现代高技术--生物技术.ppt

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1、 第一节第一节 生物技术生物技术一、生物技术的内容一、生物技术的内容 1 1生物技术的定义生物技术的定义 综合运用现代生物学、化学、工程学的综合运用现代生物学、化学、工程学的手段，直接或间接地利用生物体、生命体系和手段，直接或间接地利用生物体、生命体系和生命活动过程生产有用物质的一门高级应用技生命活动过程生产有用物质的一门高级应用技术科学。术科学。2 2内容内容（1 1）基因工程：重组）基因工程：重组DNADNA技术技术（2 2）细胞工程：）细胞工程：用细胞生物学方法对细胞进行改用细胞生物学方法对细胞进行改用细胞生物学方法对细胞进行改用细胞生物学方法对细胞进行改造，使细胞按人类需要生产有用的产

2、品，或者遗传造，使细胞按人类需要生产有用的产品，或者遗传造，使细胞按人类需要生产有用的产品，或者遗传造，使细胞按人类需要生产有用的产品，或者遗传物质，从而培育新的生物类型。包括：细胞杂交技物质，从而培育新的生物类型。包括：细胞杂交技物质，从而培育新的生物类型。包括：细胞杂交技物质，从而培育新的生物类型。包括：细胞杂交技术、单克隆抗体、细胞大规模培养技术。术、单克隆抗体、细胞大规模培养技术。术、单克隆抗体、细胞大规模培养技术。术、单克隆抗体、细胞大规模培养技术。（3 3）蛋白质与酶工程：）蛋白质与酶工程：利用酶促反应的高效率利用酶促反应的高效率利用酶促反应的高效率利用酶促反应的高效率和专一性，并

3、借助于工艺手段和生物反应器进行某和专一性，并借助于工艺手段和生物反应器进行某和专一性，并借助于工艺手段和生物反应器进行某和专一性，并借助于工艺手段和生物反应器进行某种产品生产的技术体系。种产品生产的技术体系。种产品生产的技术体系。种产品生产的技术体系。（4 4）发酵工程：）发酵工程：微生物工程微生物工程 利用微生物发酵作用，通过现代工程技术手利用微生物发酵作用，通过现代工程技术手利用微生物发酵作用，通过现代工程技术手利用微生物发酵作用，通过现代工程技术手段段段段来生产有用物质，或者用微生物手段来生产有来生产有用物质，或者用微生物手段来生产有来生产有用物质，或者用微生物手段来生产有来生产有用物质

4、，或者用微生物手段来生产有用用用用物质，或者把微生物直接用于生物反应器的技物质，或者把微生物直接用于生物反应器的技物质，或者把微生物直接用于生物反应器的技物质，或者把微生物直接用于生物反应器的技术。术。术。术。事实上基因工程、细胞工程、酶工程的成事实上基因工程、细胞工程、酶工程的成事实上基因工程、细胞工程、酶工程的成事实上基因工程、细胞工程、酶工程的成果，只果，只果，只果，只有通过发酵工程，才能形成新的生物技术有通过发酵工程，才能形成新的生物技术有通过发酵工程，才能形成新的生物技术有通过发酵工程，才能形成新的生物技术产业。产业。产业。产业。二、基因工程技术和应用二、基因工程技术和应用 基因工程

5、是生物技术的核心部分基因工程是生物技术的核心部分。基因工程的基因工程的操作操作可以简述如下：可以简述如下：1 1、基因工程技术、基因工程技术 将将外外源源基基因因（又又称称目目的的基基因因，是是一一段段 DNA DNA 片片断断）组组合合到到载载体体 DNA DNA 分分子子中中去去，再再把把它它转转到到受受体体细细胞胞（亦亦称称寄寄主主细细胞胞）中中去去，使使外外源源基基因因在在寄寄主主细细胞胞中中增增值值和和表表达达，从从而而得到期望的由这个外源基因所编码的蛋白质。得到期望的由这个外源基因所编码的蛋白质。所以，基因工程的操作包含以下步骤：所以，基因工程的操作包含以下步骤：获得目的基因获得目

6、的基因 构造重组构造重组 DNA DNA 分子分子 转化或转染转化或转染 表达表达 蛋白质产物的分离纯化蛋白质产物的分离纯化 到哪里去找目的基因？到哪里去找目的基因？从组织细胞中可以分离得到人从组织细胞中可以分离得到人/小鼠小鼠的全套基因，称为基因文库。文库中基因的全套基因，称为基因文库。文库中基因总数就人来说约有总数就人来说约有3 3万个基因。如何从中万个基因。如何从中把需要的基因找出来？采取把需要的基因找出来？采取“钓钓”的办法。的办法。这个办法通常称为这个办法通常称为印迹法印迹法。（1 1）获得目的基因）获得目的基因印迹法的主要步骤：印迹法的主要步骤：印迹法的主要步骤：印迹法的主要步骤：

7、（1 1 1 1）基因文库）基因文库）基因文库）基因文库 DNADNADNADNA用限制性内切酶处理。用限制性内切酶处理。用限制性内切酶处理。用限制性内切酶处理。（2 2 2 2）DNADNADNADNA片断混合物通过电泳分离。片断混合物通过电泳分离。片断混合物通过电泳分离。片断混合物通过电泳分离。（3 3 3 3）电泳后，通过印迹技术转到酯酰纤维薄膜上，）电泳后，通过印迹技术转到酯酰纤维薄膜上，）电泳后，通过印迹技术转到酯酰纤维薄膜上，）电泳后，通过印迹技术转到酯酰纤维薄膜上，以便操作。以便操作。以便操作。以便操作。（4 4 4 4）用已知小片断）用已知小片断）用已知小片断）用已知小片断DN

8、ADNADNADNA作为探针，互补结合需要找作为探针，互补结合需要找作为探针，互补结合需要找作为探针，互补结合需要找的基因片断。的基因片断。的基因片断。的基因片断。（5 5 5 5）探针）探针）探针）探针DNADNADNADNA片断已用放射性元素标记，使胶片感片断已用放射性元素标记，使胶片感片断已用放射性元素标记，使胶片感片断已用放射性元素标记，使胶片感光后可看出。光后可看出。光后可看出。光后可看出。印迹法的关键是印迹法的关键是“分子杂交分子杂交”，利用碱，利用碱基基配对的原则，用一段小的已知的配对的原则，用一段小的已知的 DNA DNA 片片断断去寻找（去寻找（“钓钓”）大的未知的基因片断。

9、）大的未知的基因片断。探针探针 DNA DNA 片断从何而来？片断从何而来？根据目的蛋白的氨基酸序列，只要其根据目的蛋白的氨基酸序列，只要其中中 N N端端 151520 20 个氨基酸序列，按三联个氨基酸序列，按三联密码转为密码转为 40-60 40-60 核苷酸序列，人工合成，核苷酸序列，人工合成，即为探针即为探针 DNA DNA 片断。片断。（2 2）目的基因的扩增）目的基因的扩增 用上面的方法用上面的方法“钓钓”出的目的基出的目的基因，数量极少，所以，接下来必须经因，数量极少，所以，接下来必须经过扩增，亦称为过扩增，亦称为基因克隆基因克隆。获得相当。获得相当数量的目的基因后，才能继续下

10、一步数量的目的基因后，才能继续下一步操作。操作。（3 3）PCR PCR 把寻找目的基因和把寻找目的基因和扩增目的基因两步操作并成一步。扩增目的基因两步操作并成一步。PCR PCR 法法，又称多聚酶链式反应，又称多聚酶链式反应，是近年来开发出来的基因工程新技术，是近年来开发出来的基因工程新技术，它的最大优点是把目的基因的寻找和它的最大优点是把目的基因的寻找和扩增，放在一个步骤里完成。扩增，放在一个步骤里完成。PCR PCR 反应分三步完成：反应分三步完成：第一步第一步 90 90 0 0 C C 高温下，使混合物的高温下，使混合物的DNA DNA 片断因变性而成单链。片断因变性而成单链。第二步

11、第二步 50 50 0 0 C C 温度下，引物温度下，引物 DNADNA结结合在适于配对的合在适于配对的DNADNA片断上。片断上。第三步第三步 70 70 0 0 C C 温度下，由合成酶（温度下，由合成酶（DNA DNA 高温聚合酶）催化，从引物开始合高温聚合酶）催化，从引物开始合成成目的基因目的基因 DNADNA。PCR PCR 的的三三个个步步骤骤为为一一次次循循环环，约约需需5 510 10 分分钟钟。每每经经一一次次循循环环，所所找找到到的的目目的的基基因因扩扩充充一一倍倍。经经过过 20 20 次次循循环环，即即可可扩扩增增 10106 6 倍倍，总总共只需几个小时。共只需几个

12、小时。（4 4）构造重组）构造重组 DNA DNA 分子分子首先要有载体。首先要有载体。载体有好几种，常用的有：载体有好几种，常用的有：质粒质粒环状双链小分子环状双链小分子DNADNA，适于，适于做小片断基因的载体。做小片断基因的载体。噬菌体噬菌体DNADNA线状双链线状双链DNADNA，适于，适于做大片断基因的载体。做大片断基因的载体。其次要把目的基因其次要把目的基因“装装”到载体中到载体中去。去。“安装安装”的过程，需要好几种工具酶，其的过程，需要好几种工具酶，其中关键的酶叫限制性内切酶。中关键的酶叫限制性内切酶。此酶识别一定碱基序列，有的还可此酶识别一定碱基序列，有的还可切出切出“粘性粘

13、性”末端，使得目的基因和载体末端，使得目的基因和载体的连接非常容易。的连接非常容易。（5 5）转化）转化/转染转染表达表达蛋白质分离蛋白质分离 把构造好的重组把构造好的重组 DNA DNA 分子送进寄分子送进寄主细胞，亦需要适当的技术方法。若受主细胞，亦需要适当的技术方法。若受体细胞是细菌，通常称体细胞是细菌，通常称转化转化；若受体细；若受体细胞是胞是 动动/植植 物细胞，通常称物细胞，通常称转染转染。重重组组 DNA DNA 分分子子进进入入寄寄主主细细胞胞后后，其其中中的的目目的的基基因因能能否否表表达达，表表达达效效率率高高低低，还还有有很很大大差差别别。表表达达通通常常是是指指目目的的

14、基基因因编编码码的的蛋蛋白白质质合合成成。基基因因工工程程的的最最后后一一步步，是是把把所所获获得得的的蛋蛋白白质质分离纯化，得到蛋白质产品。分离纯化，得到蛋白质产品。2 2、基因工程的应用、基因工程的应用 基因工程技术已经在医学、工基因工程技术已经在医学、工业、业、农业等各个领域得到了广泛的应用。农业等各个领域得到了广泛的应用。（1 1）在医学上的应用）在医学上的应用 基因工程被用于大量生产过去难基因工程被用于大量生产过去难以得到或几乎不可能得到的以得到或几乎不可能得到的蛋白质蛋白质肽类药物。肽类药物。（2 2）用于提高奶酪产量）用于提高奶酪产量 生产奶酪的凝乳酶传统上来自哺生产奶酪的凝乳酶

15、传统上来自哺乳小牛的胃。现在可以通过基因工乳小牛的胃。现在可以通过基因工程办法，用程办法，用酵母生产凝乳酶酵母生产凝乳酶，大量，大量用于奶酪制造。用于奶酪制造。（3 3）转基因动物和植物）转基因动物和植物 转基因动物首先在转基因动物首先在小鼠小鼠获得成获得成功。现在转基因动物技术已用于功。现在转基因动物技术已用于牛、牛、羊，使得从羊，使得从 牛牛/羊羊 奶中可以生奶中可以生产蛋产蛋白质药物。称为白质药物。称为“乳腺反应器乳腺反应器”工工程。程。转基因植物转基因植物亦已在大田中广为播亦已在大田中广为播种。种。（4 4）工程菌工程菌在环境工程中应用在环境工程中应用 美国美国 GE GE 公司构造成

16、功具有巨大公司构造成功具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。用于清除石油污染。三、从一个细胞到一只羊从一个细胞到一只羊 细胞工程细胞工程：用细胞生物学方法对细胞进用细胞生物学方法对细胞进行改造，使细胞按人类需要生产有用的产品，行改造，使细胞按人类需要生产有用的产品，或者遗传物质，从而培育新的生物类型。或者遗传物质，从而培育新的生物类型。包括：细胞杂交技术、单克隆抗体、细胞包括：细胞杂交技术、单克隆抗体、细胞大规模培养技术。大规模培养技术。1 1、多利羊风暴、多利羊风暴 199719972 227 27 Nature Nature（385385

17、：810810813813）英国爱丁堡罗斯林研究所英国爱丁堡罗斯林研究所 伊恩伊恩 威尔穆特威尔穆特小组：小组：多利羊多利羊 1996.7 1996.7 出生出生 1996.11 1996.11 收到文章收到文章 1997.2 1997.2 文章发表文章发表 文章发表，在全世界引起巨大文章发表，在全世界引起巨大反响。反响。一方面学术界高度评价一方面学术界高度评价 1997.3.2 1997.3.2 美国华盛顿邮报美国华盛顿邮报 奥勒冈州沃尔小组：成功克隆两奥勒冈州沃尔小组：成功克隆两只只恒河猴恒河猴（96.896.8出生）出生）1997.3.51997.3.5台湾地区吴明杰小组：台湾地区吴明杰

18、小组：5 5只只克隆猪克隆猪。另一方面，人们马上意识到克另一方面，人们马上意识到克隆人的威胁。隆人的威胁。政界纷纷出来表态。政界纷纷出来表态。1997.3.4 1997.3.4（美）克林顿总统宣布：（美）克林顿总统宣布：禁止联邦政府资助人体克隆实验。禁止联邦政府资助人体克隆实验。1997.3.5 1997.3.5 （意）卫生部长在众议院（意）卫生部长在众议院宣布：禁止人体和动物克隆。宣布：禁止人体和动物克隆。1997.3.11 1997.3.11 世界卫生组织世界卫生组织（WHOWHO）宣布：禁止人体克隆试）宣布：禁止人体克隆试验。验。1997.3.11 1997.3.11 欧盟委员会宣布：反

19、欧盟委员会宣布：反对人体克隆试验。对人体克隆试验。中国卫生部宣布：禁止人体克隆中国卫生部宣布：禁止人体克隆试验。试验。一条科学成就的宣布，在全世一条科学成就的宣布，在全世界范围内，在短短几十天左右时间，界范围内，在短短几十天左右时间，从学术界到经济界、政界引起巨大而从学术界到经济界、政界引起巨大而深刻的反响，是空前的深刻的反响，是空前的 。“克隆克隆”一词也顿时变得妇孺皆一词也顿时变得妇孺皆知。知。2、从一个细胞到一只羊、从一个细胞到一只羊 所有有性繁殖的生物，都是从一所有有性繁殖的生物，都是从一个受精卵发育到完整的生物体。个受精卵发育到完整的生物体。（1 1）细胞分化）细胞分化 在个体发育中

20、，细胞后代在形在个体发育中，细胞后代在形态结构和功能上发生差异的过程，态结构和功能上发生差异的过程，称为称为细胞分化细胞分化。（2 2）细胞的发育潜能）细胞的发育潜能 由一个细胞可能分化发育出多由一个细胞可能分化发育出多少种细胞？这就是细胞的发育潜少种细胞？这就是细胞的发育潜能。能。大致有三种不同的发育潜能。大致有三种不同的发育潜能。全能性全能性 具有能使后代细胞形成完整个具有能使后代细胞形成完整个体的潜能的细胞称全能性细胞。体的潜能的细胞称全能性细胞。例如：例如：受精卵受精卵多能性多能性具有分化出多种组织或细胞（但具有分化出多种组织或细胞（但是不能形成完整个体）的潜能的细胞是不能形成完整个体

21、）的潜能的细胞称多能性细胞。称多能性细胞。例如，例如，生血多能干细胞生血多能干细胞单能性单能性 只能分化成一种细胞的干细胞只能分化成一种细胞的干细胞称单能干细胞称单能干细胞 。例如，例如，单能生血干细胞单能生血干细胞 （3 3）对于植物来说，分化成熟）对于植物来说，分化成熟的植物细胞体，仍保持的植物细胞体，仍保持全能性全能性，仍有，仍有可能发育成完整植株。可能发育成完整植株。第一例从一个植物体细胞第一例从一个植物体细胞一棵植株的一棵植株的实验实验。对于动物来说：对于动物来说：随着分化的演进，细胞逐渐丧随着分化的演进，细胞逐渐丧失其分化潜能。失其分化潜能。全能性全能性 多能性多能性 单能性单能性

22、 分化成熟的体细胞。分化成熟的体细胞。实际上，动物细胞丧失全能性的过实际上，动物细胞丧失全能性的过程，开始得很早。程，开始得很早。（4 4）分化成熟的动物细胞已失去全）分化成熟的动物细胞已失去全能性。不可能发育成为完整的动物能性。不可能发育成为完整的动物个体。原因何在？个体。原因何在？陆续出现一些探索动物细胞全陆续出现一些探索动物细胞全能性丧失原因的实验。能性丧失原因的实验。1952 1952 豹蛙豹蛙 囊胚细胞核囊胚细胞核 去核卵母细胞去核卵母细胞 蝌蚪蝌蚪 可育的蛙可育的蛙爪蟾爪蟾：肠上皮细胞核仍保持全能性：肠上皮细胞核仍保持全能性3 3、多利羊实验的设计和实施、多利羊实验的设计和实施（1

23、 1）实验过程实验过程严密的实验设计严密的实验设计精心的操作过程精心的操作过程严格的结果检验严格的结果检验（2 2）实验成功的关键，）实验成功的关键，血清饥饿血清饥饿 使细胞核和去核卵细胞处于细胞周使细胞核和去核卵细胞处于细胞周 期中相匹配的阶段。期中相匹配的阶段。使结合在基因（使结合在基因（DNADNA）上的调控）上的调控 蛋白脱落下来。蛋白脱落下来。重新编程（重新编程（repreogramrepreogram,remodel,remodel）对多利羊实验的质疑。对多利羊实验的质疑。质疑：来自乳腺的细胞究竟是不质疑：来自乳腺的细胞究竟是不是分化成熟的体细胞？是分化成熟的体细胞？(原来供细胞的

24、原来供细胞的母羊已死母羊已死)回答：在回答：在 Nature Nature 原文中已说明，原文中已说明，怀孕期间胚胎细胞怀孕期间胚胎细胞 可能进入母体，可能进入母体，1/101/106 6 可能性。需要进一步实验可能性。需要进一步实验。4 4、多利羊实验的理论意义和实践意义、多利羊实验的理论意义和实践意义（1 1）理论意义）理论意义 证实分化成熟的动物细胞核仍具证实分化成熟的动物细胞核仍具全能性。全能性。证实细胞质对胚胎发育分化的决证实细胞质对胚胎发育分化的决定性。定性。（2）实践意义）实践意义 蛋白质多肽类药物蛋白质多肽类药物 (胰岛素、凝血因子、干扰素、生长因子胰岛素、凝血因子、干扰素、生

25、长因子)年产（年产（1998）76 亿美元亿美元 2000 年产（估计）年产（估计）185 亿美元亿美元 8080年代初期到九十年代初期年代初期到九十年代初期 这这1010年年内内基基因因工工程程用用于于生生产产蛋蛋白白质质多多肽肽类药物有很大发展。类药物有很大发展。细菌、酵母表达系统细菌、酵母表达系统糖修饰糖修饰 、蛋白质折叠。蛋白质折叠。动物细胞培养动物细胞培养太贵太贵 、成本高。、成本高。转基因动物转基因动物亦已成功。亦已成功。转基因动物提高了蛋白质转基因动物提高了蛋白质转基因动物提高了蛋白质转基因动物提高了蛋白质肽类药物的产量肽类药物的产量肽类药物的产量肽类药物的产量 产量产量产量产量

26、 细胞培养法细胞培养法细胞培养法细胞培养法 5%5%5%5%转基因羊羊奶中转基因羊羊奶中转基因羊羊奶中转基因羊羊奶中 25%50%25%50%25%50%25%50%英国罗斯林研究所和英国罗斯林研究所和英国罗斯林研究所和英国罗斯林研究所和 PPL PPL PPL PPL 制药公司联合，制药公司联合，制药公司联合，制药公司联合，50 50 50 50 只转基因羊，已传四代。希望用克隆法生产只转基因羊，已传四代。希望用克隆法生产只转基因羊，已传四代。希望用克隆法生产只转基因羊，已传四代。希望用克隆法生产 4000 4000 4000 4000 只基因工程奶羊。只基因工程奶羊。只基因工程奶羊。只基因

27、工程奶羊。乳腺生物反应器乳腺生物反应器荷兰荷兰 生产生产EPOEPO的转基因牛的转基因牛 年产值年产值 4040亿美元亿美元英国英国 生产生产-胰蛋白酶胰蛋白酶 一杯羊奶一杯羊奶 60006000美元美元 制剂的转基因羊制剂的转基因羊 中国中国中科院发育所中科院发育所 合作合作19981998年年6 6月得到两只体细月得到两只体细 扬州大学扬州大学 胞克隆羊，能分泌乳腺药物胞克隆羊，能分泌乳腺药物问题是：所得到的转基因动物在无性生所得到的转基因动物在无性生殖过程中，容易丢失转入的基因和殖过程中，容易丢失转入的基因和特性。特性。对克隆（无性生殖）大动物有对克隆（无性生殖）大动物有了强烈的客观需求

28、。了强烈的客观需求。器官移植：器官移植：角膜角膜 皮肤皮肤 肾肾 肝肝 肺肺 心脏心脏 等等等等 器官移植大量开展需要大量供体器官。器官移植大量开展需要大量供体器官。人体器官的代用品来自猪。人体器官的代用品来自猪。获得供器官移植的纯种猪需要：获得供器官移植的纯种猪需要：去掉猪抗原性去掉猪抗原性 移入人抗凝血因子移入人抗凝血因子 近交近交 20 20 代约需代约需 20 20 年年 克隆技术使纯种猪培育时间大为缩短。克隆技术使纯种猪培育时间大为缩短。人类疾病的人类疾病的动物模型动物模型 动物模型对于研究疾病机理动物模型对于研究疾病机理试验新药等方面的实验不可缺少。试验新药等方面的实验不可缺少。珍稀濒危动物繁殖珍稀濒危动物繁殖 克隆大熊猫实验已开始克隆大熊猫实验已开始 据报道，将大象胚胎移入小鼠体内已据报道，将大象胚胎移入小鼠体内已获成功。获成功。动物育种动物育种 克隆技术用于动物育种可以极克隆技术用于动物育种可以极大地加快育种的速度。大地加快育种的速度。警惕一种危险。克隆产生的警惕一种危险。克隆产生的 后后代，代，基因组成单一，失去对复杂环境基因组成单一，失去对复杂环境变化变化的适应的适应潜力潜力。