【生物技術(shù)】第一講 緒論上

1、生物技術(shù)概論(INTRODUCTION to BIOTECHNOLOGY) 周口師范學院生命科學系2010年 生物技術(shù)的含義生物技術(shù)(biotechnology)： 指人們以現(xiàn)代生命科學為基礎(chǔ)，結(jié)合其他基礎(chǔ)學科的科學原理，采用先進的工程技術(shù)手段，按照預先的設(shè)計改造生物體或加工生物原料，為人類生產(chǎn)出所需要產(chǎn)品或達到某種目的。現(xiàn)代生命科學：1 生命體的物質(zhì)基礎(chǔ) 組成生物體的化學元素 C、H、O、N、P、K 有機物：糖類、脂類、蛋白質(zhì)、核酸2 生命體的新陳代謝3 高等植物的結(jié)構(gòu)、功能和調(diào)控4 高等動物的結(jié)構(gòu)、功能和調(diào)控5 生物的遺傳和變異6 生物與環(huán)境，生物資源多樣性 工程技術(shù)手段： 基因工程 細胞

2、工程 酶工程 發(fā)酵工程 蛋白質(zhì)工程目的： 獲得人們所需要的產(chǎn)品 疾病的預防、診斷與治療，食品檢驗，環(huán)境污染的檢測和治理 生物技術(shù)的種類及其相互關(guān)系根據(jù)生物技術(shù)操作的對象及操作技術(shù)的不同：1 基因工程(gene engineering) 獲得目的基因 構(gòu)建克隆載體 將目的基因?qū)胧荏w細胞 轉(zhuǎn)基因生物細胞的篩選及轉(zhuǎn)基因生物的鑒定2 細胞工程(cell engineering) 植物細胞的體外培養(yǎng)技術(shù) 細胞融合技術(shù) 細胞器移植技術(shù) 干細胞技術(shù)干細胞(Stem Cell)是一種未充分分化，尚不成熟的細胞，具有再生各種組織器官和人體的潛在功能，醫(yī)學界稱為“萬用細胞”。 3 酶工程(enzyme engi

3、neering) 將微生物細胞、動植物細胞、細胞器等在一定的生物反應裝置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段將相應的原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)并應用于社會生活的一門技術(shù)。 酶的固定化技術(shù) 細胞的固定化技術(shù) 酶的修飾改造技術(shù) 酶反應器的設(shè)計 4 發(fā)酵工程(fermentation engineering) 利用微生物生長速度快、生長條件簡單以及代謝過程特殊等特點，在合適的條件下，通過現(xiàn)代化工程技術(shù)手段，由微生物的某種特定功能生產(chǎn)出人類所需要的產(chǎn)品。5 蛋白質(zhì)工程(protein engineering) 對蛋白質(zhì)進行修飾、改造和拼接以產(chǎn)生能滿足人類需要的新型蛋白質(zhì)的技術(shù)。 生物技術(shù)之間的關(guān)系：

4、彼此之間是相互聯(lián)系、相互滲透 基因工程是核心化工產(chǎn)品生物技術(shù)發(fā)展簡史： 1 傳統(tǒng)生物技術(shù) 指舊有的制造醬、醋、酒、面包、酸奶及其它食品。 石器時代 ：我國人民利用谷物造酒 公元前221年：我國人民制作豆腐、醬和醋。 公元10世紀：中國預防天花的活疫苗 公元前6000年：蘇美爾人巴比倫人會啤酒發(fā)酵 2 現(xiàn)代生物技術(shù) 現(xiàn)代生物技術(shù)以20世紀70年代DNA重組技術(shù)的建立為標志的。 奧斯瓦德西奧多艾弗里 (OTAvery，18771955）美國細菌學家 1944年首次證明DNA是遺傳信息的載體詹姆斯沃森(Watson，James Dewey 1928 )美國生物學家 弗朗西斯哈里康普頓克里克（Fran

5、cis Harry Compton Crick 1916.6.82004.7.28） 1953年英國生物物理學家建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)1996年第一只體細胞克隆動物(多利)在英國誕生.1972年美國生物學家Berg首創(chuàng)基因重組技術(shù).1978年美國哈佛大學(Harvard university)的科學家利用DNA重組技術(shù)產(chǎn)生胰島素. 生物技術(shù)對經(jīng)濟社會發(fā)展的影響：1 農(nóng)業(yè) 我國耕地現(xiàn)狀： 受農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)退耕、自然災害損壞和非農(nóng)業(yè)用地影響，耕地資源逐年減少。 土地沙化、土壤退化、“三廢”污染等問題嚴重 2007年全國耕地面積18.26億畝，比1996年減少1.25億畝，年均減少1100萬畝。隨

6、著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的加快，耕地面積仍在減少。 受干旱、陡坡、瘠薄、洪澇、鹽堿等多種因素的影響，質(zhì)量相當較差的中低產(chǎn)田占60% 目前全國人均耕地面積1.38畝，約為世界平均水平的40%。 新華網(wǎng) 月日 目前，中國西南、華南和北方部分省份的旱情仍呈發(fā)展態(tài)勢。 來自國家防汛抗旱總指揮部的最新統(tǒng)計顯示，截至月日，全國耕地受旱面積萬畝。其中，作物受旱萬畝，待播耕地缺水缺墑萬畝，有萬人、萬頭大牲畜因旱飲水困難。 鹽堿地 泥石流工業(yè)污染地震引起的農(nóng)田受災2008年5月 中國汶川 8.0級2010年1月 海地 7.3級2010年2月 智利 8.8級別對策：抗逆性育種 抗性細胞突變體育種 抗除草劑、旱、澇、鹽

7、、寒、病、蟲作物品種 轉(zhuǎn)基因育種 轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉花 轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲玉米植物種苗的工廠化生產(chǎn) 工廠化育苗的優(yōu)點： 用材料少，占地面積少 人為控制環(huán)境 提高糧食品質(zhì) 氨基酸是蛋白質(zhì)的基本的構(gòu)成單位。自然界中的氨基酸有20余種，其中有八種是人類不能自己合成，但又是維持生命活動所必需的，必須由食物提供，稱之為“必需氨基酸”。它包括有亮氨酸、異亮氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸和纈氨酸，缺乏其中任何一種，都會導致生理功能異常發(fā)生疾病。 小麥缺少賴氨酸和蘇氨酸 玉米缺少賴氨酸和色氨酸 水稻缺少賴氨酸 通過對氨基酸或其類似物抗性突變體的選擇，以提高植物中游離氨基酸的含量，從而改善農(nóng)作物或牧草

8、的品質(zhì)。 生物固氮 氮肥的主要來源：尿素、硫胺 缺點：使土壤板結(jié) 土壤肥力下降 污染環(huán)境 對策：將具有固氮能力的細菌的固氮基因轉(zhuǎn)移到作物根際周圍的微生物體內(nèi)，進行生物固氮，減少化肥的使用量。生物農(nóng)藥 按照聯(lián)合國糧農(nóng)組織的標準，生物農(nóng)藥一般是天然化合物或遺傳基因修飾劑，主要包括生物化學農(nóng)藥(信息素、激素、植物調(diào)節(jié)劑、昆蟲生長調(diào)節(jié)劑)和微生物農(nóng)藥(真菌、細菌、昆蟲病毒、原生動物，或經(jīng)遺傳改造的微生物)兩個部分 優(yōu)點：不污染環(huán)境，對人和動物安全，不傷害蟲天敵。培育動物優(yōu)良品系 生長快，耐不良環(huán)境，肉質(zhì)好的轉(zhuǎn)基因魚（中國） 乳汁中含有人生長激素的轉(zhuǎn)基因牛（阿根廷）2 提高生命質(zhì)量 羊胎素 全面有效地改

9、善人體皮膚狀況，美容養(yǎng)顏，美白肌膚 增強免疫力，強化身體免疫系統(tǒng) 胰島素 治療糖尿病 從動物胰腺中100kg提取45g，采用基因工程技術(shù)手段9L培養(yǎng)液產(chǎn)生5mg。干擾素 具有抗病毒，抑制腫瘤細胞增生，調(diào)節(jié)人體免疫功能的作用 從300L人血中才提取1mg基因治療 把功能基因?qū)氩∪梭w內(nèi)使之表達，并因表達產(chǎn)物蛋白質(zhì)發(fā)揮功能，使疾病得以治療。 “21世紀生物技術(shù)”論壇上（2000年10月13號） ，中國第一片應用型芯片發(fā)明人青年科學家馬文麗和鄭文嶺兩教授受到與會專家的高度關(guān)注。他們發(fā)明的基因芯片將引導21世紀的醫(yī)學模式從疾病診治向“亞健康狀態(tài)”的診治過渡。 例如腫瘤的病人，當他從健康狀態(tài)發(fā)展到疾病狀

10、態(tài)之間，有一個“亞健康狀態(tài)”，這一階段的人可以不發(fā)生任何身體上的不適，或者已經(jīng)出現(xiàn)了容易疲勞、注意力不集中、便秘、不明原因的失眠等情況，但到醫(yī)院用儀器和其他檢驗方法又找不到異常。在“亞健康”階段用基因芯片進行檢測可以發(fā)現(xiàn)，血液里的基因已經(jīng)發(fā)生改變例如癌基因被激活，正常的基因發(fā)生丟失、突變或者數(shù)量上的增減。 通過基因芯片靈敏快速的檢測結(jié)果，我們可以實現(xiàn)中國古語中“上醫(yī)治未病”的理想，對疾病作出前瞻性的診斷，這就是“基因診斷”。 基因芯片的發(fā)明改變了現(xiàn)有的醫(yī)學模式：人們不是在發(fā)生疾病后才去醫(yī)院治療，平時定期使用基因芯片進行體檢，可以預先診斷出幾年甚至十幾年以后才發(fā)生的疾病(包括腫瘤、艾滋病、心血管

11、病等)，提早進行基因治療、基因預防。 著名的財富雜志曾這樣評價基因芯片的歷史意義：“在20世紀的科學史上，有兩件大事值得大寫特寫，一個是計算機的發(fā)明，它改變了我們的經(jīng)濟和文化；第二是生物芯片的發(fā)明，它將變更整個生命醫(yī)學，極大地提高人類的健康水平。 馬文麗和鄭文嶺兩位科學家的發(fā)明，使得中國在繼“工業(yè)革命”和“信息技術(shù)革命”后的“基因組革命”與世界同步。主要有體細胞治療和性細胞治療主流是體細胞治療，但不能改變病人已有單個或多個基因缺陷的遺傳背景，以致后代還會有人患病。對一下幾點進行深入研究后才可做基因治療： 人類基因組的運轉(zhuǎn)機制 基因的調(diào)控機制 疾病的分子機理SCID（重癥聯(lián)合免疫缺陷） 原因：常

12、染色體上編碼腺苷酸脫氨酶的基因發(fā)生突變 表現(xiàn)：缺乏正常人體免疫功能，稍被感染（細菌、病毒）就會死亡 人類基因組計劃(HGP) 1986年，著名生物學家、諾貝爾獎獲得者雷納托杜爾貝科（Renato Dulbecco）在Science雜志上率先提出“人類基因組計劃”（Human Genomic Project,簡稱HGP）。 1990年，人類基因組計劃在美國正式啟動。 1991年，美國建立第一批基因組研究中心。1993年，桑格研究中心在英國劍橋附近成立。1997年，法國國家基因組測序中心成立。1998年，中國在北京和上海設(shè)立國家基因組中心。1999年，中國獲準加入人類基因組計劃，承擔1%的測序任務

13、，成為參與這一計劃的惟一發(fā)展中國家。2000年6月26日，中、美、日、德、法、英等6國科學家宣布首次繪成人類基因組“工作框架圖”。2001年2月12日，六國科學家聯(lián)合在學術(shù)期刊上發(fā)表人類基因組“工作框架圖”及初步分析結(jié)果。2001年8月26日，人類基因組“中國卷”的繪制工作宣告完成2003年4月14日，中、美、日、德、法、英等6國科學家宣布人類基因組序列圖繪制成功，人類基因組計劃的所有目標全部實現(xiàn)。 2004年10月，人類基因組完成圖公布。2005年3月，人類X染色體測序工作基本完成，并公布了該染色體基因草圖。 人類基因組計劃與阿波羅登月計劃、曼哈頓原子彈計劃并稱為人類科學史上的三大計劃。3

14、解決能源危機，保護環(huán)境4 制造工業(yè)原料5 生物安全 轉(zhuǎn)基因食品的安全 克隆技術(shù)的法律、道德和倫理問題 個人基因序列的隱私問題 生物武器（炭疽桿菌、天花病毒、霍亂、鼠疫） 基因治療 其它問題查爾斯羅伯特達爾文（Charles Robert Darwin，1809.2.121882.4.19）英國博物學家，生物學家，進化論的奠基人 1859年 物種起源 澳大利亞科學家蘭劉易斯與澳大利亞首頭克隆牛 多莉于1996年7月5日出生，2003年2月14日死亡。維爾穆特領(lǐng)導培育的世界上第一只體細胞克隆動物-克隆羊“多莉”于2003年2月因肺部感染而死亡患關(guān)節(jié)炎時的多莉 生物技術(shù)的種類和任務 生物技術(shù)（Bio

15、technology）也稱為生物工藝學或生物工程學。它是七十年代初在分子生物學和細胞生物學基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)代工程學的方法和原理而發(fā)展起來的一門綜合性科學技術(shù)。生物技術(shù)和生物工程（Bioengineering）這兩個名詞?？赏ㄓ?。當“生物工程”不是指具體的工程項目，而是表示所用的技術(shù)系統(tǒng)時，它就等同于“生物技術(shù)”了。然而，有時一種生物工程包含不只一種生物技術(shù)，在具體概念上兩者還是有區(qū)別的。 生物技術(shù)所包含的內(nèi)容，在不同國家、不同時期、不同學者中，是有不同的看法和認識的。在我國，1986年國家科委制訂“中國生物技術(shù)政策綱要”時，經(jīng)專家們共同討論認定，生物技術(shù)共包括基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程四個方面，后又增加了生化工程和蛋白質(zhì)工程。目前在微生物學會和生物工程學會中，都有酶工程、基因工程、細胞工程、發(fā)酵工程和生化工程專業(yè)委員會，而沒有蛋白質(zhì)工程專業(yè)委員會。 此外，生物技術(shù)無論作為一個新興