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文檔簡介
生物技術(shù)現(xiàn)代生命科學的革命第1頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一生物科學成為當今世界自然科學的熱點和重點,主要由于兩方面的原因:
(1)二十世紀后葉,分子生物學領(lǐng)域一系列突破性成就,使生命科學在自然科學中的地位發(fā)生了革命性的變化;
(2)建立在實驗室研究基礎(chǔ)上的生物技術(shù)的發(fā)展為人類帶來了巨大的利益和財富。生物技術(shù)將是未來經(jīng)濟發(fā)展的新動力 第一次技術(shù)革命 工業(yè)革命 解放人的雙手 第二次技術(shù)革命 信息技術(shù) 擴展人的大腦 第三次技術(shù)革命 生物技術(shù) 改造生命本身第2頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一生物技術(shù)的顯著特點
高技術(shù)(精細和密集的復雜技術(shù))
高投入(尤其是前期科研投入高)
高利潤第3頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一1982年,國際合作與發(fā)展組織的定義為:生物技術(shù)是應(yīng)用自然科學及工程學的原理,依靠微生物、動物、植物體作為反應(yīng)器將物料進行加工以提供產(chǎn)品為社會服務(wù)的技術(shù)。美國政府技術(shù)顧問委員會(OAT)的定義是:應(yīng)用生物或來自生物體的物質(zhì)制造或改進一種商品的技術(shù),其還包括改良有重要經(jīng)濟價值的植物與動物和利用微生物改良環(huán)境的技術(shù)。該定義強調(diào)了生物技術(shù)的商品屬性??寺⊙颉岸嗬颉?2.1生物技術(shù)定義、主要內(nèi)容和發(fā)展概況
生物技術(shù)的定義第4頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一基因工程、細胞工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)(酶)工程
此外還有基因診斷與基因治療技術(shù)、克隆動物技術(shù)、生物芯片技術(shù)、生物材料技術(shù)、生物能源技術(shù)、利用生物降解環(huán)境中有毒有害化合物的技術(shù)直接相關(guān)聯(lián)的學科:分子生物學、微生物學、生物化學、遺傳學、細胞生物學、化學工程學、醫(yī)藥學等。對人類和社會生活各方面影響最大的生物技術(shù)領(lǐng)域:
農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、醫(yī)藥生物技術(shù)、環(huán)境生物技術(shù)、海洋生物技術(shù)
生物技術(shù)的主要內(nèi)容第5頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一基因工程是指在微觀領(lǐng)域(分子水平)中,根據(jù)分子生物學和遺傳學原理,設(shè)計并實施一項把一個生物體中有用的目的DNA(遺傳信息)轉(zhuǎn)入另一個生物體中,使后者獲得新的需要的遺傳性狀或表達所需要的產(chǎn)物,最終實現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)價值。12.2基因工程基因工程與建筑工程第6頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一
稀少珍貴的蛋白質(zhì)藥物1982年,美國食品與藥物管理局批準了首例基因工程產(chǎn)品—人胰島素投放市場——它標志了基因工程產(chǎn)品正式進入到商業(yè)化階段。人生長激素、表皮生長因子、腫瘤壞死因子、a-干擾素、纖維素酶、抗血友病因子、紅細胞生成素、尿激酶原、白細胞介素-2、集落刺激因子、乙肝疫苗等等第7頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一
畜牧業(yè)中的應(yīng)用動物疫苗、生長激素等例:從轉(zhuǎn)基因羊的羊奶中提取出治療心臟病的藥物tPA第8頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一
種植業(yè)中的應(yīng)用用攜帶外源基因的農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒轉(zhuǎn)化植物原生質(zhì)體,使外源DNA與植物染色體DNA整合,通過原生質(zhì)體的培養(yǎng)分化成愈傷組織,最后發(fā)育成具有新性狀的完整植株—轉(zhuǎn)基因植物第9頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一
種植業(yè)中的應(yīng)用抗化學除草劑基因轉(zhuǎn)基因西紅柿固氮酶基因人類DNA……
環(huán)境保護等等第10頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一“后基因組時代”將是“蛋白質(zhì)組學時代”,即從對基因信息的研究轉(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)工程就是在對蛋白質(zhì)的化學、晶體學、動力學等結(jié)構(gòu)與功能認識的基礎(chǔ)上,對蛋白質(zhì)人工改造與合成,最終獲得商業(yè)化的產(chǎn)品。12.3蛋白質(zhì)工程、發(fā)酵工程和細胞工程簡介
蛋白質(zhì)工程第11頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一蛋白質(zhì)工程的主要步驟通常包括:(1)從生物體中分離純化目的蛋白;(2)測定其氨基酸序列;(3)借助核磁共振和X射線晶體衍射等手段,盡可能地了解蛋白質(zhì)的二維重組和三維晶體結(jié)構(gòu);
蛋白質(zhì)工程(4)設(shè)計各種處理條件,了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化,包括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響;(5)設(shè)計編碼該蛋白的基因改造方案,如點突變;(6)分離、純化新蛋白,功能檢測后投入實際使用。第12頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一現(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、微生物生長動力學、大型發(fā)酵罐或生物反應(yīng)器研制、化工原理等密切結(jié)合和應(yīng)用的結(jié)果。
發(fā)酵工程第13頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一一般發(fā)酵工程包括以下基本步驟:(1)菌種選育;(2)細胞大規(guī)模培養(yǎng)即發(fā)酵過程;(3)生產(chǎn)活性的誘導;(4)菌體及產(chǎn)物的收獲
發(fā)酵工程發(fā)酵工程的產(chǎn)品范圍非常廣泛。 從食品、藥品、精細化工產(chǎn)品到許多工業(yè)用原料等等生物可降解塑料PHB等第14頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一細胞工程是指通過細胞水平上的篩選或改造,獲得有商業(yè)價值的細胞株或細胞系,再通過規(guī)模培養(yǎng),獲得特殊商品的技術(shù)與過程。細胞工程包括動物細胞工程和植物細胞工程,它們分別以動物細胞和植物細胞為主要生產(chǎn)對象,以細胞培養(yǎng)為主要過程和內(nèi)容。
細胞工程第15頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一動物細胞培養(yǎng)
細胞工程第16頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一單細胞藻類培養(yǎng)
細胞工程一些單細胞低等植物如單細胞藻類的大規(guī)模培養(yǎng)成為細胞工程的重要組成部分獲得蛋白質(zhì)資源、營養(yǎng)食品、精細化工產(chǎn)品等等第17頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一高等植物細胞培養(yǎng)
細胞工程高等植物細胞具有全能性。從高等植物的幼胚、根、莖、葉、花和果實等不同器官的組織中分離的單個細胞,經(jīng)過特殊培養(yǎng)形成愈傷組織,并可進一步誘導生成完整的植株。第18頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一細胞融合、細胞重組、雜交瘤技術(shù)
細胞工程細胞融合是將不同種類的兩種細胞經(jīng)過特殊處理后放在一起,在某些促融因子作用下發(fā)生融合,形成雜種細胞。細胞重組是把不同種類的細胞的部件重新組合裝配,包括核的移植、葉綠體移植、核糖體重建及線粒體裝配等。雜交瘤技術(shù)是通過細胞融合產(chǎn)生特異雜交瘤細胞。第19頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一12.4分子診斷和基因治療
分子診斷利用PCR技術(shù)或PCR與分子雜交標記相結(jié)合,可以快速準確地檢測出病原性物質(zhì)。第20頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一
分子診斷遺傳性疾病的診斷羊水和胎盤絨毛膜檢測第21頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一
分子診斷例:鐮狀紅細胞貧血癥的檢測一種常染色體退化遺傳病引起原因:基因的點突變,丟失了可被MstII或Cvnl切開的一個限制性內(nèi)切酶位點。正常:三條帶患?。阂粭l帶子女1:正常子女2:患病子女3:攜帶者第22頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一例:特異性互補寡核苷酸法檢測鐮狀紅細胞貧血癥(1)提取DNA,熱處理成為單鏈DNA;(2)以單鏈DNA為模板,僅對可能發(fā)生突變的核苷酸區(qū)域設(shè)計引物進行PCR擴增后轉(zhuǎn)移到濾膜上,熱變性成單鏈;(3)分別用兩種特異性互補寡核苷酸分子探針(ASO)雜交。第23頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一
基因治療基因治療即利用基因工程技術(shù)治療人類遺傳性疾病。正常的人類基因可以克隆并引入遺傳病患者的體細胞,以替代、修復或糾正有缺陷的基因。通常使用一種反轉(zhuǎn)錄病毒作為基因治療的轉(zhuǎn)移系統(tǒng),重組載體可以感染人的組織和細胞,但不自我復制。第24頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一例:重癥綜合性免疫缺乏癥(SCID)1990年,轉(zhuǎn)基因T淋巴細胞注射到人體骨髓組織中治療SCID第25頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一12.5克隆羊技術(shù)1997年2月23日蘇格蘭Roslin研究所
Wilmut和Campbell《Nature》雜志: 世界首例來源于哺乳動物體細胞的克隆羊“多莉”問世核移植,就是利用一個動物的體細胞的細胞核(供體核)來取代受精或未受精卵中的細胞核,形成一個重建的“合子”??寺≡馐菬o性繁殖系??寺游锞褪遣唤?jīng)過生殖細胞的受精過程而直接由體細胞獲得新的動物個體,這個新個體是原核供體動物的拷貝。第26頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一277次乳腺細胞核移植實驗;獲得29個發(fā)育為8細胞的“胚”;13頭代孕母親;1996年7月5日,羊羔6LL3,被命名為“多莉”。第27頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一(1)既然綿羊的體細胞可以被成功地克隆成一個新的個體,是否意味著人類也可以克隆自己呢?(2)是否應(yīng)該允許進行克隆人的實驗?第28頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一12.6生物芯片技術(shù)生物芯片又稱DNA芯片或基因芯片,它們是DNA雜交探針技術(shù)與半導體工業(yè)技術(shù)相結(jié)合的結(jié)晶。該技術(shù)系指將大量探針分子固定于支持物上后與帶熒光標記的DNA樣品分子進行雜交,通過檢測每個探針分子的雜交信號強度進而獲取樣品分子的數(shù)量和序列信息。1996年底,美國Affymetrix結(jié)合照相平板印刷、計算機、半導體、寡核苷酸合成、熒光標記、核酸探針分子雜交和激光共聚掃描等高新技術(shù),研制創(chuàng)造了世界第一塊DNA芯片。
生物芯片技術(shù)的一般原理第29頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一A.用于微陣列芯片制作的點樣儀。;B.封裝在卡盒中的微陣列芯片;C.用于微陣列芯片熒光標記檢測的激光共聚焦掃描器;D.微陣列芯片的局部放大;E.微陣列芯片上固定DNA探針的示意圖。圖中藍色的DNA鏈是預(yù)先固定在芯片表面的捕獲探針,紅色的DNA鏈是與捕獲探針互補的靶DNA分子。第30頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一DNA芯片可用于大規(guī)模篩查基因突變所引起的疾??;分析基因組及發(fā)現(xiàn)新基因等具有很大的優(yōu)勢;
DNA芯片技術(shù)用于基因組分析時,具有樣品用量小、信息量大、分析方法簡易快速、自動化程度高等多項優(yōu)點,特別適合于尋找新基因、基因表達檢測、突變檢測、基因組多態(tài)性分析和基因文庫作圖以及雜交測序等方面。醫(yī)學、化學、新藥開發(fā)、司法鑒定、農(nóng)業(yè)技術(shù)和食品技術(shù)領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用;
生物芯片技術(shù)的主要應(yīng)用1998年底,美國科學促進會將基因芯片技術(shù)列為1998年度自然科學領(lǐng)域十大進展之一。一些科學家把基因芯片稱為“可以隨身攜帶的微型實驗室”。第31頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一12.7生物技術(shù)的安全性和社會倫理問題基因一旦被改動,一方面可能引起生物體內(nèi)一系列未知的結(jié)構(gòu)與功能的變化;另一方面,轉(zhuǎn)基因操作對生物體的影響會通過遺傳傳遞。
轉(zhuǎn)基因技術(shù)的安全性問題外源基因引入后,是否會影響其他重要的調(diào)節(jié)基因,甚至會激活原癌基因?轉(zhuǎn)基因技術(shù)的廣泛應(yīng)用是否會導致難以消滅的新病原物出現(xiàn)?是否會造成生態(tài)學災(zāi)難?人類攝食大量轉(zhuǎn)基因食品是否會影響人類及其后代的健康?第32頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一
克隆人的倫理問題在克隆階段,如果有關(guān)胚胎發(fā)育的基因重新編排或啟動不完全,對新生兒可能產(chǎn)生什么嚴重后果呢?兄弟、姐妹、父母、子女?器官克隆和干細胞培養(yǎng)和分化器官,用于醫(yī)學和臨床治療?
個人基因信息的隱私權(quán)問題人類基因信息利用的倫理、法律和社會影響計劃,稱之為ELSI項目: (1)在應(yīng)用和解釋基因信息時的隱私權(quán)和公正性; (2)基因信息由實驗室研究向?qū)嶋H醫(yī)療應(yīng)用的轉(zhuǎn)化; (3)人類基因組計劃參與者相互協(xié)調(diào)和成果發(fā)布; (4)公眾與專業(yè)教育第33頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一
基因治療的應(yīng)用問題一個人有權(quán)決定另一個人的基因結(jié)構(gòu)或未來命運嗎?萬一這種基因操作失敗了或者造成了將來才能發(fā)現(xiàn)的不可挽回的缺陷和后果,誰承當責任呢?是否可以通過基因治療操作來增加運動員的身高或短跑速度,這與運動員服用興奮劑有什么本質(zhì)區(qū)別?
生物技術(shù)引發(fā)的其它問題生物技術(shù)費用高,在自身健康上的貧富差距?涉及人類自身發(fā)展的重要生物技術(shù)的壟斷?生物武器?……第34頁,共35頁,2023年,2月20日,星期一生物技術(shù)是“應(yīng)用生物或來自生物體的物質(zhì)制造或改進一種商品的技術(shù),其還包括改良有重要經(jīng)濟價值的植物與動物和利用微生物改良環(huán)境的技術(shù)”,通常包括基因工程、細胞工程、發(fā)酵工程和蛋白質(zhì)(酶)工程4個方面內(nèi)容。高技術(shù)、高投入、高利潤是生物技術(shù)的顯著特點。
以重組DNA操作為核心技術(shù)的過程被稱為基因工程?;蚬こ痰陌l(fā)展帶動和促進了蛋白質(zhì)工程、發(fā)酵工程和細胞工程的發(fā)展,它們相互補充和相互滲透,形成了生物技術(shù)
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