《自然科學(xué)基礎(chǔ)》第十九章課件

1、生物技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代生物技術(shù)的特點(diǎn)與影響01 現(xiàn)代生物技術(shù)概述 從史前時(shí)代起，生物技術(shù)就一直為人們所開發(fā)利用，造福于人類。 20世紀(jì)70年代，細(xì)胞工程興起，用于進(jìn)行大規(guī)模動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)、農(nóng)業(yè)育種和藥品生產(chǎn)，口蹄疫苗、狂犬病疫苗、脊髓灰質(zhì)炎等病毒疫苗的批量生產(chǎn)，使人類征服了幾千年來深受其害的頑癥。 20世紀(jì)下半葉，基于基因工程，現(xiàn)代生物技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。20世紀(jì)50年代，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的發(fā)現(xiàn)及后來中心法則的提出、遺傳密碼破譯奠定了基因工程的理論基礎(chǔ)。以20世紀(jì)70年代的DNA重組技術(shù)為開端，基因工程迅速發(fā)展，并于1883年發(fā)展出蛋白質(zhì)工程。 代生物技術(shù)是指運(yùn)用現(xiàn)代生物科學(xué)、工程學(xué)等

2、基礎(chǔ)學(xué)科的知識(shí)，按照預(yù)先設(shè)計(jì)，對(duì)生物進(jìn)行控制和改造或模擬生物及其功能，用于發(fā)展商業(yè)性加工、產(chǎn)品生產(chǎn)和社會(huì)服務(wù)的高新技術(shù)。其特點(diǎn)是： 打破了幾千年來遺傳學(xué)上遠(yuǎn)緣不能雜交的規(guī)律（即種屬間的屏障）； 提供了一種手段，可直接進(jìn)行基因或蛋白質(zhì)的人工臺(tái)成； 在基因水平上治病防病，包括遺傳病、惡性腫瘤等。 現(xiàn)代生物技術(shù)的誕生和發(fā)展給人類社會(huì)帶來了一次重大的產(chǎn)業(yè)革命，對(duì)人類的生產(chǎn)和生活方式帶來了巨大影響：（1） 基因工程制藥產(chǎn)業(yè)正在世界各國(guó)迅速崛起，它不但革新了生化藥物的生產(chǎn)方式和生產(chǎn)規(guī)模，而且創(chuàng)造出許多新一代的生化藥品。（2） 生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，有望改變農(nóng)作物的品種，提高產(chǎn)量和品質(zhì)，如抗棉鈴蟲的棉花、

3、抗腐爛的西紅柿等。（3） 生物技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，極大地推動(dòng)了人類遺傳病的基因診斷和基因治療研究。發(fā)酵工程酶工程02 現(xiàn)代生物技術(shù)的主要內(nèi)容基因工程蛋白質(zhì)工程細(xì)胞工程 微生物是生物的一大組成部分。利用微生物及其內(nèi)含酶系的生理特性，應(yīng)用現(xiàn)代工程技術(shù)手段生產(chǎn)或加工人類所需的產(chǎn)品的技術(shù)體系，就叫發(fā)酵工程，又稱微生物工程。發(fā)酵工程以傳統(tǒng)發(fā)酵為核心，目前在整個(gè)生物產(chǎn)業(yè)中仍是最重要的組成部分。 傳統(tǒng)發(fā)酵工程經(jīng)過基因工程的改造和現(xiàn)代技術(shù)的武裝，整個(gè)技術(shù)體系有了很大的不同。傳統(tǒng)的工業(yè)菌株培育是利用自然界現(xiàn)有的菌種，而現(xiàn)在則可運(yùn)用細(xì)胞融合技術(shù)和重組DNA技術(shù)，選育出人們所需要的類型?；瘜W(xué)酶工程也稱初級(jí)酶工程，通

4、過對(duì)酶進(jìn)行化學(xué)修飾和固定化處理，甚至化學(xué)合成等手段來改善酶的性質(zhì)，以提高催化效率，降低成本。生物酶工程基于化學(xué)酶工程，是酶科學(xué)和以基因工程為主的現(xiàn)代分子生物技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，也稱高級(jí)酶工程。它通過對(duì)酶基因的修飾改造或設(shè)計(jì)，產(chǎn)生自然界不曾有過的、性能穩(wěn)定、催化效率更高的新酶。 酶是一種具有特定生物催化功能的蛋白質(zhì)。酶工程簡(jiǎn)單地說就是酶制劑在工業(yè)上的大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用，包括酶制劑的開發(fā)和生產(chǎn)、多酶反應(yīng)器的研究和設(shè)計(jì)，以及酶的分離提純和應(yīng)用的擴(kuò)大。酶工程一般可分為兩類： 基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA片段，是遺傳物質(zhì)的功能單位和結(jié)構(gòu)單位?；蚬こ淌腔蛩缴系倪z傳工程，是指利用DNA體外重組技術(shù)，按預(yù)先設(shè)

5、計(jì)要求剪接基因，從而改造遺傳特性的現(xiàn)代生物技術(shù)。它的問世標(biāo)志著人類已從分子水平上認(rèn)識(shí)遺傳物質(zhì)發(fā)展到能在分子水平上操縱并改造遺傳物質(zhì)。 基因工程的基本程序包括下列步驟：分離目的基因構(gòu)建基因載體DNA體外重組重組DNA的轉(zhuǎn)化基因克隆 基因工程的最終目的是使目的基因在受體細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，以及獲得人們所需的表達(dá)產(chǎn)物蛋白質(zhì)或多肽。因此，目的基因的高水平表達(dá)是基因工程能否獲得實(shí)際效益的先決條件。 人們希望能創(chuàng)造出比天然蛋白質(zhì)性能更好的蛋白質(zhì)，于是在基因工程基礎(chǔ)上，發(fā)展形成了蛋白質(zhì)工程。這是一種根據(jù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，運(yùn)用基因工程技術(shù)獲得具有特定功能的新型蛋白質(zhì)的生物技術(shù)，故蛋白質(zhì)工程又稱為第二代基因工程。（

6、一）蛋白質(zhì)工程的原理與一般方法 20世紀(jì)80年代以來，由于蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，目前已獲得了大量天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的信息，并可借助電子計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)分子中某個(gè)氨基酸被替代后引起的功能變化，繼而利用基因工程方法（如定點(diǎn)變異技術(shù)）改變蛋白質(zhì)分子中的氨基酸，使蛋白質(zhì)分子獲得新的功能。因此，蛋白質(zhì)工程的關(guān)鍵，是在對(duì)一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系深入理解的基礎(chǔ)上，通過嚴(yán)格的分子設(shè)計(jì)，用定位突變基因的方法改造基因，從而定向地改變蛋白質(zhì)分子中的氨基酸，使其具有人們所希望的功能的新型蛋白質(zhì)。（二）蛋白質(zhì)工程的實(shí)際應(yīng)用 2在生化藥物生產(chǎn)中的應(yīng)用1提高酶制劑的穩(wěn)定性 細(xì)胞工程是一項(xiàng)

7、細(xì)胞水平上的現(xiàn)代生物技術(shù)。概括地講，細(xì)胞工程是按人們預(yù)先設(shè)計(jì)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的方法改造細(xì)胞遺傳特性，以獲得新的物種或生物產(chǎn)品的生物技術(shù)。其主要內(nèi)容包括體細(xì)胞雜交、染色體工程以及在離體條件下的大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)等技術(shù)。（一）細(xì)胞雜交技術(shù) 細(xì)胞雜交技術(shù)又稱細(xì)胞融合技術(shù)，是指利用某些病毒或化學(xué)物質(zhì)作媒介，使不同細(xì)胞并合在一起形成雜交細(xì)胞（即融合細(xì)胞）的技術(shù)。細(xì)胞雜交技術(shù)作為一種現(xiàn)代生物技術(shù)，是20世60年代才真正發(fā)展起來的，它在理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐上都有廣闊的前景。在醫(yī)學(xué)方面，細(xì)胞雜交技術(shù)也有誘人的前景。（二）雜交瘤細(xì)胞技術(shù) 雜交瘤細(xì)胞技術(shù)是在動(dòng)物體細(xì)胞雜交基礎(chǔ)上發(fā)展起來的現(xiàn)代生物技術(shù)。雜交瘤細(xì)胞是由動(dòng)物體細(xì)胞

8、和腫瘤細(xì)胞兩個(gè)親本細(xì)胞通過細(xì)胞融合產(chǎn)生的雜交細(xì)胞，這種雜交瘤細(xì)胞兼有兩個(gè)親本細(xì)胞的特性。雜交瘤細(xì)胞技術(shù)是英國(guó)科學(xué)家米爾斯坦和科勒于1975年發(fā)明的，他們首先創(chuàng)建了淋巴細(xì)胞雜交瘤細(xì)胞技術(shù)。（三）細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù) 細(xì)胞培養(yǎng)是指動(dòng)植物細(xì)胞在人工條件下進(jìn)行離體培養(yǎng)的技術(shù)。動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)與微生物培養(yǎng)（發(fā)酵）有很大不同。相比之下，植物細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)的要求比動(dòng)物細(xì)胞簡(jiǎn)單。 20世紀(jì)70年代以來，細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)已取得了迅速發(fā)展。人們已能通過大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)來生產(chǎn)各種酶、抗生素、蛋白質(zhì)等產(chǎn)物。 （四）干細(xì)胞與組織工程 干細(xì)胞是一類具有自我更新和分化潛能的細(xì)胞。按細(xì)胞發(fā)育階段分，干細(xì)胞可分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。按分化潛能

9、的大小分，干細(xì)胞可分為三種類型：第一類是全能性干細(xì)胞；第二類是多能性干細(xì)胞；第三類是定向干細(xì)胞，又稱專能干細(xì)胞。組織工程是在干細(xì)胞研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程學(xué)和生命科學(xué)原理和方法，研究開發(fā)能夠修復(fù)、維持或改善損傷組織的人工生物替代物的一門學(xué)科。現(xiàn)代生物技術(shù)的應(yīng)用生物技術(shù)的發(fā)展前景 03 現(xiàn)代生物技術(shù)的應(yīng)用及前景1現(xiàn)代生物技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的重要手段2生物技術(shù)的發(fā)展給人類帶來健康的福音3進(jìn)行生物治理是環(huán)境保護(hù)的根本出路4現(xiàn)代生物技術(shù)的滲透將使傳統(tǒng)工業(yè)大大改觀 21世紀(jì)將是生物學(xué)的世紀(jì)。展望未來，生物技術(shù)給人們昭示了美好的前景，但也讓人不無憂慮。概括起來，其發(fā)展前景如下： （2）生物治療將突飛猛進(jìn)?；蚬こ趟幬飳⒊蔀楦?jìng)相開發(fā)的領(lǐng)域，應(yīng)用將日趨普及，基因治療方法有望治愈現(xiàn)在一些人們對(duì)之束手無策的重大疾病和遺傳病，人類的平均壽命將因之大大延長(zhǎng)。（3）轉(zhuǎn)基因植物和動(dòng)物將有重大突破。（1）基因操作技術(shù)日新月異，不斷完善，并將通過商業(yè)渠道大力推廣。（4）闡明生物體基因及其編碼