《生物》第九章課件

生物第九章生物技術的發(fā)展和應用目錄01生物技術概述02生物技術的應用目錄01生物技術概述一、基因工程

基因工程是指在體外將目的基因插入質?；蚱渌d體分子中構成遺傳物質的新組合，并導入到原先沒有這類基因的寄主細胞內，讓其持續(xù)穩(wěn)定地使目的基因在寄主細胞內表達，產生出人類需要的基因產物。由于基因工程是在DNA分子水平上進行設計和施工的，因此又稱為DNA重組技術?；蚬こ?、細胞工程、蛋白質工程、酶工程和發(fā)酵工程之間的相互關系一、基因工程基因工程的主要原理是應用人工方法把生物的遺傳物質（通常是DNA）分離出來，在體外進行切割、拼接和重組，然后將重組后的DNA導入某種宿主細胞或個體，從而改變它們的遺傳特性；并且使新的遺傳信息在宿主細胞或個體中大量表達，以獲得基因產物（多肽或蛋白質）。（一）基因工程的基本原理一、基因工程1）限制性內切酶——“分子手術刀”限制性內切酶是一類以環(huán)形或線性雙鏈DNA為底物，能識別DNA中特定核苷酸序列，并在合適反應條件下切割DNA雙鏈的內脫氧核苷酸酶。

DNA分子經限制酶切割產生的DNA片段末端通常有兩種形式——黏性末端和平末端。（二）基因工程所需的基本工具1．基因工程的工具酶一、基因工程（二）基因工程所需的基本工具1．基因工程的工具酶限制酶切割DNA分子一、基因工程2）DNA連接酶——“分子縫合針”DNA連接酶是一種能夠在兩條DNA鏈之間催化形成磷酸二酯鍵并把兩段DNA連接起來的核酸酶。應用DNA連接酶的這種特性，可在體外將具有黏性末端的DNA片段，插入到適當的載體分子上，從而可以按照人們的意圖構建出新的DNA雜種分子，如圖9-3所示。常見的DNA連接酶為T4DNA連接酶。（二）基因工程所需的基本工具1．基因工程的工具酶一、基因工程（二）基因工程所需的基本工具1．基因工程的工具酶DNA連接酶的連接作用示意圖一、基因工程在基因工程中，通常利用運載工具把外源DNA片段送入生物細胞。攜帶外源基因進入受體細胞的工具稱為載體，其本質是DNA?；蚬こ讨兴玫妮d體主要有以下五類：（二）基因工程所需的基本工具2．基因工程的載體①質粒；②噬菌體的衍生物；③柯斯質粒；④單鏈DNA噬菌體；⑤動物病毒。一、基因工程基因工程主要是通過人工的方法，分離、改造、擴增并表達生物的特定基因，從而深入開展核酸遺傳研究或者獲取有價值的基因產物。其中，插入到載體內的特定片段基因稱為外源基因，已被或者準備要被分離、改造、擴增或表達的特定基因或DNA片段稱為目的基因。（三）基因工程的操作過程1．目的基因的制備一、基因工程

在通過不同的途徑獲取了目的基因，選擇或構建適當的基因載體之后，工作的重點是如何將目的基因與載體連接在一起，即完成DNA的體外重組。DNA分子體外重組技術主要是依賴于限制性內切酶和DNA連接酶。（三）基因工程的操作過程2．基因與載體的連接一、基因工程

帶有外源DNA片段的重組體分子在體外構成之后，需要導入適當的寄主細胞進行繁殖，才能夠獲得大量純一的重組體DNA分子，這個過程習慣上稱為基因的擴增。鑒定含重組質粒的細菌菌落常用五種方法：（三）基因工程的操作過程3．重組DNA導入受體細胞及重組體的篩選與鑒定①小規(guī)模制備質粒DNA進行限制酶切分析；②α-互補；③插入失活；④電泳篩選法；⑤雜交篩選，常用的有Southern雜交和Northern雜交。一、基因工程

基因工程的最終目的是獲得目的基因的表達產物，也就是說，要使目的基因在受體細胞中能準確地轉錄和翻譯。目的基因插入載體后，若其具有能被受體細胞識別的啟動基因序列以及能與核糖體結合的序列，則該目的基因就可以表達，從而獲得理想的產物。（三）基因工程的操作過程4．目的基因的表達二、細胞工程

植物組織培養(yǎng)又稱植物離體培養(yǎng)，是指在無菌和人工控制的環(huán)境條件下，利用適當的培養(yǎng)基，對離體的植物器官、組織、細胞及原生質體進行培養(yǎng)，誘導其產生愈傷組織、叢芽，最終形成完整的植株。（一）植物細胞工程1．植物組織培養(yǎng)二、細胞工程植物體細胞雜交技術是指將不同種的植物體細胞，在一定條件下融合形成雜種細胞，并將雜種細胞培育成新的植物體的技術方法。植物體細胞雜交技術主要包括原生質體的制備、原生質體的融合、雜種細胞的選擇、雜種細胞的培養(yǎng)、由愈傷組織再生植株、雜種植株的鑒定等步驟。（一）植物細胞工程2．植物體細胞雜交技術植物體細胞雜交示意圖二、細胞工程

動物細胞培養(yǎng)就是從動物機體中取出相關的組織，將它分散成單個細胞（使用胰蛋白酶或膠原蛋白酶），然后，在適宜的培養(yǎng)基中，讓這些細胞生長和增殖。這種將動物組織分散后的初次培養(yǎng)稱為原代培養(yǎng)。（二）動物細胞工程1．動物細胞培養(yǎng)動物細胞培養(yǎng)示意圖二、細胞工程動物體細胞核移植技術是將動物一個細胞的細胞核，移入一個已經去掉細胞核的卵母細胞中，使其重組并發(fā)育成一個新的胚胎，這個新胚胎最終發(fā)育成動物個體。用核移植方法得到的動物稱為克隆動物。（二）動物細胞工程2．動物體細胞核移植技術和克隆動物體細胞核移植過程三、蛋白質工程蛋白質是一切生命活動存在的物質基礎和唯一形式，同時也是診斷和治療疾病的物質基礎。人類蛋白數量不僅遠超過基因數量，而且由于蛋白質的可變性和多樣性，導致蛋白質研究技術遠比核酸技術要復雜和困難得多。因此，人類蛋白質構成了后基因組時代最重要的研究內容，具有廣闊的研究前景。三、蛋白質工程從廣義上來說，蛋白質工程是通過物理、化學、生物和基因重組等技術改造蛋白質或設計合成具有特定功能的新蛋白質。蛋白質工程流程圖四、酶工程酶是一種生物催化劑，生物體內的生物化學過程幾乎都是在酶的催化作用下進行的，其催化效率是一般無機催化劑的數百萬倍以上。可以說，沒有酶就沒有生物體的一切生命活動。（一）酶工程概況四、酶工程（一）酶工程概況酶工程的基本過程四、酶工程（一）酶工程概況將酶吸附在固體表面上將酶相互連接起來將酶包埋在細微網格里酶的幾種固定方式四、酶工程酶反應器是指以酶作為催化劑進行反應所需的設備。酶反應器為酶催化反應提供合適的場所和最佳的反應條件，以便在酶的催化下，將原料最大限度地轉化為產物。（二）酶反應器

酶反應器有多種分類方式。例如，按進料與出料方式不同，酶反應器可分為分批反應器、半分批反應器和連續(xù)流動反應器；按功能結構不同，酶反應器可分為膜反應器、液固反應器及氣液固三相反應器。五、發(fā)酵工程認為發(fā)酵是酵母在無氧狀態(tài)下的呼吸過程。而生物化學上將發(fā)酵定義為“微生物在無氧時的代謝過程”。目前，人們把利用微生物在有氧或無氧條件下的生命活動來制備微生物菌體或其代謝產物的過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。（一）發(fā)酵工程概況它將微生物學、生物化學和化學工程的基本原理有機地結合起來，是一門利用微生物的生長和代謝活動來生產各種有用物質的工程技術。由于它以培養(yǎng)微生物為主，所以又稱微生物工程。五、發(fā)酵工程生物發(fā)酵工藝多種多樣，其主要過程包括以下幾個方面。（二）發(fā)酵的一般過程發(fā)酵工程生產產品的流程五、發(fā)酵工程（二）發(fā)酵的一般過程在進行發(fā)酵生產之前，首先必須從自然界分離得到能產生所需產物的菌種，只有經分離、純化及選育后或是經基因工程改造后的工程菌，才能供給發(fā)酵使用。1．菌種制備種子擴大培養(yǎng)是指將保存在砂土管、冷凍干燥管或冰箱中處于休眠狀態(tài)的生產菌種，接入試管斜面活化后，再經過搖瓶及種子罐逐級擴大培養(yǎng)而獲得一定數量和質量的純種的過程。2．種子擴大培養(yǎng)五、發(fā)酵工程（二）發(fā)酵的一般過程發(fā)酵原料來源豐富，成分粗放，狀態(tài)不一，通常不能直接為微生物所利用，因而要進行預處理，才能作為微生物發(fā)酵用的培養(yǎng)基成分。3．原料處理發(fā)酵是微生物合成大量產物的過程，是整個發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。4．接種培養(yǎng)五、發(fā)酵工程（二）發(fā)酵的一般過程菌種接好后，提供必要的生長條件，菌體開始生長繁殖，進行新陳代謝，發(fā)酵累積代謝產物。5．發(fā)酵發(fā)酵結束后，要對發(fā)酵液或生物細胞進行分離和提取精制，將發(fā)酵產物制成合乎要求的成品。6．下游處理目錄02生物技術的應用一、醫(yī)學保健抗生素是人們最為熟悉、應用最為廣泛的生物技術藥物。人們目前已分離出6000多種不同的抗生素，其中約100種被廣泛使用。

用基因工程生成的藥物，除了人生長激素釋放抑制激素外，常用的還有人胰島素、人生長激素、人心鈉素、人干擾素為生產干擾素的車間）、腫瘤壞死因子、集落刺激因子等。生產干擾素的車間（一）開發(fā)新型藥品一、醫(yī)學保健我國人民早在公元10世紀就已開始種痘預防天花，這是利用生物技術手段預防疾病的最早例子。但由于傳統(tǒng)的疫苗生產方法存在著免疫效果不夠理想、被免疫者有被感染的風險等不足之處，科學家們一直在尋找新的生產手段和工藝。（二）疾病的預防和診斷二、能源開發(fā)我們日常生活中的每一個方面，包括衣、食、住、行都離不開能源。目前，石油和煤炭是我們生活的主要能源。然而，地球上的這些化石能源是不可再生的，終將會枯竭。尋找新的替代能源將是人類面臨的一個重大課題，生物能源將是最有希望的新能源之一。三、化工與環(huán)保生物學家利用微生物脫硫，把二價鐵變成三價鐵，把單體硫變成硫酸，取得了良好效果。美國煤氣研究所篩選出一種新的微生物菌株IGIST，它能從硫中分離有機硫而不降低煤的質量。目前，科學家發(fā)現，能脫去黃鐵礦中無機硫的微生物還有氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫桿菌等。（一）微生物脫硫治理空氣污染三、化工與環(huán)保廢污水處理方法有物理法、化學法和生物法三種，其中生物法應用最廣，效果也最好。如活性污泥法，即用含有多種微生物的活性污泥，在通氣條件下進行吸附、沉淀和氧化分解，解除水中的污染物，使廢污水得到凈化。（二）生物技術處理、凈化廢污水三、化工與環(huán)保國際上從20世紀60年代開始發(fā)展起來的生物農藥是生物防治病蟲害的一支新軍。傳統(tǒng)的生物防治是利用“天敵”來殺蟲除害，這雖然可減少化學農藥的使用，減少農藥的化學污染，但飼養(yǎng)和釋放“天敵”，不僅費時費工、耗資巨大，而且在突發(fā)性病蟲害面前常無能為力。（三）生物農藥三、化工與環(huán)保傳統(tǒng)塑料難以降解，給農牧漁業(yè)、電力設備、河流和生活環(huán)境帶來了嚴重的危害。近年來，許多國家的科學家利用生物技術培育能生產塑料的生物和細菌，已取得可喜的成績。生物塑料的最大優(yōu)點是易于降解，生產時耗能少，不污染環(huán)境。（四）基因工程可降解塑料四、生物材料生物材料也稱生物醫(yī)用材料，是一類具有特殊性能、特種功能，能用于人工器官制造、人體組織修復或再生、理療康復、診斷檢查、治療疾患等醫(yī)療、保健領域的特殊功能材料。生物材料與人體組織、體液或血液相接觸或作用時對人體無毒，無副作用，不凝血，不溶血，不引起人體細胞突變、畸變和癌變，不引起免疫排異和過敏反應。五、仿生學從電子顯微鏡下看，鯊魚皮是由稱為“皮質鱗突”的無數重疊的鱗片組成的，這些鱗突在長度方向有凹槽，可以調整水在其表面的流動，同時可阻止漩渦或是湍流漩渦的形成。科學家便在泳衣設計和船的底部設計中利用了“皮質鱗突”的特點。（一）鯊魚皮與泳衣鯊魚皮與泳衣五、仿生學津巴布韋建筑師米克?皮爾斯研究了白蟻巢穴的“煙囪”和“隧道”，將白蟻巢穴的建筑理念用于伊斯特蓋特中心的建筑上，使其比一般建筑更涼爽，而且比一般建筑節(jié)能90%。（二）白蟻巢穴與辦公樓白蟻巢穴與辦公樓五、仿生學科學家研究發(fā)現，當鳥群采用熟悉的“V”形飛行時，第一只鳥拍動翅膀可以產生上升的氣流，為后面的鳥所用，從而能夠增加70%的飛行距離。研究人員認為，客運航空飛機采用類似鳥的這種策略，可比單獨飛行減少15%的燃油量。（三）鳥與飛機鳥與噴氣式飛機五、仿生學

沙漠甲蟲是收集水的專家，它們因此可以生活在干燥的沙漠環(huán)境中。沙漠甲蟲的背部有小而平整的隆起且覆蓋著光滑的蠟狀物，這種獨特的外殼可以充當冷凝水的收集站，收集的冷凝水可以從背部流入甲蟲的口里。（四）甲蟲與水收集六、食品與農業(yè)（一）生物技術與食品（1）在原料性能改變上，利用反義核酸技術研發(fā)出來的延熟番茄是國際上首個被批準商業(yè)化推廣的轉基因食品。（2）基因工程生產的動物生長激素在加速動物的生長、改善飼養(yǎng)動物的效率、改變畜產動物及魚類的營養(yǎng)物質等方面具有廣闊的應用前景。（3）將食品轉變成疫苗方面，如轉基因土豆可含乙肝疫苗、香蕉可含霍亂疫苗、萵苣可含麻疹疫苗等。1．生物技術在食品原料上的應用六、食品與農業(yè)（一）生物技術與食品1）增加食品種類，提高產品質量目前，微生物發(fā)酵技術能夠生產出門類眾多的發(fā)酵食品，主要包括飲料酒（啤酒、葡萄酒、黃酒、日本清酒、白酒、白蘭地、威士忌、果露、奶酒等）、醬、醬油、醋、乳酪、酸奶等。2）利用生物技術及其制品生產新型食品或食品添加劑當今社會，人們要求食品更加天然、低脂低熱、低膽固醇、不用或少用化學合成的添加劑。2．生物技術在食品加工中的應用六、食品與農業(yè)（一）生物技術與食品

隨著生物技術的發(fā)展，人們已逐步認識到生物技術在食品檢測中的重要作用及其意義，生物技術檢測方法以自身的獨特優(yōu)勢在食品檢測中顯示出巨大的應用潛力，其應用幾乎涉及了食品檢測的各個方面，包括食品的品質評價、質量監(jiān)督及食品科學研究。3．生物技術在食品檢測中的應用六、食品與農業(yè)（二）生物技術與現代農業(yè)1．良種選育，品質改良目前，在農作物品質改良上采取的主要方法仍然是雜交育種，但雜交育種周期長、效率低，經多次回交轉育很難在短時期內選出優(yōu)質又高產的新品種。2．提高植物的抗性1）抗蟲；2）抗病毒；3）抗寒；4）抗除草劑；5）抗重金屬六、食品與農業(yè)（二）生物技術與現代農業(yè)3．現代生物農藥生物農藥具有對人畜安全、不破壞生態(tài)平衡、害蟲不易產生抗性等優(yōu)點，但也存在著藥效速度慢、專一性強、受自然條件影響大的缺點。而利用基因工程改造微生物菌種，創(chuàng)造出自然界不存在的新型菌種就可以克服這些缺點。六、食品與農業(yè)（二）生物技術與現代農業(yè)4．植物種苗的工業(yè)化生產利用細胞工程技術對優(yōu)良品種進行大量的快速無性繁殖，可實現植物種苗的工業(yè)化生產，該項技術又稱為植物的微繁殖技術。植物種苗的工業(yè)化生產七、人類基因組計劃（一）人類基因組計劃概述破譯人類遺傳信息，將對生物學、醫(yī)學，乃至整個生命科學產生無法估量的深遠影響。雖然目前基因組信息的注釋工作仍然處于初級階段，但隨著將來人類對基因組理解的更加深入，會使醫(yī)學和生物技術領域發(fā)展更為迅速。七、人類基因組計劃