細胞工程 第一章 緒論

細胞工程李志勇編著講課

26學時，實驗

6學時課外

0學時，合計32學時

1當前第1頁\共有59頁\編于星期四\21點成績期末考試成績70%實驗成績10%平時成績20%(根據(jù)考勤,按照點名次數(shù)平均分配)2當前第2頁\共有59頁\編于星期四\21點第一章緒論3當前第3頁\共有59頁\編于星期四\21點細胞是生物體的基本結構單位和功能單位，隨著細胞生物學和分子生物學突飛猛進的反戰(zhàn)，20世紀70年代末至80年代初出現(xiàn)了細胞工程這一新型學科。細胞工程(cellengineering)是應用細胞生物學和分子生物學的方法，在細胞整體水平或細胞器水平上，按照人們的意愿來改變細胞內的遺傳物質以獲得新型生物或特種細胞產品的一門綜合性科學技術。細胞工程當前第4頁\共有59頁\編于星期四\21點1生物工程也稱生物工藝學，一般稱為生物技術。以生命科學為基礎，利用生物體系和工程學原理生產生物制品和創(chuàng)造新物種的一門綜合技術。換言之，就是利用生物有機體（從微生物直至高等動物）或其組成部分（器官組織細胞）發(fā)展新工藝或制造新產品的一種科學技術。當前第5頁\共有59頁\編于星期四\21點發(fā)展歷程第一代生物工程4000年前

釀酒1680顯微鏡列文胡克制成顯微鏡

清康熙十九年當前第6頁\共有59頁\編于星期四\21點7當前第7頁\共有59頁\編于星期四\21點8當前第8頁\共有59頁\編于星期四\21點古代的中國是怎么釀酒蒸煮糧食，是中國人釀酒的第一道程序，糧食拌入酒曲，經過蒸煮后，更有利于發(fā)酵，在傳統(tǒng)工藝中，半熟的糧食出鍋后，要鋪撒在地面上，這是釀酒的第二道程序，也就是攪拌、配料、堆積和前期發(fā)酵的過程。晾曬糧食的地面有一個專門的名字，叫晾堂。酒窖，內壁和底部都用純凈的黃泥土涂抹，窖泥厚度8厘米到25厘米不等。酒窖里進行的是釀酒的第三道程序，對原料進行后期發(fā)酵。經過窖池發(fā)酵老熟的酒母，酒精濃度還很低，需要經進一步的蒸餾和冷凝，才能得到較高酒精濃度的白酒，傳統(tǒng)工藝采用俗稱天鍋的蒸餾器來完成。在基座上架著巨大的天鍋，天鍋分上下兩層，下面的鍋里裝酒母，上面的鍋里裝冷水，基座上柴火旺盛，蒸煮酒母，含有酒精的氣體被上面的冷水冷卻，凝成液體，從管道流出，這就是蒸餾酒。

當前第9頁\共有59頁\編于星期四\21點1857巴斯德清朝咸豐年間(1850～1861)證實酒精發(fā)酵是由活酵母引起的，其他發(fā)酵產物也是由不同微生物的作用而形成。19世紀末到20世紀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,淀粉酶等的生產。但是，上述產品大多數(shù)是嫌氣發(fā)酵過程的產物，產物的化學結構比較簡單，屬于初級代謝產物，同時生產過程也比較簡單，對設備的要求不高，規(guī)模不大。當前第10頁\共有59頁\編于星期四\21點第二代生物工程(近代生物工程)1928發(fā)現(xiàn)青霉素，1943年,工業(yè)化20世紀40年代第二次世界大戰(zhàn)時期，軍隊需要一種有效而副作用小的抗細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。1941年，美國和英國合作對青霉素的大規(guī)模生產技術進行研究和開發(fā)，1943年開發(fā)出一條青霉素沉浸培養(yǎng)工藝。不久，鏈霉素，金霉素，新霉素等相續(xù)問世，抗生素工業(yè)的興起標志著工業(yè)微生物的生產進入了一個新的階段。當前第11頁\共有59頁\編于星期四\21點抗生素生產的經驗促進其他發(fā)酵產品的發(fā)展，最突出的是20世紀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品相比，這一時期的特點是：1產品類型多,包括初級代謝產物，次級代謝產物，以及生物轉化，酶反應等產品。2技術要求高,生產過程需在無菌條件下進行3大多數(shù)為好氣發(fā)酵4發(fā)酵規(guī)模大12當前第12頁\共有59頁\編于星期四\21點第三代生物工程(現(xiàn)代生物工程)1953年,美國的沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結構，為DNA重組奠定了基礎，1974年美國的波依耳和科恩首次在實驗室中實現(xiàn)了基因轉移，從而使人們有可能在實驗室中組建按照人們意志設計新的生命體。

20世紀70年代后，隨著基因重組，細胞和組織培養(yǎng)，酶的固定化，動物植物細胞的大規(guī)模培養(yǎng)，現(xiàn)代化生物反應器和計算機的應用，以及產品分離，純化等技術的發(fā)展，生物工程進入了一個新的發(fā)展階段------現(xiàn)代生物工程階段。當前第13頁\共有59頁\編于星期四\21點這期間的現(xiàn)代生物技術以及產品的特點是運用了DNA重組技術產品有：干擾素，胰島素，生長激素及其相關因子，淋巴細胞活素，血纖維蛋白溶解劑，疫苗，胸腺素，白蛋白，血因子，促紅細胞生長素，促血小板生長素，降血鈣素，絨帽促性腺激素，抗血友病因子，乙型肝炎疫苗，以及氨基酸，食品加工酶，單細胞蛋白，生物殺蟲劑，生物殺菌劑，生物完全降解塑料等等。14當前第14頁\共有59頁\編于星期四\21點15當前第15頁\共有59頁\編于星期四\21點其中最具代表性生物技術產品為轉基因生物和克隆動物。目前，美國40％以上的農田種植了經過基因改良的作物。我國的轉基因農作物和林木已有22種，轉基因棉花，大豆，菠菜等已經進行田間試驗。其中抗蟲棉已經開始規(guī)?；唐飞a。1996年7月英國成功采用成體體細胞克隆出綿羊多莉更是一項里程碑的現(xiàn)代生物工程成果。16當前第16頁\共有59頁\編于星期四\21點17當前第17頁\共有59頁\編于星期四\21點現(xiàn)代生物工程的特點和組成生物工程與生物學,化學等基礎理論科學的區(qū)別顯而易見,后者主要為前者提供某種生物產品的制造的理論支撐。生物工程操作的對象是有生命的物質,這是與化學工程等其他工程類學科最明顯的不同。當前第18頁\共有59頁\編于星期四\21點19當前第19頁\共有59頁\編于星期四\21點2生物技術的組成發(fā)酵工程酶工程蛋白質工程基因工程生化工程細胞工程當前第20頁\共有59頁\編于星期四\21點現(xiàn)代發(fā)酵工程主要指利用微生物、包括利用DNA重組技術改造的微生物在全自動發(fā)酵罐或生物反應器中生產某種商品的技術?，F(xiàn)代發(fā)酵工程是生物代謝、微生物生長動力學、大型發(fā)酵罐或生物反應器研制、化工原理等密切結合和應用的結果。發(fā)酵工程當前第21頁\共有59頁\編于星期四\21點當前第22頁\共有59頁\編于星期四\21點23當前第23頁\共有59頁\編于星期四\21點酶工程酶是由生物體產生的具有催化劑活性的蛋白質，他們可特定地促成某個化學反應而他們本身卻不參與反應，具有反應效率高，反應條件溫和，反應產物污染小，能耗低，反應容易控制等特點。酶工程就是利用酶的催化作用，采用適當?shù)纳裎追磻鞴I(yè)化地生產人類所需的產品或是達到某一特殊目的的一門生物工程技術。它是酶學原理和化工技術相結合而形成的一項高新技術。酶工程種開發(fā)生產的酶主要6大類，氧化還原酶，轉移酶，水解酶，裂解酶，連接酶，異構酶當前第24頁\共有59頁\編于星期四\21點蔗糖轉葡糖基酶當前第25頁\共有59頁\編于星期四\21點酶工程的研究和應用范圍包括：1、天然酶的分離純化以及鑒定和生產2、酶的固定化3、酶生物反應器的研制和應用蛋白質種類繁多，可以根據(jù)他們在生物體內所起的作用不同，分成5大類：酶蛋白：專一高效生物催化劑運載蛋白結構蛋白抗體激素26當前第26頁\共有59頁\編于星期四\21點蛋白質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的二維重組和三維晶體結構;(4）設計各種處理條件，了解蛋白質的結構變化，包括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響；（5）設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。蛋白質工程proteinengineering當前第27頁\共有59頁\編于星期四\21點28當前第28頁\共有59頁\編于星期四\21點“后基因組時代”將是“蛋白質組學時代”，即從對基因信息的研究轉向對蛋白質信息的研究，包括研究蛋白質結構、功能與應用及蛋白質相互關系和作用。蛋白質工程就是在對蛋白質的化學、晶體學、動力學等結構與功能認識的基礎上，對蛋白質人工改造與合成，最終獲得商業(yè)化的產品。當前第29頁\共有59頁\編于星期四\21點蛋白質工程研究方向包括以下兩個方面：1基因工程水平上的蛋白質改造：通過基因融合或基因定位誘變等手段改變蛋白質的結構和功能；降DNA合成技術用于蛋白質功能片斷多肽基因的合成，可創(chuàng)造結構和功能全新的蛋白質。2蛋白質修飾：酶工業(yè)上，對蛋白質分子進行化學修飾，提高蛋白質的穩(wěn)定性或催化能力，或更適合酶固定化而用于實踐。在醫(yī)學臨床應用上，可延長蛋白質藥物的生物半衰期，改變其免疫原性，提高對蛋白酶的抗性。當前第30頁\共有59頁\編于星期四\21點基因工程是指在微觀領域（分子水平）中，根據(jù)分子生物學和遺傳學原理，設計并實施一項把一個生物體中有用的目的DNA(遺傳信息)轉入另一個生物體中，使后者獲得新的需要的遺傳性狀或表達所需要的產物，最終實現(xiàn)該技術的商業(yè)價值?；蚬こ袒蚬こ膛c建筑工程當前第31頁\共有59頁\編于星期四\21點基因工程與建筑工程當前第32頁\共有59頁\編于星期四\21點生化工程生物化學工程是由生物科學與化學工程相結合的交叉學科，主要研究將生物技術的實驗室研究成果轉化為生產力過程帶有共性的工程技術問題，是生物技術的一個重要組成部分。早期的生物化學工程曾經為發(fā)酵和酶反應過程的產品迅速發(fā)展做出杰出貢獻。20世紀80年代后，生物化學工程則主要轉向為基因工程，細胞工程等現(xiàn)代生物技術產品的產業(yè)化服務。當前第33頁\共有59頁\編于星期四\21點34當前第34頁\共有59頁\編于星期四\21點今后生物化學工程重點研究方向大致包括以下4個方面：1、新型生物反應器系統(tǒng)以及相關培養(yǎng)和放大技術,工藝的研究與開發(fā);2、新型分離方法和設備的研究開發(fā);

3、描述生物反應過程的數(shù)學模型的建立;4、生產過程在線檢測和控制手段的完善.當前第35頁\共有59頁\編于星期四\21點36當前第36頁\共有59頁\編于星期四\21點二、細胞工程37當前第37頁\共有59頁\編于星期四\21點多核細胞發(fā)現(xiàn)植物學：1902年德國植物學家發(fā)現(xiàn)植物細胞全能性。

1934年生長素發(fā)現(xiàn)

1937年離體培養(yǎng)胡蘿卜組織，并使細胞增殖1960年原生質體制備

1972年體細胞雜種植株動物學

1907年培養(yǎng)蛙胚神經組織

1965年動物細胞融合誘導細胞工程的發(fā)展歷史當前第38頁\共有59頁\編于星期四\21點細胞工程發(fā)展到今天，人們借助于細胞工程技術可以把生命像積木那樣組裝起來，進行細胞水平上的生命組合。一只老鼠有3個父親、4個母親，而且還都是絕對有“血緣”關系的。這些聽起來有些令人難以置信，但科學家已經將它變成了現(xiàn)實。這是細胞工程在動物身上取得的一次成功試驗。1977年英國采用胚胎工程技術培育出世界首例試管嬰兒；1997年英國利用成年動物體細胞克隆出綿羊多莉。2001年培育出轉基因克隆豬。當前第39頁\共有59頁\編于星期四\21點2主要研究內容對象：微生物，植物，動物技術：融合，拆合，染色體導入，胚胎和細胞核移植水平：細胞，組織，細胞器，基因

分類不同：40當前第40頁\共有59頁\編于星期四\21點2細胞工程的研究內容1動植物細胞與組織培養(yǎng)2細胞融合3染色體工程4胚胎工程5細胞遺傳工程隨著細胞生物學，分子生物學，遺傳學等學科發(fā)展核研究的日益深入，細胞工程近年來得到快速的發(fā)展，以及成為現(xiàn)代生物工程的一個重要代表性領域，具體而言，細胞工程的一些研究領域包括：41當前第41頁\共有59頁\編于星期四\21點1動植物細胞與組織培養(yǎng)該技術最顯著的價值在于優(yōu)良植物的快速繁育與代謝產物的大量制備方面。動植物細胞與組織培養(yǎng)可分為三個層次上的培養(yǎng)：細胞培養(yǎng)，組織培養(yǎng)和器官培養(yǎng)。以工業(yè)生產為目的細胞培養(yǎng)不受氣候季節(jié)限制，可以大量培養(yǎng)細胞獲得藥物和其他有用物質，無論在生物學基礎研究，還是生產實踐中都發(fā)揮著越來越大的作用。例如利用生物反應器生產人參等高價值生物的細胞，生產有藥效用成分。42當前第42頁\共有59頁\編于星期四\21點當前第43頁\共有59頁\編于星期四\21點2細胞融合細胞融合最大的貢獻是在動植物，微生物新品種的培育方面。原生質體融合有可能克服有性雜交的不親和性而使葉綠體，線粒體等細胞基因組合在一起。利用原生質融合并配合原生質培養(yǎng)已得到了一些體細胞雜種植株。采用自然或人工的方法使兩個或幾個不同細胞（或原生質體）融合為一個細胞，用于產生新的物種或品系及產生單克隆抗體。44當前第44頁\共有59頁\編于星期四\21點3染色體工程45當前第45頁\共有59頁\編于星期四\21點46當前第46頁\共有59頁\編于星期四\21點染色體工程師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。主要分為動物染色體工程和植物染色體工程兩種。動物染色體工程主要采用對細胞進行微操作的方法來達到轉移基因的目的。植物細胞工程主要利用傳統(tǒng)的雜交，回交的方法達到改變染色體的目的。染色體工程技術最大的價值體現(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。3染色體工程47當前第47頁\共有59頁\編于星期四\21點48當前第48頁\共有59頁\編于星期四\21點49當前第49頁\共有59頁\編于星期四\21點4胚胎工程

50當前第50頁\共有59頁\編于星期四\21點4胚胎工程這項技術主要對哺乳動物的胚胎進行某種人為的工程技術操作獲得人們所需要的成體動物。胚胎工程采用的新技術包括胚胎分割技術，胚胎融合技術，卵核移植技術，體外受精技術，胚胎培養(yǎng)，胚胎移植，以及性別鑒定技術，胚胎冷凍技術等。胚胎工程的最成功的應用領域體現(xiàn)在畜牧業(yè)，主要是胚胎移植技術進行優(yōu)良品種的快速繁殖和胚胎保存。對于人類，試管嬰兒培育技術也為人類做出了貢獻。當前第51頁\共有59頁\編于星期四\21點5細胞遺傳工程主要包括克隆和轉基因技術，前者主要是指無性繁殖，如動物克隆是指由一個動物經無性繁殖而產生的遺傳性狀完全相同的后代個體。后者是指將外源基因整合到生物體內，得到穩(wěn)定表達，并使該基因能穩(wěn)定地遺傳給后代的實驗技術，是改變物質遺傳性狀的有效途徑。當前第52頁\共有59頁\編于星期四\21點細胞工程重要應用當今，細胞工程已經稱為生物學家手中經常應用的技術之一。并已經成為生物工程的重要組成部分和主導領域之一，涉及面及其廣泛，在許多領域都有非常重要的應用價值，并且已經取得了驚人成就。如多倍體與單倍體育種，體細胞雜交和染色體工程等。此外細胞器移植，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。當前第53頁\共有59頁\編于星期四\21點細胞工程應用1優(yōu)質植物快速培育與繁殖基于植物細胞的全能性，