粒酶。据称，这项研究的结果有可能在5年之后运用于人类的抗衰老治疗。虽然该实验结果还需要证实，但是这个消息一公布，共同参与这项研究工作的加州生物技术公司的股票仍然在一夜之间猛涨了47。,在20世纪80年代，许多专家曾预测到20世纪末，全世界现代生物技术产品的销售额将达到100亿美元左右。然而，到1994年，仅美国的
46、医学生物工程产品年总销售额就超过了40亿美元，1992年日本的医学生物高技术产品销售额也已超过4000亿日元。因此，现在专家们预测，到20世纪末生物技术产业的产值将超过每年6000亿美元。,除了生物技术制药外，动物胚胎移植技术在美国和加拿大已进人实用化阶段，世界上现有200多家家畜胚胎移植公司，每年仅牛胚胎移植就达20万头；利用组织培养及快繁脱毒方法开发出的植物新品种有棕搁、香蕉、甘蔗等几百种再生植株；目前已实现商品化生产的包括农作物、林木、瓜果、花卉等，美国现有10多个兰花工业中心，年产值达5000至6000万美元，新加坡、泰国仅出口兰花一项创外汇就达1000万美元左右，通过花药培养成功的有
47、烟草、水稻，小麦等新品种；利用原生质体融合技术已开发成功了100多种再生植株；目前已经培育出了抗病毒、抗除草剂、抗虫、高蛋白的各种农作物品种，也培养出了携带人的生长激素基因的猪和鱼，它们都比普通猪和鱼要长得快、大。,在英国科幻作家布瑞恩创作的经典科幻小说查莉的心愿中，由于患有先心病，查莉不能像普通孩子一样随心所欲地玩耍，她的父母为她养了一只小猪，这只猪被植入查莉的基因，长着一颗人的心脏，这颗心脏最后将被移植到查莉体内，挽救她的生命 或许不久后，科幻小说里的情节就将成为现实。昨日，四川省医院与哈佛大学合作并首次引进四头基因工程猪进入中国科研领域的签约仪式举行。也许将来某天，这些被转入了人体基因的
48、猪就可以为人类提供可供移植的肝、肾等器官，而基因猪的皮肤、血管甚至骨头也都可能成为人身体的一部分。（2009.7.2）,世界首例转基因鱼,世界首例转基因鱼的诞生“被科学年史描述为20世纪初以来中国两大重要科研成果之一，另一项成果即是克隆鱼。纽约时报1990年11月27日为该研究发表了长篇专题报导。,例如，在1978年成立的Biological公司，它是最早进行DNA片段合成的公司，在早期的竞争过程中它曾经占据了非常有利的地位，但后来由于经营和商业经验等原因而关闭了。再例如，1991年Genentech公司60的股份以21亿美元的价格卖给了大制药公司Hoffmann-LaRoche。而1998年初，世界上最大的两家制药公司G1axo Wellcome与Srnith Kline实现了合并，其合并后总资产高达1900亿美元，成为全球仅次于通用电气公司的第一大公司。,
