第一章---生物技術(shù)概論

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第一章 生物技術(shù)概論1、 醫(yī)學遺傳學發(fā)展到現(xiàn)代醫(yī)學分子遺傳學與先進技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān), 特別兩項生物技術(shù): 細胞融合技術(shù)和DNA重組技術(shù)所起的作用十分重要。2、19世紀： 細胞是生命的 基本單位 細胞學說：細胞是動植物結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，一切生命現(xiàn)象都是以細胞為基礎(chǔ)表達的3、以核酸和蛋白質(zhì)為中心的生物大分子是生命現(xiàn)象的共同物質(zhì)基礎(chǔ)，細胞和有機體所有生命活動都是以這些生物大分子及其復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、運動和相互作用來實現(xiàn)的。4、人類對自然界的要求： 認識利用再造改造 創(chuàng)造 5、生物技術(shù)學科的地位v 世界新技術(shù)革命的主角之一, 生物技術(shù)與新材料, 信息技術(shù)(包括微電子、計算機

2、)一起已成為新產(chǎn)業(yè)革命三大支柱之一；v 陽光技術(shù)，朝陽產(chǎn)業(yè)，黃金工程，倍受世界各國重視。v 21世紀是生物生命世紀，生物技術(shù)將成為21世紀高技術(shù)革命的核心內(nèi)容。6、生物技術(shù)的重要性v 有助于解決全球的重大難題：資源（能源）、人口、糧食、生態(tài)環(huán)境、健康與疾病和戰(zhàn)爭與災(zāi)害；v 促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造和新產(chǎn)業(yè)的形成，對人類社會生活產(chǎn)生深遠的革命性影響；v 生物技術(shù)這一新生事物正迅速走向老百性日常生活各個方面, 將對人類的發(fā)展做出貢獻。第一節(jié) 生物技術(shù)的概念和內(nèi)容1、 生物技術(shù)(Biotechnology, BT), 亦稱為生物工程（bioengineering), 現(xiàn)統(tǒng)一稱: 生物技術(shù)。2、 定義：

3、（國際上）生物技術(shù)是指應(yīng)用生物科學及工程學原理，依靠生物體系作反應(yīng)器，將物料進行加工改造，獲得人類所需產(chǎn)品的技術(shù)。3、 現(xiàn)代生物技術(shù)定義： 以現(xiàn)代生命科學為基礎(chǔ), 把生物體系與工程學技術(shù)有機結(jié)合在一起， 按照預(yù)先的設(shè)計，定向地在不同水平上改造生物遺傳性狀或加工生物原料, 產(chǎn)生對人類有用的新產(chǎn)品(或達到某種目的)之綜合性科學技術(shù)。4、 要點 對象 是具遺傳特性有生命物質(zhì):包括病毒、細菌、植物、動物、直到人類。 生物體系多個不同水平研究: 從大分子(DNA、RNA、蛋白質(zhì)、酶)、亞細胞、細胞、組織、器官到整個機體。 應(yīng)用工程學原理: 經(jīng)人類思維, 設(shè)計方案、定向修飾、加工制作過程、經(jīng)過體外環(huán)節(jié)。

4、有目的產(chǎn)品: 目的產(chǎn)品有三新特征: 新遺傳功能、新遺傳性狀、新物種。要有合乎人類所需的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和食品產(chǎn)品。 高新技術(shù)起重要作用。5、 傳統(tǒng)生物技術(shù)：傳統(tǒng)生物技術(shù)的發(fā)展（經(jīng)典+近代） 1 000多年前, 當人類用發(fā)方法制備酒、醋、醬及食品等, 此時主要是生物技術(shù)的經(jīng)驗階段。 19世紀人們才有意識地大規(guī)模利用酵母發(fā)酵，并形成產(chǎn)業(yè)。 20世紀初，提出了生物技術(shù)這一概念。 1928年，青霉素的發(fā)現(xiàn)使生物技術(shù) 從單純的食品、飼料制備擴展到抗生素產(chǎn)品，該產(chǎn)業(yè)至今長盛不衰。 20世紀 50年代和60年代，生物技術(shù)增添了氨基酸發(fā)酵和酶制劑工業(yè)新成員。6、 傳統(tǒng)生物技術(shù)有如下特點： 主要通過微生物初級發(fā)

5、酵獲得產(chǎn)品，僅僅局限在 微生物發(fā)酵和化學工程領(lǐng)域。 沒有改變微生物的遺傳物質(zhì)，也沒有出現(xiàn)新的微生物遺傳性狀。 生產(chǎn)過程簡單，上游主要是培養(yǎng)大量的微生 物、對粗材料進行加工即進行發(fā)酵和轉(zhuǎn)化， 通過誘變選育良種，下游主要對產(chǎn)品進行純化。 生產(chǎn)周期長，費用高，產(chǎn)量低，效率差。7、 現(xiàn)代生物技術(shù) 自1953年起，分子遺傳學的興起與發(fā)展， DNA轉(zhuǎn)移和重組工程， 有性繁殖，轉(zhuǎn)基因技術(shù)， 細胞工程，轉(zhuǎn)基因藥物，轉(zhuǎn)基因動植物， 無性繁殖，克隆技術(shù)特別是DNA重組技術(shù)可以：改變生物的遺傳性狀, 使分離高產(chǎn)量的工程菌變的容易, 簡化了生產(chǎn)過程；擴大了反應(yīng)器范圍，從發(fā)酵罐發(fā)展到細胞、植物及動物個 體天然生物反應(yīng)器

6、。8、 生物技術(shù)的特點 (八高一低)v 高水平：即學科具有先進性，是知識、技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè), 處分子水平、新技術(shù)前沿。v 高綜合：跨學科專業(yè), 位多學科發(fā)展的交叉點上，涉及的行業(yè)多、范圍廣。v 高投入, 與其他技術(shù)比較, 在資金、人員、設(shè)備、試劑及研發(fā)上投資大。v 高競爭，各國、各行業(yè)、個單位之間，在技術(shù)、時效性、知識及人才上競爭激烈。v 高風險，上述原因造成一定風險，加上技術(shù)風險帶來高風險。v 高效益, 應(yīng)用性強, 有目的產(chǎn)品, 最易商業(yè)化。 從事生物技術(shù)猶如種樹將獲得豐碩果實, 如干擾素的投入雖然高達數(shù)百萬美元,但產(chǎn)值數(shù)年達30億美元, 用于治病將產(chǎn)生巨大經(jīng)濟和社會效益。生物技術(shù)在解決人類面

7、臨眾多難題上是沒有任何產(chǎn)業(yè)可比的。v 高智力： 具有創(chuàng)新性和突破性, 可按人類需要定向改變和創(chuàng)造生物的遺傳特性，要求在人才、計劃、設(shè)計、工藝和產(chǎn)品上都要與眾不同。 從認識、利用、再造階段上升到改造和創(chuàng)造階段。v 高控性：采用工程學手段，易自動化、程控化及連續(xù)化生產(chǎn)。v 低污染：生物技術(shù)以生物資源為對象, 生物資源具有再生性, 是再生資源。具有不受限制、污染小、周期短的優(yōu)點。 9、生物技術(shù)的內(nèi)容醫(yī)學生物技術(shù)、藥學生物技術(shù)、動物生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、海洋生物技術(shù)、微生物生物技術(shù) 10、生物技術(shù)與 諸學科關(guān)系 注: 上述十項工程是國家科委規(guī)定統(tǒng)計的上報內(nèi)容, 注意下述三個概念:v 上游工程: 是生

8、物技術(shù)的實驗室研究階段, 應(yīng)用基礎(chǔ)研究, 產(chǎn)生三新產(chǎn)品的源泉。v 下游工程: 是生物技術(shù)的擴大生產(chǎn), 加工應(yīng)用階段, 使三新產(chǎn)品能達到三化: 商品化、工程化、企業(yè)化, 是效益階段。11、生物技術(shù)的上中下游v 上游工程：實驗室研究和開發(fā)階段，包括基因、細胞、干細胞、轉(zhuǎn)基因生物、組織工程等獲得優(yōu)良菌株、細胞系或固定化的菌體等。v 中游工程：中游加工以生物反應(yīng)器為中心，優(yōu)化和放大生產(chǎn)工藝。v 下游工程：從反應(yīng)液中提取目的產(chǎn)物 加工精制成合格產(chǎn)品。12、遺傳工程 其基本含義是指對不同來源的物質(zhì), 人工體外操作, 重新組合, 定向改建, 獲得具有新遺傳性狀的新物品之技術(shù)。對象包括:細胞、亞細胞、染色體、

9、核酸分子、基因等, 包括大部分上游工程。13、生物技術(shù)涉及的具體技術(shù)包括:l DNA 重組技術(shù), 細胞培養(yǎng)及融合技術(shù), 抗體制備技術(shù),l 干細胞培養(yǎng)及定向分化, 顯微注射技術(shù), 動物飼養(yǎng)技術(shù),l 轉(zhuǎn)基因技術(shù), 胚胎克隆, 細胞及酶的固定化技術(shù), 發(fā)酵技術(shù),l 生物反應(yīng)器, 蛋白質(zhì)分離純化, 生物大分子 合成及純化,l 生物大分子修飾, 生物物理、生物信息及其他 相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)。六. 生物技術(shù)諸工程的內(nèi)容及種類 ( 十大工程 )(一) 基因工程 (Gene engineering)1. 對象: 在核酸分子 (DNA或RNA) 或基因上操作。2. 定義: 在體外對DNA進行切割、拼接, 使遺傳物質(zhì)重

10、新組合, 經(jīng)載體轉(zhuǎn)移到細胞中擴增表達, 獲得人類所需產(chǎn)品, 或組建新生物類型的技術(shù)。 文獻上常見到DNA重組、分子克隆、基因克隆、 遺傳工程等名詞與基因工程混用, 事實上主要內(nèi)容相似, 不同之處在于所突出的內(nèi)容有異。3. 應(yīng)用 (后有詳述)。(二)細胞工程 (cell engineering) 1.對象: 細胞, 在細胞水平上實現(xiàn)基因轉(zhuǎn)移或改變生物學性狀。2、定義(1)廣義 細胞融合技術(shù): 在特定的條 件下 (環(huán)境、融合技術(shù)), 使不同的細胞融合, 獲得具有來自雙親代基因的雜交細胞, 雜交細胞的遣傳物質(zhì)發(fā)生改變, 達到改造物種，創(chuàng)建新種之目的。(2) 狹義: 淋巴細胞雜交瘤技術(shù): 骨髓瘤細胞淋

11、巴細胞融合(制備 McAb)。(3) 現(xiàn)代概念:把廣義的概念擴展, 指在體外條件對細胞進行培養(yǎng)、繁殖，按人們的意愿改變細胞某些生物學特性，獲得有用的產(chǎn)品或達到改良生物品種的技術(shù)。 細胞工程包括： 細胞融合技術(shù) 工程細胞移植, 即有目的地改造細胞 遺傳特性后, 植入機體。 細胞折合, 染色體導(dǎo)入及細胞器導(dǎo)入技術(shù), 胚胎細胞植入。3. 分類: 微生物細胞工程, 如原生質(zhì)體融 合, 試管菌。 植物細胞工程，1978年培育 出土豆西紅柿新物種。 動物細胞工程, McAb。 4. 應(yīng)用: 以McAb制備成績突出, 診斷、治療。 (三) 蛋白質(zhì)工程 (Protein engineering)1. 對象:

12、基因序列DNA分子中改造, 最終導(dǎo)致蛋白分子氨基酸序列改變。 2. 定義:在X衍射和晶體分析術(shù)了解蛋白質(zhì)三維空間結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系基礎(chǔ)上, 借用計算機和分子設(shè)計輔助技術(shù), 在DNA分子水平上操作更換或改變其序列, 達到改變蛋白質(zhì)分子氨基酸序列, 實現(xiàn)人為改變蛋白質(zhì)分子形狀及功能, 使之具有新遺傳學特性。 3. 核心: 蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu), DNA重組, 人工定向改造蛋白質(zhì)功能域構(gòu)象, 使得功能改變。 這被稱為是生物技術(shù)發(fā)展的第二浪, 如通過增加或減少人工二硫鍵、置換氨基酸等修飾技術(shù), 提高或改變活性多肽 (激素、酶、細胞因子) 的穩(wěn)定性。 (四）抗體工程（Antibody engineering ）1

13、.對象：Ig 基因 2.定義: 抗體工程： 通過對抗體分子結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系的研究，有計劃地對抗體基因序列進行改造，改善抗體的某些功能的技術(shù)。v 在80年代初，抗體基因結(jié)構(gòu)和功能的研究成果與重組DNA技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了基因工程抗體技術(shù)。v 基因工程抗體即將抗體的基因按不同需要進行加工、改造和重新裝配，然后導(dǎo)入適當?shù)氖荏w細胞中進行表達的抗體分子。 3.抗體工程的內(nèi)容v 完整抗體，及抗體的人源化 v 完整抗體與抗體片段的藥代動力學比較 v 改造抗體片段的多種特異性 v 雙功能抗體 v 抗體庫的構(gòu)建、展示和篩選 v 噬菌體展示技術(shù) v mRNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物庫 v 細胞表面庫 v 轉(zhuǎn)基因鼠 v 抗體的生

14、產(chǎn)、穩(wěn)定性和表達水平 v 親和力成熟 v 骨架替換 臨床應(yīng)用 v 中和病原體及抗病毒治療 v 細胞內(nèi)抗體 v 腫瘤治療與細胞補充療法 v 疫苗應(yīng)用 v 用于未來診斷的生物傳感器和微矩陣技術(shù) (五) 組織工程 (Tissue engineering)1、對象：干細胞、組織和器官。 2、定義： 運用工程學和生命科學原理和方法， 在了解正常和病理學組織結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系和生長機理的基礎(chǔ)上， 研制生物學組織器官替代品，通過移植，達到重建、恢復(fù)、維持和改進組織功能學科。3、要點： 依據(jù)正常組織結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計方案； 選擇種子細胞培養(yǎng)； 選擇細胞外基質(zhì)、生物支架材料； 體外構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)替代品； 植入機體，替代病

15、理組織。4、應(yīng)用： 組織器官移植。(六)干細胞工程 (stem cell engineering)v 干細胞 干細胞是具有無限期產(chǎn)生各種分化細胞能力的細胞。它是各種干細胞的統(tǒng)稱。通常認為干細胞有幾個主要特征：v 未分化的早期細胞；v 具有分化成各種特定細胞的能力；v 可無限地分裂增值，產(chǎn)生大量后裔;v 其子細胞有兩種命運，保持為干細胞或分化 為特定細胞。(七) 轉(zhuǎn)基因動物(亦稱: 胚胎工程Transgenetic animal）1.對象: 胚胎早期細胞上實現(xiàn)基因轉(zhuǎn)移。 2. 定義: 把新的遺傳信息 (DNA序列) 用特定技術(shù)導(dǎo)入胚胎早期受精卵, 經(jīng)發(fā)育后, 外源遺傳信息分布到所有體細胞生殖細胞

16、中去, 這種使動物帶有新遺傳信息的基因轉(zhuǎn)移技術(shù)稱胚胎工程。 所得動物稱轉(zhuǎn)基因動物 (Transgenetic animals)， 或基因工程動物。3. 過程: 提取人所需要蛋白質(zhì)基因、cDNA； 基因重組 (cDNA控制基因載 體)； 分離、培養(yǎng)人工受精的卵細胞(如牛)； 把重組體轉(zhuǎn)入到受精的卵細胞； 植入子宮 ,使之發(fā)育為個體(每一個體細胞均含有新的基因)； 活化植入新基因,使之表達 (如在乳腺中 表達)； 提取目的基因表達產(chǎn)物,進行驗證(定性、 定量)； 進行安全性及臨床試驗。4. 要點: 必須有外源新基因轉(zhuǎn)移, 在早期生殖細胞整合, 發(fā)育成新個體中有外源基因正常表達, 可遺傳后代。5.

17、應(yīng)用: 腫瘤發(fā)生、傳染病的動物模型, 新品種:新物種研究, 藥物生產(chǎn)、動物乳汁中分泌有 tPA, IX因子, 免疫機制研究。 (八) 生物醫(yī)學工程 ( Biomedical engineering) 1 對象: 人體 2 定義: 從工程學角度研究人體結(jié)構(gòu)、功能及生命現(xiàn)象, 為防治疾病提供新技術(shù)、新方法、新儀器和新材料的科學。3 內(nèi)容: 生物材料( 人造器官、起搏器的材料)、康復(fù)工程、醫(yī)學成像( 超聲、CT、核磁)、生物傳感、監(jiān)護系統(tǒng)等。(九) 生物制藥化學制藥工程 (Biochemical pharmaceutical engineering) 1生產(chǎn)對象: 藥物( 活性多肽、酶、抗生素等)2

18、定義 (待確定): 利用現(xiàn)代生物技術(shù), 以生物反應(yīng)器（微生物、動物細胞、植物及動物個體）， 大規(guī)模地制備高純度的藥物。 如基因工程藥物、同份異構(gòu)體的拆分（利用 Abzyme 特異結(jié)合、特異地進行酶消化來完成）等。(十) 酶工程 (Enzyme engineering)1.對象:酶分子修飾、生產(chǎn)應(yīng)用和酶的固定化2. 定義: 在給定的生產(chǎn)工藝和生物反應(yīng)器中, 利用酶、細胞器或細胞所具有的特異催化功能，或?qū)γ高M行修飾改造提高酶的轉(zhuǎn)化率, 把對應(yīng)的原料高效地轉(zhuǎn)化成所需有用的物質(zhì)之技術(shù)。 3. 要點: 固定化酶、酶分子改造技術(shù)和酶反映器的設(shè)計是當前酶工程的重點。近年把酶電極生物傳感器也歸到酶工程范圍內(nèi)。

19、如: 底物固定化酶化學信號電信號人視覺控制反應(yīng)。(十一) 發(fā)酵工程 (Fermentation engineering)1.對象: 微生物, 在常規(guī)發(fā)酵工藝上發(fā)展而成。有時也稱微生物工程。2. 定義: 利用微生物特定性狀（生長快、培養(yǎng)簡單和代謝過程特殊等）, 通過現(xiàn)代化工程技術(shù), 快速、連續(xù)生產(chǎn)人類所需物質(zhì)的技術(shù)。3. 要點: 核心是提高產(chǎn)率, 過程包括: 菌種選育、生產(chǎn)、 代謝產(chǎn)物的利用。 所用技術(shù)包括大規(guī)模懸浮培養(yǎng), 細胞固定化, 產(chǎn)物分離提取。 4應(yīng)用: 藥物生產(chǎn)( 活性多肽、抗生素)、單細胞蛋白生產(chǎn)、環(huán)境保護、微生物冶金技術(shù)。 (十二) 生化工程 (Biochemistry engin

20、eering) 1 對象: 生化反應(yīng)器(反應(yīng)環(huán)境與裝置)， 產(chǎn)品的分離提純技術(shù)2.定義(待確定): 為活細胞和酶提供適宜反應(yīng)環(huán)境, 能大規(guī)模自動化生產(chǎn)、分離、精制出所需產(chǎn)品的技術(shù)。 3.內(nèi)容包括: 生物反應(yīng)器的設(shè)計、傳感器的制造、電泳、離心、層折、免疫層析等。這是下游工程的關(guān)鍵一環(huán)。注： 1.十二大工程相互聯(lián)系, 相輔相成。 上游中, 基因工程是基礎(chǔ)、核心, 通過它才能真正按人的意向通過設(shè)計、改造、生產(chǎn)特定生物工程產(chǎn)品。 下游工程中關(guān)鍵是發(fā)酵工程的生產(chǎn)和利用生化工程對產(chǎn)物進行提純, 它們是生物技術(shù)產(chǎn)生效益的必要條件。其他工程相互配合,共同組成生物技術(shù)體系。 2. 生物技術(shù)發(fā)展迅速, 任務(wù)內(nèi)容不

21、斷豐富更新, 應(yīng)密切關(guān)注。第二節(jié) 生物技術(shù)的意義及應(yīng)用 生物技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可把生物技術(shù)分為： 醫(yī)學生物技術(shù)、植物生物技術(shù)、動物生物技術(shù)、食品生物技術(shù)、環(huán)境生物技術(shù)和軍事生物技術(shù)等。生物技術(shù)應(yīng)用的意義巨大，主要有以下幾個方面。一. 戰(zhàn)略意義1. 理論上: 生命學科飛躍, 步入按需改造和創(chuàng)造新生物時代, 革命性變化。2. 新技術(shù)革命的重要支柱, 具巨大潛在力量, 不亞于原子裂變和半導(dǎo)體的問世。3. 為解決人類面臨的重大問題提供新途徑, 帶來了希望 (國外稱之為六大危機): 人口問題: A) 節(jié)育: 藥、疫苗, B)優(yōu)生: 遺傳病基因治療。 糧食問題: 綠色革命,高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病新品種 , 單

22、細胞蛋白, 農(nóng)藥、肥料。 能源、資源問題: 生物電池、光合菌、乙醇生產(chǎn)、石油采集菌、生物冶煉。 環(huán)境污染: 石油、污水, 有害金屬污染, 特嗜菌的構(gòu)建。 醫(yī)療保健: 抗衰老、防治心血管病、瘧疾、傳染病、遺傳病(見下)。 戰(zhàn)爭等災(zāi)害：生物戰(zhàn)劑、生物恐怖。二、巨大經(jīng)濟效益, 明顯社會效益(幾個實例)1. 美國生物技術(shù)產(chǎn)值達500億美元以上, 單是藥物達100億美元。估計到2008年，美國生物技術(shù)產(chǎn)品銷售達362億美元以上。2. 1980´年代起, 生物技術(shù)長盛不衰, 公司林立, 美國達2 000多家。3. 各國政府投資逐年增加, 科研人員大量投入 (美國數(shù)十萬人)。三、生物技術(shù)為人類 新

23、醫(yī)療保健開辟新紀元1. 是探索生命奧秘, 解開眾多遺傳之謎的工具。 如中心法則的補充與生命起源的RNA假說, 通過產(chǎn)物表達和蛋白功能分析, 發(fā)現(xiàn)與證實疾病基因(糖尿病的基因)。又如對癌癥發(fā)病機理研究, 除外因外, 還有內(nèi)因， 癌基因, 抗癌基因等。 2. 疾病診斷 分子水平的診斷向更特異、敏感、 快速、簡單、穩(wěn)定方向發(fā)展。如: McAb運用: ELISA、IFA、ELA、 RIA、蛋白質(zhì)免疫診斷。 核酸水平本質(zhì)上診斷: REA、RFLP、 核酸雜交、PCR。 新儀器: 生物傳感器、成像系統(tǒng)、 監(jiān)護康復(fù)系統(tǒng)等。3. 基因治療 從基因水平上對疾病基因進行修復(fù)、替 代。如基因工程構(gòu)建病毒載體導(dǎo)入正?；?因治療先天遺傳病。4. 疾病預(yù)防: 基因工程疫苗、多價