生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景biotechnologyand

1、四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張義正 教授2002級(jí)碩士生基因工程原理Principle of Gene Engineering引言言三大重中中之重高高技術(shù)生物技術(shù)術(shù)（BT)信息技術(shù)術(shù)（IT）新材料技技術(shù)（納納米技術(shù)術(shù)，NT）生物技術(shù)術(shù)概念與與特征定義：利用活體體生物或或它們的的產(chǎn)物來(lái)來(lái)生產(chǎn)或或修飾一一種產(chǎn)品品以改良良植物和和動(dòng)物、或發(fā)展展具有特特殊用途途的微生生物的技技術(shù)。特征：21世紀(jì)紀(jì)最具潛潛力的高高新技術(shù)術(shù)多學(xué)科、交叉、綜合的的技術(shù)影響最為為深遠(yuǎn)最最廣泛的的技術(shù)生物技術(shù)術(shù)與生物物工程的的區(qū)別Biotechnology andBioengineering生物技術(shù)術(shù)側(cè)重于于利用生生物學(xué)方方法解決決生

2、物體體本身的的問(wèn)題生物工程程則側(cè)重重于利用用工程學(xué)學(xué)方法解解決生物物學(xué)問(wèn)題題生物技術(shù)術(shù)的基礎(chǔ)礎(chǔ)DNA操作技術(shù)術(shù)基因組計(jì)計(jì)劃：人人類基因因組和其其他生物物基因組組計(jì)劃蛋白質(zhì)組組生物信息息學(xué)下游支撐撐技術(shù)與與手段生物技術(shù)術(shù)的類別別傳統(tǒng)生物物技術(shù)：制酒、制醋、制豆瓣瓣工業(yè)生物物發(fā)酵技技術(shù)：抗抗生素發(fā)發(fā)酵、氨氨基酸發(fā)發(fā)酵等現(xiàn)代生物物技術(shù)生物技術(shù)術(shù)的內(nèi)容容基因工程程技術(shù)蛋白質(zhì)工工程技術(shù)術(shù)細(xì)胞（組組織）工工程技術(shù)術(shù)酶工程技技術(shù)發(fā)酵工程程技術(shù)基因工程程的概念念利用DNA體外重組組或PCR擴(kuò)增技術(shù)術(shù)從某種種生物基基因組中中分離感感興趣的的基因，或是用用人工合合成的方方法獲取取基因，然后經(jīng)經(jīng)過(guò)一系系列切割割，加

3、工工修飾，連接反反應(yīng)形成成重組DNA分子，再再將其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)入適當(dāng)當(dāng)?shù)氖荏w體細(xì)胞，以期獲獲得基因因表達(dá)的的過(guò)程.基因工程程(gene engineering)常和以下下名稱混混用:遺傳工程程(genetic engineering);基因克隆隆(gene cloning);分子克隆隆(molecularcloning);基因操作作(gene manipulation);重組DNA技術(shù)(recombination DNAtechnique)克隆(clone):作名詞時(shí)時(shí)指含有有某目的的DNA片段的重重組DNA分子或含含有該重重組分子子的無(wú)性性繁殖系系.作動(dòng)詞時(shí)時(shí)是指基基因的分分離與重重組過(guò)程程。基因工

4、程程技術(shù)及及其應(yīng)用用基因本身身也是一一個(gè)產(chǎn)業(yè)業(yè)Rockfeller大學(xué)將人人肥胖基基因出售售0.2億億美元（1995年3月）Amgen公司將FKBP神經(jīng)免疫疫因子配配體轉(zhuǎn)讓讓達(dá)3.29億美元元（1997年）Millennium公司以4.65億美元元向Bayer公司轉(zhuǎn)讓讓225種基因因的開(kāi)發(fā)發(fā)權(quán)（1998年9月月）蛋白質(zhì)工工程的概概念在基因工工程技術(shù)術(shù)對(duì)編碼碼蛋白質(zhì)質(zhì)的基因因的了解解基礎(chǔ)上上，對(duì)蛋蛋白質(zhì)的的氨基酸酸序列、結(jié)構(gòu)和和功能進(jìn)進(jìn)行分析析，進(jìn)而而通過(guò)對(duì)對(duì)蛋白質(zhì)質(zhì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)、氨基基酸序列列和翻譯譯后的修修飾等手手段改變變甚至創(chuàng)創(chuàng)造出新新的和更更有效的的蛋白質(zhì)質(zhì)。蛋白質(zhì)工工程主要要內(nèi)容主要目標(biāo)標(biāo)

5、蛋白質(zhì)氨氨基酸序序列的分分析蛋白質(zhì)晶晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)分析蛋白質(zhì)功功能預(yù)測(cè)測(cè)和分析析蛋白質(zhì)組組分析細(xì)胞（組組織）工工程概念念利用工程程學(xué)原理理進(jìn)行細(xì)細(xì)胞生物物學(xué)的基基礎(chǔ)研究究和制造造使用活活細(xì)胞的的產(chǎn)品，如組織織工程和和生物加加工工程程。前者者是利用用移植的的細(xì)胞、骨架、DNA、蛋白質(zhì)或或蛋白質(zhì)質(zhì)片段替替代或修修復(fù)已受受傷或損損壞的組組織和器器官；后后者是利利用活活細(xì)胞生生產(chǎn)生物物醫(yī)藥產(chǎn)產(chǎn)品。組織工程程人人造器官官干細(xì)胞：1999年4月月，美美國(guó)的科科研人員員首次成成功地從從成年人人骨髓的的干細(xì)胞胞在體外外培養(yǎng)分分化出軟軟骨、脂脂肪和骨骨骼細(xì)胞胞。標(biāo)志志著干細(xì)細(xì)胞的研研究取得得了重大大進(jìn)展。以這項(xiàng)技技

6、術(shù)為代代表的組組織工程程的突破破具有廣廣闊的應(yīng)應(yīng)用前景景，在不不遠(yuǎn)的將將來(lái)為實(shí)實(shí)現(xiàn)人造造“器官官”成為為可能。酶工程的的概念是酶學(xué)與與工程學(xué)學(xué)的相互互滲透和和結(jié)合所所發(fā)展起起來(lái)以酶酶為研究究對(duì)象，改造并并應(yīng)用酶酶的特異異催化功功能。目目標(biāo)就是是通過(guò)工工程化技技術(shù)大規(guī)規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)和轉(zhuǎn)化化相應(yīng)原原料成為為有用物物質(zhì)的技技術(shù)。傳統(tǒng)的酶酶工程主主要是指指天然酶酶制劑在在工業(yè)上上的大規(guī)規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)與應(yīng)用用。隨著著科學(xué)的的發(fā)展，尤其是是基因工工程技術(shù)術(shù)的日趨趨完善，為酶工工程賦予予了新的的內(nèi)容，特別是是利用DNA操作技術(shù)術(shù)，修飾飾改造酶酶分子的的結(jié)構(gòu)或或活性位位點(diǎn)、酶酶與底物物作用位位點(diǎn)，重重組酶的的生產(chǎn)，模

7、擬酶酶的人工工設(shè)計(jì)與與合成等等成為新新的內(nèi)容容。酶工程的的主要內(nèi)內(nèi)容酶的分離離純化酶與細(xì)胞胞的固定定化技術(shù)術(shù)及反應(yīng)應(yīng)器酶制劑的的發(fā)酵生生產(chǎn)酶分子化化學(xué)修飾飾、遺傳傳突變及及結(jié)構(gòu)改改造酶抑制劑劑與激活活劑開(kāi)發(fā)發(fā)與研究究人工設(shè)計(jì)計(jì)與合成成模擬酶酶及酶分分子發(fā)酵工程程概念發(fā)酵工程程屬于生生物技術(shù)術(shù)的下游游技術(shù)，是工業(yè)業(yè)化大規(guī)規(guī)模培養(yǎng)養(yǎng)細(xì)胞、生產(chǎn)生生物制品品的一種種技術(shù)。傳統(tǒng)的發(fā)發(fā)酵工程程主要用用于微生生物?，F(xiàn)現(xiàn)代生物物技術(shù)還還包括動(dòng)動(dòng)物、植植物細(xì)胞胞和工程程菌的發(fā)發(fā)酵培養(yǎng)養(yǎng)。 發(fā)酵工程程技術(shù)發(fā)酵對(duì)象象：傳統(tǒng)微生生物發(fā)酵酵、基因因工程菌菌發(fā)酵、動(dòng)物細(xì)細(xì)胞培養(yǎng)養(yǎng)、植物細(xì)胞胞培養(yǎng)發(fā)酵類型型：液體發(fā)酵酵、固

8、體體發(fā)酵、固定化化培養(yǎng)、流式發(fā)發(fā)酵發(fā)酵技術(shù)術(shù)設(shè)備生物技術(shù)術(shù)的應(yīng)用用領(lǐng)域醫(yī)藥：生物制藥藥；基因因治療；人工器器官農(nóng)業(yè)和畜畜牧業(yè)轉(zhuǎn)基因植植物：抗病蟲(chóng)蟲(chóng)害新品品種、抗抗逆新品品種、高高品質(zhì)質(zhì)新品種種轉(zhuǎn)基因動(dòng)動(dòng)物：生產(chǎn)有有用蛋白白質(zhì)和高高品質(zhì)的的畜產(chǎn)品品生物反應(yīng)應(yīng)器：利用動(dòng)動(dòng)植物細(xì)細(xì)胞或組組織作為為生物反反應(yīng)器，直接生生產(chǎn)有用用蛋白質(zhì)質(zhì)生物技術(shù)術(shù)的應(yīng)用用領(lǐng)域輕工與食食品新型食品品；營(yíng)養(yǎng)養(yǎng)食品；保健食食品；輕輕工用酶酶環(huán)境污染治理理；廢物物利用；污染物物生物降降解生物技術(shù)術(shù)產(chǎn)業(yè)化化生物技術(shù)術(shù)產(chǎn)業(yè)：利用細(xì)胞胞和生物物分子進(jìn)進(jìn)行藥品品、農(nóng)產(chǎn)產(chǎn)品生產(chǎn)產(chǎn)開(kāi)發(fā)和和環(huán)境治治理的產(chǎn)產(chǎn)業(yè)，該該產(chǎn)業(yè)技技術(shù)由醫(yī)醫(yī)藥生物物技

9、術(shù)、農(nóng)業(yè)生生物技術(shù)術(shù)和環(huán)境境生物技技術(shù)共同同組成醫(yī)藥生物物技術(shù)重點(diǎn)攻克克癌癥、艾滋病病、老年年癡呆癥癥、帕金金森病、心臟病病、糖尿尿病等危危害人類類的頑疾疾農(nóng)業(yè)生物物技術(shù)著眼于提提高農(nóng)產(chǎn)產(chǎn)品的產(chǎn)產(chǎn)量和質(zhì)質(zhì)量。環(huán)境生物物技術(shù)重點(diǎn)用于于清除危危險(xiǎn)廢棄棄物-美國(guó)生生物技術(shù)術(shù)工業(yè)組組織生物制藥藥產(chǎn)業(yè)化化特點(diǎn)高技術(shù)：高層次次人才，高新技技術(shù)手段段，多學(xué)學(xué)科滲透透高投入：在國(guó)外外，一個(gè)個(gè)生物藥藥品平均均要投入入13億美元元，并隨隨著開(kāi)發(fā)發(fā)難度的的增大,有逐步步增高的的趨勢(shì)長(zhǎng)周期：國(guó)際上上，一個(gè)個(gè)新的生生物藥品品需要68年年時(shí)間高風(fēng)險(xiǎn):一一個(gè)新新藥品的的開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)一一系列的的程序-研發(fā)、中試、動(dòng)物實(shí)實(shí)驗(yàn)、I

10、III期臨床實(shí)實(shí)驗(yàn)，上上市和嚴(yán)嚴(yán)格的藥藥政監(jiān)督督管理。每一步步都可能能失敗，而前功功盡棄高回報(bào):開(kāi)開(kāi)發(fā)成成功一個(gè)個(gè)新的生生物藥品品,回回報(bào)很高高。如美美國(guó)Amgen公司，首首次開(kāi)發(fā)發(fā)上市的的EPO、G-SCF到1997年的的銷售額額分別接接近和達(dá)達(dá)到20億美元元基因工程程試劑的的高回報(bào)報(bào)堿性成纖纖維細(xì)胞胞生長(zhǎng)因因子231元/ug紅細(xì)胞生生成素1072元元/ug白細(xì)胞介介素-2410元/ug巨細(xì)胞粒粒細(xì)胞集集落刺激激因子1960元/ug胰島素10.2元元/mg全球生物物科技公公司前10名（1999年）公司名稱市值（億美元）98年收入（億美元）Amgen 41627遺傳技術(shù)研究公司18510生物遺

11、傳研究公司1185Elan 894Immunex 712Medimmune 562希龍506Alza 436Centocor 423Genzyme 387美國(guó)生物物技術(shù)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展展情況世界主要要生物藥藥品年銷銷售額（億美元）EPO16.5葡萄糖腦腦苷酯酶酶2.15抗CD3MAb0.8人白細(xì)胞胞介素20.40凝血因子子VIII2.5-干擾素7.00G-CSF9.36-干擾素2.55GM-CSF0.41-干擾素0.04tPA3.0人生長(zhǎng)激激素4.50B型肝炎疫疫苗10.0人胰島素素7.00美國(guó)生物物制藥產(chǎn)產(chǎn)品種類類及數(shù)量量（PHRAM）疾病種類類產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)數(shù)量疾疾病病種類產(chǎn)產(chǎn)品品數(shù)量感染性疾疾病39

12、心心臟病26神經(jīng)系統(tǒng)統(tǒng)疾病28呼呼吸系統(tǒng)統(tǒng)疾病22艾滋病及及相關(guān)疾疾病19自自主主免疫系系統(tǒng)疾病病19皮膚病19移移植13消化系統(tǒng)統(tǒng)疾病11遺遺傳疾疾病11血液疾病病9糖糖尿尿病及并并發(fā)癥7不育癥5眼眼病病3生長(zhǎng)發(fā)育育不良癥癥3骨骨質(zhì)質(zhì)疏松2妊娠預(yù)防防2腫腫瘤瘤疾病175基因治療療人數(shù)情情況中國(guó)基因因工程制制藥200多多家生物物技術(shù)公公司生物技術(shù)術(shù)藥品產(chǎn)產(chǎn)值：1996-18億元；1997-30億元元；2000-72億億元可生產(chǎn)藥藥物品種種：約20種國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)業(yè)化生物物藥品概概況產(chǎn)品種類類臨臨床I臨床II臨床III批準(zhǔn)上市市凝血因子子VIIIXVIII細(xì)胞刺激激因子SCFTPOG-CSF,M-CS

13、F,EPO生長(zhǎng)因子子骨骨形成因因子肌肌營(yíng)養(yǎng)養(yǎng)因子FGF，GM-CSF胰島素類類似物血血小板板衍生因因子HGHEGF干擾素IFN,1b, 1b, 2a,n3, 1b, , 1b白介素1,13, 6, 2, 4, 1211激素人人促促卵泡素素甲甲狀旁腺腺素胰胰高高血糖素素胰胰島素素，心鈉鈉素降鈣素促促黃體體生成素素IGF-1甲狀腺刺刺激素酶羧羧肽肽酶尿尿酸氧化化酶葡葡萄腦苷苷酯酶脫氧核糖糖核酸酶酶鏈激酶疫苗CEAHSV,流感病毒毒LymeHBV，HCV其他水水蛭蛭素松松弛素,HB,SODTNF，tPA，白蛋白,殺菌蛋蛋白單單克克隆抗體體可溶性補(bǔ)補(bǔ)體受體體I型中國(guó)生物物醫(yī)藥產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化問(wèn)問(wèn)題缺乏創(chuàng)新新、

14、仿制制產(chǎn)品重復(fù)過(guò)多多、水平平不高投入不足足、少而而分散產(chǎn)權(quán)保護(hù)護(hù)意識(shí)淡淡薄質(zhì)量管理理落后支持技術(shù)術(shù)落后藥政管理理滯后生物技術(shù)術(shù)產(chǎn)業(yè)化化農(nóng)業(yè)業(yè)領(lǐng)域已有35個(gè)科120多多種植物物獲得轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)基因植植物，一一些重要要的農(nóng)作作物獲得得商品化化的轉(zhuǎn)基基因品種種。種植面積積迅猛發(fā)發(fā)展。采用的基基因正在在從抗除除草劑、抗菌素素、抗病病蟲(chóng)害基基因到抗抗逆境、高品質(zhì)質(zhì)方向發(fā)發(fā)展。由單個(gè)質(zhì)質(zhì)量性狀狀基因向向多基因因數(shù)量性性狀轉(zhuǎn)變變。植物反應(yīng)應(yīng)器生產(chǎn)產(chǎn)稀有蛋蛋白。世界轉(zhuǎn)基基因作物物大田釋釋放情況況(1987.1-1998.4)轉(zhuǎn)基因作物特性批準(zhǔn)項(xiàng)數(shù)所占比例抗除草劑129729.6%抗蟲(chóng)104623.8%提高產(chǎn)品質(zhì)量88

15、620.2%抗病毒4369.9%改善農(nóng)學(xué)性狀2114.8%抗真菌病2084.7%其他3036.9%總計(jì)4387100%中國(guó)已獲獲準(zhǔn)進(jìn)入入大田的的轉(zhuǎn)基因因植物（1998.3)轉(zhuǎn)基因植物總項(xiàng)數(shù)48轉(zhuǎn)基因植物種類15抗除草劑3抗蟲(chóng)16抗病16提高品質(zhì)2改善農(nóng)學(xué)性狀1其他10轉(zhuǎn)基因作作物種植植面積生物技術(shù)術(shù)與傳統(tǒng)統(tǒng)中藥中藥現(xiàn)代代化核心心是建立立與現(xiàn)代代基因?qū)W學(xué)說(shuō)相應(yīng)應(yīng)的現(xiàn)代代中藥理理論現(xiàn)代中藥藥理論的的建立確立立中藥與與基因表表達(dá)的關(guān)關(guān)系中藥藥靶靶（基因）或作用用位點(diǎn)基基因的尋尋找中藥化學(xué)學(xué)組：中藥有有效成分分包括較較單一的的成分和和多種成成分中藥臨床床藥效的科學(xué)評(píng)評(píng)價(jià)與分分析方法法生物技術(shù)術(shù)的應(yīng)用用

16、中藥基因因組利用用現(xiàn)代生生物技術(shù)術(shù)研究分分析中藥藥對(duì)人體體（細(xì)胞胞）基因因表達(dá)（蛋白質(zhì)質(zhì)）的影影響。技術(shù)平臺(tái)臺(tái)：大規(guī)模模基因表表達(dá)分析析（基因因芯片、SAGE、蛋白質(zhì)組組等技術(shù)術(shù)）以及及相關(guān)信信息數(shù)據(jù)據(jù)庫(kù)的建建立中藥化學(xué)學(xué)組利用用現(xiàn)代儀儀器分析析技術(shù)分分析有效效成分及及其藥物物代謝、動(dòng)力學(xué)學(xué)。技術(shù)平臺(tái)臺(tái)：色譜及及色譜-質(zhì)譜，色譜-波譜，波譜-波譜聯(lián)聯(lián)用等分分析技術(shù)術(shù)與層析析、臨界界萃取等等分離技技術(shù)中藥新劑劑型一、基因因工程原原理的授授課內(nèi)容容基因工程程流程圖圖第一章分子克隆隆工具酶酶及其應(yīng)應(yīng)用限制性內(nèi)內(nèi)切酶主要用于DNA分子的特特異切割割DNA甲基化酶酶用于DNA分子的甲甲基化核酸酶用于DN

17、A和RNA的非特異異性切割割核酸聚合合酶用于DNA和RNA的合成核酸連接接酶用于DNA和RNA的連接核酸末端端修飾酶酶用于DNA和RNA的末端修修飾其它酶類類-用于于生物細(xì)細(xì)胞的破破壁，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化，核核酸純化化，檢測(cè)測(cè)等第二章分子克隆隆載體分子克隆隆載體特特點(diǎn)分子克隆隆載體種種類細(xì)菌克隆隆載體:E.coli克隆載體體(質(zhì)粒粒型、噬噬菌體型型、COS質(zhì)粒型、噬粒型型 (phagemid)G-菌克隆載載體;G+菌克隆載載體;鏈鏈霉菌菌克隆載載體酵母菌克克隆載體體絲狀真菌菌克隆載載體植物克隆隆載體動(dòng)物克隆隆載體克隆載體體的選擇擇克隆載體體的構(gòu)建建第三章核酸技術(shù)術(shù)核酸分離離純化技技術(shù)-DNA/供體、載載體、片片段，RNA/總RNA、mRNA、多聚核糖糖體RNA核酸電泳泳技術(shù)(DNA和RNA)：常規(guī)電泳泳，脈沖沖場(chǎng)凝膠膠電泳，毛細(xì)管管電泳DNA限制酶切切和限制制酶圖譜譜繪制技技術(shù)DNA分子的連連接技術(shù)術(shù)DNA聚合酶鏈鏈?zhǔn)椒磻?yīng)應(yīng)(PCR技術(shù))核酸雜交交技術(shù)原位位、斑點(diǎn)點(diǎn)、Southern、Northern、Western核酸測(cè)序序技術(shù)化學(xué)學(xué)法、酶酶法第四章基因文庫(kù)庫(kù)的構(gòu)建建基因組文文庫(kù)的構(gòu)構(gòu)建cDNA文庫(kù)的構(gòu)構(gòu)建第五章基因的分分離與鑒鑒定基因的分分離與鑒鑒定方法法真核基因因分離實(shí)實(shí)例染色體ARS的分離鑒鑒定著絲粒DNA的分高鑒