探究青霉素的發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)的歷程

1、探究青霉素的發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)的歷程一、課題分析1教學(xué)目標(biāo)(1)通過(guò)探究青霉素的發(fā)現(xiàn)歷程，體驗(yàn)科學(xué)探究的方法和科學(xué)家科學(xué)探索的精神。(2)舉例說(shuō)明生物工程技術(shù)藥物和疫苗的生產(chǎn)原理。2背景描述青霉素是抗菌素的一種， 是從青霉菌培養(yǎng)液中提制的藥物， 是第一種能夠治療人類(lèi)疾病 的抗生素。 青霉素是在1928年由英國(guó)細(xì)菌學(xué)家弗萊明發(fā)現(xiàn)的。但在當(dāng)時(shí)未引起人們的重視，1935年，英國(guó)牛津大學(xué)生物化學(xué)家錢(qián)恩和物理學(xué)家弗羅里重新發(fā)現(xiàn)了它，經(jīng)過(guò)努力，終于 使其抗菌力提高了幾千倍，并證明了其功效。1942年，通過(guò)發(fā)酵工程等生物工程技術(shù)手段， 青霉素被大規(guī)模生產(chǎn)并應(yīng)用于臨床， 許多曾經(jīng)嚴(yán)重危害人類(lèi)的疾病， 例如曾是不治之癥

2、的猩 紅熱、化膿性咽喉炎、白喉、梅毒、淋病、以及各種結(jié)核病、敗血病、肺炎、傷寒等，都受 到了有效的抑制。可以毫不夸張地說(shuō)，青霉素的發(fā)現(xiàn)開(kāi)辟了全世界現(xiàn)代醫(yī)療革命的新階段。 青霉素的偶然發(fā)現(xiàn)是人類(lèi)取得的一個(gè)了不起的成就。 為表彰弗萊明等人對(duì)人類(lèi)作出的杰出貢 獻(xiàn)，1945年的諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了弗萊明、弗洛里和錢(qián)恩三人。生物工程主要包括基因工程、細(xì)胞工程、發(fā)酵工程和酶工程。隨著生物學(xué)的快速發(fā)展， 生物工程技術(shù)在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。 例如： 利用基因工程方法制造胰島素、 干擾 素、白細(xì)胞介素等等；抗生素、維生素、動(dòng)物激素等可以利用發(fā)酵工程大量生產(chǎn)；許多有重 要價(jià)值的蛋白質(zhì)生物制品， 如病毒疫苗、

3、 單克隆抗體等， 都可以借助動(dòng)物細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng) 來(lái)生產(chǎn)；一些酶制劑如溶菌酶，尿激酶等可以用做藥品，治療多種疾病。二、教學(xué)建議在科學(xué)過(guò)程中， 科學(xué)家所做的第一步通常是對(duì)現(xiàn)象的觀(guān)察。 在觀(guān)察的基礎(chǔ)上建立假說(shuō)或 有意義的猜測(cè)，用以解釋觀(guān)察到的現(xiàn)象。 通過(guò)演繹推理形成預(yù)見(jiàn)， 用以檢驗(yàn)假說(shuō)， 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 檢驗(yàn)預(yù)見(jiàn)。最后，將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與假說(shuō)相比較，看二者是否一致；如果一致，假說(shuō)就變成一 個(gè)工作模型，接受進(jìn)一步的檢驗(yàn)。在本課題中，通過(guò)對(duì)青霉素的發(fā)現(xiàn)歷程的探究，引導(dǎo)學(xué)生沿著科學(xué)的邏輯思維路線(xiàn)， 從提供的設(shè)問(wèn)和實(shí)驗(yàn)中去假設(shè)、 分析和得出結(jié)論， 從而體驗(yàn)科學(xué) 探究的方法和科學(xué)家科學(xué)探索的精神， 這是本課題的教學(xué)重

4、點(diǎn)。 在活動(dòng)實(shí)施過(guò)程中， 教師應(yīng) 鼓勵(lì)學(xué)生， 注意保護(hù)學(xué)生勇于探究的精神和自信心， 給每個(gè)學(xué)生以盡可能多的機(jī)會(huì)來(lái)提出自 己的想法、見(jiàn)解、問(wèn)題。當(dāng)然也要注意維持良好的課堂秩序。本課題通過(guò)青霉素的生產(chǎn)使用來(lái)說(shuō)明生物工程技術(shù)藥物的生產(chǎn)原理，是建立在學(xué)生對(duì)生 物工程技術(shù)已有了全面了解的基礎(chǔ)上。對(duì)此， 教師只需展示資料， 進(jìn)行引導(dǎo)，可以讓學(xué)生自己歸納總結(jié)。三、探究活動(dòng)第一步驟 弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素的探索過(guò)程1928年的一天，英國(guó)細(xì)菌學(xué)家弗萊明在他的一間簡(jiǎn)陋的實(shí)驗(yàn)室里研究導(dǎo)致人體發(fā)熱的葡萄球菌。 由于蓋子沒(méi)有蓋 好，他發(fā)覺(jué)培養(yǎng)細(xì)菌用的瓊脂上附了一層青霉菌。 這是從樓 上的一位研究青霉菌的學(xué)者的窗口飄落進(jìn)來(lái)的。

5、 使弗萊明感 到驚訝的是，在青霉菌周?chē)霈F(xiàn)了一個(gè)透明圈， 圈內(nèi)沒(méi)有細(xì) 菌。這個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)深深吸引了他。（1）為什么出現(xiàn)這種現(xiàn)象？學(xué)生分析討論，提出假設(shè)。弗萊明立即決定，把青霉菌放進(jìn)培養(yǎng)基中培養(yǎng)。幾天后，青霉菌明顯繁殖起來(lái)。于是， 他進(jìn)行了試驗(yàn)：用一根線(xiàn) 蘸上溶了水的葡萄球菌，放到青霉菌的培養(yǎng)器中，幾小時(shí)后， 葡萄狀球菌全部死亡。由此，你推測(cè)弗萊明的結(jié)論是 _ 。接著，他分別把帶有白喉菌、肺炎菌、鏈狀球菌、炭疽菌的線(xiàn)放進(jìn)去，這些細(xì)菌也很快死亡。但是放入帶有傷寒菌 和大腸桿菌等的線(xiàn)，這幾種細(xì)菌照樣繁殖。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)，推測(cè)弗萊明得出的結(jié)論 _。（2）為什么青霉菌能殺滅很多細(xì)菌？學(xué)生分析討論，提出假設(shè)

6、。弗萊明把青霉菌放在培養(yǎng)液中培養(yǎng)后， 把濾去青霉菌后 的培養(yǎng)液加入培養(yǎng)細(xì)菌的培養(yǎng)皿中， 觀(guān)察這些培養(yǎng)液對(duì)細(xì)菌 生長(zhǎng)的影響。結(jié)果：這種培養(yǎng)液阻止了細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖。由此，你推測(cè)弗萊明得出的結(jié)論是 _。（3）那時(shí)流行著許多傳染病，如猩紅熱、白喉、腦膜 炎、淋病、梅毒等，這些疾病嚴(yán)重地威脅著人們的生命。這種物質(zhì)能否用于人體?小資料：早在1911年, 里查特威斯特林在斯德哥 爾摩大學(xué)答辯的博士論文 中記載過(guò)特異青霉，經(jīng)鑒定 證明那就是弗萊明發(fā)現(xiàn)的 青霉產(chǎn)生菌。遺憾的是，威斯特林并沒(méi)有進(jìn)行更深入的研究，從而沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它的 抗菌作用。請(qǐng)學(xué)生想一想：為什么 威斯特林和弗萊明經(jīng)歷相 同的偶然發(fā)現(xiàn)，卻產(chǎn)生了不 同

7、的結(jié)果讓學(xué)生分析， 弗萊明的 假設(shè)是什么，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與 假設(shè)是否一致？想一想： 這個(gè)實(shí)驗(yàn)還有 什么缺陷？，該如何改進(jìn)？讓學(xué)生分析， 弗萊明的 假設(shè)是什么，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與 假設(shè)是否一致？學(xué)生分析討論，提出設(shè)想。弗萊明把青霉菌培養(yǎng)液注射進(jìn)了兔子的血管，然后觀(guān)察它們的反應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兔子安然無(wú)恙，沒(méi)有任何異常反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了什么_ 。與此同時(shí)，弗萊明還做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)， 把青霉菌培養(yǎng)液加 水稀釋?zhuān)仁且槐丁杀蹲詈笠园税俦端♂專(zhuān)?結(jié)果它 對(duì)葡萄狀球菌和肺炎菌的殺滅能力仍然存在。實(shí)驗(yàn)?zāi)苷f(shuō)明什么_。(4) 這種物質(zhì)是什么？佛萊明在后來(lái)的實(shí)驗(yàn)中終于分離出了這種物質(zhì)，并命名為青霉素，即盤(pán)尼西林。1929年，弗萊明

8、發(fā)表了學(xué)術(shù)論文，報(bào)告了他的發(fā)現(xiàn)， 但當(dāng)時(shí)未引起重視。而且青霉素的提純問(wèn)題也還沒(méi)有解決， 因此，弗萊明只好暫時(shí)停止了對(duì)青霉素的培養(yǎng)和研究工作。資料：1935年，英國(guó)牛津大學(xué)生物化學(xué)家錢(qián)恩和物理 學(xué)家弗羅里對(duì)弗萊明的發(fā)現(xiàn)很感興趣。錢(qián)恩負(fù)責(zé)青霉菌的培養(yǎng)和青霉素的分離、提純和強(qiáng)化，使其抗菌力提高了幾千倍， 弗萊明里負(fù)責(zé)對(duì)動(dòng)物觀(guān)察試驗(yàn)。至此，青霉素的功效得到了證明。第二步驟請(qǐng)你閱讀資料1:經(jīng)過(guò)在人體上進(jìn)行的多次實(shí)驗(yàn)，錢(qián)恩等人對(duì)青霉素的特性、用法和提取都積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。問(wèn)題是青霉素的供應(yīng)量太少了，單靠實(shí)驗(yàn)室提取，只能滿(mǎn)足少數(shù)病人的 需要，還常常要從患者的尿液中回收再用。 這種情況怎能滿(mǎn)足所有病人的需要呢

9、？為了把人類(lèi)從各種疾病和傳染病的 威脅中徹底解救出來(lái)，必須在工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)青霉素。直到1942年，青霉素的大規(guī)模生產(chǎn)才有可能。因?yàn)椋?第一，人們發(fā)現(xiàn)了一種來(lái)源廣泛又非常便宜的營(yíng)養(yǎng)液。第二,人們?cè)谄W里亞的一家雜貨店里腐爛的羅馬甜瓜中，找到了一種叫做金菌青霉素的霉菌。這種霉菌生產(chǎn)速度很快。讓學(xué)生分析， 弗萊明做 這兩項(xiàng)試驗(yàn)有什么意義？小資料：為了表彰這 一造福人類(lèi)的貢獻(xiàn)，弗萊 明、錢(qián)恩、弗羅里于1945年共同獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)和 生理學(xué)獎(jiǎng)。利用這個(gè)菌種，科學(xué)家們又培養(yǎng)出一種產(chǎn)量更高的霉菌突變種。第三，人們找到了一種更為有效的培養(yǎng)方法一一發(fā)明了一種有兩層樓高的巨大的容罐，里面裝上2萬(wàn)5千加侖營(yíng)養(yǎng)湯，

10、用像飛機(jī)的螺旋槳一樣大的攪棒在罐中不停地?cái)嚢?，使純凈的空氣源源不斷地通過(guò)容器內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)湯。這樣，霉菌就不僅僅生長(zhǎng)在營(yíng)養(yǎng)湯的表面，而且也可以在全部營(yíng)養(yǎng)湯內(nèi)部生長(zhǎng)。有了這三個(gè)方面的突破，青霉素的產(chǎn)量一下子提高了。資料2:1974年，科恩又把具有抗青霉素基因的金黃色葡萄球菌的質(zhì)粒和大腸桿菌的質(zhì)粒“組裝”成雜合質(zhì)粒放入大腸體內(nèi)。結(jié)果這種大腸桿菌也獲得了對(duì)青霉素的抗藥 性。資料3:在臨床上大量使用青霉素后產(chǎn)生了耐藥菌，其原因是細(xì)菌產(chǎn)生了破壞青霉素的3內(nèi)酰胺環(huán)使其失活的青霉素酶。1956年，Abraham和Cha in利用大腸桿菌的酰胺 酶把青霉素G裂解成為6-APA。Beecham公司以6-APA為 母核

11、，在C-6位縮合了不同基團(tuán)， 制備了很多新青霉素，其中甲氧苯青霉素對(duì)青霉素耐藥菌敏感，首先用于臨床。步驟三討論與交流討論生物工程技術(shù)藥物和疫苗對(duì)人類(lèi)的影響？四、討論與思考1通過(guò)對(duì)青霉素的發(fā)現(xiàn)歷程的探究對(duì)你有什么啟示？簡(jiǎn)析：科學(xué)是一個(gè)發(fā)展的過(guò)程，科學(xué)研究需要仔細(xì)的觀(guān)察、科學(xué)的思維、合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、以及堅(jiān)持不懈的努力，否則是難以奏效的。討論：在含有青霉菌的培養(yǎng)液中細(xì)菌不能生長(zhǎng)，為什么出現(xiàn)這種現(xiàn)象？(1) 作為上述問(wèn)題的假設(shè)中，下列選項(xiàng)中最為恰當(dāng)?shù)氖?DA.青霉菌能產(chǎn)生有利于人類(lèi)的物質(zhì)小資料：這種野生的青 霉菌分泌的青霉素很少，產(chǎn) 量只有20單位/ml。后 來(lái)，人們對(duì)青霉菌多次進(jìn)行X射線(xiàn)、紫外線(xiàn)照射

12、以及綜 合處理，培育成了青霉素產(chǎn) 量很高的菌株，產(chǎn)量可達(dá)到5000060000單位/ml。想 一想，這種育種方式被稱(chēng)為 什么？請(qǐng)學(xué)生想一想：為什 么需要加入純凈的空氣？ 除此以外，還需要控制那些 條件？資料1、2、3中關(guān)于青霉素的試驗(yàn)應(yīng)用了那種生物工程技術(shù)？請(qǐng)學(xué)生通過(guò)舉例說(shuō)明。B.青霉菌污染了細(xì)菌生長(zhǎng)的培養(yǎng)基C.青霉菌可能吞噬了細(xì)菌D.青霉菌可能產(chǎn)生了不利于細(xì)菌繁殖的物質(zhì)弗萊明把青霉菌放在培養(yǎng)液中培養(yǎng)后，把濾去青霉菌后的培養(yǎng)液加入培養(yǎng)細(xì)菌的培養(yǎng)皿中，觀(guān)察這些培養(yǎng)液對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的影響。結(jié)果：這種培養(yǎng)液阻止了細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖。(2)為了證明青霉素確實(shí)是由青霉菌產(chǎn)生的而不是培養(yǎng)液和培養(yǎng)基中的其他物質(zhì)產(chǎn)

13、生的，則應(yīng)設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，其對(duì)照組的實(shí)驗(yàn)方法是把等量的沒(méi)有接觸過(guò)青霉菌的培養(yǎng)液加入培養(yǎng)細(xì)菌的培養(yǎng)皿中，在相同條件下觀(guān)察對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的影響。(3)若對(duì)照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果為細(xì)菌正常生長(zhǎng) ， 則充分證明青霉素確實(shí)能產(chǎn)生可阻止細(xì)菌繁殖的物質(zhì)。2當(dāng)前藥物的生產(chǎn)主要應(yīng)用了哪些生物工程技術(shù)？簡(jiǎn)析：生物工程主要包括基因工程、細(xì)胞工程、發(fā)酵工程和酶工程。隨著生物學(xué)的快速發(fā)展，生物工程技術(shù)在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。例如：利用基因工程方法制造胰島素、干擾素、白細(xì)胞介素等等；抗生素、維生素、動(dòng)物激素等可以利用發(fā)酵工程大量生產(chǎn)；許多有重要價(jià)值的蛋白質(zhì)生物制品， 如病毒疫苗、單克隆抗體等，都可以借助動(dòng)物細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng) 來(lái)生產(chǎn)

14、；一些酶制劑如溶菌酶，尿激酶等可以用做藥品，治療多種疾病。討論：(1)資料1、2、3中關(guān)于青霉素的試驗(yàn)應(yīng)用了哪些生物工程技術(shù)？資料1、2、3中分別應(yīng)用了發(fā)酵工程、基因工程和酶工程。(2)除了在自然界尋找產(chǎn)量高的菌種，還有可以用人工誘變 方法育種?(3)在青霉素的發(fā)酵過(guò)程中為什么需要加入純凈的空氣？除此以外，還需要控制那些條件？為了防止雜菌的污染和青霉菌是需氧型的。還需要控制溫度、PH、等。五、深化拓展拓展：討論未來(lái)藥物是什么樣？提示：學(xué)生在課外搜索資料，然后在課堂進(jìn)行討論和交流，從而了解生物工程藥物生產(chǎn) 原理和展望未來(lái)。六、文獻(xiàn)鏈接1青霉素如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。青霉素生產(chǎn)的歷史可以作為抗菌素生產(chǎn)

15、工業(yè)的典型事例。 青霉素和其它抗菌素一樣在產(chǎn) 生的過(guò)程中需要大量的氧氣。 最初的生產(chǎn)方法是使用一個(gè)小容器裝入12厘米厚的原料（液體培養(yǎng)基），青霉菌在液體表面生長(zhǎng)繁殖，分泌青霉素在液體內(nèi)。由于液層薄，青霉菌很容 易得到氧氣不必?cái)嚢韬屯ㄈ肟諝猓?但是這種方法需要很多小容器和很大的培養(yǎng)室， 后來(lái)人們 想辦法將小容器串連起來(lái)， 使培養(yǎng)液在菌層下面流動(dòng)進(jìn)行更新。 還有人將青霉菌接種在許多 小木片上，培養(yǎng)液在木片間流動(dòng)，或者將菌接種在繩子上，并使繩子在培養(yǎng)液中巡回轉(zhuǎn)動(dòng)。 這些辦法的目的都是要解決通氣問(wèn)題， 但終因操作不便、 產(chǎn)量不高和容易染雜菌而失敗。 在 本世紀(jì)40年代初期，興起了青霉素的液體深層培養(yǎng)法

16、。該方法是將青霉接種在液體內(nèi)，不 斷攪拌，同時(shí)通入無(wú)菌空氣，使青霉在培養(yǎng)液內(nèi)均勻生長(zhǎng)并分泌青霉素。 工業(yè)生產(chǎn)采用了類(lèi) 似化學(xué)工業(yè)的設(shè)備 反應(yīng)罐， 加以改進(jìn)而成發(fā)酵罐。 培養(yǎng)原料配比設(shè)計(jì)甚為復(fù)雜， 曾經(jīng)試 驗(yàn)的如甘油、麥粉、玉米淀粉、乳糖、葡萄糖、麥麩、乳清水解酪素、玉米漿、硝酸銨和硝 酸鈉等。此外還對(duì)磷、硫、鐵、鉀、鎂、鋅、銅等金屬對(duì)產(chǎn)生青霉素的影響作了試驗(yàn)。通入 空氣的無(wú)菌化要求，創(chuàng)立了至今發(fā)酵工業(yè)使用的空氣凈化系統(tǒng)。由于青霉素發(fā)酵供氣量大， 對(duì)空氣的無(wú)菌狀態(tài)要求極高， 而發(fā)酵過(guò)程又是純種培養(yǎng)過(guò)程， 因此培養(yǎng)基的滅菌， 管道的設(shè) 計(jì)、無(wú)菌狀態(tài)的維持，都需要有絕對(duì)的保證。隨著發(fā)酵成功，進(jìn)而又提出青霉的提煉問(wèn)題， 也就是如何從發(fā)酵后的液體內(nèi)， 取得單純的青霉素， 從而促進(jìn)人們研究了青霉素的萃取、 分 離、濃縮和結(jié)晶等所謂發(fā)酵產(chǎn)品的提取工藝。（摘自 鄭鐵曾 生機(jī)勃勃的發(fā)