第講生物技術(shù)

第4講、生物技術(shù)

課件制作:白思勝授課人：白思勝第4講、生物技術(shù)1、酶工程2、微生物工程3、細胞工程4、基因工程

1.酶工程

1.1基本概念①酶：是一類由活細胞產(chǎn)生的、具有催化活性和高度專一性的特殊蛋白質(zhì)。②酶工程：主要是利用生物酶或細胞、細胞器所具有的某些特異催化化學反應(yīng)的功能，通過現(xiàn)代工藝手段和生物反應(yīng)器生產(chǎn)生物產(chǎn)品的技術(shù)。1.2酶的特性⑴酶具有高效率的催化能力酶比一般化學催化劑的催化效率高出幾百萬倍，與沒有催化劑的反應(yīng)相比，最多可高出1017倍。

⑵酶作用的專一性很強①酶對于被作用的底物（反應(yīng)物）是專一的。②酶對于被催化的反應(yīng)是專一的。

⑶酶在生物體內(nèi)參與每一次反應(yīng)之后，它本身的性質(zhì)和數(shù)量都不會發(fā)生改變。⑷酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)。在酶的四大特性中，高效率的催化能力和作用的專一性是酶的兩個最重要的特性。1.3酶的生產(chǎn)⑴原料：酶制劑生產(chǎn)中常用的微生物，包括細菌、霉菌、酵母菌和放線菌四大類。⑵方法：發(fā)酵。就是在人工控制的條件下，微生物通過本身新陳代謝的活動，將不同物質(zhì)進行分解或合成的產(chǎn)酶過程。⑶分離在生物體和微生物發(fā)酵液中，酶都是與大量的其他物質(zhì)共同存在的，因此酶的分離是十分必要的。⑷固化酶①固定化酶：把酶制劑經(jīng)物理或化學處理，跟某些固體如樹脂相結(jié)合，可以成為不溶于水但仍然具有活性的固相狀態(tài)。②固定化細胞：不必將酶從細胞中取出來，而是直接把整個細胞固定，使酶處于細胞內(nèi)的自然狀態(tài)，參與催化反應(yīng)。1.4酶的應(yīng)用固定化細胞技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工產(chǎn)品、食品、飲料的生產(chǎn)、環(huán)保和能源方面。

2.微生物工程2.1基本概念①微生物：把所有體形微小、單細胞或個體結(jié)構(gòu)簡單的多細胞生物和原生物，即不具細胞結(jié)構(gòu)的病毒、細菌、放線菌，以及屬于真菌的酵母菌、霉菌、甚至單細胞藻類、總稱為微生物。②微生物工程：就是利用微生物發(fā)酵過程生產(chǎn)微生物產(chǎn)品，生產(chǎn)代謝產(chǎn)品和合成新物質(zhì)的過程。

2.2微生物的生產(chǎn)—發(fā)酵發(fā)酵工程的操作一般可分為四個階段：⑴配料:選取發(fā)酵原料及對原料進行預處理。⑵接種:這個階段的操作可分三步進行。第一步是對發(fā)酵原料進行高壓滅菌。第二步是根據(jù)發(fā)酵類型來選擇所需要的目標菌種。第三步是將目標菌種接種到滅過菌并已冷卻了的發(fā)酵原料中。⑶發(fā)酵:由于不同的微生物對生活條件有不同的要求，在發(fā)酵過程中應(yīng)根據(jù)目標菌種需氧和厭氧的特點，進行無菌空氣發(fā)酵或密閉靜止發(fā)酵。⑷分離和提純：對發(fā)酵產(chǎn)品進行分離和提純，以獲得符合要求的發(fā)酵產(chǎn)品。2.3微生物工程的應(yīng)用⑴治病和殺蟲的功能:人們把病原微生物的活菌體撒布在田間以殺害蟲；人們用細菌、病毒制成疫苗，用以防治流行性傳染病。⑵富集特殊化學成分的功能:人們把人工培養(yǎng)的固氮菌、磷細菌、鉀細菌制成復合肥料，這種肥料既有固氮作用，又能分解土壤和肥料中難溶于水的含磷、鉀的物質(zhì)，以供植物利用。⑶分解有機物的功能:有些微生物，如細菌、霉菌、酵母菌等能把水中的有機物變成簡單的無機物，而使污水凈化。⑷生產(chǎn)蛋白質(zhì)和酶等代謝產(chǎn)物的功能。

3.細胞工程3.1細胞的全能性單個的細胞可以獨立生活和發(fā)展嗎？細胞學說的發(fā)明人之一的施旺對此做出了“應(yīng)該可以”的推測。然而，施旺的推測一直沒有得到事實根據(jù)的支持。1902年，德國科學家哈伯蘭特又提出了“植物細胞具有全能性”的預言。按照他的看法，每個植物細胞都能像胚胎細胞一樣，可以在體外培養(yǎng)成一棵完整的植株。1937年，美國科學家懷特將已知的化合物和植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)按一定比例混合起來，制成了植物細胞離開整體以后的營養(yǎng)物質(zhì)（即所謂的培養(yǎng)基），當他把取自煙草莖的形成層細胞以及從胡蘿卜根上切下的小塊放在培養(yǎng)基上時，都能進行旺盛的分裂，最終長出一團花菜狀的瘤狀物（愈傷組織）。1958年，美國科學家斯蒂伍德用打孔器從胡蘿卜的根上取下一塊組織，并把取下的組織放在營養(yǎng)基內(nèi)進行轉(zhuǎn)動，胡蘿卜組織的細胞一個個離開組織而進入培養(yǎng)液中，并且能在培養(yǎng)液中不斷分裂，進而長出像胚胎狀的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)叫做體細胞胚。這種體細胞胚在培養(yǎng)液中還能進一步長成一棵棵胡蘿卜小苗，當把這些小苗移植到土壤中后，小苗終于長成能開花結(jié)實的胡蘿卜。斯蒂伍德的研究，完成了從一塊胡蘿卜組織到細胞、由細胞再發(fā)育成一株胡蘿卜的整個循環(huán)過程。這項研究成果不僅證明了細胞的全能性，同時也開創(chuàng)了生物技術(shù)的一個新天地——植物組織培養(yǎng)。

3.2植物組織培養(yǎng)自從斯蒂伍德把單個細胞培養(yǎng)成完整的胡蘿卜植株后，植物組織培養(yǎng)技術(shù)逐漸發(fā)展成為一門成熟的技術(shù)并在生產(chǎn)實踐中得到應(yīng)用。

⑴花卉工廠:組織培養(yǎng)技術(shù)最早應(yīng)用于名貴花卉的繁殖中。名貴花卉極難繁殖或周期長費用高。采用組織培養(yǎng)法，可在試管內(nèi)使組織繁殖成苗后，移植田間，從而迅速獲得大量植物。這種方法由于在試管中繁殖又稱微型繁殖術(shù)。

⑵無毒植株栽培:組織培養(yǎng)技術(shù)也被應(yīng)用到植物的無病毒繁殖上。

⑶名貴植物繁殖:組織培養(yǎng)技術(shù)也被應(yīng)用于某些植物細胞（通常是一些稀缺的天然植物資源，如人參、香料植物等）的工業(yè)化生產(chǎn)。

3.3細胞融合所謂細胞融合，也稱體細胞雜交，就是用自然的或人工的方法使兩個或幾個不同的細胞融合成雜種細胞，從而使來自親本細胞的基因都有可能得到表達。這種融合是細胞水平上的無性雜交，與精卵子結(jié)合不同，因而具有非常重要的意義。細胞融合技術(shù)打破了有性雜交方法的局限，使遠緣雜交成為可能。目前，經(jīng)細胞融合而成的雜交植物（如番茄薯、蘋果梨等）已較普遍；在動物方面也已實現(xiàn)了鼠—猴、鼠—兔、騾—鼠、免—雞、牛—水貂等多種類型的細胞融合。3.4細胞拆合與胚胎移植細胞拆合利用顯微注射技術(shù)對細胞進行拆合（如換核）的技術(shù)。是細胞工程的一項重要內(nèi)容。這項技術(shù)開始于20世紀60、70年代，當時，我國動物學家，在中國科學院動物所任職的童第周曾用極細的玻璃管，從鯉魚的卵細胞中取出細胞核，并將其移進已除去細胞核的鯽魚卵細胞中。隨著科學技術(shù)手段的發(fā)展，目前科學家已采用顯微注射技術(shù)成功地將DNA、RNA及蛋白質(zhì)直接注入細胞體內(nèi)以培養(yǎng)新的細胞。細胞拆合對改良品種具有重要的意義，通過我國科學工作者這項技術(shù)得到了生長快、個體大、魚味鮮美的鯽鯉魚。胚胎史移植脊把胚門胎移幕植到累子宮總的技芳術(shù)。盈也是脫當今押流行奴的改槍良家油畜品跳種及姓解決屋人類猜不育義等問朝題的望細胞歌工程崖。早禾在18我90年，疫英國爸的?；势赵鴹U將安目哥拉拉兔的象早期慶胚胎遞移植到已他經(jīng)受華配的抵野兔晚輸卵輛管中及，結(jié)杠果生艘育的6只小筍兔中音有2只具月有長縫細毛假、白堆化的親安哥勿拉兔勿的特乒征。19累78年，沾第一也個試腦管嬰話兒在匆英國沈誕生姻，標略志著轎胚胎裙移植染技術(shù)晃已發(fā)它展到要了一貪個新東的歷會史水爸平。3.創(chuàng)5克隆樂技術(shù)“克紙隆”累這個伴專門勸的名皮稱來皆表示買無性鞭繁殖罪以及垂由無百性繁叼殖形忘成的還產(chǎn)物貌。在廣這里重，“皇克隆慶”既臟可以鹿作為代名詞腰，也支可以如作為側(cè)動詞儉。19每97年2月，默英國者科學釣家嚴·威爾棕姆特栽成功望地“蝕克隆壯”出反“多布莉”雁羊，利標志似著克雕隆技粥術(shù)發(fā)政展到卷了一踩個新該的水爭平。隨著疊克隆趕羊多嫌莉的亭誕生癢，克橡隆技蹈術(shù)頓澇時成攝為全靜球矚品目的衣焦點柏。克肢隆技染術(shù)不儲僅是壺生物魯技術(shù)跪的一適次重在大技廳術(shù)突蠶破。觸恰當殘地應(yīng)量用包位括克隱隆技艙術(shù)在市內(nèi)的道一切閘科技券成果味，讓迎它們槳造福棉于自號然界罰和人里類，紋其用盼途是汽顯而追易見星的。4.基因夢工程4.竟1基本夏概念①基藝因：具有黎遺傳良效應(yīng)怖的DN責A片段題，是駛遺傳宿物質(zhì)薯的功浮能單鎖位和遵結(jié)構(gòu)旗單位局。②基源因工長程：就是治一種糟將不病同生圓物的詠遺傳紡物質(zhì)DN農(nóng)A，按如照人世們的塑意愿麻，在腥體外皺或體津內(nèi)進啦行人貓工剪價切和確拼接卷，然寺后通拾過一溜定的傷載體宇，再鈔轉(zhuǎn)入數(shù)到所德操作紹的生陳物體獎中，布使其愁在所叢操作逗的生踢物體龜細胞帥中得姓到表趴達，嬌從而聽產(chǎn)生沾出人究們所憐需要漲的產(chǎn)崖品，泛或創(chuàng)岡造出共人們損所需把要的慶新的序生物背類型擊的技快術(shù)。4.參2工具首先類是限齡制性伍內(nèi)切假酶的蒸研究稈。這種適酶有山一共神同的羞特點態(tài)，它蟻們可寬以專素一識粘別DN示A序列藝，并蠟在DN京A鏈中涂將它盼切開乏，這侮就是個“內(nèi)瓣切”問的來念歷。內(nèi)切失酶切拍割DN雀A分子陸的方殲式有劑兩種嗽：一湊種是拔將DN化A切成濟帶有果粘性首末端沙的分比子；摔另一弊種是厚將DN要A切成扯平末味端分餐子。由于竟限制規(guī)性內(nèi)網(wǎng)分酶說的這夠些特蘆定的刻酶切哨方式卡，就宮決定周了它筍們在擺基因爆工程狐操作吹中要紐奉扮演滾“剪攔刀”賓這一斤重要黑的角頃色，辯它們坑能把DN裹A按照們?nèi)藗冊吹囊鉅斣盖屑备钕聰纴?。其次濕是連漆接酶瓦的研揚究。19蜂67年，放在美魯國有坐三位翼科學兔家阿副爾伯杯、內(nèi)都森斯統(tǒng)和史半密斯班不謀穩(wěn)而合尿地從廳代號揮為T噬菌茅體感責染的百大腸延桿菌拴里分員離和抱提取赴到了終連接明酶。租這種污連接咐酶竟借神奇滾地使DN的A分子閣相鄰溫的兩插端或蒜是被草“剪雜刀”京斷開蔽的DN委A片段巧重新斥連接速起來澆。很絨顯然課，這搬種連誦接酶泡可以戲在基妖因工毅程中氧充當車“漿賀糊”澆的角孩色，膀它們透能夠嬌把切指割下吸來的控基因膊導人便受體經(jīng)細胞踐，粘丟在受構(gòu)體細矮胞DN粥A分子請的特灑定位柏置上予。4.師3基因殲工程毅的基沃本程展序⑴獲夜取所蹤蝶需的困基因而（稱嶄為目陸的基閣因）目的值基因備可以薄從生蠅物基望因中驗分離互，也直可靠兇人工汽合成趨獲得裕。從個生物仁基因恢分離DN斷A片斷洋，一僑般用呀限制角性內(nèi)液切酶巾切斷DN瓜A分子獻；人等工合泥成DN框A，一摸般用鎮(zhèn)逆轉(zhuǎn)就錄酶晌獲得盞與信混使RN豪A序列迫互補丹的DN葬A單鏈看，然鵲后再斜在聚滑合酶拾作用綱下復唯制成擺雙鏈DN南A分子土，也帳可用哨化學嶼方法接人工裹合成褲。⑵構(gòu)內(nèi)成重鄉(xiāng)豐組DN堅A分子這：載體棋的任刪務(wù)就裳是要貪把重扶組后住的目侄的基拒因送奴回到踏生物擇體內(nèi)鋒去檢存測其綢生物另活性袍。載堵體的做共同衡特點鉆是，譜它們城都是撒環(huán)狀DN樹A，都杏能專軋一地套感染擱某一省類細楊胞，河都具槽有多掃個可提供使辜用的王限制舅性內(nèi)繡切酶忍位點脹和選炭擇性聚標記篩，在徐細胞呈中都捆能隨閥染色幟體的沫復制嬸而獨單立復瓜制，耳并隨蜜著細煙胞的效分裂旋而擴船增。⑶將球連接游有目蘇的基袖因的恩重組漫載體伶轉(zhuǎn)入堆宿主緣瑞細胞主要虹有轉(zhuǎn)場化（擋用于漢重組攀質(zhì)粒困）、突轉(zhuǎn)染睛、轉(zhuǎn)飼導（此體外爪噬菌勞體包憑裝）頑、直修接注妥射等匹方式圍。⑷選苗取攜克帶目辛的基散因的棟細胞⑸基幅因表雞達目的武基因常需要洗表達暗成蛋垮白質(zhì)正，我俗們才鳥能進掘一步予鑒定笑其功謀能或蜘是提速純應(yīng)貴用，超因此舌在構(gòu)奪建重零組DN男A分子月選擇相宿主易細胞迎時都鋤要考畝慮到巡壽基因偶表達役的問賽題。芹既要濫保證斑目的吳基因贊準確淘地轉(zhuǎn)木錄，縱翻譯膀成蛋郵白質(zhì)刊，并此維持乏穩(wěn)定兩，又恭要根較據(jù)研需究或吼應(yīng)用嘉的目液的或病大量缸地表搶達或號是表盲達后爹分泌怨出細棟胞以鎖利于金提純木等等霞（圖5）。4.雷4應(yīng)用營和前純景⑴轉(zhuǎn)嫁基因送微生年物美國眾科學葛家已餐用基啦因工犯程培臣育出源了一符種能印同時過降解倡四種脂烴類士的“杜超級晃工程桑菌”雁。原且先自砍然菌軌要用奔一年績才能折消化國掉的南海上死浮油卷，這撈種細宏菌幾暮個小壩時就餐能吃肌完，點所以駐可以門利用徑它來陜迅速漁消除繡因油乞輪失銹事造引成海超洋各宮種浮姐油的乒污染露。⑵轉(zhuǎn)譽基因降植物19濁89年，濃美國設(shè)將獲誘得抗?jié)耋w的胡重鏈丟基因猾和輕烈鏈基榨因構(gòu)孔建成易重組DN轟A，轉(zhuǎn)敘入煙崇草細遣胞，娃利用抵植物兆細胞跟組織施培養(yǎng)簽技術(shù)合培養(yǎng)息出轉(zhuǎn)耳基因汗煙草盞，結(jié)殖果在姑煙草經(jīng)葉片眼上產(chǎn)臟生了茫占葉蜓蛋白獲總量郵的13古%的抗奇體。按照隱這種飯水平逝計算惱，美勝國只