上海干部在線學習城講義之生物技術對人類健康的影響

生物技術的發(fā)展現(xiàn)狀 大綱 一 生物技術的概念與產(chǎn)生 1 生物技術和健康的概念 2 生物技術的產(chǎn)生與發(fā)展 二 現(xiàn)代生物技術的進展 1 現(xiàn)代生物技術發(fā)展史上的重要事件 2 現(xiàn)代生物技術的研究方向 三 各國生物技術的現(xiàn)狀 1 美國 2 英國 3 法國 4 德國 5 瑞典 6 巴西 7 日本 8 印度 9 新加坡 10 中國 知識點匯總 概念 C01 技術 C02 生物技術 C03 健康 原理 K01 生物技術的起源 K02 近代生物技術的誕生 K03 現(xiàn)代生物技術的發(fā)展 K04 現(xiàn)代生物技術發(fā)展史上重要事件 K05 現(xiàn)代生物技術進展的主要方面 K06 美國的生物技術現(xiàn)狀 K07 英國的生物技術現(xiàn)狀 K08 法國的生物技術現(xiàn)狀 K09 德國的生物技術現(xiàn)狀 K10 瑞典的生物技術現(xiàn)狀 K11 巴西的生物技術現(xiàn)狀 K12 日本的生物技術現(xiàn)狀 K13 印度的生物技術現(xiàn)狀 K14 新加坡的生物技術現(xiàn)狀 K15 中國的生物技術現(xiàn)狀 信息 I01 1802年 生物學從博物學中獨立出來 是法國科學家拉馬克 Lamarck 命名的 以瑞典的林奈 Linnaeus 創(chuàng)立雙名法分 類系統(tǒng)為基礎 I02 生物技術作為專業(yè)名詞在1917年由匈牙利工程師 Karl Ereky 提出 I03 1990年 人類基因組計劃在美國正式啟動 2003年4月14日 中 美 英 日 法 德六國科學家宣布 人類基因組序列圖 繪制成功 I04 2002年中國獨立完成水稻基因組研究 使其雜交水稻處于世界領先水平 正文 一 生物技術的概念與產(chǎn)生 1 生物技術和健康的概念 技術 泛指人類基于實踐經(jīng)驗和知識而形成的操作方法 工藝或技能 在各個領域均有體現(xiàn) 宏觀的如科學技術 工程技術 農(nóng) 業(yè)技術 微觀的如開車技術 修理技術 種菜技術等 生物技術屬于宏觀到中觀層面的技術 1 生物技術概念 生物技術 biotechnology 是應用自然科學和工程學的原理 依靠微生物 動物 植物體作為反應器將物料進行加工 以提供 產(chǎn)品來為社會服務的技術 1982年 OECD 具體來說 生物技術就是應用生命科學研究成果 以人們意志設計 對生物或生物的成分進行改造和利用的技術 現(xiàn)代生物技術 綜合分子生物學 生物化學 遺傳學 細胞生物學 胚胎學 免疫學 化學 物理學 信息學 計算機等多學科技術 可用于研究生 命活動的規(guī)律和提供產(chǎn)品為社會服務 它包括基因工程 細胞工程 發(fā)酵工程和酶工程等 生物技術有時 不嚴格地 也稱生物工程 是指人們以現(xiàn)代生命科學為基礎 結(jié)合其他基礎科學的科學原理 采用先進的科學技 術手段 按照預先的設計改造生物體或加工生物原料 為人類生產(chǎn)出所需產(chǎn)品或達到某種研究目的 現(xiàn)代生物技術已發(fā)展到高通量組 學 omics 芯片技術 基因與基因組 人工設計與人工合成生物學等系統(tǒng)生物技術 2 健康概念 以前 人們習慣認為 沒有疾病就是健康 1977年 世界衛(wèi)生組織將健康概念確定為 不僅僅是沒有疾病和身體虛弱 而是身 體 心理和社會適應的完滿狀態(tài) 20世紀90年代 健康的含義注入了環(huán)境的因素 即健康為 生理 心理 社會 環(huán)境 四者的 和諧統(tǒng)一 進入21世紀 還有人提出 健 康 智 樂 美 德 組成所謂 大健康 概念 大健康成為幸福人生的更佳境界 人類健康是指建立在個體健康基礎上的人類總體宏觀健康概念 是個體健康的集中體現(xiàn) 2 生物技術的產(chǎn)生與發(fā)展 生物學起源于西方的博物學 歷史上指對大自然的宏觀觀察和分類 范圍廣泛 包括對植物 動物 礦物的研究 還包括現(xiàn)代意 義上的地理 天文學 甚至人類學等 1802年 生物學從博物學中獨立出來 由法國科學家拉馬克 Lamarck 命名 以瑞典的林奈 Linnaeus 創(chuàng)立雙名法分類系統(tǒng) 為基礎 這一階段稱為經(jīng)典生物學時期 主要研究生物的分類和部分功能 第二階段以從1838年開始的細胞學說和1900年建立的經(jīng)典遺傳學作為主要代表 這一階段稱為實驗生物學階段 一直延續(xù)到1953 年 第三階段從1953年華生 Watson 和克里克 Crick 發(fā)現(xiàn) DNA 雙螺旋結(jié)構為起點的分子生物學時期開始 直到今天 這三個階 段對應了現(xiàn)代生物學發(fā)展的三階段 1 生物技術的起源 古老生物技術 生物技術是最古老的技術 可追溯到一千多年前 其實 農(nóng)業(yè)活動的開始便是生物技術的發(fā)端 當我們的祖先最早懂得制醬 釀 酒 造醋等 這便是最初的發(fā)酵工程 但直到微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學的產(chǎn)生 經(jīng)典遺傳學的建立及相關化學理論和技術的出現(xiàn) 古 老的生物技術逐步吸收并運用這方面的知識 才被納入科學技術的軌道 古老生物技術的起源和生物學的起源發(fā)展有直接關系 2 近代生物技術的誕生 傳統(tǒng)生物技術 生物技術作為專業(yè)名詞在1917年由匈牙利工程師卡爾 艾瑞克 Karl Ereky 提出 原意是指用甜菜作為飼料大規(guī)模養(yǎng)豬 含義 是利用生物將原材料變成產(chǎn)品 經(jīng)典遺傳學的應用產(chǎn)生了遺傳育種 細胞學的理論被用于生產(chǎn)便出現(xiàn)了細胞工程 酶學理論與化工技術的結(jié)合便產(chǎn)生了酶工程 半個世紀前 抗菌素工業(yè)的突起 標志著發(fā)酵工業(yè)已進入工程技術領域 但隨著科學技術的發(fā)展 用現(xiàn)代科技的眼光來看 上述發(fā)展 只能稱為傳統(tǒng)的生物技術 其地位在各類其他技術領域面前仍顯得渺小 其原因在于它的價值尚不足以影響國計民生 只有當它演變 成現(xiàn)代生物高技術時 才具備了劃時代的意義和戰(zhàn)略價值 3 現(xiàn)代生物技術的發(fā)展 高科技生物技術 生物技術從傳統(tǒng)技術演變到高技術的最主要因素是生物學 特別是分子生物學的最新理論成就和當代主要的尖端技術 如微電子 高技術和電子計算機技術的相互滲透 在現(xiàn)代生物學諸領域中大量地使用高精尖儀器 如 超速離心機 液體閃爍計數(shù)儀 電子顯微 鏡 高壓液相色譜儀 DNA 合成儀 DNA 順序分析儀 多肽序列儀等 這些儀器多由微機控制 這種滲透使得生物學研究得以深入到 分子水平 從而才為各個生物工程的出現(xiàn)奠定了理論基礎 特別是基因工程 若沒有華生 Watson 和克里克 Crick 的 DNA 模板學說 中心法則 及雅各布 F Jacob 和莫諾 J Monod 的操縱子學說 沒有限制性核酸內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)等分子生物理論上的突破 就不可能有當今基因工程高技術的出現(xiàn) 沒有 微生物營養(yǎng)缺陷型強迫雜交導致基因重組的微生物遺傳學上的突破 便不會有今日的雜交瘤技術 當然就不會有單克隆抗體技術的出 現(xiàn) 同樣 沒有細胞遺傳學一系列技術方法的進步 也不會有今日細胞工程的出現(xiàn) 如果沒有蛋白質(zhì)晶體化學和蛋白質(zhì)三維結(jié)構的深 入分析 以及化工技術的進步 便不會有今日蛋白質(zhì)工程和酶工程的產(chǎn)生 抗菌素工業(yè)本是發(fā)酵工程中的規(guī)模最大且工藝較先進的發(fā) 酵工程 但唯有在引入計算機控制及傳感器檢測等技術后 才真正稱得上發(fā)酵工程高技術 1982年 世界經(jīng)濟合作及發(fā)展組織 OECD 對生物技術名詞重新定義 生物技術是應用自然科學和工程學的原理 依靠微生物 動物 植物體作為反應器將物料進行加工以提供產(chǎn)品來為社會服務的技術 在上述技術的發(fā)展過程中 社會的需求產(chǎn)生了在競爭機制作用下的橫向聯(lián)合 為求生存 求發(fā)展使人們渴求技術進步的主動性達 到空前的強烈 從而使技術知識的傳播及相互滲透以空前的深度和廣度迅速進行 如 第一個 DNA 體外重組實驗的成功 至今不到30 年 但已有大批基因工程產(chǎn)品問世 而基因工程技術也早已滲透到細胞工程 酶工程 發(fā)酵工程等領域中去了 出現(xiàn)了一大批用傳統(tǒng) 技術方法無法研制的新產(chǎn)品 總之 在競爭機制下 同行或不同行的科學家 企業(yè)家之間的橫向聯(lián)合 是生物技術從傳統(tǒng)技術轉(zhuǎn)化為 高技術的主要社會因素 二 現(xiàn)代生物技術的進展 1 現(xiàn)代生物技術發(fā)展史上的重要事件 1917年 首次使用生物技術名詞 1943年 大規(guī)模生產(chǎn)青霉素 1944年 實驗證明 DNA 是遺傳物質(zhì) 1953年 華生 克利克闡明 DNA 雙螺旋結(jié)構 1961 1966年 破譯遺傳三連體密碼 1977年 分離成功第一個限制型內(nèi)切酶 1972年 首次合成完整 tRNA 基因 1973年 建立 DNA 重組技術 1975年 建立單克隆抗體技術 1976年 DNA 測序技術誕生 1978年 美國基因公司在大腸桿菌中成功表達胰島素 1980年 美國最高法院裁定 基因工程操作的微生物可獲專利 1981年 第一個單克隆抗體診斷試劑盒在美國批準使用 1982年 第一個用 DNA 重組生產(chǎn)的動物疫苗在歐洲批準使用 1983年 基因工程 Ti 質(zhì)粒用于植物轉(zhuǎn)化 1988年 美國授予對腫瘤敏感的基因工程鼠專利 1988年 PCR 方法問世 1990年 美國批準第一個體細胞基因治療方案 1997年 英國培養(yǎng)出第一只克隆綿羊多利 1998年 美國批準艾滋病疫苗人體試驗 1998年 日本培養(yǎng)出克隆牛 英國 美國培養(yǎng)出克隆鼠等 1999年 美國首次發(fā)現(xiàn)小鼠肌肉組織成體干細胞可橫向轉(zhuǎn)變成血液細胞 2003年 人類基因組測序計劃完成 2007年 胚胎肝細胞研究獲重大突破 在生物技術發(fā)展的歷史中 值得一提的是各國的諾貝爾獎獲得比例 從1901年到2010年 除了二次世界大戰(zhàn)之外 每年一次評獎 共產(chǎn)生了608項各種諾貝爾獎 其中美國獲284項 英國83項 德國66項 法國31項 瑞典18項 瑞士15項 荷蘭14項 俄國14項 日 本13項 奧地利11項 共有27個國家獲得過諾貝爾獎 除了日本之外 全為歐美囊括 整個110年歷史中 有7位美籍華人獲獎 包括 楊振寧 李政道 丁肇中 李遠哲 朱棣文 崔琦等 我國本土還沒有實現(xiàn)諾貝爾獎零的突破 我國在生命技術發(fā)展歷史上 離諾貝爾獎最近的一次是1965年的人工合成結(jié)晶牛胰島素 但是后來由于政治環(huán)境的變動 到1978 年底才正式為此提出申請 我國這一項目在1965年的水平是很高 處于世界領先地位 但是到1978年的時候已經(jīng)被歐美一些國家趕超 了 所以 雖然瑞典皇家科學院接受了中國的申請 但是最后評審結(jié)果還是失敗了 這一年的化學獎由美國和德國獲得 從這個生物技術發(fā)展史來看 我國近年來在生物技術的研究上有很大發(fā)展和突破 但是離國際領先水平還有很大差距 2 現(xiàn)代生物技術的研究方向 隨著人類基因組 水稻基因組 擬南芥基因組以及其他重要微生物等50多種生物基因組全序列測定工作的完成 目前國際基因組 研究開發(fā)的總體趨勢已發(fā)生了新的變化 轉(zhuǎn)入了對基因組功能的研究 進入后基因組時期 功能基因組和蛋白質(zhì)組研究成為主要研究 熱點 1 生物制藥方面 單克隆抗體藥物正在興起 全世界正在研制的生物技術藥品中 四分之一為各類單克隆抗體 2010年 世界單克隆抗體藥物的銷 售額已達200億美元 2 農(nóng)業(yè)生物技術方面 轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的研究和應用已有很大增長 四大轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物已在全世界種植 澳大利亞研究者利用生物技術培育的水芹中含有 3油脂 這種油脂能夠降低心臟疾病的發(fā)生率 同時 轉(zhuǎn)基因技術開發(fā)出含有乙型肝炎疫苗的馬鈴薯 3 動物生物技術方面 美國農(nóng)業(yè)部生物技術研究者開發(fā)出能夠自然抵抗乳腺炎的奶牛 阿根廷科學家利用生物技術 使乳牛產(chǎn)出的奶中具有足夠的人類 垂體生長素 以滿足人類對該種激素的需求 4 器官移植技術方面 器官移植技術向異種移植方向發(fā)展 即利用現(xiàn)代生物技術 將人的基因轉(zhuǎn)移到另一個物種上 再將此物種的器官取出來置入人體 代替人的生病的 零件 另外 還可以利用克隆技術 制造出完全適合于人體的器官 來替代人體 病危 的器官 韓國的異種移 植研究 通過生物技術使乳豬具有 LAG 基因 這種基因可以提高器官異種移植的耐受力 減少免疫排斥反應 5 能源方面 能源緊張已經(jīng)是全球面臨的關鍵性難題 近年來生物能源尤其受到重視 各國都在大力發(fā)展生物能源 包括生物乙醇 生物柴油 和生物制氫等 生物基化學品和生物材料等領域 并加大以工業(yè)微生物為代表的新型催化 轉(zhuǎn)化過程的應用 以節(jié)能 減排 增效 生物技術在上述工業(yè)領域的作為 有可能為綠色循環(huán)經(jīng)濟提供根本性的解決方案 實現(xiàn)新的工業(yè)革命 6 人類基因組方面 1990年 人類基因組計劃在美國正式啟動 2003年4月14日 中 美 英 日 法 德六國科學家宣布 人類基因組序列圖繪制 成功 人類基因組計劃的完成 有助于人類認識許多遺傳疾病以及癌癥的致病機理 將為基因治療提供必要的理論依據(jù) 2006年5月 18日 人類1號染色體的基因測序圖正式公布 1號染色體中的3141個基因全部測序完成 這些基因的缺陷涉及350多種疾病 如癌癥 帕金森病和阿爾茨海默病等 至此 人類基因組計劃圓滿完成 三 各國生物技術的現(xiàn)狀 1 美國 美國在生物技術領域處于全球領導地位 無論是在研究水平和投資強度上 還是在產(chǎn)業(yè)規(guī)模和所占市場份額上都是如此 目前 美國在艾滋病研究 基因組測序 克隆和干細胞研究等廣泛領域均占據(jù)了領先地位 啟動了基因變異鑒別工程 目的是尋 找出20萬個與人類疾病有關的變異基因 這方面的成果將有助于開發(fā)更有效 副作用更小的藥物 聯(lián)邦衛(wèi)生部門還在著手進行 臨床 蛋白質(zhì)組學計劃 開發(fā)以蛋白質(zhì)組研究為基礎的癌癥診療技術 2006年 美國伊利諾斯大學和加利福尼亞大學的科學家采用世界上 功能最強和運算速度最快的計算機 首次對衛(wèi)星狀煙草花葉病毒進行了其完整生命形態(tài)的數(shù)字仿真 模擬仿真了單個衛(wèi)星狀煙草花葉 病毒所含的全部原子和在病毒周圍的一個小水滴 兩者加起來共有駁陸離100多萬個原子 由于計算量巨大 該數(shù)字仿真病毒僅 存 活 了50 ns 1 ns 10 9s 該成果是在 飛速測試 生命有機體方面首次獲得的重要進步 將有助于更好地了解病毒的工作機制 美國科學家安德魯 菲爾和克雷格 梅洛因發(fā)現(xiàn) RNA 干擾機制獲2006年諾貝爾獎 科學家認為 RNA 干擾技術不僅是研究基因功能的重 要工具 也可以使致病基因 沉默 用以治療癌癥和艾滋病等 還可用于農(nóng)業(yè) RNA 干擾的應用前景令人興奮不已 2 英國 英國的生物技術產(chǎn)業(yè)僅次于美國 居世界第二 迄今英國在生物和醫(yī)學領域已獲得了80多個諾貝爾獎 DNA 結(jié)構及單克隆抗體構 造的發(fā)現(xiàn) DNA 指紋印的發(fā)明 以及抗體工程的進展等為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了十分有利的條件 英國是 人類基因組 計劃的重要參與 者 承擔了約1 3的測序工作 英國又是世界上第一只克隆羊 多莉 的誕生地 此外 它在基因治療等方面也有不俗的表現(xiàn) 英國紐卡斯爾大學達勒姆生物干 細胞研究所的納耶尼亞博士領導的研究小組 首次成功地用胚胎干細胞制造的人造精子培育出了生命 研究人員從老鼠的胚胎中分離 出精原干細胞 可發(fā)育成早期精子細胞的干細胞 進行培養(yǎng) 最終培育出7只老鼠 這項研究成果有助于深入了解精子生成的生物過 程 也為科學家研究生命如何孕育提供了動物模型 更重要的意義在于首次表明由人類培育出的精子可以最終形成完整的生命個體 這為研究遺傳學 癌癥或細胞重組等學科提供了思路 也為解決人類不育癥帶來了新的希望 英國紐卡斯爾大學的學者首次利用臍帶 血干細胞培育出微型人造肝臟 他們首先從嬰兒臍帶血中提取干細胞 然后將干細胞放入生物反應器 并添加激素和化學物質(zhì) 刺激 干細胞形成肝臟組織 這些微型肝臟已可用來測試新藥 還可以培育出修復肝臟損傷的人造肝臟組織 甚至有可能用這一方法培育出 人造肝臟用于器官移植 3 法國 法國生物技術水平不低 法國功能基因組公司 genOwaySA 克隆出世界上第一個大鼠胚胎 為未來干細胞治療的發(fā)展鋪平了道 路 4 德國 德國歷史上就是科技強國 德國科學家開發(fā)出新的顯微技術 受激發(fā)射減損 STED 它克服了傳統(tǒng)光學顯微鏡分辨率的衍射 限制 200 nm 使科學家觀察到40 nm 的結(jié)構 這為了解細胞和蛋白質(zhì)精細結(jié)構提供了更清晰的視野 5 瑞典 瑞典的生物技術在基礎研究 應用研究和產(chǎn)業(yè)化等方面都已躋身于世界先進行列 并在某些領域居世界前沿水平 生產(chǎn)的霍亂疫 苗則被世界衛(wèi)生組織認為是世界上最有效的疫苗 并已在若干國家登記注冊 6 巴西 巴西高度重視生物技術 大力實施基因組計劃 在破譯和繪制人類癌細胞基因組圖譜方面的世界排名僅次于美國 2001年4月 巴西完成了112萬個癌細胞基因片段的測序工作 到2002年 他們完成了一個乳腺癌腫瘤細胞的完整基因組圖譜 7 日本 日本生物技術原來開發(fā)方面落后于歐美 但近年來日本生物技術研究發(fā)展很快 在某些方面具有一定優(yōu)勢 如日本岡崎國立研究 所的水稻基因研究 京都大學的再生醫(yī)療研究 東京工科大學片柳研究所的生物探測裝置研究 田中耕一的蛋白質(zhì)和糖鏈研究等均位 居世界領先水平 此外 日本科學家在解析各種疑難病的基因和腦科學研究方面也不斷取得突破性進展 在尖端生物技術領域 干 細胞研究中 日本是站在世界上最前列的國家之一 由4個皮膚細胞培育出干細胞功能的 IPS 細胞 干細胞為基礎 開展培育骨髓移 植和人工器官的研究 8 印度 印度科研人員在生物技術的某些方面 如動植物 DNA 的重組 生物信息技術 對微生物和動物細胞的基因控制技術等已經(jīng)確立了 自己的競爭地位 在干細胞研究領域 經(jīng)美國國立衛(wèi)生研究院鑒定的世界上僅有的64所培養(yǎng)實驗室中 印度就占到了10所 這使印度 進入世界胚胎細胞菌采集最先進的十大研究中心之列 疫苗是印度生物制藥的一個亮點 9 新加坡 新加坡基因組研究院科學家宣布成功繪制了4000多個基因開關位置圖譜 這如同基因組圖譜有了 全球定位系統(tǒng) 醫(yī)學界的科 學家一直希望能以干細胞療法治療諸如糖尿病 阿爾茨海默病 先天性肌肉萎縮癥等疾病 基因開關位置圖譜的成功繪制 有望為干 細胞療法帶來突破 使科學家有可能按圖索驥 對癥進行藥品開發(fā)和基因修正 10 中國 從總體上看 我國生物技術在第三世界處于領先地位 1999年 我國作為唯一的發(fā)展中國家加入國際公共領域人類基因組計劃 2000年6月如期完成所承擔的百分之一的測序任務 2002年獨立完成水稻基因組研究 使中國的雜交水稻處于世界領先水平 同時我國克隆技術研究領域和干細胞研究 已步入世界先進 行業(yè) 我國基因工程多肽藥物 單抗和新型診斷試劑在仿制的基礎上向創(chuàng)新發(fā)展 已能生產(chǎn)目前國際上市的大多數(shù)基因工程多肽藥物 基因工程干擾素 1b 系國際首創(chuàng) 重組人腫瘤壞死因子 重組蛋白檢測抗體已申請專利 首創(chuàng)的免疫 PCR 胃癌診斷試劑已獲得新藥 證書 有望開發(fā)出一系列的高靈敏度癌癥診斷試劑 基因工程疫苗的研制取得明顯進展 基因工程乙肝疫苗投放市場 對乙肝的預防 起到了非常重要的作用 基因治療取得突破 研制成功具有高效導入功能的靶向性非病毒型載體系統(tǒng) 獲得了一批轉(zhuǎn)基因動物 通過 研究出現(xiàn)一批創(chuàng)新性成果 克隆了大量人 動物 植物的新基因 創(chuàng)造了具有多種用途的新型表達載體等 我國已成為世界上轉(zhuǎn)基因作物推廣面積最大的國家之一 如東北大豆已被轉(zhuǎn)基因大豆大部分替代 轉(zhuǎn)基因水稻還沒有被農(nóng)業(yè)部批 準大規(guī)模使用 我國雜交水稻還守住陣地 在世界上處于領先水平 返回頂端 疾病診斷與生物制藥中的生物技術 大綱 一 生物技術與疫苗 1 疫苗的作用與傳染病 2 疫苗的發(fā)展歷程 二 生物技術與疾病診斷 1 單克隆抗體技術 2 DNA 診斷技術 3 生物芯片技術 三 生物技術與生物制藥 1 抗生素 2 其他天然藥物 3 基因工程藥物 四 生物技術與生物療法 1 基因治療 2 基因療法 3 人類基因組計劃 知識點匯總 概念 C01 單克隆抗體及技術 C02 生物芯片技術 C03 基因治療 C04 基因療法 C05 遺傳病 C06 人類基因組 原理 K01 疫苗的作用 K02 傳染病的三種分類 K03 疫苗的發(fā)展歷程 K04 單克隆抗體技術的應用 K05 DNA 診斷技術的應用 K06 生物芯片技術的應用 K07 抗生素的濫用現(xiàn)象 K08 基因工程技術生產(chǎn)蛋白質(zhì)藥物的優(yōu)越性 K09 基因療法的現(xiàn)狀和困難 K10 人類對人類基因組的了解 信息 I01 19世紀中葉 法國科學家巴斯德 Pasteur 首先發(fā)明了細菌的純種培養(yǎng)技術及減毒疫苗的制備技術 I02 1978年 坎 Kan 和杜齊 Dozy 首先應用羊水細胞 DNA 限制性片段長度多態(tài)性 RFLP 作鐮狀細胞貧血癥的產(chǎn)前診斷 I03 1928年 Fleming 發(fā)現(xiàn)一種被稱為點青霉 Penicilliumnotatum 的真菌能產(chǎn)生一種被稱為青霉素的物質(zhì) I04 1972年 重組 DNA 技術的問世宣告了現(xiàn)代生物技術的誕生 正文 據(jù)不完全統(tǒng)計 目前生物技術的實際應用 約60 是在醫(yī)藥衛(wèi)生方面 與人類健康直接或間接有關的高達90 以上 生物技術在 醫(yī)藥衛(wèi)生領域的主要產(chǎn)品包括 疾病預防的疫苗 疾病診斷的單克隆抗體 基因探針 疾病治療的生物藥品及其他一些新的治療手段 隨著醫(yī)藥生物技術的發(fā)展 生物芯片 基因診斷 免疫診斷等高技術病原體檢測與疾病診斷等技術已經(jīng)邁上了一個新臺階 基因治療 干細胞治療等生物治療技術將開辟疾病治療技術的新領域 一批基因治療方案 藥物將逐漸進入應用階段 一 生物技術與疫苗 1 疫苗的作用與傳染病 利用疫苗對人體進行主動免疫是預防傳染性疾病的基本手段之一 人類接受疫苗之后 可以在體內(nèi)建立起對入侵物質(zhì)感染的免疫 抗性 從而使自己免受相應病原體的侵染 如果以后再遇到相應的侵入 人類的免疫系統(tǒng)也會被激活 使入侵的病原體被中和失活或 致死而排出體外 使致病性降低或消失 傳染病是人類健康的殺手 傳染病感染人有三個傳播環(huán)節(jié) 第一 傳染源 指各種病原體 包括細菌 病毒 寄生蟲等 第二 傳播途徑 包括空氣 病原生物 第三 易感人群 按照管理控制的要求 傳染病可以分三類 1 甲類傳染病 也稱為強制管理傳染病 例如 鼠疫 霍亂 對此類傳染病發(fā)生后報告疫情的時限 對病人 病原攜帶者的 隔離 治療方式以及對疫點 疫區(qū)的處理等 均須強制執(zhí)行 2 乙類傳染病 也稱為嚴格管理傳染病 包括 傳染性非典型肺炎 艾滋病 病毒性肝炎 脊髓灰質(zhì)炎 人感染高致病性禽 流感 麻疹 流行性出血熱 狂犬病 流行性乙型腦炎 登革熱 炭疽 細菌性和阿米巴性痢疾 肺結(jié)核 傷寒和副傷寒 流行性腦 脊髓膜炎 百日咳 白喉 新生兒破傷風 猩紅熱 淋病 梅毒 鉤端螺旋體病 血吸蟲病 瘧疾等 對此類傳染病要嚴格按照有關 規(guī)定和防治方案進行預防和控制 其中 傳染性非典型肺炎 炭疽中的肺炭疽 人感染高致病性禽流感這三種傳染病雖被納入乙類 但可根據(jù)實際情況 直接采取甲類傳染病的預防 控制措施 3 丙類傳染病 也稱為監(jiān)測管理傳染病 包括 流行性感冒 流行性腮腺炎 風疹 急性出血性結(jié)膜炎 麻風病 流行性和 地方性斑疹傷寒 黑熱病 包蟲病 絲蟲病 除霍亂 細菌性和阿米巴性痢疾 傷寒和副傷寒以外的感染性腹瀉病 對此類傳染病要 按國務院衛(wèi)生部的監(jiān)測管理方法進行管理 目前 已有幾十種用于人類主要傳染性疾病的疫苗 在我國 兒童方面已有七種疫苗列入計劃免疫 卡介苗 小兒麻痹疫苗 百 白破 麻疹疫苗 乙型肝炎疫苗 乙型腦炎疫苗 流行性腦炎疫苗 由國家免費提供疫苗 2 疫苗的發(fā)展歷程 人類利用疫苗預防傳染病可追朔到公元10世紀 在宋朝的真宗時代 我國就有了接種人痘預防天花的記載 到了明代則已廣泛種 植痘苗 1796年 英國醫(yī)生詹納 Jenner 改用更為安全的牛痘代替人痘接種 1980年5月 第三十三屆世界衛(wèi)生大會莊嚴宣告全世 界已消滅天花 這是人類利用疫苗戰(zhàn)勝烈性傳染病的一項偉大壯舉 19世紀中葉 法國科學家巴斯德 Pasteur 首先發(fā)明了細菌的純種培養(yǎng)技術及減毒疫苗的制備技術 并首先用于牛 羊的炭疽 病預防 這種疫苗稱為第一代疫苗 20世紀70年代之后 由于基因工程技術的發(fā)展 人們開始利用基因工程技術來生產(chǎn)疫苗 基因工程疫苗是將病原體的抗原 某種 蛋白質(zhì) 基因克隆在細菌或真核細胞內(nèi) 利用細菌或細胞生產(chǎn)病原體的抗原 基因工程疫苗被稱為第二代疫苗 1990年 科學家沃爾夫 Wolff 首先報道了小鼠肌肉注射質(zhì)粒 DNA 質(zhì)粒及其所攜帶的基因可以被細胞攝取并表達 這種疫苗 兼有基因工程疫苗的安全性和減毒活疫苗激發(fā)機體強免疫反應的雙重性 且免疫效果持久 制備簡便 省時價廉 短短幾年內(nèi)已獲得 了可喜的成果并展示了誘人的前景 這種疫苗稱為第三代疫苗 艾滋病疫苗的研究是目前國際上基因工程疫苗研究投入最大的項目 全球已有約40多種的艾滋病疫苗正在研究之中 但由于艾滋 病病毒與丙肝病毒相類似 具有多型善變的特點 因此對艾滋病疫苗的研究并不順利 二 生物技術與疾病診斷 1 單克隆抗體技術 單克隆抗體是利用細胞融合技術 在體外大量培養(yǎng)融合細胞 由融合細胞產(chǎn)生大量的抗體 單克隆抗體只識別某一特定的抗原決 定簇 具有特異性強 分布均一 靈敏度高 產(chǎn)量大 容易標準化生產(chǎn)等優(yōu)點 明顯優(yōu)于多克隆抗體 目前 世界上已建立的單克隆抗體品種數(shù)以萬計 其中數(shù)千種已經(jīng)上市 單克隆抗體主要用于病原體感染的體外診斷 此外 還 包括 1 鑒定微生物病原體 包括細菌性 病毒性 寄生蟲性傳染病的臨床診斷及食品 環(huán)境等可能污染物的病原體檢驗 2 確定激素水平 用于評價內(nèi)分泌功能及妊娠試驗 特別是早早孕的檢驗 3 檢測腫瘤相關蛋白質(zhì) 如癌胚抗原 甲胎蛋白等 對腫瘤進行早期診斷及治療后的療效評價 4 檢驗血液中的藥物含量 包括檢測違禁藥物 運動員興奮劑等 檢測如慶大霉素 環(huán)孢素等治療藥物的濃度 以確定最佳用藥量 5 腫瘤治療 將腫瘤治療藥物結(jié)合到抗腫瘤的特異單克隆抗體上 制成所謂的生物導彈 利用抗體與腫瘤的特異結(jié)合能力 使藥物集中到腫瘤 部位 減少藥物的副作用 6 動植物病原體的檢測 7 分離某些貴重的生物活性物質(zhì)等 2 DNA 診斷技術 1978年 科學家坎 Kan 和杜齊 Dozy 首先用羊水細胞 DNA 限制性片段長度多態(tài)性 RFLP 作鐮狀細胞貧血癥的產(chǎn)前診斷 從而開創(chuàng)了 DNA 診斷的新技術 30多年來 DNA 診斷技術取得了飛速的發(fā)展 建立了多種多樣的檢測方法 這些檢測方法可用于遺傳 性疾病 腫瘤 傳染性疾病等多種疾病的診斷 如 利用 PCR 擴增技術進行檢驗的傳染性因子 如結(jié)核桿菌 淋球菌 多種導致腹瀉 的腸道傳染性細菌 丙型肝炎病毒 乙肝病毒等 利用 PCR 技術進行遺傳性疾病的診斷 如地中海貧血的 Bart 綜合癥 由于大多數(shù) 遺傳性疾病缺乏有效的治療手段 所以對于具有某種遺傳病的家系的出生前的胎兒進行產(chǎn)前診斷 對患病胎兒實施人工流產(chǎn)或引產(chǎn)不 失為一條避免遺傳病患兒出生 從而達到優(yōu)生目的的有效方法 DNA 親子鑒定是目前應用最廣泛的 DNA 分型鑒定 技術使用方便 具體來說 DNA 親子鑒定是利用人體的某些細胞 包括人的血 液 毛發(fā) 口腔上皮細胞甚至任何人體的組織細胞來進行 一個人有23對 46條 染色體 同一對染色體同一位置上的一對基因稱為 等位基因 一般一個來自父親 一個來自母親 如果檢測到某個 DNA 位點的等位基因 一個與母親相同 另一個就應與父親相同 否 則就存在疑問了 利用 DNA 進行親子鑒定 只要作十幾至幾十個 DNA 位點檢測 如果全部一樣 就可以確定親子關系 如果有3個以上的位點不同 則可排除親子關系 有一兩個位點不同 則應考慮基因突變的可能 需要加做一些位點的檢測進行辨別 DNA 親子鑒定 否定親子關 系的準確率幾近100 肯定親子關系的準確率可達到99 99 在我國 一般可以個人受理的檢測現(xiàn)在的價格并不高 一般在800到1000元左右 可以在母親不在場的情況下鑒定 操作方法很 簡單 或者用棉花簽在口腔內(nèi)刮下口腔細胞 或者用小孩的毛發(fā) 手指端的血滴 大概三到五天就可以出報告 3 生物芯片技術 生物芯片 biochip 技術是指采用光導原位合成或微量點樣等方法 將大量生物大分子比如核酸片段 多肽分子甚至組織切片 細胞等生物樣品有序地固化于支持物 如玻片 硅片 聚丙烯酰胺凝膠 尼龍膜等載體 的表面 組成密集二維分子排列 然后與已 標記的待測生物樣品中靶分子雜交 通過特定的儀器比如激光共聚焦掃描或電荷偶聯(lián)攝影像機 CCD 對雜交信號的強度進行快速 并行 高效地檢測分析 從而判斷樣品中靶分子的數(shù)量 生物芯片有很多種 包括基因芯片 蛋白質(zhì)芯片 多糖芯片和神經(jīng)元芯片等 能夠從各個層次揭示生命的奧秘 生物芯片是指能 對生物分子進行快速并行處理和分析的薄型固體器件 它只有指甲蓋大小 目前 研究與應用得比較多的是基因 DNA 芯片 生物芯片在醫(yī)學領域中具有廣泛的應用前景 目前 生物芯片在臨床檢驗方面的主要應用有 1 快速檢測基因表達 2 遺傳病檢測的應用 3 傳染因子檢測的應用 4 血液疾病的檢測等 三 生物技術與生物制藥 1 抗生素 1928年 科學家弗萊明 Fleming 發(fā)現(xiàn)一種被稱為點青霉 Penicilliumnotatum 的真菌能產(chǎn)生一種被稱為青霉素的物質(zhì) 這 種物質(zhì)可以抑制許多細菌的生長 對它的研究徹底地改變了人類與細菌性傳染病的關系 使其得到了有效控制 受青霉素的啟發(fā) 人 們對許多微生物產(chǎn)生的天然抗生素進行了大規(guī)模的篩選 迄今人們已發(fā)現(xiàn)了約6000種具有抗生活性的天然物質(zhì) 估計今后每年還會有 100 200種新的抗生素被發(fā)現(xiàn) 在全世界使用的抗生素當中 有50 的比例被濫用或不合理地使用 在中國這一比例更高達80 據(jù)統(tǒng)計 我國每年使用抗生素原 料大約21萬噸 除了出口的3萬噸 大部分用于醫(yī)療和農(nóng)業(yè) 人均消費抗生素138克左右 是美國的10倍 2009年 我國用于醫(yī)療輸液 104億瓶 相當于13億中國人每人輸液8瓶 遠超于世界平均水平的2 5至3瓶 這其中真正需要使用抗生素的病人所占比例應當不滿20 抗生素的濫用產(chǎn)生了一些不良后果 出現(xiàn)了越來越多的耐藥性致病菌 比如耐藥結(jié)核桿菌 它的發(fā)展速度驚人 國內(nèi)有的病人在真正 需要抗生素的時候 會發(fā)現(xiàn)很多抗生素對他已經(jīng)無效了 我國濫用抗生素的現(xiàn)象可以找出四方面的原因 1 醫(yī)生的原因 醫(yī)生給不該開抗生素的病人開抗生素 2 患者的原因 患者稍微有點問題 就主動要求使用抗生素 3 社會原因 我國允許抗生素進入廣告 這在國外往往是不允許的 我國藥業(yè)企業(yè)為了追求利潤 在大眾媒體上大肆宣傳 夸大療效 誤導消費者 4 隱性食品原因 我國農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖業(yè)的飼料和用藥當中允許使用抗生素 這些食用動物進入人體后也成為人體濫用抗生素的一 大源頭 社會人群在使用抗生素上有幾點誤區(qū) 比如認為抗生素可以預防感染 認為抗生素除了口服 還可以外用 認為廣譜抗生素優(yōu)于 窄譜抗生素 認為價格貴的抗生素優(yōu)于便宜的抗生素 新出品的抗生素優(yōu)于老的抗生素 認為抗生素可以等同于消炎藥 這些誤區(qū)需 要通過教育宣傳來糾正 實際上國際社會對抗生素的規(guī)定是很嚴格的 在美國 沒有醫(yī)生的藥方 個人很難買到抗生素 科學地使用抗生素 需要轉(zhuǎn)變思路 首先 從增強病人自身的免疫力入手 能用物理療法 盡量不用化學療法 第二 假如必須 使用抗生素 除了對癥下藥之外 還要通過培養(yǎng)體內(nèi)有益細菌的生長來抑制致病菌 2 其他天然藥物 1 人參 人參療效顯著 但天然資源少 生長速度慢 價格昂貴 人們正試圖尋找其他途徑生產(chǎn)人參的有效成分 人參皂苷 1964年 我國科學家羅士偉教授首先成功地進行了人參組織培養(yǎng) 其后 許多國家也開展了培養(yǎng)生產(chǎn)人參皂苷的研究工作 現(xiàn)在 已可用組織 培養(yǎng)的方法生產(chǎn)人參皂苷 并證實其藥理藥性與生藥新鮮人參相同 2 紫杉醇 紫杉醇是近年來發(fā)現(xiàn)的重要抗癌藥物 能有效地治療卵巢癌 乳腺癌等癌癥 紫杉醇的生產(chǎn)只能通過大量砍伐這種珍稀植物來實 現(xiàn) 所以 如何獲得充足的藥物一直是醫(yī)學家和環(huán)境學家爭論的問題 利用生物技術生產(chǎn)或處于研究階段的藥物還有 強心苷 阿嗎堿 莨菪堿 利血平 胡蘿卜素 維生素 C 等 3 基因工程藥物 蛋白質(zhì)是生命活動最重要的物質(zhì)之一 已知很多蛋白質(zhì)與人類的疾病密切相關 大家所熟悉的侏儒癥與病人缺少生長激素有關 一些糖尿病人則是由胰島素合成不足引起的 出血不止的血友病人則是由于缺少凝血因子 或 在 DNA 重組技術出現(xiàn)之前 大多數(shù)人用蛋白質(zhì)藥物主要從人 如血液 尿液 或動物的組織 器官中提取 成本特別高 產(chǎn)率和 產(chǎn)量很低 供應十分有限且存在不安全因素 例如 生產(chǎn)1微克的白細胞干擾素或5毫克的生長激素 需要50萬頭綿羊的綿羊腦 生產(chǎn) 10克胰島素則需要45公斤豬的胰臟 基因工程技術可以克服傳統(tǒng)方法生產(chǎn)蛋白質(zhì)藥物的困難 1 將有治療意義的蛋白質(zhì)基因克隆后 導入細菌 酵母等生長旺盛的表達系統(tǒng)中 使這個基因接受表達系統(tǒng)中強的表達元件 的控制而大量表達 這樣 人們就可以很容易地得到可供臨床使用的大量藥物 2 用基因工程生產(chǎn)人源的蛋白質(zhì)藥物將是安全 有效的 不用擔心其他病原體的污染 也不用擔心動物源藥物的抗原性 3 基因工程技術不僅可以獲得大量的有活性的人源藥物 且可通過基因工程的方法對蛋白質(zhì)基因的結(jié)構加以改造 使被修飾 后的蛋白質(zhì)藥物性質(zhì)更加穩(wěn)定 活性更高 副作用更低 由于基因工程技術在生產(chǎn)藥物上的誘人前景 世界各國均十分重視這項技術的研究和開發(fā) 1982年10月 世界上第一個基因工程 藥物 治療胰島素依賴性糖尿病的人胰島素在美國正式獲準上市 至今 經(jīng)過嚴格的動物藥理 毒理試驗及臨床試驗 已有100多 種藥物獲準大批量生產(chǎn)并上市 300多種藥物處于臨床階段 近千種藥物處于研發(fā)狀態(tài) 形成一個巨大的高新技術產(chǎn)業(yè) 產(chǎn)生了不可 估量的社會效益和經(jīng)濟效益 四 生物技術與生物療法 1 基因治療 基因治療是指正?；蛱娲毕莼蚧蛐迯腿毕莼蛞孕Ｕz傳疾病的生物技術 也就是利用遺傳學的原理治療人類的疾病 傳 統(tǒng)意義上的基因治療 Gene Therapy 是指目的基因?qū)氚屑毎院笈c宿主細胞內(nèi)的基因發(fā)生重組 成為宿主細胞的一部分 從而可 以穩(wěn)定地遺傳下去并達到對疾病進行治療的目的 基因治療分為體細胞基因治療與性細胞基因治療 前者不傳代 后者可傳代 遺傳病就是指由遺傳物質(zhì)改變而引起的疾病 有染色體病 單基因病 多基因病三種類型 具有先天性 終生性 家族性三大特 點 目前 已發(fā)現(xiàn)的遺傳病有3000多種 我國發(fā)病率3 10 高血壓 糖尿病是最普遍的遺傳病 后代風險比常人高10 20倍 2 基因療法 基因療法 Gene Therapeutics 是指采用基因工程技術 使目的基因和宿主細胞內(nèi)的基因不發(fā)生重組 但目的基因仍可得到暫 時的表達 也被稱為基因校正療法 目前 全世界約有幾百個基因治療方案處于實驗室研究和臨床試驗之中 少數(shù)方案已用于臨床 基因治療根據(jù)所治療的疾病類型 可分為遺傳性疾病的基因治療 腫瘤的基因治療 傳染性疾病的基因治療等 到目前為止 只有少數(shù)幾種遺傳性疾病具有基因療法的方案 如腺苷脫氨酶 ADA 基因缺陷引起的嚴重聯(lián)合免疫缺陷癥 SCID 凝血因子 F 基因缺陷引起的血友病 B HEMB 低密度脂蛋白受體 LDLR 基因缺陷引起的家族性高血脂癥 FId 目前 已進行過臨床試驗的遺傳病主要有 SCID 重癥聯(lián)合免疫缺陷 高膽固醇血癥 血友病 肺氣腫 肌營養(yǎng)不良癥 地中 海貧血等 基因療法的現(xiàn)狀和困難 主要表現(xiàn)在四個方面 1 了解基因功能的難度大 2 傳遞基因的難度高 3 單基因疾病畢竟是有限的 很多疾病是多基因疾病 這增加了其復雜性 4 成本太高 這一點需要社會保障體系的支持 通過生物高科技的發(fā)展來降底成本 3 人類基因組計劃 1972年 重組 DNA 技術的問世宣告了現(xiàn)代生物技術的誕生 它的誕生推動了生命科學基礎研究的進程 使生命科學從單純的基礎 理論與合理開發(fā)利用生物資源躍上了改造和創(chuàng)造生命的新階段 躍上了單純基礎理論研究與合理開發(fā)利用生物資源相結(jié)合的新臺階 人類基因組計劃 Human Genome Project HGP 的實施是生物技術在人類基因的基礎理論研究與合理利用 開發(fā)人類基因資源的 一個成果 人類基因組指的是人類生殖細胞所包含的全部基因 估計有5萬 10萬個基因 當時的估計 由3 2 109堿基對 bp 組成 2000年6月26日 美國總統(tǒng)克林頓在白宮舉行記者招待會 鄭重宣布 經(jīng)過上千名科學家的共同努力 被比喻為生命天書的人類 基因組草圖已基本完成 測序完成97 序列組裝完成85 2001年2月12日 由美 日 德 法 英 中組成的國際人類基因組計劃及美國 Celera 公司聯(lián)合宣布對人類基因組的初步分析結(jié) 果 1 人類基因組有31 6億個核苷酸 3萬 4萬個結(jié)構基因 結(jié)構基因的數(shù)量只有酵母菌的四倍 果蠅的二倍 比線蟲也只多一萬 多個基因 數(shù)目少得驚人 2 基因在染色體上非均勻分布 有些區(qū)域有很多的基因 即所謂的 熱點 區(qū)域 有些區(qū)域 約1 4 則沒有或有極少的基因 好像是 荒漠 3 人與人之間有99 9 的基因密碼是相同的 不同種族之間的差異并不比同一種族不同個體之間的差異大 返回頂端 基因工程與環(huán)保中的生物技術 大綱 一 基因工程 1 基因和基因工程概念 2 基因工程的基本操作步驟 二 轉(zhuǎn)基因動物和植物 1 轉(zhuǎn)基因動物 2 轉(zhuǎn)基因植物 三 生物技術在環(huán)保上的應用 1 環(huán)境與人體健康 2 我國水環(huán)境現(xiàn)狀 3 生物治理的優(yōu)點 4 現(xiàn)代生物技術在環(huán)境保護中的主要應用 知識點匯總 概念 C01 基因 C02 基因工程 C03 轉(zhuǎn)基因動物 C04 轉(zhuǎn)基因植物 原理 K01 基因工程的基本操作步驟 K02 提取目的基因的兩種方法 K03 轉(zhuǎn)基因動物培育的基本原理 K04 轉(zhuǎn)基因動物培育的關鍵技術 K05 轉(zhuǎn)基因動物培育的主要方法 K06 轉(zhuǎn)基因動物技術的應用領域 K07 轉(zhuǎn)基因植物技術的應用領域 K08 轉(zhuǎn)基因植物技術的應用現(xiàn)狀 K09 環(huán)境致病因素的主要表現(xiàn) K10 我國水資源的現(xiàn)狀 K11 生物治理的優(yōu)點 K12 現(xiàn)代生物技術在環(huán)境保護中的主要應用 信息信息 I01 1909年 遺傳學家約翰森 W Johannsen 提出基因 gene 的概念 正文 一 基因工程 1 基因和基因工程概念 1909年 遺傳學家約翰森 W Johannsen 提出基因 gene 的概念 在遺傳學發(fā)展的早期階段 它僅是一個邏輯推理的概念 而不是一種已經(jīng)證實了的物質(zhì)和結(jié)構 基因的現(xiàn)代定義是 DNA 脫氧核糖核酸 分子中含有特定遺傳信息的一段核苷酸序列總稱 是遺傳物質(zhì)的最小功能單位 從位置定義 基因也就是染色體 一級結(jié)構 的片段 基因工程 genetic engineering 也叫基因操作 重組 DNA 技術 它是一項將生物的某個基因通過載體運送到另一種生物的活 細胞中 并使之無性繁殖 稱之為 克隆 和行使正常功能 稱之為 表達 從而創(chuàng)造生物新品種或新物種的遺傳學技術 基因 工程的核心是構建重組體 DNA 的技術 所以基因工程和重組 DNA 技術有時也就成為同義詞 基因工程的出現(xiàn) 標志著人類已經(jīng)能夠按照自己的意愿進行各種基因操作 能夠規(guī)模性地生產(chǎn)基因產(chǎn)物 并且能夠自主設計和創(chuàng) 建新的基因 新的蛋白質(zhì)和新的生物物種 2 基因工程的基本操作步驟 1 提取目的基因 獲取目的基因主要有兩種方法 從供體細胞的 DNA 中直接分離基因 人工合成基因 直接分離基因最常用的方法是 鳥槍法 又叫 霰彈射擊法 做法是 用限制酶將供體細胞中的 DNA 切成許多片段 將這些片 段分別載入運載體 然后通過運載體分別轉(zhuǎn)入不同的受體細胞 讓供體細胞提供的 DNA 即外源 DNA 的所有片段分別在各個受體細 胞中大量復制 在遺傳學中叫做擴增 從中找出含有目的基因的細胞 再用一定的方法把帶有目的基因的 DNA 片段分離出來 許多 抗蟲 抗病毒的基因都可以用上述方法獲得 用鳥槍法獲得目的基因的優(yōu)點是操作簡便 缺點是工作量大 具有一定的盲目性 同時 由于真核細胞的基因含有不表達的 DNA 片段 所以一般使用人工合成的方法獲得目的基因 人工合成基因的方法目前主要有兩條 一是以目的基因轉(zhuǎn)錄成的信使 RNA 核糖核酸 為模版 反轉(zhuǎn)錄成互補的單鏈 DNA 然后 在酶的作用下合成雙鏈 DNA 從而獲得所需要的基因 二是根據(jù)已知的蛋白質(zhì)的氨基酸序列 推測出相應的信使 RNA 序列 然后按照 堿基互補配對的原則 推測出目的基因的核苷酸序列 再通過化學方法 以單核苷酸為原料合成目的基因 2 目的基因與運載體結(jié)合 基因表達載體的構建 即目的基因與運載體結(jié)合 是基因工程的核心 將目的基因與運載體結(jié)合的過程 實際上是不同來源的 DNA 重新組合的過程 如果以質(zhì)粒 細菌環(huán)狀 DNA 作為運載體 首先要用一定的限制酶切割質(zhì)粒 使質(zhì)粒出現(xiàn)一個缺口 露出黏性 末端 然后用同一種限制酶切斷目的基因 使其產(chǎn)生相同的黏性末端 并將切下的目的基因的片段插入質(zhì)粒的切口處 再加入適量 DNA 連接酶 質(zhì)粒的黏性末端與目的基因 DNA 片段的黏性末端就會因堿基互補配對而結(jié)合 形成一個重組 DNA 分子 3 將目的基因?qū)胧荏w細胞 目的基因的片段與運載體在生物體外連接形成重組 DNA 分子后 下一步是將重組 DNA 分子引入受體細胞中進行擴增 基因工程中 常用的受體細胞有大腸桿菌 枯草桿菌 土壤農(nóng)桿菌 酵母菌和動植物細胞等 主要是借鑒細菌或病毒侵染細胞的途徑使體外重組的 DNA 分子轉(zhuǎn)移到受體細胞 例如 如果運載體是質(zhì)粒 受體細胞是細菌 一般是將細菌用氯化鈣處理 以增大細菌細胞壁的通透性 使含有目的基因的重組質(zhì)粒進入受體細胞 目的基因?qū)胧荏w細胞后 就可以隨著受體細胞的繁殖而復制 由于細菌的繁殖速度非常 快 在很短的時間內(nèi)就能夠獲得大量的目的基因 4 目的基因的檢測和表達 目的基因?qū)胧荏w細胞后 是否可以穩(wěn)定維持和表達其遺傳特性 只有通過檢測與鑒定才能知道 這是基因工程的第四步工作 以上步驟完成后 必須通過一定的手段對受體細胞中是否導入了目的基因進行檢測 重組 DNA 分子進入受體細胞后 受體細胞必 須表現(xiàn)出特定的性狀 才能說明目的基因完成了表達過程 基因工程步驟扼要的可概括為三步 目的基因制備或合成 目的基因轉(zhuǎn)運 受體整合表達 二 轉(zhuǎn)基因動物和植物 1 轉(zhuǎn)基因動物 1 轉(zhuǎn)基因動物概念 轉(zhuǎn)基因動物指把人或哺乳動物的某種基因?qū)氲讲溉閯游?如鼠 兔 羊和豬 的受精卵里 目的基因若與受精卵染色體 DNA 整 合 細胞分裂時 該基因隨染色體的倍增而倍增 使每個細胞中都帶有目的基因 使性狀得以表達 并穩(wěn)定地遺傳給后代 從而獲得 基因產(chǎn)品 2 轉(zhuǎn)基因動物培育的原理與方法 轉(zhuǎn)基因動物培育的基本原理是借助分子生物學和胚胎工程的技術 將外源目的基因在體外擴增和加工 再導入動物的早期胚胎細 胞中 使其整合到染色體上 當胚胎被移植到代孕動物的輸卵管或子宮中后 發(fā)育成攜帶有外源基因的轉(zhuǎn)基因動物 培育轉(zhuǎn)基因動物的關鍵技術包括 外源目的基因的制備 外源目的基因的有效導入 胚胎培養(yǎng)與移植 外源目的基因表達的檢測 等 根據(jù)目的基因?qū)氲姆椒ㄅc對象不同 培育轉(zhuǎn)基因動物的主要方法有基因顯微注射法 逆轉(zhuǎn)錄病毒感染法 胚胎干細胞介導法 精子載體導入法等 3 轉(zhuǎn)基因動物技術的應用領域 轉(zhuǎn)基因動物技術在生物學基礎研究 醫(yī)學 農(nóng)業(yè)及生物工程等領域的應用 已取得有相當價值的成果 1 研究基因的結(jié)構和功能及其表達與調(diào)控 2 建立人類疾病動物模型 3 研究人類疾病基因治療 4 研制生物反應器 生產(chǎn)天然活性藥物蛋白 5 擴大移植器官供體來源 6 改良動物品種 7 控制流行疾病 2 轉(zhuǎn)基因植物 1 轉(zhuǎn)基因植物概念 植物轉(zhuǎn)基因技術是指通過一定的方法將從動物 植物或微生物中分離到的目的基因轉(zhuǎn)移到植物的基因組中 使之表達并穩(wěn)定遺傳 從而賦予植物新性狀的技術 2 轉(zhuǎn)基因植物技術的應用領域 目前植物轉(zhuǎn)基因技術主要在以下方面得到應用 第一 抗性基因工程 也被稱為第一代植物基因工程 是研究最早 技術最為成熟 而且應用規(guī)模最大的植物轉(zhuǎn)基因技術 主要 包括抗蟲基因工程 抗病基因工程 抗除草劑基因工程以及抗逆 鹽堿 寒 凍 旱 基因工程 第二 植物品質(zhì)改良基因工程 是目前植物轉(zhuǎn)基因技術的研究熱點 主要包括植物蛋白品質(zhì)改良 碳水化合物 如淀