細胞工程 第一章 緒論

細胞工程李志勇編著講課

26學(xué)時，實驗

6學(xué)時課外

0學(xué)時，合計32學(xué)時

1當前第1頁\共有59頁\編于星期四\21點成績期末考試成績70%實驗成績10%平時成績20%(根據(jù)考勤,按照點名次數(shù)平均分配)2當前第2頁\共有59頁\編于星期四\21點第一章緒論3當前第3頁\共有59頁\編于星期四\21點細胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)單位和功能單位，隨著細胞生物學(xué)和分子生物學(xué)突飛猛進的反戰(zhàn)，20世紀70年代末至80年代初出現(xiàn)了細胞工程這一新型學(xué)科。細胞工程(cellengineering)是應(yīng)用細胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的方法，在細胞整體水平或細胞器水平上，按照人們的意愿來改變細胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)以獲得新型生物或特種細胞產(chǎn)品的一門綜合性科學(xué)技術(shù)。細胞工程當前第4頁\共有59頁\編于星期四\21點1生物工程也稱生物工藝學(xué)，一般稱為生物技術(shù)。以生命科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物體系和工程學(xué)原理生產(chǎn)生物制品和創(chuàng)造新物種的一門綜合技術(shù)。換言之，就是利用生物有機體（從微生物直至高等動物）或其組成部分（器官組織細胞）發(fā)展新工藝或制造新產(chǎn)品的一種科學(xué)技術(shù)。當前第5頁\共有59頁\編于星期四\21點發(fā)展歷程第一代生物工程4000年前

釀酒1680顯微鏡列文胡克制成顯微鏡

清康熙十九年當前第6頁\共有59頁\編于星期四\21點7當前第7頁\共有59頁\編于星期四\21點8當前第8頁\共有59頁\編于星期四\21點古代的中國是怎么釀酒蒸煮糧食，是中國人釀酒的第一道程序，糧食拌入酒曲，經(jīng)過蒸煮后，更有利于發(fā)酵，在傳統(tǒng)工藝中，半熟的糧食出鍋后，要鋪撒在地面上，這是釀酒的第二道程序，也就是攪拌、配料、堆積和前期發(fā)酵的過程。晾曬糧食的地面有一個專門的名字，叫晾堂。酒窖，內(nèi)壁和底部都用純凈的黃泥土涂抹，窖泥厚度8厘米到25厘米不等。酒窖里進行的是釀酒的第三道程序，對原料進行后期發(fā)酵。經(jīng)過窖池發(fā)酵老熟的酒母，酒精濃度還很低，需要經(jīng)進一步的蒸餾和冷凝，才能得到較高酒精濃度的白酒，傳統(tǒng)工藝采用俗稱天鍋的蒸餾器來完成。在基座上架著巨大的天鍋，天鍋分上下兩層，下面的鍋里裝酒母，上面的鍋里裝冷水，基座上柴火旺盛，蒸煮酒母，含有酒精的氣體被上面的冷水冷卻，凝成液體，從管道流出，這就是蒸餾酒。

當前第9頁\共有59頁\編于星期四\21點1857巴斯德清朝咸豐年間(1850～1861)證實酒精發(fā)酵是由活酵母引起的，其他發(fā)酵產(chǎn)物也是由不同微生物的作用而形成。19世紀末到20世紀30年代,工業(yè)發(fā)酵過程陸續(xù)出現(xiàn)，如，乳酸,酒精,丙酮,檸檬酸,淀粉酶等的生產(chǎn)。但是，上述產(chǎn)品大多數(shù)是嫌氣發(fā)酵過程的產(chǎn)物，產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)比較簡單，屬于初級代謝產(chǎn)物，同時生產(chǎn)過程也比較簡單，對設(shè)備的要求不高，規(guī)模不大。當前第10頁\共有59頁\編于星期四\21點第二代生物工程(近代生物工程)1928發(fā)現(xiàn)青霉素，1943年,工業(yè)化20世紀40年代第二次世界大戰(zhàn)時期，軍隊需要一種有效而副作用小的抗細菌感染的藥物治療因創(chuàng)傷引起的感染及繼發(fā)性疾病。1928弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素，1940年證明具有卓越療效和低毒。但是大規(guī)模制備困難。1941年，美國和英國合作對青霉素的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)進行研究和開發(fā)，1943年開發(fā)出一條青霉素沉浸培養(yǎng)工藝。不久，鏈霉素，金霉素，新霉素等相續(xù)問世，抗生素工業(yè)的興起標志著工業(yè)微生物的生產(chǎn)進入了一個新的階段。當前第11頁\共有59頁\編于星期四\21點抗生素生產(chǎn)的經(jīng)驗促進其他發(fā)酵產(chǎn)品的發(fā)展，最突出的是20世紀50年代氨基酸發(fā)酵工業(yè)和60年代的酶制劑工業(yè)，與第一代生物工程產(chǎn)品相比，這一時期的特點是：1產(chǎn)品類型多,包括初級代謝產(chǎn)物，次級代謝產(chǎn)物，以及生物轉(zhuǎn)化，酶反應(yīng)等產(chǎn)品。2技術(shù)要求高,生產(chǎn)過程需在無菌條件下進行3大多數(shù)為好氣發(fā)酵4發(fā)酵規(guī)模大12當前第12頁\共有59頁\編于星期四\21點第三代生物工程(現(xiàn)代生物工程)1953年,美國的沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，為DNA重組奠定了基礎(chǔ)，1974年美國的波依耳和科恩首次在實驗室中實現(xiàn)了基因轉(zhuǎn)移，從而使人們有可能在實驗室中組建按照人們意志設(shè)計新的生命體。

20世紀70年代后，隨著基因重組，細胞和組織培養(yǎng)，酶的固定化，動物植物細胞的大規(guī)模培養(yǎng)，現(xiàn)代化生物反應(yīng)器和計算機的應(yīng)用，以及產(chǎn)品分離，純化等技術(shù)的發(fā)展，生物工程進入了一個新的發(fā)展階段------現(xiàn)代生物工程階段。當前第13頁\共有59頁\編于星期四\21點這期間的現(xiàn)代生物技術(shù)以及產(chǎn)品的特點是運用了DNA重組技術(shù)產(chǎn)品有：干擾素，胰島素，生長激素及其相關(guān)因子，淋巴細胞活素，血纖維蛋白溶解劑，疫苗，胸腺素，白蛋白，血因子，促紅細胞生長素，促血小板生長素，降血鈣素，絨帽促性腺激素，抗血友病因子，乙型肝炎疫苗，以及氨基酸，食品加工酶，單細胞蛋白，生物殺蟲劑，生物殺菌劑，生物完全降解塑料等等。14當前第14頁\共有59頁\編于星期四\21點15當前第15頁\共有59頁\編于星期四\21點其中最具代表性生物技術(shù)產(chǎn)品為轉(zhuǎn)基因生物和克隆動物。目前，美國40％以上的農(nóng)田種植了經(jīng)過基因改良的作物。我國的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物和林木已有22種，轉(zhuǎn)基因棉花，大豆，菠菜等已經(jīng)進行田間試驗。其中抗蟲棉已經(jīng)開始規(guī)?；唐飞a(chǎn)。1996年7月英國成功采用成體體細胞克隆出綿羊多莉更是一項里程碑的現(xiàn)代生物工程成果。16當前第16頁\共有59頁\編于星期四\21點17當前第17頁\共有59頁\編于星期四\21點現(xiàn)代生物工程的特點和組成生物工程與生物學(xué),化學(xué)等基礎(chǔ)理論科學(xué)的區(qū)別顯而易見,后者主要為前者提供某種生物產(chǎn)品的制造的理論支撐。生物工程操作的對象是有生命的物質(zhì),這是與化學(xué)工程等其他工程類學(xué)科最明顯的不同。當前第18頁\共有59頁\編于星期四\21點19當前第19頁\共有59頁\編于星期四\21點2生物技術(shù)的組成發(fā)酵工程酶工程蛋白質(zhì)工程基因工程生化工程細胞工程當前第20頁\共有59頁\編于星期四\21點現(xiàn)代發(fā)酵工程主要指利用微生物、包括利用DNA重組技術(shù)改造的微生物在全自動發(fā)酵罐或生物反應(yīng)器中生產(chǎn)某種商品的技術(shù)?，F(xiàn)代發(fā)酵工程是生物代謝、微生物生長動力學(xué)、大型發(fā)酵罐或生物反應(yīng)器研制、化工原理等密切結(jié)合和應(yīng)用的結(jié)果。發(fā)酵工程當前第21頁\共有59頁\編于星期四\21點當前第22頁\共有59頁\編于星期四\21點23當前第23頁\共有59頁\編于星期四\21點酶工程酶是由生物體產(chǎn)生的具有催化劑活性的蛋白質(zhì)，他們可特定地促成某個化學(xué)反應(yīng)而他們本身卻不參與反應(yīng)，具有反應(yīng)效率高，反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)產(chǎn)物污染小，能耗低，反應(yīng)容易控制等特點。酶工程就是利用酶的催化作用，采用適當?shù)纳裎追磻?yīng)器工業(yè)化地生產(chǎn)人類所需的產(chǎn)品或是達到某一特殊目的的一門生物工程技術(shù)。它是酶學(xué)原理和化工技術(shù)相結(jié)合而形成的一項高新技術(shù)。酶工程種開發(fā)生產(chǎn)的酶主要6大類，氧化還原酶，轉(zhuǎn)移酶，水解酶，裂解酶，連接酶，異構(gòu)酶當前第24頁\共有59頁\編于星期四\21點蔗糖轉(zhuǎn)葡糖基酶當前第25頁\共有59頁\編于星期四\21點酶工程的研究和應(yīng)用范圍包括：1、天然酶的分離純化以及鑒定和生產(chǎn)2、酶的固定化3、酶生物反應(yīng)器的研制和應(yīng)用蛋白質(zhì)種類繁多，可以根據(jù)他們在生物體內(nèi)所起的作用不同，分成5大類：酶蛋白：專一高效生物催化劑運載蛋白結(jié)構(gòu)蛋白抗體激素26當前第26頁\共有59頁\編于星期四\21點蛋白質(zhì)工程的主要步驟通常包括：（1）從生物體中分離純化目的蛋白；（2）測定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和X射線晶體衍射等手段，盡可能地了解蛋白質(zhì)的二維重組和三維晶體結(jié)構(gòu);(4）設(shè)計各種處理條件，了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，包括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響；（5）設(shè)計編碼該蛋白的基因改造方案，如點突變；（6）分離、純化新蛋白，功能檢測后投入實際使用。蛋白質(zhì)工程proteinengineering當前第27頁\共有59頁\編于星期四\21點28當前第28頁\共有59頁\編于星期四\21點“后基因組時代”將是“蛋白質(zhì)組學(xué)時代”，即從對基因信息的研究轉(zhuǎn)向?qū)Φ鞍踪|(zhì)信息的研究，包括研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能與應(yīng)用及蛋白質(zhì)相互關(guān)系和作用。蛋白質(zhì)工程就是在對蛋白質(zhì)的化學(xué)、晶體學(xué)、動力學(xué)等結(jié)構(gòu)與功能認識的基礎(chǔ)上，對蛋白質(zhì)人工改造與合成，最終獲得商業(yè)化的產(chǎn)品。當前第29頁\共有59頁\編于星期四\21點蛋白質(zhì)工程研究方向包括以下兩個方面：1基因工程水平上的蛋白質(zhì)改造：通過基因融合或基因定位誘變等手段改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能；降DNA合成技術(shù)用于蛋白質(zhì)功能片斷多肽基因的合成，可創(chuàng)造結(jié)構(gòu)和功能全新的蛋白質(zhì)。2蛋白質(zhì)修飾：酶工業(yè)上，對蛋白質(zhì)分子進行化學(xué)修飾，提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性或催化能力，或更適合酶固定化而用于實踐。在醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用上，可延長蛋白質(zhì)藥物的生物半衰期，改變其免疫原性，提高對蛋白酶的抗性。當前第30頁\共有59頁\編于星期四\21點基因工程是指在微觀領(lǐng)域（分子水平）中，根據(jù)分子生物學(xué)和遺傳學(xué)原理，設(shè)計并實施一項把一個生物體中有用的目的DNA(遺傳信息)轉(zhuǎn)入另一個生物體中，使后者獲得新的需要的遺傳性狀或表達所需要的產(chǎn)物，最終實現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)價值。基因工程基因工程與建筑工程當前第31頁\共有59頁\編于星期四\21點基因工程與建筑工程當前第32頁\共有59頁\編于星期四\21點生化工程生物化學(xué)工程是由生物科學(xué)與化學(xué)工程相結(jié)合的交叉學(xué)科，主要研究將生物技術(shù)的實驗室研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力過程帶有共性的工程技術(shù)問題，是生物技術(shù)的一個重要組成部分。早期的生物化學(xué)工程曾經(jīng)為發(fā)酵和酶反應(yīng)過程的產(chǎn)品迅速發(fā)展做出杰出貢獻。20世紀80年代后，生物化學(xué)工程則主要轉(zhuǎn)向為基因工程，細胞工程等現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化服務(wù)。當前第33頁\共有59頁\編于星期四\21點34當前第34頁\共有59頁\編于星期四\21點今后生物化學(xué)工程重點研究方向大致包括以下4個方面：1、新型生物反應(yīng)器系統(tǒng)以及相關(guān)培養(yǎng)和放大技術(shù),工藝的研究與開發(fā);2、新型分離方法和設(shè)備的研究開發(fā);

3、描述生物反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型的建立;4、生產(chǎn)過程在線檢測和控制手段的完善.當前第35頁\共有59頁\編于星期四\21點36當前第36頁\共有59頁\編于星期四\21點二、細胞工程37當前第37頁\共有59頁\編于星期四\21點多核細胞發(fā)現(xiàn)植物學(xué)：1902年德國植物學(xué)家發(fā)現(xiàn)植物細胞全能性。

1934年生長素發(fā)現(xiàn)

1937年離體培養(yǎng)胡蘿卜組織，并使細胞增殖1960年原生質(zhì)體制備

1972年體細胞雜種植株動物學(xué)

1907年培養(yǎng)蛙胚神經(jīng)組織

1965年動物細胞融合誘導(dǎo)細胞工程的發(fā)展歷史當前第38頁\共有59頁\編于星期四\21點細胞工程發(fā)展到今天，人們借助于細胞工程技術(shù)可以把生命像積木那樣組裝起來，進行細胞水平上的生命組合。一只老鼠有3個父親、4個母親，而且還都是絕對有“血緣”關(guān)系的。這些聽起來有些令人難以置信，但科學(xué)家已經(jīng)將它變成了現(xiàn)實。這是細胞工程在動物身上取得的一次成功試驗。1977年英國采用胚胎工程技術(shù)培育出世界首例試管嬰兒；1997年英國利用成年動物體細胞克隆出綿羊多莉。2001年培育出轉(zhuǎn)基因克隆豬。當前第39頁\共有59頁\編于星期四\21點2主要研究內(nèi)容對象：微生物，植物，動物技術(shù)：融合，拆合，染色體導(dǎo)入，胚胎和細胞核移植水平：細胞，組織，細胞器，基因

分類不同：40當前第40頁\共有59頁\編于星期四\21點2細胞工程的研究內(nèi)容1動植物細胞與組織培養(yǎng)2細胞融合3染色體工程4胚胎工程5細胞遺傳工程隨著細胞生物學(xué)，分子生物學(xué)，遺傳學(xué)等學(xué)科發(fā)展核研究的日益深入，細胞工程近年來得到快速的發(fā)展，以及成為現(xiàn)代生物工程的一個重要代表性領(lǐng)域，具體而言，細胞工程的一些研究領(lǐng)域包括：41當前第41頁\共有59頁\編于星期四\21點1動植物細胞與組織培養(yǎng)該技術(shù)最顯著的價值在于優(yōu)良植物的快速繁育與代謝產(chǎn)物的大量制備方面。動植物細胞與組織培養(yǎng)可分為三個層次上的培養(yǎng)：細胞培養(yǎng)，組織培養(yǎng)和器官培養(yǎng)。以工業(yè)生產(chǎn)為目的細胞培養(yǎng)不受氣候季節(jié)限制，可以大量培養(yǎng)細胞獲得藥物和其他有用物質(zhì)，無論在生物學(xué)基礎(chǔ)研究，還是生產(chǎn)實踐中都發(fā)揮著越來越大的作用。例如利用生物反應(yīng)器生產(chǎn)人參等高價值生物的細胞，生產(chǎn)有藥效用成分。42當前第42頁\共有59頁\編于星期四\21點當前第43頁\共有59頁\編于星期四\21點2細胞融合細胞融合最大的貢獻是在動植物，微生物新品種的培育方面。原生質(zhì)體融合有可能克服有性雜交的不親和性而使葉綠體，線粒體等細胞基因組合在一起。利用原生質(zhì)融合并配合原生質(zhì)培養(yǎng)已得到了一些體細胞雜種植株。采用自然或人工的方法使兩個或幾個不同細胞（或原生質(zhì)體）融合為一個細胞，用于產(chǎn)生新的物種或品系及產(chǎn)生單克隆抗體。44當前第44頁\共有59頁\編于星期四\21點3染色體工程45當前第45頁\共有59頁\編于星期四\21點46當前第46頁\共有59頁\編于星期四\21點染色體工程師按照人們的需要來添加，削減或替換生物的染色體的一種技術(shù)。主要分為動物染色體工程和植物染色體工程兩種。動物染色體工程主要采用對細胞進行微操作的方法來達到轉(zhuǎn)移基因的目的。植物細胞工程主要利用傳統(tǒng)的雜交，回交的方法達到改變?nèi)旧w的目的。染色體工程技術(shù)最大的價值體現(xiàn)在新品種的選育，主要是單倍體和多倍體育種方法，四倍體小麥，八倍體小黑麥等。3染色體工程47當前第47頁\共有59頁\編于星期四\21點48當前第48頁\共有59頁\編于星期四\21點49當前第49頁\共有59頁\編于星期四\21點4胚胎工程

50當前第50頁\共有59頁\編于星期四\21點4胚胎工程這項技術(shù)主要對哺乳動物的胚胎進行某種人為的工程技術(shù)操作獲得人們所需要的成體動物。胚胎工程采用的新技術(shù)包括胚胎分割技術(shù)，胚胎融合技術(shù)，卵核移植技術(shù)，體外受精技術(shù)，胚胎培養(yǎng)，胚胎移植，以及性別鑒定技術(shù)，胚胎冷凍技術(shù)等。胚胎工程的最成功的應(yīng)用領(lǐng)域體現(xiàn)在畜牧業(yè)，主要是胚胎移植技術(shù)進行優(yōu)良品種的快速繁殖和胚胎保存。對于人類，試管嬰兒培育技術(shù)也為人類做出了貢獻。當前第51頁\共有59頁\編于星期四\21點5細胞遺傳工程主要包括克隆和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，前者主要是指無性繁殖，如動物克隆是指由一個動物經(jīng)無性繁殖而產(chǎn)生的遺傳性狀完全相同的后代個體。后者是指將外源基因整合到生物體內(nèi)，得到穩(wěn)定表達，并使該基因能穩(wěn)定地遺傳給后代的實驗技術(shù)，是改變物質(zhì)遺傳性狀的有效途徑。當前第52頁\共有59頁\編于星期四\21點細胞工程重要應(yīng)用當今，細胞工程已經(jīng)稱為生物學(xué)家手中經(jīng)常應(yīng)用的技術(shù)之一。并已經(jīng)成為生物工程的重要組成部分和主導(dǎo)領(lǐng)域之一，涉及面及其廣泛，在許多領(lǐng)域都有非常重要的應(yīng)用價值，并且已經(jīng)取得了驚人成就。如多倍體與單倍體育種，體細胞雜交和染色體工程等。此外細胞器移植，體外受精，胚胎培養(yǎng)等為植物和家畜的品種改良提供了新的途徑。當前第53頁\共有59頁\編于星期四\21點細胞工程應(yīng)用1優(yōu)質(zhì)植物快速培育與繁殖基于植物細胞的全能性，