第一章細胞工程緒論

1、細細 胞胞 工工 程程 （cell engineering） 開課目的開課目的 全面了解細胞工程研究方法與技術，彌補細胞 生物學授課、實驗學時少的缺陷； 利用細胞工程學方法和原理，聯(lián)系生產實際指 導和開展 生產實踐活動； 對(備考)研究生拓寬思路、開闊眼界、提高分 析應變能力。 第一章第一章 緒論緒論 細胞工程在整個生物工程中的地位和作用細胞工程在整個生物工程中的地位和作用 一、生物技術是世界高技術的主體一、生物技術是世界高技術的主體 克隆 轉基因動物、轉基因植物 試管嬰兒 人類基因組計劃、后基因組時代 生物安全 生物多樣性 一個基因或一個物種可影響一個國家的濟濟發(fā)展； 一個優(yōu)良生態(tài)群落的建立

2、可以改善一個地區(qū)環(huán)境； 一個物種的滅絕可能影響到幾十個物種的生存； 生物技術產業(yè)已成為21世紀最主要的支柱產業(yè)。 因此，生命科學對當今社會、經濟和知識創(chuàng)新都 發(fā)揮著重要的、不可替代的作用。 20世紀生命科學的巨大成就世紀生命科學的巨大成就： 第一次革命性進展第一次革命性進展孟德爾遺傳規(guī)律的再發(fā)現； 摩爾根的基因論。 第二次革命性進展第二次革命性進展沃森、克里克提出DNA的雙 螺旋結構模型。 第三次革命性進展第三次革命性進展 人類基因組計劃和動物克隆 20世紀全球最有影響的三大科學計劃世紀全球最有影響的三大科學計劃： 曼哈頓工程（原子彈計劃） 阿波羅工程（登月計劃） 人類基因組計劃 20世紀80

3、年代以來，在世界新技術革命浪潮日益高漲的 形勢下，科學技術發(fā)展的一個特別值得注意的動向是發(fā)達 國家或國家集團之間的高技術競爭日益激化，都在試圖調 整戰(zhàn)略，研究對策，提出著眼于21世紀的長遠戰(zhàn)略措施和 構想。 美國的“星球大戰(zhàn)”計劃 歐洲共同體的“尤里卡”計劃 日本的“人類新領域研究計劃” 經互會成員國的“2000年科學技術進步綜合綱要” 1 世界高技術的興起世界高技術的興起 學術界認為： 具有具有六大基本特征六大基本特征：創(chuàng)新性、智力性、帶動性、戰(zhàn)：創(chuàng)新性、智力性、帶動性、戰(zhàn) 略性、風險性、時效性。略性、風險性、時效性。 體現在體現在六高六高：高效益（高額利潤）、高智力（創(chuàng)：高效益（高額利潤）

4、、高智力（創(chuàng) 新性和突破性）、高投入（前期研究開發(fā)需大量投新性和突破性）、高投入（前期研究開發(fā)需大量投 資）、高競爭（時效性，競爭異常激烈）、高風險、資）、高競爭（時效性，競爭異常激烈）、高風險、 高潛能。高潛能。 也可以說，高技術是新技術中的特別部分，是也可以說，高技術是新技術中的特別部分，是 第二次世界大戰(zhàn)后涌現出的新技術群的核心，是第二次世界大戰(zhàn)后涌現出的新技術群的核心，是 當今世界經濟的制高點，由此開發(fā)改變著世界的當今世界經濟的制高點，由此開發(fā)改變著世界的 面貌，誰能取得高技術優(yōu)勢，誰就能掌握面貌，誰能取得高技術優(yōu)勢，誰就能掌握21世紀世紀 的主動權。的主動權。 高技術是指那些能帶來高

5、經濟效益、具有高增值高技術是指那些能帶來高經濟效益、具有高增值 作用，并能向經濟和社會各領域廣泛滲透的新技術作用，并能向經濟和社會各領域廣泛滲透的新技術 目前得到世界各國公認并將列入目前得到世界各國公認并將列入21世紀重點研究開發(fā)世紀重點研究開發(fā) 的高技術領域包括：的高技術領域包括： 生物技術生物技術 信息技術信息技術 新材料技術新材料技術 新能源技術新能源技術 海洋開發(fā)技術和空間技術（航天、航空技術海洋開發(fā)技術和空間技術（航天、航空技術） 2 高技術的領域高技術的領域 相互關系相互關系 信息技術是高技術的主導和核心 新材料技術是技術進步的突破口 生物技術是21世紀技術革命的主角 總的發(fā)展順序

6、總的發(fā)展順序 以信息技術為先導 以新材料技術為基礎 以新能源技術為支柱 沿微尺度領域向生物技術開拓，沿宏尺度領域向海洋和空 間技術發(fā)展。 信息技術信息技術（主導和核心） 海洋和空間技術海洋和空間技術 新材料技術新材料技術（基礎）生物技術生物技術 新能源技術新能源技術（支柱） （人類活動的疆域） （無生命的三要素） （生命現象） 譯自英文“Biotechnology”，有人也譯為生物工程或 生物工藝學。指通過技術手段，利用生物體或生物過程指通過技術手段，利用生物體或生物過程 來生產有經濟價值產品或創(chuàng)造新物種的綜合技術來生產有經濟價值產品或創(chuàng)造新物種的綜合技術 生物技術涉及的內容有狹義和廣義兩種理

7、解 狹義狹義：指基因重組、細胞融合、固定化酶與細胞、生物反 應器等技術領域。 廣義廣義： 包括資源、能量、糧食、飼料生產以及為凈化環(huán)境所 進行的物質分解及發(fā)酵技術等。 二、生物技術的概念二、生物技術的概念 生物技術的發(fā)展簡史生物技術的發(fā)展簡史 三、生物技術的發(fā)展歷程三、生物技術的發(fā)展歷程 廣義的生物技術源源流長，可以與人類文明史廣義的生物技術源源流長，可以與人類文明史 同樣古老。用谷物釀酒、制醋做醬油，已有幾千同樣古老。用谷物釀酒、制醋做醬油，已有幾千 年的歷史。在漫長的歷史長河中，人類馴化、培年的歷史。在漫長的歷史長河中，人類馴化、培 育了許許多多新品種，但這些都談不上對生物學育了許許多多新

8、品種，但這些都談不上對生物學 原理和工程技術的自覺運用，因而尚屬低級的傳原理和工程技術的自覺運用，因而尚屬低級的傳 統(tǒng)生物技術。統(tǒng)生物技術。 第一代生物工程第一代生物工程 石器時代后期：我國人民就利用谷物造酒（早期發(fā)石器時代后期：我國人民就利用谷物造酒（早期發(fā) 酵技術）酵技術） 周代后期：我國人民開始制豆腐、醬、醋等周代后期：我國人民開始制豆腐、醬、醋等 公元公元10世紀：我國利用活疫苗預防天花世紀：我國利用活疫苗預防天花 明代：廣泛種植痘苗以預防天花明代：廣泛種植痘苗以預防天花 16世紀：我國醫(yī)生就了解狂犬病的原因。世紀：我國醫(yī)生就了解狂犬病的原因。 在西方，蘇美爾人和巴比倫人在公元前在西方

9、，蘇美爾人和巴比倫人在公元前6000年就開年就開 始啤酒發(fā)酵，埃及人則在公元前始啤酒發(fā)酵，埃及人則在公元前4000年就開始制造面包。年就開始制造面包。 19世紀世紀60年代，法國科學家證實發(fā)酵是由微生物引年代，法國科學家證實發(fā)酵是由微生物引 起的，并建立起微生物的純種培養(yǎng)技術，從而為發(fā)酵技起的，并建立起微生物的純種培養(yǎng)技術，從而為發(fā)酵技 術的發(fā)展提供了理論基礎，結束了古老的生物技術時代，術的發(fā)展提供了理論基礎，結束了古老的生物技術時代， 使發(fā)酵技術納入科學軌道。使發(fā)酵技術納入科學軌道。 20世紀世紀20-30年代，工業(yè)上大量發(fā)酵生產化年代，工業(yè)上大量發(fā)酵生產化 工原料：酒精、乳酸、丙酮、丁醇等

10、。真正意工原料：酒精、乳酸、丙酮、丁醇等。真正意 義上的生物工程正式誕生。義上的生物工程正式誕生。 近代生物工程近代生物工程 50年代青霉素大規(guī)模生產，同時帶動了年代青霉素大規(guī)模生產，同時帶動了 其它抗生素和酶制劑其它抗生素和酶制劑 60年代產生了遺傳育種學，其輝煌成就年代產生了遺傳育種學，其輝煌成就 被譽為被譽為“第一次綠色革命第一次綠色革命” 上述諸方面還不具備高技術的要素，故只能上述諸方面還不具備高技術的要素，故只能 被視為傳統(tǒng)生物技術。被視為傳統(tǒng)生物技術。 現代生物技術：現代生物技術： 70年代末80年代初隨著基因重組、細胞和組織培養(yǎng)、酶 的固定化、現代化生物反應器和計算機的應用以及產

11、品分 離、純化等技術的迅速發(fā)展而發(fā)展起來，以現代生物學研 究成果為基礎，以基因工程為核心的新興學科。 1953年，Watson和Crick提出DNA的雙螺旋結構模型，并進 一步闡明DNA的半保留復制模型。 1961年M.Nirenberg等破譯了遺傳密碼 1972年Berg首先實現了DNA的體外重組，它對人們提供 了一種全新的技術手段，形成了具有劃時代意義和戰(zhàn)略價 值的現代生物技術。 80年代轉基因動物和克隆動物的興起 學術界（生物學界）普遍將生物技術概括為四大領域，即： 潛力巨大的基因工程基因工程 前途廣闊的細胞工程細胞工程 充滿希望的酶工程酶工程 生機勃勃的發(fā)酵工程發(fā)酵工程 后起之秀后起之

12、秀 生物化學工程生物化學工程 蛋白質工程（第二代基因工程）蛋白質工程（第二代基因工程） 四、生物技術的技術領域四、生物技術的技術領域 各領域之間的協(xié)調關系各領域之間的協(xié)調關系 普遍認為： 細胞工程是基礎細胞工程是基礎 酶工程酶工程和和發(fā)酵工程發(fā)酵工程 是利用酶學和發(fā)酵原理相結合的 一種技術產業(yè)體系，它有賴于基因工程和細胞工程的 發(fā)展。 基因工程是關鍵基因工程是關鍵 （實質）（實質） 生化工程生化工程 是由生物科學與化學工程相結合的交叉學 科，研究生物技術的實驗室成果轉化為生產力過程的 工程技術問題。 蛋白質工程蛋白質工程是利用生物技術手段對蛋白質的DNA編碼 序列進行有目的的改造并分離、修飾、

13、純化蛋白質 通過諸類工程，人們有望解決當 今世界人類面臨的各種重大問題， 如：人口飛長、食物短缺、能源危 機、環(huán)境污染以及威脅人類健康和 生命的疑難病癥（癌癥、艾滋病、 心血管疾病及各種傳染?。?。 細胞工程（細胞工程（cell engineering） 是指以細胞為研究對象，應用生命是指以細胞為研究對象，應用生命 科學理論，借助工程學原理與技術，科學理論，借助工程學原理與技術， 有目的地利用或改造生物遺傳性狀，有目的地利用或改造生物遺傳性狀， 以獲得特定細胞、組織產品或新型以獲得特定細胞、組織產品或新型 物種的綜合技術物種的綜合技術 細胞工程的發(fā)展史細胞工程的發(fā)展史 在植物界： 1902年，預

14、言植物細胞的全能性 1934年，發(fā)現生長素對植物細胞培養(yǎng)的作用 1937年，首次培養(yǎng)胡蘿卜組織成功 1958年，發(fā)現胡蘿卜的體細胞可以轉化成體細胞胚， 驗證了細胞全能學說 1972年，用硝酸鈉首次誘導兩個不同種的煙草原 生質體融合，獲得世界上體細胞雜種植株。 探索期探索期 在動物界：1885年，盧克斯發(fā)現雞的神經元可以存活 1892年，杜里舒利用海膽2細胞胚分離成單 細 胞，通過培養(yǎng)獲得完整幼蟲。 1907年，哈里森開創(chuàng)動物細胞培養(yǎng)的先河 1923年，卡雷爾設計了動物細胞培養(yǎng)用的卡 式培養(yǎng)瓶 1925年，馬克西姆改良了蓋片懸滴培養(yǎng)法。 1938年，施佩曼提出通過核移植克隆動物的 設想 1956

15、-1959年，斯沃爾利用低溫處理獲得三倍體三棘年，斯沃爾利用低溫處理獲得三倍體三棘 刺刺 魚，并飼養(yǎng)至成熟。魚，并飼養(yǎng)至成熟。 1959年，美籍華人學者張明覺試管兔年，美籍華人學者張明覺試管兔第第1個體外受個體外受 精動物。精動物。 1962年，首次成功進行了倉鼠腎細胞的懸浮培養(yǎng)。年，首次成功進行了倉鼠腎細胞的懸浮培養(yǎng)。 1958-1965年，發(fā)現病毒可以誘導細胞融合。年，發(fā)現病毒可以誘導細胞融合。 誕生期誕生期 1960年，建立了蘭花的微繁殖方法。年，建立了蘭花的微繁殖方法。 1958-1960年，原生質體制備成功。年，原生質體制備成功。 1970年，華裔加籍學者高國楠發(fā)現聚乙二醇可誘導年，

16、華裔加籍學者高國楠發(fā)現聚乙二醇可誘導 細胞融合。細胞融合。 1972年，用硝酸鈉首次誘導兩個不同種的煙草原 生質體融合，獲得世界上體細胞雜種植株 1973年，煙草花藥培養(yǎng)獲得植株。 1973年，通過細胞培養(yǎng)獲得人參皂苷。 快速發(fā)展期快速發(fā)展期 1973年，童第周通過核移植成功獲得種間雜種魚。年，童第周通過核移植成功獲得種間雜種魚。 1975年，科勒等人建立小鼠淋巴細胞雜交瘤技術。年，科勒等人建立小鼠淋巴細胞雜交瘤技術。 1977年，首例試管嬰兒問世。年，首例試管嬰兒問世。 1987年，建立轉基因乳腺生物反應器。年，建立轉基因乳腺生物反應器。 1997年，年， “多莉多莉”誕生，高等動物體細胞核

17、全能性。誕生，高等動物體細胞核全能性。 1998年，科學家成功分離建立了人的胚胎干細胞系。年，科學家成功分離建立了人的胚胎干細胞系。 細胞工程的細胞工程的主要技術領域主要技術領域（研究內容）（研究內容） 細胞（組織、器官）培養(yǎng)：in vivo 在體、活體、生物體內 in vitro 離體、生物體外 細胞融合（體細胞雜交、細胞并合） 細胞拆合（細胞質工程、細胞器移植） 染色體（組）工程 繁殖生物學技術（胚胎冷凍技術、試管嬰兒、生物 復制、胚胎移植、發(fā)育工程、胚胎工程、胚胎分割 技術、胚胎融合技術、嵌合體） 細胞遺傳工程（組分移植技術） 將細胞的組分 （核、質、染色體、甚至基因）直接移植到另一個 細胞中去的技術 干細胞與組織工程 轉基因生物與生物反應器 細胞工程的主要應用細胞工程的主要應用 1 優(yōu)質植物快速培育及繁殖優(yōu)質植物快速培育及繁殖 2 動物胚胎工程快速繁殖優(yōu)良、瀕危品種動物胚胎工程快速繁殖優(yōu)良、瀕危品種 3 動、植物細胞培養(yǎng)生產活性產品、藥品動、植物細胞培養(yǎng)生產活性產品、藥品 4 新型動、植物品種的培育新型動、植物品種的培育 5 組織工程提供醫(yī)學器官修復或移植組織工程提供醫(yī)學器官修復或移植 6 轉基因動、植物生物反應器工程轉基因動、植物生物反應