細(xì)胞工程 第一章細(xì)胞工程緒論課件

細(xì)胞工程概論北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院課件制作與主講：曹君邁2009.2第一章緒論

第一節(jié)生物工程一、掌握生物工程的概念二、了解生物工程的發(fā)展史三、生物工程的基本內(nèi)容四、生物工程在國民經(jīng)濟(jì)中的地位五、現(xiàn)代生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)一、生物工程的概念

1.定義：是以生命科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物體系和工程學(xué)原理產(chǎn)生生物制品和創(chuàng)造新物種的一門綜合技術(shù)。(p1)或者說：利用生物有機(jī)體或部分組織、器官、細(xì)胞等發(fā)展新工藝和制造新產(chǎn)品的一門科學(xué)技術(shù)。1982年國際合作及發(fā)展組織對生物技術(shù)進(jìn)行了重新定義：生物技術(shù)是應(yīng)用自然科學(xué)和工程原理，依靠微生物、動(dòng)物、植物作為反應(yīng)器將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品來為社會(huì)服務(wù)的技術(shù)。二、生物工程的發(fā)展史1、古代生物工程階歷史：4000多年前-20世紀(jì)30年代。

產(chǎn)品特點(diǎn)：化合物結(jié)構(gòu)較簡單，屬初級代謝產(chǎn)物。

生產(chǎn)過程：設(shè)備要求不高、規(guī)模不大、過程較簡單，屬嫌氣發(fā)酵。

2、近代生物工程階段

歷史：1928-60年代

產(chǎn)品特點(diǎn)：產(chǎn)品類型多，包括：初級代謝產(chǎn)物、次級代謝產(chǎn)物、以及生物轉(zhuǎn)化、酶反應(yīng)等產(chǎn)品。

生產(chǎn)過程：技術(shù)要求高，需在無菌條件下進(jìn)行。大多數(shù)過程為好氣發(fā)酵，發(fā)酵規(guī)模巨大。三、生物工程的基本內(nèi)容按照生物工程的研究或操作層次分為：微觀生物工程：染色體操作、細(xì)胞重組等。宏觀生物工程：試管植物、發(fā)酵罐。按照生物工程改造的對象，主要包括基因工程、蛋白質(zhì)工程、酶工程、細(xì)胞工程、發(fā)酵工程和生物化學(xué)工程六個(gè)方面。p3按照應(yīng)用的生產(chǎn)部門有農(nóng)業(yè)、環(huán)境、醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生、公安等多個(gè)方面?；蚬こ淌巧锕こ痰暮诵摹；蚬こ痰暮诵募夹g(shù)是DNA重組?，F(xiàn)階段生物工程是以核酸和蛋白質(zhì)為主的工程。

基因工程：對基因加工改造和創(chuàng)新，主要方法是DNA重組。

蛋白質(zhì)工程：是以人門所需的蛋白質(zhì)為目的生物工程。通過蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)反向設(shè)計(jì)、選擇或修改相應(yīng)基因，和基因工程獲得所需蛋白質(zhì)。

酶工程：是以人們所需的酶為目的，通過基因工程和蛋白質(zhì)工程獲得所需的酶。已知有的酶本質(zhì)不是蛋白質(zhì)而是核酸，目前的酶工程僅限于本質(zhì)為蛋白質(zhì)的酶。

細(xì)胞工程：是以細(xì)胞和細(xì)胞器為對象進(jìn)行操作，最終獲得人們所需的細(xì)胞、組織或個(gè)體。

發(fā)酵工程：是生物工程的主要終端，通過反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和發(fā)酵工藝的建立，對獲得的工程菌或細(xì)胞進(jìn)行擴(kuò)大生產(chǎn)，最終分離提取所需的生物工程產(chǎn)品。

生物化學(xué)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，主研究新型生物反應(yīng)器和新型分離技術(shù)以及設(shè)備的開發(fā)、生物反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型建立和在線檢測及控制手段完善。五、現(xiàn)代生命科學(xué)研究的的熱點(diǎn)1、以蛋白質(zhì)工程為主要內(nèi)容的生物大分子結(jié)構(gòu)與功能研究2、以信號傳遞和相互作用為基礎(chǔ)的基因控制細(xì)胞機(jī)理研究3、在完成人類及所有生物基因測序后對基因結(jié)構(gòu)和遺傳語言研究4、開展包括分子水平上的以實(shí)現(xiàn)遺傳、發(fā)育、進(jìn)化大統(tǒng)一為目的的綜合理論研究5、研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)信息處理機(jī)制，揭示腦工作原理6、心理、智力、性格、行為模式的行為學(xué)機(jī)制和量化研究7、生態(tài)學(xué)在微觀與宏觀結(jié)合、理論與控制結(jié)合上進(jìn)行定量、預(yù)測和工程化方向研究8、人體功能(包括潛在功能如經(jīng)絡(luò)、氣功、特異功能等方面)研究另外：人工生命體的合成第二節(jié)

細(xì)胞工程一、細(xì)胞工程

細(xì)胞工程是運(yùn)用細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的方法，通過類似工程學(xué)的步驟，在細(xì)胞整體水平或細(xì)胞器水平上，按照人們的意愿改變細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)以獲得新型生物或特種產(chǎn)品的一門綜合性科學(xué)技術(shù)。(p7)

二、細(xì)胞工程的發(fā)展歷史1838，馬勒在脊椎動(dòng)物腫瘤細(xì)胞中觀察到多核現(xiàn)象1902，哈泊蘭德預(yù)言了植物細(xì)胞的全能性；1907，美國哈里森培養(yǎng)了蛙胚神經(jīng)組織；1934，荷蘭溫特發(fā)現(xiàn)生長素；White以番茄根尖為外植體第一個(gè)成功的獲得了活躍生長的無性繁殖系。1958，Steward利用胡羅卜根尖為外植體成功的獲得了單細(xì)胞培養(yǎng)的再生植株。證明了植物細(xì)胞的全能性。1960，英國諾丁汗大學(xué)科金教授使用酶解方法從番茄幼苗根部制備得到大量原生質(zhì)體；1972，美國卡爾森等用NaNO3為融合誘導(dǎo)劑，將來自不同種的煙草原生質(zhì)體進(jìn)行融合，獲得世界上第一個(gè)體細(xì)胞雜種植株；1977，英國胚胎工程技術(shù)，首例試管嬰兒；1997，多莉克隆羊；2001，首例克隆豬…三、細(xì)胞工程的主要研究內(nèi)容及技術(shù)手段1.研究內(nèi)容(p9-10)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

四、細(xì)胞工程重要應(yīng)用及其與其它生物工程的關(guān)系 (一)細(xì)胞工程重要應(yīng)用(p11-13)優(yōu)質(zhì)植物快速培育與繁殖；動(dòng)物胚胎工程快速繁殖優(yōu)良、瀕危品種；利用動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)活性產(chǎn)物、藥品；新型動(dòng)植物品種的培育；供醫(yī)學(xué)器官修復(fù)或者移植的組織工程；轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物的生物工程反應(yīng)器；在遺傳學(xué)、發(fā)育學(xué)等領(lǐng)域的理論研究；在能源、環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用。(二)細(xì)胞工程與其它生物工程之間的關(guān)系1.細(xì)胞工程的建立依賴于相關(guān)科學(xué)理論的發(fā)展。2.為生物學(xué)研究提供新的實(shí)驗(yàn)體系。3.細(xì)胞工程必須和其它生物技術(shù)結(jié)合才能更好地發(fā)揮作用。(p14)細(xì)胞工程與其它生物工程之間的關(guān)系圖解(p14)

例1：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(gè)方面。我國在這一領(lǐng)域已達(dá)到世界先進(jìn)水平，以花藥單倍體育種途徑，培育出的水稻品種或品系有近百個(gè)，小麥有30個(gè)左右。其中河南省農(nóng)科院培育的小麥新品種，具有抗倒伏、抗銹病、抗白粉病等優(yōu)良性狀。在常規(guī)的雜交育種中，育成一個(gè)新品種一般需要8～10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2～3年，而且有利優(yōu)良性狀的篩選。前面已介紹過的微繁殖技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上也有廣泛的用途，其技術(shù)比較成熟，并已取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。例如，我國已解決了馬鈴薯的退化問題，日本麒麟公司已能在1000升容器中大量培養(yǎng)無病毒微型馬鈴薯塊莖作為種薯，實(shí)現(xiàn)種薯生產(chǎn)的自動(dòng)化。通過植物體細(xì)胞的遺傳變異，篩選各種有經(jīng)濟(jì)意義的突變體，為創(chuàng)造種質(zhì)資源和新品種的選育發(fā)揮了作用?，F(xiàn)已選育出優(yōu)質(zhì)的番茄、抗寒的亞麻、以及水稻、小麥、玉米等新品系。有希望通過這一技術(shù)改良作物的品質(zhì)，使它更適合人類的營養(yǎng)需求。細(xì)胞工程的的技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例例2：園林花卉在果樹、林木生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用細(xì)胞工程技術(shù)主要是微繁殖和去病毒技術(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。目前，香蕉、柑橘、山楂、葡萄、桃、梨、荔枝、龍眼、核桃等十余種果樹的試管苗去病毒技術(shù)，已基本成熟。香蕉去病毒試管苗的微繁殖技術(shù)已成為產(chǎn)業(yè)化商品化的先例之一。因?yàn)橄憬妒侨扼w植物，必須通過無性繁殖延續(xù)后代，傳統(tǒng)方法一般采用芽繁殖，感病嚴(yán)重，繁殖率低；而采用去病毒的微繁殖技術(shù)不僅改進(jìn)了品質(zhì)，畝產(chǎn)量約提高30％～50％，很容易被蕉農(nóng)接受。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(shí)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)已研究成功的林木植物試管苗已達(dá)百余種，如松屬、按樹屬、楊屬中的許多種，還有泡桐、槐樹、銀杏、茶、棕櫚、咖啡、椰子樹等。其中桉樹、楊樹和花旗松等大面積應(yīng)用于生產(chǎn)，澳大利亞已實(shí)現(xiàn)桉樹試管苗造林，用幼芽培養(yǎng)每年可繁殖40萬株。例3資料：植物基因工程的新進(jìn)展自1983年首次獲得轉(zhuǎn)基因煙草、馬鈴薯以來，短短十余年間，植物基因工程的研究和開發(fā)進(jìn)展十分迅速。國際上獲得轉(zhuǎn)基因植株的植物已達(dá)35科，120種以上，包括水稻、玉米、馬鈴薯等作物；棉花、大豆、油菜、亞麻、向日葵等經(jīng)濟(jì)作物；番茄、黃瓜、芥菜、甘藍(lán)、花椰菜、胡蘿卜、茄子、生菜、芹菜等蔬菜作物；苜蓿、白三葉草等牧草；蘋果、核桃、李、木瓜、甜瓜、草莓等瓜果；矮牽牛、菊花、香石竹、伽藍(lán)菜等花卉；以霸占楊樹等造林樹種。應(yīng)該說轉(zhuǎn)基因植物研究取得了令人鼓舞的突破性進(jìn)展。

2000年，法國科學(xué)家利用基因技術(shù)“制造”出了一只可以發(fā)出綠色熒光的兔子“Alba”。應(yīng)用了受精卵顯微注射技術(shù)，從水母身上采集了熒光蛋白，基因改良后，使它的發(fā)光率比