細(xì)胞工程第一章緒論

第一節(jié)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(jī)體（從微生物直至高等動物）或其組成部分（器官組織細(xì)胞）發(fā)展新工藝或制造新產(chǎn)品的一種科學(xué)技術(shù)。本文檔共54頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期二\5點24分1.生物工程的發(fā)展歷程第一代生物工程4000年前釀酒1674顯微鏡列文虎克發(fā)現(xiàn)微生物清康熙十九年本文檔共54頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期二\5點24分8本文檔共54頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期二\5點24分9本文檔共54頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期二\5點24分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(jìn)行的是釀酒的第三道程序，對原料進(jìn)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(jìn)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。

本文檔共54頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期二\5點24分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(jì)末到20世紀(jì)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)。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。本文檔共54頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期二\5點24分第二代生物工程(近代生物工程)1928發(fā)現(xiàn)青霉素，1943年,工業(yè)化20世紀(jì)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(xì)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。本文檔共54頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期二\5點24分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(jìn)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(biāo)志著工業(yè)微生物的生產(chǎn)進(jìn)入了一個新的階段。本文檔共54頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期二\5點24分抗生素生產(chǎn)的經(jīng)驗促進(jìn)其他發(fā)酵產(chǎn)品的發(fā)展，最突出的是20世紀(jì)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：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。技術(shù)要求高,生產(chǎn)過程需在無菌條件下進(jìn)行，大多數(shù)為好氣發(fā)酵發(fā)酵規(guī)模大本文檔共54頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期二\5點24分第三代生物工程(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。

本文檔共54頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期二\5點24分20世紀(jì)70年代后，隨著基因重組，細(xì)胞和組織培養(yǎng)，酶的固定化，動物植物細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)，現(xiàn)代化生物反應(yīng)器和計算機(jī)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(jìn)入了一個新的發(fā)展階段------現(xiàn)代生物工程階段。本文檔共54頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期二\5點24分這期間的現(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(xì)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(xì)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(xì)胞蛋白，生物殺蟲劑，生物殺菌劑，生物完全降解塑料等等。本文檔共54頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期二\5點24分16本文檔共54頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期二\5點24分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。我國批準(zhǔn)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)基因作物為棉花和番木瓜。1996年7月英國成功采用成體體細(xì)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。本文檔共54頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期二\5點24分18本文檔共54頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期二\5點24分現(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。本文檔共54頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期二\5點24分20本文檔共54頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期二\5點24分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(xì)胞工程本文檔共54頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期二\5點24分現(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。a.發(fā)酵工程本文檔共54頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期二\5點24分本文檔共54頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期二\5點24分24本文檔共54頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期二\5點24分b.酶工程酶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(dāng)?shù)纳锓磻?yīng)器工業(yè)化地生產(chǎn)人類所需的產(chǎn)品或是達(dá)到某一特殊目的的一門生物工程技術(shù)。酶工程開發(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。本文檔共54頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期二\5點24分蔗糖轉(zhuǎn)葡糖基酶本文檔共54頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期二\5點24分27酶工程的研究和應(yīng)用范圍包括：天然酶的分離純化以及鑒定和生產(chǎn)酶的固定化酶生物反應(yīng)器的研制和應(yīng)用本文檔共54頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期二\5點24分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；將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)。蛋白質(zhì)修飾：對蛋白質(zhì)分子進(jìn)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。還可延長蛋白質(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。c.蛋白質(zhì)工程本文檔共54頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期二\5點24分本文檔共54頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期二\5點24分“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(rèn)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。本文檔共54頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期二\5點24分基因工程是根據(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(dá)所需要的產(chǎn)物，最終實現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)價值。d.基因工程本文檔共54頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期二\5點24分基因工程與建筑工程本文檔共54頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期二\5點24分e.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(xiàn)。20世紀(jì)80年代后，生物化學(xué)工程則主要轉(zhuǎn)向為基因工程，細(xì)胞工程等現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化服務(wù)。本文檔共54頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期二\5點24分本文檔共54頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期二\5點24分今后生物化學(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.本文檔共54頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期二\5點24分37本文檔共54頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期二\5點24分38第二節(jié)細(xì)胞工程本文檔共54頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期二\5點24分多核細(xì)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(xì)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(xì)胞增殖1960年原生質(zhì)體制備1972年體細(xì)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(xì)胞融合誘導(dǎo)1.細(xì)胞工程的發(fā)展歷史本文檔共54頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期二\5點24分細(xì)胞工程發(fā)展到今天，人們借助于細(xì)胞工程技術(shù)可以把生命像積木那樣組裝起來，進(jìn)行細(xì)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(xì)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(xì)胞克隆出綿羊多莉。2001年培育出轉(zhuǎn)基因克隆豬。本文檔共54頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期二\5點24分412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(xì)胞核移植水平：細(xì)胞，組織，細(xì)胞器，基因

本文檔共54頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期二\5點24分動植物細(xì)胞與組織培養(yǎng)細(xì)胞融合染色體工程胚胎工程細(xì)胞遺傳工程隨著細(xì)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(xì)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(xì)胞工程的一些研究領(lǐng)域包括：本文檔共54頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期二\5點24分a.動植物細(xì)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(xì)胞與組織培養(yǎng)可分為三個層次上的培養(yǎng)：細(xì)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(xì)胞培養(yǎng)不受氣候季節(jié)限制，可以大量培養(yǎng)細(xì)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。本文檔共54頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期二\5點24分45b.細(xì)胞融合采用自然或人工的方法使兩個或幾個不同細(xì)胞（或原生質(zhì)體）融合為一個細(xì)胞，用于產(chǎn)生新的物種或品系及產(chǎn)生單克隆抗體。本文檔共54頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期二\5點24分46c.染色體工程本文檔共54頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期二\5點24分47本文檔共54頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期二\5點24分染色體工程是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)。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。本文檔共54頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期二\5點24分49本文檔共54頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期二\5點24分51d.胚胎工程

本文檔共54頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期二\5點24分這項技術(shù)主要對哺乳動物的胚胎進(jìn)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(jìn)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(xiàn)。本文檔共54頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期二\5點24分e.細(xì)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(dá)，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。本文檔共54頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期二\5點24分3.細(xì)胞工程重要應(yīng)用當(dāng)今，細(xì)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(xì)胞雜交和染色體工程等。此外細(xì)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。本文檔共54頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期二\5點24分a.優(yōu)質(zhì)植物快速培育與繁殖基于植物細(xì)胞的全能性，在適當(dāng)?shù)纳L條件下，能快速、大量繁殖一些有價值的苗木，花卉和藥材和瀕危的植物。本文檔共54頁；當(dāng)前第49頁