1、第三章现代生物技术教学目的：学生能理解生物工程的主要内容即基因工程、细胞工程、发酵工程和蛋白质（酶）工程 4 方面内容。重点掌握基因工程、克隆羊技术。教学重点： 基因和克隆技术教学难点： 基因工程课时分配：生物工程特点和内容 0.5 课时基因工程及其应用 0.5 课时克隆羊技术 1 课时教学内容：现代生物技术生物技术是人类历史上发展最早的技术门类之一。传统生物技术有很多分支广泛地服务于人类的生产和生活，例如农业生物技术、医疗生物技术、发酵技术等等。现代生物技术主要是指以现代生物学为理论基础的新技术，特别是 20 世纪 70 年代以来蓬勃兴起的生物技术，也称为生物工程。一、生物工程1生物工程的特
2、点（1）高技术：生物工程往往表现为精细和密集的复杂技术而摆脱了近代以前的经验型的研究模式。（2）高效能：生物工程能够突破自然的生殖隔离，可以按人类的需要设计和改造生物的结构和功能，定向地组建具有特定性状的新物种和新品系。因此能制造生产能力强大和满足特殊需要的优良的动物、植物和微生物品种，生物物种也有可能量身订做。其效能是传统技术难以相比的。（3）高投入和高利润：生物工程需借助于实验室大量复杂的基础研究工作，前期科研投入往往非常高，而其成果的收益也非常大。建立在实验室研究基础上的生物技术的发展已经为人类带来了巨大的利益和财富。（4）高挑战性：生物工程可以人为地制造自然界前所未有的生物产品或生物物
3、种，这些产品的安全性对现代技术是一种挑战，对人类的伦理、人性的尊严也都是一种挑战2生物工程的主要内容一般认为生物工程主要包括基因工程、细胞工程、发酵工程和蛋白质（酶）工程 4 个方面内容。其中，以克隆和重组 DNA 为核心技术的基因工程发展最快，也带动或促进了细胞工程、发酵工程和蛋白质工程的发展。基因工程又叫 DNA 重组技术，也叫遗传工程，就是将 DNA 在体内或者体外进行重新组合，然后通过载体把新的 DNA 分子输入另一种生物的细胞中，来改造这种生物的遗传性，这叫做分子水平的杂交。这是在基因水平上对生命体进行操作，而这种操作的结果是可以传递给后代的，所以基因工程具有深刻的意义，成为生物工程
4、的核心。细胞工程是以细胞为基本单位，把一种生物细胞中携带的全套遗传 信息的基因或染色体整个地转入另一种生物细胞，从而改变这一生物细胞的遗传性，改良了品种或者创造了新的生物类型。细胞工程里最重要的是细胞融合技术，即用不同种类的细胞通过化学的、生物学的、物理学的等方法，使它们按照人们的需要融合在一起，从而是产生兼有两类以上细胞特征的新的细胞。这是在细胞水平上杂交的生物技术。把不同种类的动物细胞，不同种类的植物细胞，甚至不同种类的动、植物细胞融合在一起，创造出生物物种，这又是人在创造物种，是一个壮举。细胞融合技术与基因工程一样都是转移基因，只是操作对象、水平不同。应用细胞融合技术可以打破只有同种生物
5、才能杂交的限制。酶工程就是利用酶的特殊催化功能，通过生物反应器和工艺方法工业化地生产人类所需的产品或达到某一特殊的目的，它是酶学理论与化工技术相结合的产物，是一门快速、高效生产产品的技术。酶工程目前最引人注目的是微生物发电，即巧妙地运用生物催化剂进行能量转换。微生物电池和酶电池也引起人们极大的关注。在能源危机、资源匮乏的今天，这无疑是一个福音。二、基因工程及其应用1生命的核心基因基因是 DNA 分子上具有遗传功能的片段，它能控制生物的发育和代谢，并把遗传信息传递给下一代。一种生物的所有基因称为它的基因组。自摩尔根以来，遗传学家一直在探寻基因的概念。随着遗传学的发展，答案在不断地丰富和发生变化。
6、基因的染色体学说将基因看作染色体上线性排列的单位：基因是最小的结构单位，不能由交换分开，即染色体交换只能发生在基因之间，而不能发生在同一个基因之内；基因是最小的突变单位，基因可以由一种等位形式突变为另一种等位形式，但基因内部没有可以再突变的更小的单位；基因是最小的作用单位，能够产生特定的表现型效应，基因的一部分不能产生表现型效应；染色体是基因的载体，正由于染色体的存在，等位基因才会表现出有规律的分离，非等位基因表现出重组。2基因工程的基本原理与方法基因工程（gene engineering）是指按照人类的需要，用现代遗传学及分子生物学的理论与方法，特别是用 DNA 重组技术，将生物基因组的结构
7、或组成在体内或者体外进行人为修饰、改造或重新组合，然后通过载体把新的 DNA 分子输入另一种生物的细胞中，从而改变生物的结构和功能，改造这种生物的遗传性。基因工程是把一个生物体中有用的目的 DNA 遗传信息转入另一个生物体中，使后者获得新的需要的遗传性状或表达所需要的产物。基因工程的目的是更经济、更有效地生产人类所需要的物质和产品的技术，最终实现商业价值。基因工程是在基因水平上对生命体进行操作，而这种操作的结果是可以传递给后代的，所以基因工程具有深刻的意义，成为生物工程的核心。这种以重组 DNA 操作为核心技术的过程，其目的、原理和步骤等类似于现代工程学科中的设计与施工过程，因此被称为基因工程
8、。实施基因工程，就好比在微观的细胞中设计并构建了一栋新的“建筑” 。这一过程包括了一系列的分子生物学操作步骤，一般有以下五步：第一步：提取供体生物的目的基因或称外源基因；第二步：在限制性内切酶和连接酶作用下将目的基因与克隆载体相连接，形成新的重组 DNA 分子。这一步往往需要对重组 DNA 分子进行克隆和筛选。第三步：将这一重组的 DNA 分子导入受体细胞中，用重组 DNA 分子转化受体细胞，在受体细胞中复制和遗传第四步：对那些吸收了重组 DNA 的受体细胞即获得了外源基因的受体细胞（即转化子）进行筛选和鉴定；第五步：对含有重组 DNA 的细胞或生物体进行大量培养，检测外源基因是否表达，并通过
9、发酵、细胞培养、养殖或栽培等，最终获得所需要的遗传性状或表达出所需要的产物。3基因工程的应用基因工程是按照人们的意愿，有意识地把一个生物体中有用的目的基因转入另一个生物体中，从而创造新物种。这种分子水平的操作不受物种生隔离的限制，能按人类的需要对有利经济的性状的基因进行组合，因此具有潜在的巨大生产力和经济价值。自 1973 年美国专家在实验室的试管里成功地进行了第一例细菌不同 DNA 的体外重组，一举打开了基因工程学大门，基因工程便一直受到人们的高度关注，技术在不断的完善，也日益显示出了其不同寻常的应用价值。三、克隆羊技术1997 年 2 月 23 日，英国罗斯林研究所科学家维尔穆特（Wilm
10、ut）领导的研究小组宣布，已出生 7个月的小羊多利是克隆羊。1克隆羊技术与小羊多利的身世哺乳动物正常的繁衍方式，是受精卵经过细胞分裂发育为胚胎，再长成为生物个体，而多利的诞生是通过 3 只羊“制造”出来的：第一只羊是 6 岁的成年白色芬兰多塞特母绵羊，它提供了细胞核；第二只羊是苏格兰黑面母绵羊，它提供了卵细胞；第三只羊是一只苏格兰黑面母绵羊，它怀胎生下了多利。维尔穆特等人对直接从体细胞进行核移植操作技术和步骤进行了不断的探索和重要改进。他们先将一头 6 岁的白色芬兰母羊（核供体）的乳腺上皮细胞取出，并进行营养限制性培养以备用。再从一头苏格兰黑面母绵羊（卵供体）体内获得了一些卵细胞（生殖细胞）
11、，用毛细吸管除去了卵细胞中原有的细胞核，留下细胞质。接着，使用电脉冲技术让两种细胞膜发生融合，使芬兰母羊乳腺细胞中的核释放并进入到卵细胞的细胞质中，并用电脉冲进一步刺激这种调了包的卵细胞即重组卵细胞，使它们一周内分裂了 3 次，形成 8 细胞的胚胎。最后再把这个胚胎植入另一头苏格兰黑面母绵羊（代孕母亲）的子宫内进一步发育。他们一共进行了 277 次这样的乳腺细胞核移植实验，获得了 29 个发育为 8 细胞的胚胎，立即分别植入 13 头代孕母亲的子宫中。1996 年 7 月 5 日，原始记录为 6LL3 的羊羔出生了，它被命名为多利。结果是第三只羊生下了多利，而多利的血统与孕育了它的这第三只羊毫
12、无关系，与提供了生殖细胞的第二只羊毫无关系，却是与提供了体细胞的第一只羊一样的复制品，具有与供体核全套相同的遗传信息。因为它是那个调了包的细胞经过细胞分裂产生的生命体，这个细胞分裂过程也就是细胞核中的 DNA 不断自我复制的过程。 （插播视频：多利的诞生）2、克隆技术带来的震撼多利的克隆成功说明高度分化了的成年动物的体细胞不仅在遗传密码的保存上是全息的，而且这种全息性会在一定条件下表现出来。采用细胞核移植技术可以使生命过程逆转，或生命过程可以重新开始，例如把乳腺细胞的细胞核移植到去核的卵细胞里，可以发育成各种各样的细胞。对于植物的克隆人们已经司空见惯。折一个花枝插在水瓶中，它可以继续生长、开花
13、并生出根须。但对于动物，特别是哺乳动物，这还是第一次。这打破了生物学界长期以来的定论。如果说我们过去认为生命过程的程序是固定的，多利的意义在于它表明生命过程是可以重新编程（reprogram）的。这是生命科学的一大突破。多利羊的成功引发了很多遐想。例如用克隆的办法复制高产乳牛，从种牛身上切下 1 立方厘米的肉可以分离出 10 亿个细胞，那么克隆的办法显然要比母牛自然繁殖高效得多。还可以利用克隆技术拯救某些已经灭绝的动物，如猛玛象，如果从西伯利亚冰层下的猛玛象尸体取下冷冻细胞并救活，就可能利用克隆技术培育出猛玛象来。我国学者也已提出克隆大熊猫的设想。在医学领域，可以利用胚胎干细胞修补人体的组织器
14、官等等很自然地，人们想到，是否可以用这样的技术复制某些有特殊价值的人？既然绵羊的体细胞可以被成功地克隆成一个新的个体，是否意味着人类也可以克隆自己呢？答案是明确的。从理论上看，既然绵羊可以被克隆，同属于哺乳动物人类的克隆最终也能成功，而且有关试管婴儿的试验和人类生殖控制等技术也都比较成熟，在技术层面上产问题都可以得到解决。有人还专门设计了克隆人或器官的技术路线与步骤。但是，是否应该允许进行克隆人的实验？这个问题就不那么简单了。这里涉及到一系列过去尚未遇到的重要问题，包括伦理道德、人类自身安全、克隆人是否健康、是否易引发基因突变等。3、克隆技术背景下对人的思考生物技术所以产生爆炸性影响，根本原因
15、是一个字人。克隆技术用来克隆牛为我们提供肉食，克隆羊为我们提供羊奶，这是没有人反对的。克隆技术之所以引起人们的普遍恐慌，是因为人们由羊想到了人；克隆技术在伦理上的争论之所以激烈，是因为在“克隆人”的问题上需要给出价值判断，产生那么多尖锐问题的焦点在于“人” 。第一，人的生命有一种个体独特性，只属于唯一的自己，有了这个前提才有人的身份、荣誉、尊严和价值。第二，人兼有双重属性。一方面，作为自然界长期演化的产物，人是自然界的有机组成部分，人的生存依赖于自然界，这是人的自然属性。另一方面，人从自然界提升出来，组成了人类社会，形成了社会的伦理关系和社会秩序，作为社会成员，人生活在这种关系和秩序之中，人因
16、而获得了社会属性。第三，人身兼双重角色。科学技术是人类认识和改造自然的活动，在这个活动中，人是活动的主体，自然界是客体，是人认识和改造的对象。比如动物学家和医学家总是利用实验动物进行研究，此时的实验动物是科学家认识的客体，是“任人宰割”的。而人的生命在一定的情况下也是科学研究的对象，是生物学家和医学家认识的客体，可是人不能“任人宰割”。技术的功能是改造世界，现在的生命科学和生物技术改造世界改造到人自己身上来了，矛盾从此产生。（插播视频：克隆人的问题）作业与习题选择题：见教材现代科学技术概论P214思考题：1人类操作生命的工程有哪些？2你对地球生物及人类的发展前景以及对地球资源的消耗有何想法和建议？学|优 ?中#考，网
