分子生物學(xué)的產(chǎn)生及生物技術(shù)的發(fā)展課件

1、現(xiàn)代生物學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展主講人：朱朝枝 博士、教授Email： 第1頁，共98頁。 分子生物學(xué)的誕生二分子生物學(xué)產(chǎn)生的基礎(chǔ) 3一新科學(xué)誕生的啟示三現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展四第2頁，共98頁。（一）孟德爾遺傳定律及其重新發(fā)現(xiàn)（二）遺傳的染色體學(xué)說（三）DNA是遺傳物質(zhì)的證明（四）物理學(xué)對分子生物學(xué)研究的滲透分子生物學(xué)產(chǎn)生的基礎(chǔ) 3一第3頁，共98頁。（一）孟德爾遺傳定律及其重新發(fā)現(xiàn)第4頁，共98頁。格里哥孟德爾（Gregor Johann Mendel，1822年1884年）是一位奧地利遺傳學(xué)家，遺傳學(xué)的奠基人。又譯門德爾。1822年7月22日孟德爾生于奧地利。第5頁，共98頁。約從1856年到1863年

2、，他進(jìn)行了8年的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)。孟德爾于1865年在布呂恩自然科學(xué)研究協(xié)會上報(bào)告了他的研究結(jié)果。1866年又在該會會刊上發(fā)表了題為植物雜交試驗(yàn)的論文。他在這篇論文中提出了遺傳因子（現(xiàn)稱基因)及顯性性狀、隱性性狀等重要概念，并闡明其遺傳規(guī)律，后人稱之為孟德爾定律(包括分離定律及獨(dú)立分配定律）。 第6頁，共98頁。第7頁，共98頁。第8頁，共98頁。孟德爾最早提出遺傳因子（即基因）概念，并從生殖細(xì)胞著眼，提出了自己的見解。遺憾的是，孟德爾的這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)和見解，在當(dāng)時(shí)并沒有引起生物學(xué)界的注意。直到35年之后，即1900年才被荷蘭的弗里斯、德國的科倫斯、與奧地利的契馬克等植物學(xué)家重新發(fā)現(xiàn)。 第9頁，共9

3、8頁。（二）遺傳的染色體學(xué)說第10頁，共98頁。孟德爾定律的重新發(fā)現(xiàn)，使得人們有可能把遺傳實(shí)驗(yàn)的成果與19世紀(jì)細(xì)胞學(xué)上所揭示的染色體行為聯(lián)系起來考察。為染色體學(xué)說打下牢固基礎(chǔ)，并使之發(fā)展為基因理論的是摩爾根及其合作者。第11頁，共98頁。摩爾根(18661945) Morgan，Thomas Hunt .美國胚胎學(xué)家，遺傳學(xué)家。由于他發(fā)現(xiàn)了果蠅的遺傳機(jī)制，在1933年獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎。 第12頁，共98頁。摩爾根的基因論是遺傳學(xué)與細(xì)胞學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，其重大意義在于：把孟德爾式虛構(gòu)的遺傳單位遺傳因子具體化為念珠狀物質(zhì)微粒，這就促使人們?yōu)楦闱宄虻幕瘜W(xué)本質(zhì)而努力。 第13頁，共98頁。（

4、三）DNA是遺傳物質(zhì)的證明第14頁，共98頁。盡管由于摩爾根及其學(xué)派的出色工作，使基因?qū)W說得到了普遍的承認(rèn)，但直到1953年DNA雙螺旋模型提出之前，人們對于基因的理解仍缺乏準(zhǔn)確的物質(zhì)內(nèi)容。遺傳信息的載體到底是什么？仍然是一個(gè)謎。不少科學(xué)家認(rèn)為傳遞遺傳信息的載體是蛋白質(zhì)。 第15頁，共98頁。第一個(gè)用實(shí)驗(yàn)證明遺傳物質(zhì)是DNA分子的是美國著名的微生物學(xué)家艾弗里。1944年，他領(lǐng)導(dǎo)的小組在研究肺炎球菌的轉(zhuǎn)化試驗(yàn)中，證明了DNA是遺傳信息的載體。 第16頁，共98頁。艾弗里（OTAvery）(1877-1955). 加拿大生物化學(xué)家。第17頁，共98頁。他領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組在研究肺炎球菌的轉(zhuǎn)化試驗(yàn)中，證

5、明了DNA是遺傳信息的載體，發(fā)現(xiàn)只有DNA（而不是蛋白質(zhì)）具有轉(zhuǎn)化因子的作用。1944年，他們公開發(fā)表了他們的研究結(jié)果。 第18頁，共98頁。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功震動了整個(gè)生物界，證明DNA才是遺傳信息的真正載體，而蛋白質(zhì)則是由DNA的指令而合成的。這就使生物界長期存在的認(rèn)為遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)是蛋白質(zhì)而不是核酸的認(rèn)識徹底改觀。發(fā)現(xiàn)遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是DNA，這是基因研究上一個(gè)重要的里程碑。第19頁，共98頁。（四）物理學(xué)對分子生物學(xué)研究的滲透第20頁，共98頁。薛定諤（Erwin Schrdinger，18871961）。奧地利理論物理學(xué)家，量子力學(xué)的奠基人之一。1933年和英國物理學(xué)家狄拉克共同獲得了諾

6、貝爾物理學(xué)獎，被稱為量子物理學(xué)之父。 第21頁，共98頁。1945年，奧地利物理學(xué)家、量子力學(xué)創(chuàng)始人之一薛定諤在英國出版了一本關(guān)于生物學(xué)的小冊子生命是什么？，副標(biāo)題是“活細(xì)胞的物理觀”。第22頁，共98頁。他認(rèn)為“基因有一種類似化學(xué)分子的穩(wěn)定性”。他經(jīng)過分析以后認(rèn)為基因可能是一種大分子。他用量子力學(xué)的觀點(diǎn)論證了基因的穩(wěn)定性和突變性發(fā)生的可能性，證明突變是分子躍遷的結(jié)果。他作出了遺傳物質(zhì)是一種分子的斷言。 第23頁，共98頁。薛定諤第一次用物理概念來解釋生命運(yùn)動，人們對生命本質(zhì)的認(rèn)識產(chǎn)生了新的質(zhì)的飛躍。第24頁，共98頁。他的生命是什么？實(shí)際上概括了30年代以來物理學(xué)界對生命物質(zhì)運(yùn)動和遺傳學(xué)問題

7、的看法，啟發(fā)人們用物理學(xué)的思想和方法去探求生命物質(zhì)運(yùn)動的本質(zhì)。這對于生物學(xué)的研究工作起了十分積極的推動作用。第25頁，共98頁。 分子生物學(xué)的誕生二（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立（二）為分子生物學(xué)的誕生做出突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家第26頁，共98頁。（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立第27頁，共98頁。1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立，是分子生物學(xué)誕生的標(biāo)志。這一劃時(shí)代成果的取得，是數(shù)代科學(xué)家相繼奮斗的結(jié)晶，是多學(xué)科交叉、滲透的結(jié)果。第28頁，共98頁。第29頁，共98頁。第30頁，共98頁。（二）為分子生物學(xué)的誕生做 出突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家第31頁，共98頁。1.萊納斯卡爾鮑林的工作第32頁，共98

8、頁。萊納斯卡爾鮑林（Linus Carl Pauling，1901年2月28日1994年8月19日），美國著名化學(xué)家，量子化學(xué)的先驅(qū)者之一。1954年因在化學(xué)鍵方面的工作取得諾貝爾化學(xué)獎。第33頁，共98頁。1962年因反對核彈在地面測試的行動獲得諾貝爾和平獎，成為兩位獲得諾貝爾獎不同獎項(xiàng)的人之一。第34頁，共98頁。2.威爾金斯和富蘭克林的工作第35頁，共98頁。莫里斯威爾金斯（Maurice Hugh Frederick Wilkins，1916年12月15日2004年10月5日，出生于新西蘭）是一位英國分子生物學(xué)家。第36頁，共98頁。其在倫敦國王學(xué)院期間解開了DNA分子結(jié)構(gòu)，以及一些相

9、關(guān)研究，使其與克里克、沃森共同獲得了1962年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。他在國王大學(xué)的同事羅莎琳富蘭克林，也是這項(xiàng)研究的主要貢獻(xiàn)者之一。第37頁，共98頁。羅莎琳埃爾西富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin，1920年7月25日1958年4月16日）是一位英國物理化學(xué)家與晶體學(xué)家。第38頁，共98頁。她所做的研究，專注于DNA、病毒、煤炭與石墨等物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。其中她所拍攝的DNA晶體衍射圖片“照片51號”，以及關(guān)于此物質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，是沃生與克里克解出DNA結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵線索。第39頁，共98頁。3.沃森和克里克的工作第40頁，共98頁。詹姆斯杜威沃森（James Dewey Wats

10、on，生于1928年4月6日），美國生物學(xué)家，二十世紀(jì)分子生物學(xué)的牽頭人。第41頁，共98頁。與克里克共同發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸的雙螺旋結(jié)構(gòu)，因而獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。第42頁，共98頁。佛朗西斯克里克（Francis Harry Compton Crick，1916年6月8日-2004年7月28日），英國生物學(xué)家，物理學(xué)家，及神經(jīng)科學(xué)家。第43頁，共98頁。最重要的成就是1953年在劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室與沃森共同發(fā)現(xiàn)了脫氧核糖核酸（DNA）的雙螺旋結(jié)構(gòu)。二人也因此與維爾金斯共同獲得了1962年的諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎。第44頁，共98頁。4.歐文查哥夫的工作第45頁，共98頁。歐文查哥夫(Erwin

11、 Chargaff)，奧地利生物化學(xué)家。對核酸中的4種堿基的含量的重新測定取得了成果。在艾弗里工作的影響下，他認(rèn)為如果不同的生物種是由于DNA的不同，則DNA的結(jié)構(gòu)必定十分復(fù)雜，否則難以適應(yīng)生物界的多樣性。第46頁，共98頁。他在1948 1952年4年時(shí)間內(nèi)，他利用了比列文時(shí)代更精確的紙層析法分離4種堿基，用紫外線吸收光譜做定量分析，經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于得出了不同于列文的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在DNA大分子中嘌吟和嘧啶的總分子數(shù)量相等，其中腺嘌吟A與胸腺嘧啶T數(shù)量相等，鳥嘌吟G與胞嘧啶C數(shù)量相等。第47頁，共98頁。第48頁，共98頁。三、新科學(xué)誕生的啟示第49頁，共98頁。啟示一：尊重權(quán)威

12、，但敢于挑戰(zhàn)權(quán)威。第50頁，共98頁。 啟示二：多學(xué)科的交叉融合。第51頁，共98頁。啟示三：要善于總結(jié)前人的研究成果。第52頁，共98頁。啟示四：要敢于創(chuàng)新。第53頁，共98頁。啟示五：重視知識的積累。第54頁，共98頁。四、現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展第55頁，共98頁。（一）遺傳密碼的破譯1.桑格的工作20世紀(jì)50年代DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)問世不久，分子生物學(xué)的另一重大成就是1958年英國化學(xué)家桑格（Sanger）應(yīng)用紙層析方法，分析出了一種蛋白質(zhì)胰島素所含51個(gè)氨基酸殘基的序列，第一次證明了蛋白質(zhì)胰島素的每個(gè)分子具有一種獨(dú)特的氨基酸殘基順序。 第56頁，共98頁。桑格(Frederick Sanger)

13、，英國生物化學(xué)家，1918年8月13日生于英國。桑格因確定胰島素的分子結(jié)構(gòu)而獲得1958年諾貝爾化學(xué)獎。1980年他又因設(shè)計(jì)出一種測定DNA(脫氧核糖核酸)內(nèi)核苷酸排列順序的方法而與W吉爾伯特、P伯格共獲1980年諾貝爾化學(xué)獎。桑格是第四位兩次獲此殊榮的科學(xué)家。第57頁，共98頁。2.伽莫夫的工作第一個(gè)提出遺傳密碼具體設(shè)想的不是生物學(xué)家，而是宇宙物理學(xué)家、美籍俄國血統(tǒng)的伽莫夫（G.Gamov）。 他在讀過沃森和克里克的文章后，立刻想到核酸分子中核苷酸只有四種，而蛋白質(zhì)分子中的氨基酸卻有20種，它們對應(yīng)的關(guān)系不可能是1對1的。 他用排列組合的方法推算，提出三聯(lián)體密碼子的概念。第58頁，共98頁。

14、伽莫夫（19041968）Gamow，George美籍蘇聯(lián)物理學(xué)家。1904年3月4日生于俄國敖德薩。第59頁，共98頁。伽莫夫在許多科學(xué)領(lǐng)域都作出重大貢獻(xiàn)。在原子核物理方面，1928 年提出a衰變理論 ，1936年提出衰變的伽莫夫特勒選擇定則。第60頁，共98頁。在宇宙論中，1948年后與勒梅特一起最早提出了天體物理學(xué)的“大爆炸”理論 ，指出宇宙起源于原始的熱核爆炸，化學(xué)元素依次產(chǎn)生于大爆炸后的中子俘獲過程。第61頁，共98頁。在生物學(xué)方面，提出遺傳密碼的概念，對此后遺傳理論的迅速發(fā)展起了很大促進(jìn)作用。第62頁，共98頁。3.遺傳密碼表的建立1963年，經(jīng)過多位科學(xué)家的努力，20種氨基酸的遺

15、傳密碼全部破譯。1969年，64種遺傳密碼的含義也全部被測出。于是一部仿效電波傳輸信息的生物遺傳密碼辭典問世了。 第63頁，共98頁。第64頁，共98頁。4.遺傳密碼表建立的意義這個(gè)遺傳密碼表對于生物學(xué)的意義，可以與化學(xué)上的元素周期律相媲美。它在科學(xué)和哲學(xué)上都有重大意義：第65頁，共98頁。（1）它等于宣布了各種蛋白質(zhì)可以在試管中合成，所有的生物蛋白質(zhì)都可以由無機(jī)物合成。生物與非生物的界線再一次被打破，神創(chuàng)論徹底破產(chǎn)。第66頁，共98頁。（2）從生物大分子水平上再度說明了物質(zhì)的統(tǒng)一性。盡管世界上的生命形態(tài)多種多樣，但生命現(xiàn)象最本質(zhì)的東西卻是高度統(tǒng)一的。第67頁，共98頁。（二）中心法則的建立1

16、958年，克里克（F.Crick，1916）在綜合地分析了50年代末期有關(guān)于遺傳信息流轉(zhuǎn)向的各種資料的基礎(chǔ)上，提出了“中心法則”的概念，認(rèn)為記錄在DNA分子中的遺傳信息被轉(zhuǎn)錄到RNA上，RNA再通過一個(gè)“受體”用信息去指導(dǎo)氨基酸進(jìn)行蛋白質(zhì)含成，而這一過程有著嚴(yán)格的方向性，即DNARNA蛋白質(zhì)。第68頁，共98頁。第69頁，共98頁。（三）生物技術(shù)的產(chǎn)生及其產(chǎn)業(yè)化1.生物技術(shù)的產(chǎn)生綜合運(yùn)用現(xiàn)代生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)的手段，直接或間接地利用生物體、生命體系和生命活動過程生產(chǎn)有用物質(zhì)的一門高級應(yīng)用技術(shù)科學(xué)。第70頁，共98頁。（1）基因工程（2）細(xì)胞工程（3）蛋白質(zhì)與酶工程（4）發(fā)酵工程第71頁，共9

17、8頁。2.生物技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)：利用細(xì)胞和生物分子進(jìn)行藥品、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)開發(fā)和環(huán)境治理的產(chǎn)業(yè)，該產(chǎn)業(yè)技術(shù)由醫(yī)藥生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)和環(huán)境生物技術(shù)共同組成。第72頁，共98頁。（1）生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化-醫(yī)藥醫(yī)藥生物技術(shù)重點(diǎn)攻克癌癥、艾滋病、老年癡呆癥、帕金森病、心臟病、糖尿病等危害人類的頑疾。第73頁，共98頁。2007年4月12日出版的Nature刊登了紐約Memorial Sloan-Kettering癌癥中心Joan Massagu研究組關(guān)于乳腺癌轉(zhuǎn)移的最新研究進(jìn)展。文章稱,在小鼠動物模型中已經(jīng)證實(shí),通過一種簡單的藥物雞尾酒療法可以阻止乳腺癌的轉(zhuǎn)移。 第74頁，共98頁。1982年，基

18、因技術(shù)公司開發(fā)的基因工程人胰島素推向市場，這是第一個(gè)問世的重組人體蛋白類藥物；1986年，第一個(gè)基因工程疫苗重組乙型肝炎疫苗由美國默克公司開發(fā)成功。以后又有多種基因工程藥物和疫苗開發(fā)成功，目前基因工程藥物和疫苗是生物技術(shù)藥物的主流產(chǎn)品。 第75頁，共98頁。診斷試劑 診斷試劑的發(fā)展依賴于整體生物技術(shù)水平的發(fā)展，并主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：早期的化學(xué)液體診斷試劑；二十世紀(jì)50年代放射免疫診斷試劑；二十世紀(jì)60年代酶聯(lián)免疫診斷試劑；二十世紀(jì)70、80年代單克隆抗體試劑；二十世紀(jì)90年代PCR診斷試劑。 第76頁，共98頁?；蛑委?2004年1月，深圳賽百諾基因技術(shù)有限公司將世界上第一個(gè)基因治療產(chǎn)品

19、重組人p53腺病毒注射液（商品名“今又生”）正式推向市場，在世界上引起了巨大反響，這是世界基因治療研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的里程碑。 第77頁，共98頁。組織（器官）工程目前已研制出一些較為成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，包括組織工程化骨、軟骨、肌腱、皮膚等系列組織工程產(chǎn)品，部分產(chǎn)品達(dá)到或接近臨床應(yīng)用階段。 第78頁，共98頁。干細(xì)胞研究在干細(xì)胞研究與應(yīng)用方面也取得可喜進(jìn)展，利用干細(xì)胞定向培育出血液、角膜、神經(jīng)、胰島、肝臟、心肌等細(xì)胞產(chǎn)品，為下一步用于癌癥、心血管疾病、糖尿病、肝臟疾病、帕金森病、老年性癡呆等的替代治療奠定了基礎(chǔ)。 第79頁，共98頁。2008年國內(nèi)外生物技術(shù)領(lǐng)域研究發(fā)展迅速：干細(xì)胞研究有了新突破，可以避開倫理學(xué)的限制開展廣泛研究；人工合成生命有了新進(jìn)展，表現(xiàn)出了巨大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景；基因組快速測序技術(shù)的出現(xiàn)，使人類個(gè)性化醫(yī)療向前邁出了重要的一步；對癌基因進(jìn)行測序，發(fā)現(xiàn)了更多的致癌基因和器官移植的成功實(shí)例，使人們看到了治療疑難病的希望 。第80頁，共98頁。2007年，日本科學(xué)家已經(jīng)利用從胚胎里獲得的細(xì)胞，讓成年老鼠長出了功能健全的牙齒。這為人們利用該技術(shù)制造新器官作為移植物帶來了新的曙光。 第81頁，共98頁。干細(xì)胞造心臟第82頁，共98頁。（2）生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化-農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)著眼于提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。第83頁