現(xiàn)代生物技術(shù)-第1講

1、第七章 現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境污染治理中國科學(xué)院大學(xué)中國科學(xué)院大學(xué)中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心授課內(nèi)容1. 現(xiàn)代生物技術(shù)概況2. 基因工程與環(huán)境污染生物治理3. 細胞工程與環(huán)境污染生物處理4. 酶學(xué)工程與環(huán)境污染生物治理5. 發(fā)酵工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用6. 生態(tài)工程與污水處理系統(tǒng)環(huán)境污染的治理途徑1. 物理方法填埋、轉(zhuǎn)移、過濾、吸附，絮凝2. 化學(xué)方法化學(xué)絮凝、化學(xué)吸收、離子交換、中和、沉淀、氧化、還原、焚燒3.3. 生物方法生物方法飼料、微生物降解、酶解微生物降解、酶解4. 生態(tài)方法通過構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)，將污染物資源化。充分說明污染物是放錯地方的資源 成本低 高技術(shù)的方法

2、 設(shè)備簡單 可以資源化或生產(chǎn)副產(chǎn)物 重要方法之一污染物生物處理什么是現(xiàn)代生物技術(shù)1.生物工程。2.在分子生物學(xué)基礎(chǔ)上建立的創(chuàng)建新的生物類型或新生物機能的實用技術(shù)，是現(xiàn)代生物科學(xué)和工程技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。3.隨著基因組計劃的成功，在系統(tǒng)生物學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展了合成生物學(xué)與系統(tǒng)生物工程學(xué)，開發(fā)生物資源，涉及農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、環(huán)境生物技術(shù)、工業(yè)生物技術(shù)、醫(yī)藥生物技術(shù)與海洋生物技術(shù)，乃至空間生物技術(shù)等領(lǐng)域，將在21世紀開發(fā)細胞制藥廠、細胞計算機、生物太陽能技術(shù)等發(fā)揮關(guān)鍵作用。分子生物學(xué)微生物學(xué)生物化學(xué)遺傳學(xué)細胞生物學(xué)化學(xué)工程現(xiàn)代生物技術(shù)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)醫(yī)學(xué)生物技術(shù)生物技術(shù)疫苗生物技術(shù)診斷家畜生物技術(shù)海洋生物技術(shù)環(huán)境

3、生物技術(shù)生物學(xué)發(fā)展簡史描述生物學(xué)階段（19世紀中葉）主要是通過外形特征觀察、描述、記載各種生物類型（李時珍本草綱目）尋找他們的一通和進化脈絡(luò)（達爾文物種起源1859）實驗生物學(xué)階段 顯微鏡（胡克17世紀）人類開始從細胞層面認識生物（識） 青霉素發(fā)明（用） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（造） 蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)DNA的發(fā)現(xiàn) 1868年瑞士的年青科學(xué)家米歇爾發(fā)現(xiàn)核酸起，經(jīng)過不斷地研究證明，所有生物細胞都含有核酸(nucleic acid)，生物機體的遺傳信息以密碼形式編碼在核酸分子上 20世紀初，核酸中的堿基大部分由科塞爾及其同事所鑒定。 1912年列文提出核酸中含有等量的種核苷酸，核酸是由四核苷酸單位聚合而成

4、。 1952年，奧地利裔美國生物化學(xué)家查伽夫測定了DNA中4種堿基的含量，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)其中腺嘌呤與胸腺嘧啶的數(shù)量相等，鳥嘌呤與胞嘧啶的數(shù)量相等。核糖脫氧核糖腺嘌呤A鳥嘌呤G尿嘧啶U胞嘧啶C胸腺嘧啶T嚴格的T=A, C=G依賴氫鍵連接螺旋直徑2nm；螺旋周期包含10對堿基；螺距3.4nm；相鄰堿基對平面的間距0.34nmDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)與復(fù)制 從特定的起點開始，稱之為復(fù)制起始點，從起始點雙鏈DNA解旋，形成復(fù)制交叉 半保留復(fù)制 高度忠實性，DNA聚合酶具有自我矯正功能DNA作為遺傳物質(zhì)的優(yōu)點（1）信息量大，可以微縮；（2）表面互補，電荷互補，雙螺旋結(jié)構(gòu)說明了精確復(fù)制的機理；（3）核糖的2

5、位脫氧，在水溶液中穩(wěn)定性好；（4）可以突變，以求進化；（5）有T無U，基因組得以增大，而無C脫氨基成U會帶來潛在危險。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)1.沃森、克里克立即想到4種堿基之間存在著兩兩對應(yīng)的關(guān)系，形成了腺嘌呤與胸腺嘧啶配對、鳥嘌呤與胞嘧啶配對的概念。2.1953年，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋的結(jié)構(gòu)，開啟了分子生物學(xué)時代，使遺傳的研究深入到分子層次，“生命之謎”被打開，人們清楚地了解遺傳信息的構(gòu)成和傳遞的途徑。3.在以后的近50年里，分子遺傳學(xué)、分子免疫學(xué)、細胞生物學(xué)等新學(xué)科如雨后春筍般出現(xiàn)，一個又一個生命的奧秘從分子角度得到了更清晰的闡明，DNA重組技術(shù)更是為利用生物工程手段的研究和應(yīng)用開辟了

6、廣闊的前景?；蛘J識的意義 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)認識，開啟了人類的有兩個重要工作 全面認識基因組成生物的全基因普庫基因克隆技術(shù) 基因改造基因工程發(fā)酵技術(shù)重大突破“創(chuàng)造和改造”生物全基因普庫 毛細管電泳技術(shù) 2000：果蠅的基因組圖譜繪制完成。 2000：人類基因組圖譜的繪制工作完成。 2002：瘧原蟲、按蚊的基因組圖譜完成。 2002：完成水稻、小鼠的基因組圖譜。 中國科學(xué)院北京基因組研究所成立于2003年11月28日。 /genbank/ 2011年10月由深圳華大基因研究院組建及運營深圳國家基因庫。常用基因組數(shù)據(jù)庫人類基因組計劃 人類基因組計

7、劃(human genome project, HGP)是由美國科學(xué)家于1985年率先提出，于1990年正式啟動的。 美國、英國、法國、德國、日本和我國科學(xué)家共同參與了這一預(yù)算達30億美元的人類基因組計劃。 按照這個計劃的設(shè)想，在2005年，要把人體內(nèi)約2.5萬個基因的密碼全部解開，同時繪制出人類基因的圖譜。換句話說，就是要揭開組成人體2.5萬個基因的30億個堿基對的秘密。 轉(zhuǎn)錄組mRNA測序 疾病認識，疾病治療克隆技術(shù)-“核移植”1996年7月5日，世界首只克隆羊“多莉”2015年，我國首批轉(zhuǎn)基因克隆牛成功繁育北京農(nóng)學(xué)院位于平谷的試驗基地成年羊的體細胞.克隆豬、克隆猴、克隆牛.克隆人1998

8、年1月12日，歐洲19個國家簽署了禁止克隆人協(xié)議。克隆技術(shù)的意義多莉的誕生證明高度分化成熟的哺乳動物乳腺細胞，仍具有全能性。建立實驗動物模型，探索人類發(fā)病規(guī)律?？寺‘惙N純系動物，提供移植器官。拯救瀕危動物，保護生態(tài)平衡。基因工程 1974年，科恩（Cohen）將金黃色葡萄球菌質(zhì)粒上的抗青霉素基因轉(zhuǎn)到大腸桿菌體內(nèi)，揭開了轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用的序幕 基因工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的核心 轉(zhuǎn)基因技術(shù)克服了雜交技術(shù)的缺陷 克服了基因傳遞物種間的界限 轉(zhuǎn)基因是制造生物，不是生物制造轉(zhuǎn)基因過程的描述 微生物重組 在所有轉(zhuǎn)基因技術(shù)中，以微生物基因重組技術(shù)應(yīng)用最為寬泛和常見。 與動植物不同的是，微生物重組技術(shù)通常需要用到專

9、門的重組基因載體質(zhì)粒。 質(zhì)粒是一種細胞質(zhì)遺傳因子，因此具有不穩(wěn)定的遺傳特性。但相比于動植物，微生物重組技術(shù)具有周期短、效果顯著、控制性強的特點，因而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥和酶制劑行業(yè)。微生物轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用 酵母表達系統(tǒng) 大腸桿菌表達系統(tǒng) 絲狀真菌表達系統(tǒng) 其中畢赤酵母表達系統(tǒng)和大腸桿菌表達系統(tǒng)最受歡迎，具有表達效率高（外源蛋白占細胞總蛋白的10%至40%）、生產(chǎn)成本低的特點 胰島素、白細胞介素、-高溫淀粉酶、重組人p53腺病毒注射液、啤酒酵母乙肝疫苗、重組疫苗、抗生素、飼料用木聚糖酶、殼聚糖酶等都由這兩種表達系統(tǒng)生產(chǎn)的。 人造血液、乙肝疫苗等通過基因工程實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，均為解除人類的病苦，提高人

10、類的健康水平發(fā)揮了重大的作用。 基因工程做成的“超級細菌”能吞食和分解多種污染環(huán)境的物質(zhì)（通常一種細菌只能分解石油中的一種烴類，用基因工程培育成功的“超級細菌”卻能分解石油中的多種烴類化合物。有的還能吞食轉(zhuǎn)化汞、鎘等重金屬，分解DDT等毒害物質(zhì)。）基因診斷與基因治療基因診斷與基因治療 基因治療是把正?；?qū)氩∪梭w內(nèi)，使該基因的表達產(chǎn)物發(fā)揮功能，從而達到治療疾病的目的，這是治療遺傳病的最有效的手段?；摲椒ㄊ牵夯蛑脫Q、基因修復(fù)、基因增補和基因失活等。 運用基因工程設(shè)計制造的“DNA探針”檢測肝炎病毒等病毒感染及遺傳缺陷，不但準確而且迅速。通過基因工程給患有遺傳病的人體內(nèi)導(dǎo)入正?；蚩伞耙淮涡?/p>

11、”解除病人的疾苦。 但基因治療技術(shù)尚未成熟，未成熟的關(guān)鍵問題在于： 如何選擇有效的治療基因； 如何構(gòu)建安全載體，病毒載體效率較高，但卻有潛在的危險性； 如何定向?qū)氚屑毎?，并獲得高表達?；蚬こ膛c醫(yī)療Cancer Cell發(fā)表的一篇文章，【用基因工程讓免疫細胞“認識”胰腺癌】近日，由美國西雅圖華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院 Sunil R. Hingorani 的研究團隊，利用通過基因工程改造的小鼠 T 細胞試圖治療患有胰腺癌的小鼠，成功地在不使用化療手段的前提下將小鼠存活時間延長了將近一倍。基因工程在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用 石油污染物降解 多環(huán)芳烴降解 鹵代芳烴講解基因工程菌 尼龍寡聚物基因工程菌 多糖分解基因工

12、程菌 抗重金屬基因工程菌 殺蟲劑降解基因工程菌 植物基因工程轉(zhuǎn)基因植物 從表面上看來，轉(zhuǎn)基因作物同普通植物似乎沒有任何區(qū)別，只是多了能使它產(chǎn)生額外特性的基因。 這個基因可以來自任何一種生命體：比如細菌、病毒、昆蟲。這樣，通過生物工程技術(shù)，人們可以給某種作物植入一種靠雜交方式根本無法獲得的特性，這是人類9000年作物栽培史上的一場空前革命，將大大促進作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。轉(zhuǎn)基因植物的歷史 1983年，世界上最先問世的人工轉(zhuǎn)基因植物是煙草。比利時人Zambryski發(fā)表在EMBO J上。他們將Ti質(zhì)粒pGV3850通過農(nóng)桿菌導(dǎo)入煙草細胞，其T-DNA片段整合進入煙草基因，成功獲得了轉(zhuǎn)基因煙草。標志著轉(zhuǎn)

13、基因植物獲得成功 同年，孟山都公司的轉(zhuǎn)基因土豆獲得成功。 最具商業(yè)價值的是轉(zhuǎn)aroA基因的抗草甘膦轉(zhuǎn)基因植物和轉(zhuǎn)Bt基因的抗蟲植物表達載體的選擇 植物表達載體能夠把目的基因轉(zhuǎn)化到植物細胞，并整合到植物基因組中，最終在植物細胞中表達目的基因。 農(nóng)桿菌 Ti質(zhì)粒 Ri質(zhì)粒 植物病毒如煙草花葉病毒（TMV）植物轉(zhuǎn)化受體植物基因受體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)是指用于轉(zhuǎn)化的外植體通過組織培養(yǎng)途徑或非組織培養(yǎng)途徑，能高效、穩(wěn)定地再生無性系，并能接受外源DNA的整合，對轉(zhuǎn)化選擇系統(tǒng)敏感的再生系統(tǒng)。成功的基因轉(zhuǎn)化有賴于良好的植物受體系統(tǒng)的建立。高效穩(wěn)定的再生能力； 較高的遺傳穩(wěn)定性； 具有穩(wěn)定的外植體來源； 對選擇性抗生素敏感

14、(報告基因)； 對農(nóng)桿菌侵染有敏感性。植物愈傷組織受體系統(tǒng)植物原生質(zhì)體系統(tǒng)生殖細胞受體系統(tǒng)（花粉細胞，卵細胞）外源基因?qū)胫参锏姆椒?DNA直接轉(zhuǎn)移法 化學(xué)刺激法 電擊法 顯微注射法 基因槍法 脂質(zhì)體介導(dǎo)法 微激光束法 花粉通道法 農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒載體介導(dǎo)法農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒載體 天然Ti質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)可分個區(qū)：復(fù)制起始區(qū) （ori區(qū)），該區(qū)段基因調(diào)控Ti質(zhì)粒的自我復(fù)制； 結(jié)合轉(zhuǎn)移區(qū) （Con區(qū)），該區(qū)段存在著與細菌間接合轉(zhuǎn)移的有關(guān)基因，調(diào)控Ti質(zhì)粒在農(nóng)桿菌之間的轉(zhuǎn)移； 轉(zhuǎn)移 DNA 區(qū)（T-DNA區(qū)），T-DNA是農(nóng)桿菌感染植物細胞時，從Ti質(zhì)粒上切割下來轉(zhuǎn)移到植物細胞的一段DNA； 毒性區(qū) （Vir

15、區(qū)），該區(qū)段上的基因能激活T-DNA轉(zhuǎn)移，使農(nóng)桿菌顯出毒性質(zhì)粒T-DNA整合到植物基因組的分子機制主要的轉(zhuǎn)基因作物1983年，世界上第一種基因移植作物是一種含有抗生素藥類抗體的煙草。它在1983年培植出來；直到10年以后，第一種市場化的基因食物才在美國出現(xiàn)，那是一種可以延遲成熟的西紅柿。1996年，由這種西紅柿食品制造的西紅柿餅才得以允許在超市出售。截止2008年，大約有20多種轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的種子已經(jīng)獲準在美國播種，包括玉米、大豆、油菜、土豆、和棉花。中國已開展了棉花、水稻、小麥、玉米和大豆等方面的轉(zhuǎn)基因研究 已經(jīng)取得了很多研究成果，尤其是在轉(zhuǎn)基因棉花研究方面成績突出。轉(zhuǎn)基因作物種植情況（20

16、08）棉花, 1340油菜, 480玉米, 2520大豆, 5860耐除草劑, 6990抗蟲, 1990耐除草劑+抗蟲, 1310轉(zhuǎn)基因植物的安全性黃金大米 關(guān)于基因漂流美國另一個組織 “科學(xué)家關(guān)注聯(lián)盟”曾委托兩個獨立的實驗室分別對廣泛種植的轉(zhuǎn)基因玉米、大豆和油菜三種作物的非轉(zhuǎn)基因品種的種子進行基因污染檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)玉米和大豆有50%、油菜籽有83%被轉(zhuǎn)基因污染。關(guān)于對生物多樣性的影響 生物多樣性是地球一切來源的生命有機體在各種生態(tài)系統(tǒng)中的復(fù)雜程度，反映在基因、物種、群落以及生態(tài)系統(tǒng)諸多層面上。生物多樣性與人類的命運休戚相關(guān)。 人們也擔(dān)心轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物對非靶生物造成威脅。 在轉(zhuǎn)基因技術(shù)中，應(yīng)用植

17、物病毒DNA片段作為轉(zhuǎn)基因的元件已很普遍。 人們擔(dān)心采用病毒基因元件可能導(dǎo)致病毒DNA片段與已存在的病毒DNA片段發(fā)生重組 然而令很多學(xué)者不解的是，盡管絕大多數(shù)種植的轉(zhuǎn)基因作物都含有病毒基因元件，迄今卻還從未檢測到大田生長的轉(zhuǎn)基因作物與病毒發(fā)生重組的例子。轉(zhuǎn)基因食品對人類健康的影響沒有百分之百安全的食物，傳統(tǒng)食物在處理不當時也有毒性目前批準上市的轉(zhuǎn)基因食物均已作過嚴格的測試，證明對人類是安全的已有十多年安全食用轉(zhuǎn)基因食品的歷史，應(yīng)可作為長期食用安全的證明不能證明是不安全的，就是安全的目前所有上市的轉(zhuǎn)基因食物都未做過長期毒性測試在美國已經(jīng)發(fā)生過含豬疫苗的轉(zhuǎn)基因玉米污染人食用的玉米和大豆的事件，今

18、后還會有形形色色其他轉(zhuǎn)基因作物通過基因漂流進入人類的食物鏈不能證明是安全的，就是不安全的，至少是 “不知是否安全”毒性問題 20世紀90年代中期，一家生物工程公司研制了一種帶有雪花蓮植物凝集素基因的抗蟲轉(zhuǎn)基因馬鈴薯和玉米。（撤稿） 2013年，法國科學(xué)家證實了轉(zhuǎn)基因玉米又發(fā)腫瘤（ Food and Chemical Toxicology撤稿） 轉(zhuǎn)基因DNA一般約占該種食物所有DNA的25萬分之一，DNA轉(zhuǎn)移到人體內(nèi)的可能性非常小。 在烹飪過程中，已將幾乎所有食物中的DNA降解成碎片。它們多數(shù)是不具任何遺傳信息的片段，并進一步在體內(nèi)被消化吸收。沒有被降解的DNA有一部分隨糞便排到體外。 另有極少

19、量的DNA可能被體內(nèi)吸收進入血液循環(huán)，機體嚴密的防御系統(tǒng)最終會將這些外來DNA消滅掉。致敏性是一個突出的問題轉(zhuǎn)基因食品中含有新基因所表達的新蛋白，有些可能是致敏原，有些蛋白質(zhì)在胃腸內(nèi)消化后的片段也可能有致敏性。轉(zhuǎn)基因食品致敏性評價研究日益受到人們的重視。聯(lián)合國經(jīng)合組織于1996年對轉(zhuǎn)基因食品致敏性評價提出了 “樹形判定法”，具體分析內(nèi)容包括：基因來源；新引入基因的蛋白質(zhì)與已知致敏原的氨基酸序列的同源性；新引入蛋白質(zhì)與發(fā)生過敏個體血清IgE的免疫結(jié)合反應(yīng)；新蛋白的各種物理化學(xué)特性，如是否對熱穩(wěn)定，對胃蛋白酶消化的耐受性等等。過敏事件 星聯(lián)玉米事件（殺蟲蛋白Cry9）。2000年9月，就發(fā)現(xiàn)美國市場玉米面餅等300多種產(chǎn)品中含有微量 “星聯(lián)玉米”，并且少數(shù)人吃了之后引起皮疹、腹瀉或呼吸系統(tǒng)的過敏反應(yīng)并有潛伏效應(yīng)。此事在美國引發(fā)軒然大波。安萬特公司花費了約10億美元。 還有一個典型的例子就是對巴西，堅果過敏的人對轉(zhuǎn)巴西堅果基因后的大豆也產(chǎn)生了過敏?？股乜剐詥栴} 轉(zhuǎn)基因