生物工程概論

1、生物工程概論生物工程概論張張彥婷彥婷鄭鄭州大州大學(xué)學(xué)生命科生命科學(xué)學(xué)學(xué)學(xué)院院 教材：教材：生物工程概論生物工程概論，陶興無主編，化學(xué)工業(yè)出版社，陶興無主編，化學(xué)工業(yè)出版社 課時安排：課時安排：48學(xué)時，學(xué)時，16周周 教學(xué)大綱：教學(xué)大綱： 考試方式：考試方式： 平時成績：平時成績：30% 期末（論文）：期末（論文）：70%課程簡介課程簡介第一章第一章第三章第三章第四章第四章第八章第八章第九章第九章第十四章第十四章非核心核心非核心講授講授講授+學(xué)生參與生物工程生物工程生物工程生物工程生物生物科學(xué)科學(xué) 生物工程是運用現(xiàn)代生物科學(xué)的理論與方法，按照人類的需要改造生物工程是運用現(xiàn)代生物科學(xué)的理論與方法

2、，按照人類的需要改造和設(shè)計生物的結(jié)構(gòu)和功能，以便更經(jīng)濟、更有效、更大規(guī)模地生產(chǎn)人類所和設(shè)計生物的結(jié)構(gòu)和功能，以便更經(jīng)濟、更有效、更大規(guī)模地生產(chǎn)人類所需要的物質(zhì)和產(chǎn)品的技術(shù)。需要的物質(zhì)和產(chǎn)品的技術(shù)。工程學(xué)工程學(xué)生物工程概論生物工程概論生物技術(shù)與生物工程生物技術(shù)與生物工程 biotechnology and bioengineering生物技術(shù)側(cè)重于利用生物技術(shù)側(cè)重于利用生物學(xué)方法生物學(xué)方法解決生物體本身的問題解決生物體本身的問題(更更類似于生命科學(xué)研究類似于生命科學(xué)研究-基礎(chǔ)生物學(xué)研究基礎(chǔ)生物學(xué)研究)生物工程則側(cè)重于利用生物工程則側(cè)重于利用工程學(xué)方法工程學(xué)方法解決生物學(xué)問題（更強解決生物學(xué)問題（

3、更強調(diào)調(diào)突出的應(yīng)用突出的應(yīng)用屬性屬性-生物學(xué)和工程學(xué)等理論技術(shù)的結(jié)合加以生物學(xué)和工程學(xué)等理論技術(shù)的結(jié)合加以應(yīng)用）應(yīng)用）生物工程概論生物工程概論生物工程與人類的生活生物工程與人類的生活食物短缺食物短缺疾病危險疾病危險能源危機能源危機資源枯竭資源枯竭環(huán)境污染環(huán)境污染人類面臨人類面臨的問題的問題生物工程概論生物工程概論生物工程的特點高效益高智力高投入高競爭高風(fēng)險高勢能可帶來高額利潤可帶來高額利潤具有創(chuàng)造性和突破性具有創(chuàng)造性和突破性 前期研究和開發(fā)需要前期研究和開發(fā)需要大量的資金投入大量的資金投入 時效性競爭非常激烈時效性競爭非常激烈激烈的競爭帶來高風(fēng)險激烈的競爭帶來高風(fēng)險對社會各方面影響極大對社會各

4、方面影響極大生物工程的內(nèi)容生物工程的內(nèi)容第一章第一章 緒論緒論 生物工程的發(fā)展簡史生物工程的發(fā)展簡史 生物工程的內(nèi)容生物工程的內(nèi)容我國漢代釀酒作坊（上圖）公元前2300年，埃及人釀造啤酒（左圖） 朦朧階段（朦朧階段（9000年前年前-1676年）年）有考古證據(jù)證明在公元7000年前，我們的祖先就開始釀酒作為飲品。其他以微生物發(fā)酵為基礎(chǔ)的生產(chǎn)，如發(fā)酵乳制品（包括乳酪、酸奶等）和各種東方食品如醬油、印尼豆酵餅等同樣有著古老的淵源初步發(fā)展（初步發(fā)展（1676-1861年）年）edward jenner 首創(chuàng)接種牛痘預(yù)防天花，是免疫學(xué)發(fā)展的代表，但當(dāng)時解釋不了其機制。列文虎克發(fā)明顯微鏡列文虎克發(fā)明顯微

5、鏡奠定階段（奠定階段（1861-1897年）年）“工業(yè)微生物學(xué)之父工業(yè)微生物學(xué)之父”“生物工程之父生物工程之父” 杰出貢獻徹底否定了“自然發(fā)生學(xué)說”；證實細菌能利用糖和銨合成蛋白質(zhì)；證實了發(fā)酵是由細菌引起的；在免疫學(xué)上提出預(yù)防接種;提出巴氏消毒法等等 世界上第一次發(fā)明了細菌照相法；第一次發(fā)現(xiàn)證明了炭疽熱的病原細菌炭疽桿菌； 第一次提出純培養(yǎng)技術(shù)并設(shè)計多種培養(yǎng)基；第一次發(fā)明了蒸汽殺菌法提出 科赫法則 等等羅伯特羅伯特科赫科赫發(fā)展期（發(fā)展期（1897年年-1953年）年）buchner（生物化學(xué)奠基人）（生物化學(xué)奠基人） fleming1897年1928年1944年無細胞酵母菌“酒化酶”推翻巴斯德

6、胚種學(xué)說 發(fā)現(xiàn)青霉素對細菌的抑制作用,青霉素發(fā)現(xiàn)推動微生物工業(yè)化培養(yǎng)技術(shù)猛進肺炎球菌轉(zhuǎn)化實驗，確定dna是遺傳物質(zhì)標(biāo)志著分子生物學(xué)的形成生物工程發(fā)展的里程碑：進入生化水平研究階段avery成熟期（分子生物學(xué)水平研究階段成熟期（分子生物學(xué)水平研究階段1953年年至今）至今）watson和crick（分子生物學(xué)奠基人）美國生物學(xué)家沃森（watson ）和英國晶體結(jié)構(gòu)分析家克里克（crick ）合作，提出dna結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型，并在1962年與英國學(xué)者維爾金斯（wilkins m.h.f.）共獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。 基因工程的發(fā)展工程菌的構(gòu)建更促進了生物工程發(fā)展推動生命科學(xué)的發(fā)展促進許多重大理論問

7、題的突破人類基因人類基因組計劃組計劃20世紀70年代第一章第一章 緒論緒論 生物工程的發(fā)展簡史生物工程的發(fā)展簡史 生物工程的內(nèi)容生物工程的內(nèi)容生物工程的五大體系生物工程的五大體系生物工程的內(nèi)容生物工程的內(nèi)容發(fā) 酵 工 程 fermentation engineering 定義定義是工程學(xué)與微生物學(xué)的結(jié)合；利用微生物的特性，通過是工程學(xué)與微生物學(xué)的結(jié)合；利用微生物的特性，通過現(xiàn)代化工程技術(shù)，生產(chǎn)有用物質(zhì)或直接將其應(yīng)用于工業(yè)化生現(xiàn)代化工程技術(shù)，生產(chǎn)有用物質(zhì)或直接將其應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的一門技術(shù)產(chǎn)的一門技術(shù). . 包括包括菌種選育、菌種生產(chǎn)、代謝產(chǎn)物發(fā)酵和分離以及微菌種選育、菌種生產(chǎn)、代謝產(chǎn)物發(fā)酵和分

8、離以及微生物機能的利用生物機能的利用等等. .代表機構(gòu)：代表機構(gòu)：中科院微生物所中科院微生物所& &過控所，華東理工，華南理工，過控所，華東理工，華南理工，江南大學(xué)，等江南大學(xué)，等生物工程的五大體系生物工程的五大體系發(fā)酵工程發(fā)酵工程現(xiàn)代啤酒的發(fā)酵生產(chǎn)工藝現(xiàn)代啤酒的發(fā)酵生產(chǎn)工藝分批補料發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，分批補料發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，使得乳酸的發(fā)酵水平達使得乳酸的發(fā)酵水平達200g/l，光學(xué)純度達，光學(xué)純度達97.4%可滿足聚乳酸的生產(chǎn)需要；可滿足聚乳酸的生產(chǎn)需要；純培養(yǎng)厭氧分批純培養(yǎng)厭氧分批補料發(fā)酵技術(shù)補料發(fā)酵技術(shù)生物工程的五大體系生物工程的五大體系生物高分子材料生產(chǎn)生物高分子材料生產(chǎn)建成一

9、條我國第一，世界第二的年產(chǎn)5000t綠色可降解環(huán)保型聚乳酸樹脂工業(yè)示范線，收率達到理論收率的90%，分子量大于10萬。綠色可降解環(huán)保型聚乳酸樹脂具有環(huán)境友好型的優(yōu)勢，并能夠勝任大部分合成塑料； 生物工程的五大體系生物工程的五大體系對現(xiàn)有對現(xiàn)有500t/a秸稈乙醇秸稈乙醇中式生產(chǎn)線技術(shù)改造中式生產(chǎn)線技術(shù)改造生物法生產(chǎn)大宗化學(xué)用品具有很強的潛力和很大的利潤，更具有經(jīng)濟環(huán)保的優(yōu)良性質(zhì)。生物法生產(chǎn)大宗化學(xué)用品具有很強的潛力和很大的利潤，更具有經(jīng)濟環(huán)保的優(yōu)良性質(zhì)。 目前生物法生產(chǎn)乙烯新增產(chǎn)值5.76億，新增利潤7654萬元乙烯的生物煉制技術(shù)的成熟促使一系列大宗化學(xué)用品的生物法的發(fā)展。生物燃料生物燃料生物

10、工程的五大體系生物工程的五大體系我國是世界上肥料消費量第一的大國，化肥對我國糧食的貢獻占50%以上；我國肥料資源十分匱乏，例如：再過20年中高品位磷礦開采殆盡；化肥肥效易下降且會造成大量氮、磷污染地下水。生物肥料提供氮素，轉(zhuǎn)化難溶磷鉀，促進作物生長；生物肥料環(huán)境友好。生物肥料關(guān)鍵技術(shù)突破：生物肥料高效菌種資源庫的不斷充實；突破秸稈快速腐熟技術(shù)；高密度發(fā)酵工業(yè)；生物肥料高效載體研究的突破。生物肥料生物肥料生物工程的五大體系生物工程的五大體系細胞工程 cell engineering 定義定義將一種生物細胞中攜帶全套遺傳信息的基因或染色將一種生物細胞中攜帶全套遺傳信息的基因或染色體全部轉(zhuǎn)入另一種生

11、物細胞，從而改變細胞的遺傳性，體全部轉(zhuǎn)入另一種生物細胞，從而改變細胞的遺傳性，改造生物的性狀和功能。改造生物的性狀和功能。 它包括細胞融合、細胞器移植、染色體工程、細胞它包括細胞融合、細胞器移植、染色體工程、細胞和組培技術(shù)等和組培技術(shù)等. .代表：代表：中科院，農(nóng)科院，華東理工，江南大學(xué)，農(nóng)業(yè)大學(xué)，中科院，農(nóng)科院，華東理工，江南大學(xué)，農(nóng)業(yè)大學(xué)，藥科大學(xué)，等藥科大學(xué)，等生物工程的五大體系生物工程的五大體系 細胞工程細胞工程 - 應(yīng)用細胞生物學(xué)和分子生物學(xué)方法，在細胞水平應(yīng)用細胞生物學(xué)和分子生物學(xué)方法，在細胞水平進行的遺傳操作進行的遺傳操作。廣義的細胞工程包括利用離體培養(yǎng)細胞的廣義的細胞工程包括利

12、用離體培養(yǎng)細胞的特性特性 ，生產(chǎn)有價值的生物品，或快速繁殖珍貴的植株。，生產(chǎn)有價值的生物品，或快速繁殖珍貴的植株。 當(dāng)前細胞工程所涉及的主要技術(shù)領(lǐng)域有當(dāng)前細胞工程所涉及的主要技術(shù)領(lǐng)域有細胞培養(yǎng)細胞培養(yǎng)、細胞融合細胞融合、細胞拆合細胞拆合、染色體操作染色體操作及及基因轉(zhuǎn)移基因轉(zhuǎn)移等方面。通過細胞工程可等方面。通過細胞工程可以生產(chǎn)有用的生物產(chǎn)品或培養(yǎng)有價值的生物個體，并可以產(chǎn)以生產(chǎn)有用的生物產(chǎn)品或培養(yǎng)有價值的生物個體，并可以產(chǎn)生新的物種或品系。生新的物種或品系。生物工程的五大體系生物工程的五大體系 通過生物學(xué)、化學(xué)或物理學(xué)的方法，使兩個不同種類的通過生物學(xué)、化學(xué)或物理學(xué)的方法，使兩個不同種類的體細

13、胞融合在一起，從而產(chǎn)生具有兩個親本遺傳性狀的體細胞融合在一起，從而產(chǎn)生具有兩個親本遺傳性狀的新細胞新細胞. . 童魚童魚世界上第一條沒有父母的魚世界上第一條沒有父母的魚 “ “鯽鯉核質(zhì)雜交魚鯽鯉核質(zhì)雜交魚” dolly dolly 羊的誕生羊的誕生 體細胞雜交體細胞雜交/ /細胞融合技術(shù)細胞融合技術(shù)cell fusioncell fusion生物工程的五大體系生物工程的五大體系 組織培養(yǎng)組織培養(yǎng)/ /快速無性繁殖快速無性繁殖 利用植物組織、植物細胞的全能性利用植物組織、植物細胞的全能性(totipotent)(totipotent)，進行快速，進行快速無性繁殖。無性繁殖。 優(yōu)點優(yōu)點 可固定雜種

14、優(yōu)勢可固定雜種優(yōu)勢 免除制種環(huán)節(jié)免除制種環(huán)節(jié) 對珍貴植物的引種生產(chǎn)具有特別意義對珍貴植物的引種生產(chǎn)具有特別意義 舉例舉例 組織培養(yǎng)法再生蘭花；人工種子組織培養(yǎng)法再生蘭花；人工種子植物組織與細胞培養(yǎng)植物組織與細胞培養(yǎng)plant tissue & cell cultureplant tissue & cell culture生物工程的五大體系生物工程的五大體系 組織培養(yǎng) tissue culture葉肉組織葉肉組織愈傷組織愈傷組織新植株新植株生物工程的五大體系生物工程的五大體系 快速無性繁殖rapid asexual reproduction 單個單個細胞細胞營養(yǎng)培養(yǎng)基營養(yǎng)培養(yǎng)基克

15、隆植株克隆植株生物工程的五大體系生物工程的五大體系植物組織與細胞培養(yǎng)植物組織與細胞培養(yǎng) 次生代謝產(chǎn)物生成次生代謝產(chǎn)物生成 secondary metabolitessecondary metabolites 從培養(yǎng)的植物細胞中提取所需的代謝產(chǎn)物。從培養(yǎng)的植物細胞中提取所需的代謝產(chǎn)物。優(yōu)點優(yōu)點 比栽培原料作物更易控制最佳生產(chǎn)條件比栽培原料作物更易控制最佳生產(chǎn)條件 培養(yǎng)物為無菌、無蟲材料，能保證產(chǎn)品質(zhì)量培養(yǎng)物為無菌、無蟲材料，能保證產(chǎn)品質(zhì)量 工藝操作較為簡單，可減少勞動費用，提高生產(chǎn)力工藝操作較為簡單，可減少勞動費用，提高生產(chǎn)力生物工程的五大體系生物工程的五大體系組織工程皮膚獲得產(chǎn)組織工程皮膚獲得

16、產(chǎn)品注冊證書品注冊證書防鈣化生物瓣膜獲得防鈣化生物瓣膜獲得國家生產(chǎn)批號國家生產(chǎn)批號生物工程的五大體系生物工程的五大體系基因工程 genetic engineering定義定義將不同生物的外源將不同生物的外源dna(dna(基因）插入到載體分子上，形成基因）插入到載體分子上，形成“雜種雜種”dnadna分子，導(dǎo)入受體細胞中擴增和表達，獲得目的分子，導(dǎo)入受體細胞中擴增和表達，獲得目的產(chǎn)物或新功能產(chǎn)物或新功能. .代表機構(gòu)：代表機構(gòu)： 幾乎每個生物工程與技術(shù)學(xué)科的大學(xué)與研究所幾乎每個生物工程與技術(shù)學(xué)科的大學(xué)與研究所 基因工程已經(jīng)成為生物工程與技術(shù)學(xué)科的基本工具基因工程已經(jīng)成為生物工程與技術(shù)學(xué)科的基本

17、工具生物工程的五大體系生物工程的五大體系分子生物學(xué)研究分子生物學(xué)研究基因工程的用途基因工程的用途生物工程的五大體系生物工程的五大體系改造生物，創(chuàng)造對人類有用的新品系、新物種改造生物，創(chuàng)造對人類有用的新品系、新物種基因工程用途基因工程用途發(fā)光樹發(fā)光樹生物工程的五大體系生物工程的五大體系我國建立了水稻高效規(guī)?；霓D(zhuǎn)基因技術(shù)的體系，形成我國建立了水稻高效規(guī)?；霓D(zhuǎn)基因技術(shù)的體系，形成年轉(zhuǎn)化年轉(zhuǎn)化5000個基個基因的技術(shù)能力因的技術(shù)能力，并已經(jīng)對上千個基因進行了轉(zhuǎn)化和功能分析，構(gòu)建了面，并已經(jīng)對上千個基因進行了轉(zhuǎn)化和功能分析，構(gòu)建了面向全國的開放平臺。向全國的開放平臺。我國轉(zhuǎn)基因水稻涉及抗蟲、抗病、抗

18、逆、品質(zhì)、養(yǎng)分高效利用和高產(chǎn)等，我國轉(zhuǎn)基因水稻涉及抗蟲、抗病、抗逆、品質(zhì)、養(yǎng)分高效利用和高產(chǎn)等，在國際頂級學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表數(shù)篇重要科技論文。在國際頂級學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表數(shù)篇重要科技論文。轉(zhuǎn)基因植物轉(zhuǎn)基因植物生物工程的五大體系生物工程的五大體系利用修飾豌豆胰蛋白酶抑制劑基因利用修飾豌豆胰蛋白酶抑制劑基因sck，研制出，研制出的抗蟲水稻及其配制的雜交稻組合的抗蟲水稻及其配制的雜交稻組合優(yōu)科豐優(yōu)科豐6號號對二化螟、三化螟和稻縱卷葉螟等鱗翅目害蟲的對二化螟、三化螟和稻縱卷葉螟等鱗翅目害蟲的抗蟲效率不低于抗蟲效率不低于95%，且表現(xiàn)明顯的增產(chǎn)效果。且表現(xiàn)明顯的增產(chǎn)效果。研制了“華恢1號”和“bt汕優(yōu)63”高抗

19、多種蟲害，在整個水稻種植季節(jié)中可以基本不打農(nóng)藥，較非抗蟲水稻增產(chǎn)6%12%。我國人口眾多，水稻是主要的糧食，而水稻病蟲害是未來糧食安全問題的重大隱患。生物工程的五大體系生物工程的五大體系抗藍耳?。ㄘi繁殖與呼吸綜合癥抗藍耳?。ㄘi繁殖與呼吸綜合癥prrs）轉(zhuǎn)基因豬）轉(zhuǎn)基因豬轉(zhuǎn)基因動物轉(zhuǎn)基因動物生物工程的五大體系生物工程的五大體系抗cd20單克隆抗體是治療b淋巴細胞瘤的特效藥，價格昂貴，一個療程需要1.6萬美元。世界首批抗cd20單克隆抗體轉(zhuǎn)基因牛中國農(nóng)業(yè)大學(xué)培養(yǎng)的轉(zhuǎn)基因牛產(chǎn)抗中國農(nóng)業(yè)大學(xué)培養(yǎng)的轉(zhuǎn)基因牛產(chǎn)抗cd20單克隆抗體達到單克隆抗體達到2g/l,能夠大大降低藥物能夠大大降低藥物價格，為此類癌癥

20、患者帶來福音。價格，為此類癌癥患者帶來福音。生物工程的五大體系生物工程的五大體系1、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)成果：、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)成果：固氮基因、固氮基因、 抗蟲棉、轉(zhuǎn)基因作物等抗蟲棉、轉(zhuǎn)基因作物等2、現(xiàn)代生物醫(yī)藥、現(xiàn)代生物醫(yī)藥: 基因工程產(chǎn)品基因工程產(chǎn)品生長激素，人胰島素，干擾素，生長激素，人胰島素，干擾素， et al3、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)：、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)：疾病診斷疾病診斷(分子診斷與基因治療分子診斷與基因治療) 疑難雜癥的發(fā)病機制與預(yù)防研究疑難雜癥的發(fā)病機制與預(yù)防研究4、現(xiàn)代工業(yè)成果：、現(xiàn)代工業(yè)成果： 生物能源（能源植物改良，能源產(chǎn)油微藻，生物放氫等）生物能源（能源植物改良，能源產(chǎn)油微藻，生物放氫等） 綠色化學(xué)品：生物表面

21、活性劑綠色化學(xué)品：生物表面活性劑 化工中間體：化工中間體：微生物發(fā)酵產(chǎn)長鏈二元酸、多元醇微生物發(fā)酵產(chǎn)長鏈二元酸、多元醇 等 乳鏈菌肽（乳鏈菌肽（nisinz） ：生物防腐劑 等等等等 基因工程的成果基因工程的成果生物工程的五大體系生物工程的五大體系酶 工 程 enzyme engineering 定義定義: :利用酶的特異催化功能，將一種物質(zhì)轉(zhuǎn)化為利用酶的特異催化功能，將一種物質(zhì)轉(zhuǎn)化為另一種物質(zhì)的技術(shù)另一種物質(zhì)的技術(shù). . 酶制劑在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用，主要由酶的生產(chǎn)、酶制劑在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用，主要由酶的生產(chǎn)、酶的分離純化、酶的固定化和生物反應(yīng)器四個部分組成。酶的分離純化、酶的固定化和生物反應(yīng)器四個部分組成。 代表機構(gòu)：代表機構(gòu)：中科院各相關(guān)研究中科院各相關(guān)研究所、清華大學(xué)、北京大學(xué)所、清華大學(xué)、北京大學(xué)生物工程的五大體系生物工程的五大體系酶分子的改造與修飾酶分子的改造與修飾通過這種改造來改變酶的物化性質(zhì)及其生物活性，甚至賦通過這種改造來改變酶的物化性質(zhì)及其生物活性，甚至賦予新的功能，提高其在不良環(huán)境中的穩(wěn)定性，擴大酶予新的功能，提高其在不良環(huán)境中的穩(wěn)定性，擴大酶的應(yīng)用范圍。的應(yīng)用范圍。酶抑制劑的開發(fā)研究酶抑制劑的開發(fā)研究所謂酶抑制劑是指能引起酶分子活力下降甚至完全喪失的所謂酶抑制劑是指能引起酶分子活力下降甚至完全喪失的物質(zhì)物質(zhì). .酶工程研究的兩個熱點酶工