細(xì)胞工程-第一章-緒論課件

1、4細(xì)胞工程第一章 細(xì)胞工程簡介第一節(jié) 生物工程也稱生物工藝學(xué)，一般稱為生物技術(shù)。以生命科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物體系和工程學(xué)原理生產(chǎn)生物制品和創(chuàng)造新物種的一門綜合技術(shù)。換言之，就是利用生物有機(jī)體（從微生物直至高等動(dòng)物）或其組成部分（器官組織細(xì)胞）發(fā)展新工藝或制造新產(chǎn)品的一種科學(xué)技術(shù)。1.生物工程的發(fā)展歷程第一代生物工程4000年前 釀酒1674 顯微鏡 列文虎克發(fā)現(xiàn)微生物 清康熙十九年891857 巴斯德 清朝咸豐年間(18501861) 證實(shí)酒精發(fā)酵是由活酵母引起的，其他發(fā)酵產(chǎn)物也是由不同微生物的作用而形成。19世紀(jì)末到20世紀(jì)30年代,工業(yè)發(fā)酵過程陸續(xù)出現(xiàn)，如，乳酸,酒精,丙酮,檸檬酸,淀粉酶等

2、的生產(chǎn)。上述產(chǎn)品大多數(shù)是嫌氣發(fā)酵過程的產(chǎn)物，產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)比較簡單，屬于初級(jí)代謝產(chǎn)物，同時(shí)生產(chǎn)過程也比較簡單，對(duì)設(shè)備的要求不高，規(guī)模不大。第二代生物工程(近代生物工程)1928 發(fā)現(xiàn)青霉素， 1943年,工業(yè)化20世紀(jì)40年代第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期，軍隊(duì)需要一種有效而副作用小的抗細(xì)菌感染的藥物治療因創(chuàng)傷引起的感染及繼發(fā)性疾病。 1928 弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素。1940年證明具有卓越療效和低毒。但是大規(guī)模制備困難?？股厣a(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)促進(jìn)其他發(fā)酵產(chǎn)品的發(fā)展，最突出的是20世紀(jì)50年代氨基酸發(fā)酵工業(yè)和60年代的酶制劑工業(yè)，與第一代生物工程產(chǎn)品相比，這一時(shí)期的特點(diǎn)是：產(chǎn)品類型多,包括初級(jí)代謝產(chǎn)物，次級(jí)代謝產(chǎn)物，

3、以及生物轉(zhuǎn)化，酶反應(yīng)等產(chǎn)品。技術(shù)要求高,生產(chǎn)過程需在無菌條件下進(jìn)行，大多數(shù)為好氣發(fā)酵發(fā)酵規(guī)模大第三代生物工程(現(xiàn)代生物工程)1953年,美國的沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，為DNA重組奠定了基礎(chǔ)，1974年美國的波依耳和科恩首次在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了基因轉(zhuǎn)移，從而使人們有可能在實(shí)驗(yàn)室中組建按照人們意志設(shè)計(jì)新的生命體。 20 世紀(jì)70年代后，隨著基因重組，細(xì)胞和組織培養(yǎng)，酶的固定化，動(dòng)物植物細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)，現(xiàn)代化生物反應(yīng)器和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，以及產(chǎn)品分離，純化等技術(shù)的發(fā)展，生物工程進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段-現(xiàn)代生物工程階段。16其中最具代表性生物技術(shù)產(chǎn)品為轉(zhuǎn)基因生物和克隆動(dòng)物。目前，美國40以上的農(nóng)

4、田種植了經(jīng)過基因改良的作物。我國批準(zhǔn)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)基因作物為棉花和番木瓜。1996年7月英國成功采用成體體細(xì)胞克隆出綿羊多莉更是一項(xiàng)里程碑的現(xiàn)代生物工程成果。現(xiàn)代生物工程的特點(diǎn)和組成生物工程與生物學(xué),化學(xué)等基礎(chǔ)理論科學(xué)的區(qū)別顯而易見,后者主要為前者提供某種生物產(chǎn)品的制造的理論支撐。生物工程操作的對(duì)象是有生命的物質(zhì),這是與化學(xué)工程等其他工程類學(xué)科最明顯的不同。202.生物技術(shù)的組成發(fā)酵工程酶工程蛋白質(zhì)工程基因工程生化工程細(xì)胞工程現(xiàn)代發(fā)酵工程主要指利用微生物、包括利用DNA重組技術(shù)改造的微生物在全自動(dòng)發(fā)酵罐或生物反應(yīng)器中生產(chǎn)某種商品的技術(shù)。現(xiàn)代發(fā)酵工程是生物代謝、微生物生長動(dòng)力學(xué)、大型發(fā)酵罐或生物反應(yīng)器

5、研制、化工原理等密切結(jié)合和應(yīng)用的結(jié)果。a.發(fā)酵工程24蔗糖轉(zhuǎn)葡糖基酶27酶工程的研究和應(yīng)用范圍包括：天然酶的分離純化以及鑒定和生產(chǎn)酶的固定化酶生物反應(yīng)器的研制和應(yīng)用“后基因組時(shí)代”將是“蛋白質(zhì)組學(xué)時(shí)代”，即從對(duì)基因信息的研究轉(zhuǎn)向?qū)Φ鞍踪|(zhì)信息的研究，包括研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能與應(yīng)用及蛋白質(zhì)相互關(guān)系和作用。蛋白質(zhì)工程就是在對(duì)蛋白質(zhì)的化學(xué)、晶體學(xué)、動(dòng)力學(xué)等結(jié)構(gòu)與功能認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)蛋白質(zhì)人工改造與合成，最終獲得商業(yè)化的產(chǎn)品?；蚬こ淌歉鶕?jù)分子生物學(xué)和遺傳學(xué)原理，設(shè)計(jì)并實(shí)施一項(xiàng)把一個(gè)生物體中有用的目的DNA(遺傳信息)轉(zhuǎn)入另一個(gè)生物體中，使后者獲得新的需要的遺傳性狀或表達(dá)所需要的產(chǎn)物，最終實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的商

6、業(yè)價(jià)值。d.基因工程基因工程與建筑工程e.生化工程生物化學(xué)工程是由生物科學(xué)與化學(xué)工程相結(jié)合的交叉學(xué)科，主要研究將生物技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力過程帶有共性的工程技術(shù)問題，是生物技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。早期的生物化學(xué)工程曾經(jīng)為發(fā)酵和酶反應(yīng)過程的產(chǎn)品迅速發(fā)展做出杰出貢獻(xiàn)。20世紀(jì)80年代后，生物化學(xué)工程則主要轉(zhuǎn)向?yàn)榛蚬こ蹋?xì)胞工程等現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化服務(wù)。今后生物化學(xué)工程重點(diǎn)研究方向大致包括以下4個(gè)方面：1、新型生物反應(yīng)器系統(tǒng)以及相關(guān)培養(yǎng)和放大技術(shù),工藝的研究與開發(fā);2、新型分離方法和設(shè)備的研究開發(fā); 3、描述生物反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型的建立;4、生產(chǎn)過程在線檢測和控制手段的完善.373

7、8第二節(jié) 細(xì)胞工程多核細(xì)胞發(fā)現(xiàn)植物學(xué)： 1902年德國植物學(xué)家 發(fā)現(xiàn)植物細(xì)胞全能性。 1934年生長素發(fā)現(xiàn) 1937年離體培養(yǎng)胡蘿卜組織，并使細(xì)胞增殖 1960年 原生質(zhì)體制備 1972年體細(xì)胞雜種植株動(dòng)物學(xué) 1907年 培養(yǎng)蛙胚神經(jīng)組織 1965年 動(dòng)物細(xì)胞融合誘導(dǎo)1.細(xì)胞工程的發(fā)展歷史細(xì)胞工程發(fā)展到今天，人們借助于細(xì)胞工程技術(shù)可以把生命像積木那樣組裝起來，進(jìn)行細(xì)胞水平上的生命組合。一只老鼠有3個(gè)父親、4個(gè)母親，而且還都是絕對(duì)有“血緣”關(guān)系的。這些聽起來有些令人難以置信，但科學(xué)家已經(jīng)將它變成了現(xiàn)實(shí)。這是細(xì)胞工程在動(dòng)物身上取得的一次成功試驗(yàn)。1977年英國采用胚胎工程技術(shù)培育出世界首例試管嬰兒

8、；1997年英國利用成年動(dòng)物體細(xì)胞 克隆出綿羊多莉。2001年培育出轉(zhuǎn)基因克隆豬。412 主要研究內(nèi)容對(duì)象： 微生物，植物，動(dòng)物技術(shù)： 融合，拆合，染色體導(dǎo)入，胚胎和細(xì)胞核移植水平：細(xì)胞，組織，細(xì)胞器，基因 動(dòng)植物細(xì)胞與組織培養(yǎng)細(xì)胞融合染色體工程胚胎工程細(xì)胞遺傳工程 隨著細(xì)胞生物學(xué)，分子生物學(xué)，遺傳學(xué)等學(xué)科發(fā)展核研究的日益深入，細(xì)胞工程近年來得到快速的發(fā)展，以及成為現(xiàn)代生物工程的一個(gè)重要代表性領(lǐng)域，具體而言，細(xì)胞工程的一些研究領(lǐng)域包括：a.動(dòng)植物細(xì)胞與組織培養(yǎng)該技術(shù)最顯著的價(jià)值在于優(yōu)良植物的快速繁育與代謝產(chǎn)物的大量制備方面。動(dòng)植物細(xì)胞與組織培養(yǎng)可分為三個(gè)層次上的培養(yǎng)：細(xì)胞培養(yǎng)，組織培養(yǎng)和器官培

9、養(yǎng)。以工業(yè)生產(chǎn)為目的細(xì)胞培養(yǎng)不受氣候季節(jié)限制，可以大量培養(yǎng)細(xì)胞獲得藥物和其他有用物質(zhì)，無論在生物學(xué)基礎(chǔ)研究，還是生產(chǎn)實(shí)踐中都發(fā)揮著越來越大的作用。45 b. 細(xì)胞融合采用自然或人工的方法使兩個(gè)或幾個(gè)不同細(xì)胞（或原生質(zhì)體）融合為一個(gè)細(xì)胞，用于產(chǎn)生新的物種或品系及產(chǎn)生單克隆抗體。46c. 染色體工程47染色體工程是按照人們的需要來添加，削減或替換生物的染色體的一種技術(shù)。染色體工程技術(shù)最大的價(jià)值體現(xiàn)在新品種的選育，主要是單倍體和多倍體育種方法，四倍體小麥，八倍體小黑麥等。4951d.胚胎工程這項(xiàng)技術(shù)主要對(duì)哺乳動(dòng)物的胚胎進(jìn)行某種人為的工程技術(shù)操作獲得人們所需要的成體動(dòng)物。胚胎工程采用的新技術(shù)包括胚胎分

10、割技術(shù)，胚胎融合技術(shù)，卵核移植技術(shù)，體外受精技術(shù)，胚胎培養(yǎng)，胚胎移植，以及性別鑒定技術(shù)，胚胎冷凍技術(shù)等。胚胎工程的最成功的應(yīng)用領(lǐng)域體現(xiàn)在畜牧業(yè)，主要是胚胎移植技術(shù)進(jìn)行優(yōu)良品種的快速繁殖和胚胎保存。對(duì)于人類，試管嬰兒培育技術(shù)也為人類做出了貢獻(xiàn)。e.細(xì)胞遺傳工程主要包括克隆和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，前者主要是指無性繁殖，如動(dòng)物克隆是指由一個(gè)動(dòng)物經(jīng)無性繁殖而產(chǎn)生的遺傳性狀完全相同的后代個(gè)體。后者是指將外源基因整合到生物體內(nèi)，得到穩(wěn)定表達(dá)，并使該基因能穩(wěn)定地遺傳給后代的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，是改變物質(zhì)遺傳性狀的有效途徑。3.細(xì)胞工程重要應(yīng)用當(dāng)今，細(xì)胞工程已經(jīng)稱為生物學(xué)家手中經(jīng)常應(yīng)用的技術(shù)之一。并已經(jīng)成為生物工程的重要組成部分

11、和主導(dǎo)領(lǐng)域之一，涉及面及其廣泛，在許多領(lǐng)域都有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，并且已經(jīng)取得了驚人成就。如多倍體與單倍體育種，體細(xì)胞雜交和染色體工程等。此外細(xì)胞器移植，體外受精，胚胎培養(yǎng)等為植物和家畜的品種改良提供了新的途徑。a.優(yōu)質(zhì)植物快速培育與繁殖 基于植物細(xì)胞的全能性，在適當(dāng)?shù)纳L條件下，能快速、大量繁殖一些有價(jià)值的苗木，花卉和藥材和瀕危的植物。b.動(dòng)物胚胎工程快速繁殖優(yōu)良瀕危品種為加快家畜優(yōu)良品種的繁育，人們以借腹懷胎的方法來提高種畜的利用率。20世紀(jì)30年代胚胎移植在綿陽和山羊中取得成功。1982年，獲得第一胎試管犢牛，之后，相續(xù)在十幾種哺乳動(dòng)物中獲得成功，培育出試管動(dòng)物。c.利用動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)生

12、產(chǎn)活性產(chǎn)物，藥品生物藥品主要有各種疫苗，菌苗，抗生素，生物活性物質(zhì)，抗體等。自1975年英國劍橋大學(xué)的科學(xué)家利用動(dòng)物細(xì)胞融合技術(shù)獲得單克隆抗體以來，許多人來過去無能為力的病毒性疾病遇到了克星。隨著基因重組技術(shù)和單克隆抗體的發(fā)展，動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)展現(xiàn)出越來越可觀的工業(yè)化前景。58d. 新型動(dòng)植物品種的培育利用細(xì)胞融合技術(shù)可以使不同種，屬間的細(xì)胞或原生質(zhì)體進(jìn)行融合獲得雜交體細(xì)胞，使不同種，屬的優(yōu)良性狀組合在一起。轉(zhuǎn)基因鯉魚，鯽魚，泥鰍。59e.供醫(yī)學(xué)器官修復(fù)和移植的組織工程骨骼，軟骨，血管和皮膚都在實(shí)驗(yàn)室培育，肝臟，胰臟，心臟，手指，和耳朵在實(shí)驗(yàn)室里生長成形。60f.轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物的生物反應(yīng)器工程轉(zhuǎn)基因動(dòng)物制藥技術(shù)具有傳統(tǒng)動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)幾十倍的效益，一頭轉(zhuǎn)基因動(dòng)物就是一座天然基因藥物制造廠。61g.珍稀動(dòng)植物資源的保存與保