study-生技課件hlb1細(xì)胞工程緒論

1、細(xì)胞工程第一章 緒 論前 言細(xì)胞工程是細(xì)胞水平上的生物工程，是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分，也是該領(lǐng)域中最直接應(yīng)用于生產(chǎn)實踐并取得顯著效益的應(yīng)用科學(xué)。第一節(jié) 細(xì)胞工程在生物技術(shù)領(lǐng)域中的地位一、生物技術(shù)定義：以生物科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物個體或生物器官、組織、細(xì)胞的特性和功能，設(shè)計構(gòu)建具有預(yù)期性狀的新物種或新品系（包括細(xì)胞系），以及與工程學(xué)原理相結(jié)合進(jìn)行生物產(chǎn)品加工、生產(chǎn)的綜合性技術(shù)體系。生物技術(shù)的內(nèi)涵運(yùn)用現(xiàn)代生物學(xué)理論與科學(xué)技術(shù)改造細(xì)胞的遺傳物質(zhì)，培育出人們需要的生物新品種；工業(yè)化、大規(guī)模地利用現(xiàn)有生物體系，制備生物產(chǎn)品；模擬生物體系，以生物化學(xué)工程代替化學(xué)工程，制備工業(yè)產(chǎn)品；發(fā)展相應(yīng)的科學(xué)理論與工

2、程技術(shù)。主要技術(shù)范疇包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程以及生化工程現(xiàn)代生物技術(shù)特征多學(xué)科性、商業(yè)性、規(guī)?；?、細(xì)胞工程的概念Cell Engineering或Cytotechnology定義：以生物細(xì)胞或組織為研究對象，按照人們的意愿進(jìn)行工程學(xué)操作，從而改變生物性狀，以獲得生物產(chǎn)品，為人類生產(chǎn)和生活服務(wù)的科學(xué)。細(xì)胞工程含義廣義：所有的生物組織、器官及細(xì)胞離體操作和培養(yǎng)技術(shù)；狹義：細(xì)胞融合和細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)。三、細(xì)胞工程的特點(diǎn)1、前沿性：現(xiàn)代生物技術(shù)的熱點(diǎn)2、爭議性：新技術(shù)給倫理道德帶來的沖擊轉(zhuǎn)基因植物、轉(zhuǎn)基因動物、干細(xì)胞研究3、綜合性：多學(xué)科交叉細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、工程學(xué)、物理學(xué)等4、應(yīng)

3、用性：工程類課程，重在產(chǎn)品與技術(shù)大規(guī)模制備疫苗、抗生素等生物產(chǎn)品四、細(xì)胞工程的研究范疇根據(jù)研究對象不同，細(xì)胞工程可分為動物細(xì)胞工程和植物細(xì)胞工程。1動物細(xì)胞工程分類細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)（包括組織培養(yǎng)、器官培養(yǎng)）細(xì)胞融合技術(shù)胚胎工程技術(shù) （核移植、胚胎分割等）克隆技術(shù)（單細(xì)胞系克隆、器官克隆、個體克?。?植物細(xì)胞工程分類植物組織、器官培養(yǎng)技術(shù)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)原生質(zhì)體融合與培養(yǎng)技術(shù)亞細(xì)胞水平的操作技術(shù)等五、細(xì)胞工程與其它相關(guān)學(xué)科的關(guān)系細(xì)胞工程學(xué)科的建立依賴于相關(guān)學(xué)科理論的發(fā)展為生物學(xué)研究提供新的實驗體系細(xì)胞工程必須與其它生物技術(shù)相結(jié)合才能更好地發(fā)揮作用六、細(xì)胞工程在現(xiàn)代生物技術(shù)中的地位及其實踐意義實踐意義1改

4、善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)動植物品種改良與繁殖2保護(hù)自然資源，維護(hù)生態(tài)平衡生物工業(yè)避免化學(xué)工業(yè)污染；名貴藥物的細(xì)胞生產(chǎn)保護(hù)，保護(hù)自然資源 3生物醫(yī)藥、生物材料開發(fā)與應(yīng)用第二節(jié) 細(xì)胞工程的發(fā)展歷史1探索2培養(yǎng)技術(shù)與理論的建立與發(fā)展3快速發(fā)展與實踐應(yīng)用1、探索階段1756年，Moncean首先發(fā)現(xiàn)植物在受傷愈合的組織皮層處能產(chǎn)生芽，因而預(yù)言這一途徑可以成為一種繁殖途徑。1902年，Haberlandt提出了細(xì)胞全能性學(xué)說，并對植物葉肉細(xì)胞（柵欄組織）等進(jìn)行了培養(yǎng)試驗，但是沒有觀察到細(xì)胞分裂。1904年，Hannig（德） 在加有無機(jī)鹽和有機(jī)成分的培養(yǎng)基中，培養(yǎng)蘿卜和辣根的幼胚，這是植物離體培養(yǎng)成功的第一個例子

5、。1922年，德國Kotte和美國Robbins獲得了植物組織培養(yǎng)的最初成功，使豌豆、玉米、棉花莖尖、根尖培養(yǎng)成苗。19251928年，Laibach培養(yǎng)亞麻種間雜交幼胚獲得成功并得到雜種，證明胚培養(yǎng)在遠(yuǎn)緣雜交中的可利用性。KotteRobbins培養(yǎng)基模式和激素調(diào)控模式植物培養(yǎng)技術(shù)的快速發(fā)展主要是因為美國植物生理學(xué)家White，法國學(xué)者Gautheret和Nobecourt在實驗中發(fā)現(xiàn)了植物組織培養(yǎng)領(lǐng)域里的兩類重要物質(zhì)B族維生素（Vitamin B)生長激素(growth hormone, GH)2、培養(yǎng)技術(shù)與理論的建立和發(fā)展主要人物及事件用番茄根建立了第一個活躍生長的無性繁殖系，標(biāo)志著離體

6、條件下組培真正獲得了成功發(fā)現(xiàn)B族維生素和生長素對植物根離體生長的促進(jìn)作用，并用3種B族維生素（VB6、VB1、VB5)取代YE (yeast extract, YE)獲得成功，建立了第一個由已知化合物組成的綜合培養(yǎng)基（1934）。主要人物及事件Gautheret（法）在葡萄糖、酵母提取液和水解酪蛋白的固體培養(yǎng)基上，使黑楊形成層組織培養(yǎng)連續(xù)增殖了幾個月。后來又發(fā)現(xiàn)，只有在培養(yǎng)基中加入B族維生素和IAA后，形成層組織的生長才能顯著增加。Nobecourt（法）利用類似的方法培養(yǎng)了胡蘿卜根和馬鈴薯塊莖的薄壁組織，建立了類似的連續(xù)生長培養(yǎng)物。White、Gautheret和Nobecourt一起被譽(yù)為

7、植物組織培養(yǎng)的奠基人 主要人物及事件1948，Skoog認(rèn)為腺嘌呤和生長素的比例是控制芽形成的重要因素。1957，Skoog和Miller提出植物激素控制器官形成的概念（高生長素生根，高分裂素發(fā)芽）。1962，MS 培養(yǎng)基（植物組織培養(yǎng)常用的培養(yǎng)基 ）主要人物及事件1958，Steward和Reinet在胡蘿卜韌皮部單細(xì)胞懸浮培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)體細(xì)胞胚或胚狀體，第一次證實“細(xì)胞全能性”學(xué)說，是植物組織培養(yǎng)的重大突破。Section of carrotProliferating cell massSeparated cells in rich liquid mediumSingle cellOrgani

8、zed clone of dividing cellsYoung embryoYoung plantCarrot3、迅速發(fā)展與實踐應(yīng)用原生質(zhì)體培養(yǎng)和細(xì)胞融合微繁技術(shù)（離體快速繁殖技術(shù)）花藥培養(yǎng)技術(shù)次生物質(zhì)的生產(chǎn)主要人物及事件1960, Cocking(英)用真菌纖維素酶酶解番茄根獲得成功,開創(chuàng)了植物原生質(zhì)體培養(yǎng)和體細(xì)胞雜交工作，這是植物組織培養(yǎng)的又一重大突破。1972，Carlson利用硝酸鈉進(jìn)行了煙草種間原生質(zhì)體融合Edward C. Cocking, born 26th September, 1931, in London, UK.主要人物及事件1974，高國楠利用聚乙二醇進(jìn)行了大豆與煙草

9、間融合。1976，Smith誘導(dǎo)了人的HeLa細(xì)胞與煙草細(xì)胞的融合。1981，Zimmerman利用改變電場的方法誘導(dǎo)原生質(zhì)體進(jìn)行融合。主要人物及事件1960，Morel提出了利用莖尖離體快速無性繁殖蘭花的方法，不僅繁殖系數(shù)高，而且能脫除植物病毒。之后，植物離體微繁技術(shù)和脫毒技術(shù)得到迅速發(fā)展，實現(xiàn)了試管苗產(chǎn)業(yè)化。主要人物及事件1953，Tulecke由銀杏的成熟花粉獲得了愈傷組織。1973，Nitsch采用花藥預(yù)培養(yǎng)的方法，首次獲得了煙草花粉植株。1969，Kaul發(fā)現(xiàn)三角葉薯蕷的懸浮培養(yǎng)物可以生產(chǎn)薯皂苷配基。1973，F(xiàn)uruya和Ishii發(fā)現(xiàn)人參的培養(yǎng)細(xì)胞可以產(chǎn)生大量的人參皂苷。動物細(xì)胞

10、工程第三節(jié) 細(xì)胞工程的應(yīng)用 細(xì)胞工程作為科學(xué)研究的一種手段，已經(jīng)滲入到生物工程的各個方面，成為必不可少的配套技術(shù)。在農(nóng)林、園藝和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中，細(xì)胞工程正在為人類做出巨大的貢獻(xiàn)。 一、糧食與蔬菜生產(chǎn) 利用細(xì)胞工程技術(shù)進(jìn)行作物育種，是迄今人類受益最多的一個方面。我國在這一領(lǐng)域已達(dá)到世界先進(jìn)水平，培育出的水稻或小麥品種（或品系）有近百個抗倒伏、抗銹病、抗蟲害、高產(chǎn)等優(yōu)良性狀 抗倒伏小麥抗蟲棉花高產(chǎn)水稻20天時對照圖1優(yōu)勢在常規(guī)的雜交育種中，育成一個新品種一般需要810年；而用細(xì)胞工程技術(shù)對雜種的花藥進(jìn)行離體培養(yǎng)，可大大縮短育種周期，一般提前23年，而且有利于優(yōu)良性狀的篩選。 2快繁技術(shù)從國外引進(jìn)蔬菜

11、新品種，最初往往只有幾粒種子或很少量的塊根、塊莖等。要進(jìn)行大規(guī)模的種植，必須先大量增殖這就可應(yīng)用微繁殖技術(shù)，在較短時間內(nèi)迅速擴(kuò)大群體。3轉(zhuǎn)基因另外，還可結(jié)合植物基因工程技術(shù)，改良蔬菜品種。轉(zhuǎn)基因西紅柿1、皮厚（耐貯藏，長途運(yùn)輸）2、分泌揮發(fā)性萜類化合物（抗蟲、殺菌）全球第一種允許上市的轉(zhuǎn)基因蔬菜抗蟲轉(zhuǎn)基因水稻華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張啟發(fā)教授，獲得農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)的轉(zhuǎn)基因水稻安全證書轉(zhuǎn)基因水稻是在水稻中引入抗蟲基因，使得水稻能分泌一種BT毒蛋白物質(zhì)，蟲子食用后會被毒死，因而能夠產(chǎn)生防蟲效果。目前爭議較大！二、園林花卉 在果樹、林木生產(chǎn)實踐中應(yīng)用細(xì)胞工程技術(shù)主要是離體快速繁殖和脫毒技術(shù)。離體快速繁殖技術(shù)是植物細(xì)胞

12、工程中應(yīng)用最廣、最多和最有成效的一個方面。1離體快速繁殖近年來，對經(jīng)濟(jì)林木組織培養(yǎng)技術(shù)的研究也受到很大的重視。采用這一技術(shù)可比常規(guī)方法提前數(shù)年進(jìn)行大面積種植。特別是有些林木的種子休眠期很長，常規(guī)育種十分費(fèi)時。人參、紅松的種子則需要在儲藏室沉睡12年才能成熟發(fā)芽水稻種子收獲后到播種要休眠8個月左右的時間2脫毒技術(shù)幾乎所有的果樹都患有病毒病，而且多是通過營養(yǎng)體繁殖代代相傳的。用去病毒試管苗技術(shù)，可以有效地防止病毒病的侵害，恢復(fù)種性并加速繁殖速度。 已成為細(xì)胞工程產(chǎn)業(yè)化、商品化的先例之一傳統(tǒng)方法繁殖：染病嚴(yán)重，繁殖率低采用脫毒技術(shù)：改進(jìn)了品質(zhì)、提高畝產(chǎn)量香蕉去病毒試管苗的微繁殖技術(shù)3蘭花工業(yè) 蘭花種

13、子細(xì)如面粉，只有簡單的胚，沒有胚乳和子葉。在自然界，要與相應(yīng)的真菌共生才有可能發(fā)芽成苗。人工播種者十有九敗?，F(xiàn)在，世界蘭花市場上有150多種產(chǎn)品，其中大部分都是用快速微繁殖技術(shù)得到的試管苗。 通過植物組織培養(yǎng)技術(shù)的成功，從此才有了當(dāng)今世界上日益興隆的蘭花工業(yè)。 三、臨床醫(yī)學(xué)與藥物 1975年，英國劍橋大學(xué)，利用動物細(xì)胞融合技術(shù)首次獲得單克隆抗體，許多人類無能為力的病毒性疾病遇到了克星，而且診斷異常準(zhǔn)確，誤診率大大降低。 例如，抗乙型肝炎病毒表面抗原（HBsAg）的單克隆抗體，其靈敏度比當(dāng)前最佳的抗血清還要高100倍?！吧飳?dǎo)彈”單克隆抗體作載體攜帶藥物，使藥物準(zhǔn)確地到達(dá)癌細(xì)胞避免化療或放射療法把正常細(xì)胞與癌細(xì)胞一同殺死的副作用。 生物藥品主要有各種疫苗、抗生素、激素，抗體等，是生物體內(nèi)代謝的中間產(chǎn)物或分泌物。過去：動物組織中提取，產(chǎn)量低、費(fèi)時。 現(xiàn)在：通過培養(yǎng)、誘變等細(xì)胞工程或細(xì)胞融合途徑，獲得能在培養(yǎng)條件下長期生長、分裂并能分泌某種激素的細(xì)胞系。動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)四、繁育優(yōu)良動物品種 畜牧業(yè)生產(chǎn)：人工受精、胚胎移植等技術(shù)、精液和胚胎的液氮冷凍（-196）保存技術(shù)充分利用優(yōu)良動物卵細(xì)胞和精子