生物技术现代生命科学的革命.ppt

生物技术现代生命科学的革命现在学习的是第1页，共35页n生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点，主要由于两方面的原因：（1 1）二十世纪后叶，分子生物学领域一系列突破性成）二十世纪后叶，分子生物学领域一系列突破性成就，使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的就，使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的变化；变化；（2 2）建立在实验室研究基础上的生物技术的发展为人）建立在实验室研究基础上的生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财富。类带来了巨大的利益和财富。n生物技术将是未来经济发展的新动力第一次技术革命第一次技术革命工业革命工业革命解放人的双手解放人的双手第二次技术革命第二次技术革命信息技术信息技术扩展人的大脑扩展人的大脑第三次技术革命第三次技术革命生物技术生物技术改造生命本身改造生命本身现在学习的是第2页，共35页n生物技术的显著特点高技术（精细和密集的复杂技术）高技术（精细和密集的复杂技术）高投入（尤其是前期科研投入高）高投入（尤其是前期科研投入高）高利润高利润现在学习的是第3页，共35页n n19821982年年，国国际际合合作作与与发发展展组组织织的的定定义义为为：生生物物技技术术是是应应用用自自然然科科学学及及工工程程学学的的原原理理，依依靠靠微微生生物物、动动物物、植植物物体体作作为为反反应应器器将将物物料料进进行行加加工工以以提提供供产产品品为为社社会会服务的技术。服务的技术。n美美国国政政府府技技术术顾顾问问委委员员会会(OAT)(OAT)的的定定义义是是：应应用用生生物物或或来来自自生生物物体体的的物物质质制制造造或或改改进进一一种种商商品品的的技技术术，其其还还包包括括改改良良有有重重要要经经济济价价值值的的植植物物与与动动物物和和利利用用微微生生物改良环境的技术。物改良环境的技术。n n该定义强调了生物技术的商品属性。该定义强调了生物技术的商品属性。克隆羊克隆羊“多莉多莉”12.1 生物技术定义、主要内容和发展概况n 生物技术的定义现在学习的是第4页，共35页n n基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质（酶）工程基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质（酶）工程此外还有此外还有基因诊断与基因治疗技术、克隆动物技术、生物基因诊断与基因治疗技术、克隆动物技术、生物芯片技术、生物材料技术、生物能源技术、利用生物降芯片技术、生物材料技术、生物能源技术、利用生物降解环境中有毒有害化合物的技术解环境中有毒有害化合物的技术n n直接相关联的学科：直接相关联的学科：分子生物学、微生物学、生物化学、分子生物学、微生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、化学工程学、医药学等。遗传学、细胞生物学、化学工程学、医药学等。n对人类和社会生活各方面影响最大的生物技术领域：对人类和社会生活各方面影响最大的生物技术领域：农业生物技术、医药生物技术、环境生物技术、海洋生物农业生物技术、医药生物技术、环境生物技术、海洋生物技术技术n 生物技术的主要内容现在学习的是第5页，共35页n基基因因工工程程是是指指在在微微观观领领域域（分分子子水水平平）中中，根根据据分分子子生生物物学学和和遗遗传传学学原原理理，设设计计并并实实施施一一项项把把一一个个生生物物体体中中有有用用的的目目的的DNADNA(遗遗传传信信息息)转转入入另另一一个个生生物物体体中中，使使后后者者获获得得新新的的需需要要的的遗遗传传性性状状或或表表达达所所需需要要的的产产物物，最最终终实实现现该该技技术的商业价值。术的商业价值。12.2 基因工程基因工程与建筑工程基因工程与建筑工程现在学习的是第6页，共35页n 稀少珍贵的蛋白质药物n19821982年年，美美国国食食品品与与药药物物管管理理局局批批准准了了首首例例基基因因工工程程产产品品人人胰胰岛岛素素投投放放市市场场它它标标志志了了基基因因工工程程产品正式进入到商业化阶段。产品正式进入到商业化阶段。n人人生生长长激激素素、表表皮皮生生长长因因子子、肿肿瘤瘤坏坏死死因因子子、a-a-干干扰扰素素、纤纤维维素素酶酶、抗抗血血友友病病因因子子、红红细细胞胞生生成成素素、尿尿激激酶酶原原、白白细细胞胞介介素素-2-2、集集落落刺刺激激因因子、乙肝疫苗等等子、乙肝疫苗等等现在学习的是第7页，共35页n 畜牧业中的应用n n动物疫苗、生长激素等动物疫苗、生长激素等n n例例：从从转转基基因因羊羊的的羊羊奶奶中中提提取取出出治治疗疗心心脏脏病病的的药物药物tPAtPA现在学习的是第8页，共35页n 种植业中的应用n n用用携携带带外外源源基基因因的的农农杆杆菌菌TiTi质质粒粒转转化化植植物物原原生生质质体体，使使外外源源DNADNA与与植植物物染染色色体体DNADNA整整合合，通通过过原原生生质质体体的的培培养养分分化化成成愈愈伤伤组组织织，最最后后发发育育成成具具有有新新性性状状的的完完整整植植株株转基因植物转基因植物现在学习的是第9页，共35页n 种植业中的应用n n抗化学除草剂基因抗化学除草剂基因n n转基因西红柿转基因西红柿n固氮酶基因固氮酶基因n n人类人类DNADNAn nn 环境保护等等现在学习的是第10页，共35页n n“后后基基因因组组时时代代”将将是是“蛋蛋白白质质组组学学时时代代”，即即从从对对基基因因信信息息的的研研究究转转向向对对蛋蛋白白质质信信息息的的研研究究，包包括括研研究究蛋蛋白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作用。白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作用。n n蛋蛋白白质质工工程程就就是是在在对对蛋蛋白白质质的的化化学学、晶晶体体学学、动动力力学学等等结结构构与与功功能能认认识识的的基基础础上上，对对蛋蛋白白质质人人工工改改造造与合成，最终获得商业化的产品。与合成，最终获得商业化的产品。12.3 蛋白质工程、发酵工程和细胞工程简介 蛋白质工程现在学习的是第11页，共35页n蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：（1 1）从生物体中分离纯化目的蛋白；）从生物体中分离纯化目的蛋白；）从生物体中分离纯化目的蛋白；）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2 2）测定其氨基酸序列；）测定其氨基酸序列；）测定其氨基酸序列；）测定其氨基酸序列；（3 3）借借借借助助助助核核核核磁磁磁磁共共共共振振振振和和和和X X射射射射线线线线晶晶晶晶体体体体衍衍衍衍射射射射等等等等手手手手段段段段，尽尽尽尽可可可可能能能能地地地地了了了了解解解解蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质的的的的二维重组和三维晶体结构二维重组和三维晶体结构二维重组和三维晶体结构二维重组和三维晶体结构;蛋白质工程（4）设设计计各各种种处处理理条条件件，了了解解蛋蛋白白质质的的结结构构变变化化，包包括括折折叠叠与与去去折折叠叠等等对其活性与功能的影响；对其活性与功能的影响；（5）设设计计编编码码该该蛋蛋白白的的基基因因改改造造方案，如点突变；方案，如点突变；（6）分分离离、纯纯化化新新蛋蛋白白，功功能能检检测测后后投入实际使用。投入实际使用。现在学习的是第12页，共35页n n现现代代发发酵酵工工程程主主要要指指利利用用微微生生物物、包包括括利利用用DNADNA重重组组技技术术改改造造的的微微生生物物在在全全自自动动发发酵酵罐罐或或生生物物反反应应器中生产某种商品的技术。器中生产某种商品的技术。n n现现代代发发酵酵工工程程是是生生物物代代谢谢、微微生生物物生生长长动动力力学学、大大型型发发酵酵罐罐或或生生物物反反应应器器研研制制、化化工工原原理理等等密密切切结合和应用的结果。结合和应用的结果。发酵工程现在学习的是第13页，共35页n n一般发酵工程包括以下基本步骤：一般发酵工程包括以下基本步骤：（1 1）菌种选育；）菌种选育；（2 2）细胞大规模培养即发酵过程；）细胞大规模培养即发酵过程；（3 3）生产活性的诱导；）生产活性的诱导；（4 4）菌体及产物的收获）菌体及产物的收获 发酵工程n发酵工程的产品范围非常广泛。发酵工程的产品范围非常广泛。从从食食品品、药药品品、精精细细化化工工产产品品到到许许多多工工业业用用原原料料等等等等生物可降解塑料生物可降解塑料PHBPHB等等现在学习的是第14页，共35页n n细细胞胞工工程程是是指指通通过过细细胞胞水水平平上上的的筛筛选选或或改改造造，获获得得有有商商业业价价值值的的细细胞胞株株或或细细胞胞系系，再再通通过过规规模模培培养养，获得特殊商品的技术与过程。获得特殊商品的技术与过程。n细细胞胞工工程程包包括括动动物物细细胞胞工工程程和和植植物物细细胞胞工工程程，它它们们分分别别以以动动物物细细胞胞和和植植物物细细胞胞为为主主要要生生产产对对象象，以细胞培养为主要过程和内容。以细胞培养为主要过程和内容。细胞工程现在学习的是第15页，共35页n n动物细胞培养动物细胞培养 细胞工程现在学习的是第16页，共35页n n单细胞藻类培养单细胞藻类培养 细胞工程n n一一些些单单细细胞胞低低等等植植物物如如单单细细胞胞藻藻类类的的大大规规模模培培养养成成为为细细胞胞工工程程的的重重要要组组成成部部分分n n获获得得蛋蛋白白质质资资源源、营营养养食食品、精细化工产品等等品、精细化工产品等等现在学习的是第17页，共35页n n高等植物细胞培养高等植物细胞培养 细胞工程n n高高等等植植物物细细胞胞具具有有全全能能性性。从从高高等等植植物物的的幼幼胚胚、根根、茎茎、叶叶、花花和和果果实实等等不不同同器器官官的的组组织织中中分分离离的的单单个个细细胞胞，经经过过特特殊殊培培养养形形成成愈愈伤伤组组织织，并并可可进进一一步步诱诱导导生生成完整的植株。成完整的植株。现在学习的是第18页，共35页n n细胞融合、细胞重组、杂交瘤技术细胞融合、细胞重组、杂交瘤技术 细胞工程n n细细胞胞融融合合是是将将不不同同种种类类的的两两种种细细胞胞经经过过特特殊殊处处理理后后放放在在一起，在某些促融因子作用下发生融合，形成杂种细胞。一起，在某些促融因子作用下发生融合，形成杂种细胞。n n细细胞胞重重组组是是把把不不同同种种类类的的细细胞胞的的部部件件重重新新组组合合装装配配，包包括括核核的的移移植植、叶叶绿绿体体移移植植、核核糖糖体体重建及线粒体装配等。重建及线粒体装配等。n n杂杂交交瘤瘤技技术术是是通通过过细细胞胞融融合合产产生特异杂交瘤细胞。生特异杂交瘤细胞。现在学习的是第19页，共35页12.4 分子诊断和基因治疗 分子诊断n n利利 用用 PCRPCR技技 术术 或或PCRPCR与与 分分 子子 杂杂 交交标标记记相相结结合合，可可以以快快速速准准确确地地检检测出病原性物质。测出病原性物质。现在学习的是第20页，共35页 分子诊断n n遗传性疾病的诊断遗传性疾病的诊断羊水和胎盘绒毛膜检测现在学习的是第21页，共35页 分子诊断n n例：镰状红细胞贫血症的检测例：镰状红细胞贫血症的检测n n一种常染色体退化遗传病一种常染色体退化遗传病n n引起原因：基因的点突变，引起原因：基因的点突变，n n丢丢失失了了可可被被MstMstII II或或CvnCvnl l切切开开的的一个限制性内切酶位点。一个限制性内切酶位点。正常：三条带正常：三条带患病：一条带患病：一条带子女子女1 1：正常：正常子女子女2 2：患病：患病子女子女3 3：携带者：携带者现在学习的是第22页，共35页n n例：特异性互补寡核苷酸法检测镰状红细胞贫血症例：特异性互补寡核苷酸法检测镰状红细胞贫血症（1 1）提取）提取DNADNA，热处理成为单链，热处理成为单链DNADNA；（2 2）以以单单链链DNADNA为为模模板板，仅仅对对可可能能发发生生突突变变的的核核苷苷酸酸区区域域设设计计引引物物进进行行PCRPCR扩增后转移到滤膜上，热变性成单链；扩增后转移到滤膜上，热变性成单链；（3 3）分别用两种特异性互补寡核苷酸分子探针（）分别用两种特异性互补寡核苷酸分子探针（ASOASO）杂交。）杂交。现在学习的是第23页，共35页 基因治疗n n基因治疗即利用基因工程技术治疗人类遗传性疾病。基因治疗即利用基因工程技术治疗人类遗传性疾病。n n正正常常的的人人类类基基因因可可以以克克隆隆并并引引入入遗遗传传病病患患者者的的体体细细胞胞，以以替代、修复或纠正有缺陷的基因。替代、修复或纠正有缺陷的基因。n通通常常使使用用一一种种反反转转录录病病毒毒作作为为基基因因治治疗疗的的转转移移系系统统，重重组载体可以感染人的组织和细胞，但不自我复制。组载体可以感染人的组织和细胞，但不自我复制。现在学习的是第24页，共35页n n例：重症综合性免疫缺乏症（例：重症综合性免疫缺乏症（SCIDSCID）1990年，转基因T淋巴细胞注射到人体骨髓组织中治疗SCID现在学习的是第25页，共35页12.5 克隆羊技术n n19971997年年2 2月月2323日日苏格兰苏格兰RoslinRoslin研究所研究所WilmutWilmut和和Campbell Campbell NatureNature杂志：杂志：世界首例来源于哺乳动物体细胞的克隆羊世界首例来源于哺乳动物体细胞的克隆羊“多莉多莉”问世问世n n核移植，就是利用一个动物的体细胞的细胞核（供体核移植，就是利用一个动物的体细胞的细胞核（供体核）来取代受精或未受精卵中的细胞核，形成一个重核）来取代受精或未受精卵中的细胞核，形成一个重建的建的“合子合子”。n n克隆原意是无性繁殖系。克隆动物就是不经过生殖细克隆原意是无性繁殖系。克隆动物就是不经过生殖细胞的受精过程而直接由体细胞获得新的动物个体，这胞的受精过程而直接由体细胞获得新的动物个体，这个新个体是原核供体动物的拷贝。个新个体是原核供体动物的拷贝。现在学习的是第26页，共35页n277277次次乳乳腺腺细细胞胞核核移植实验；移植实验；n n获获得得2929个个发发育育为为8 8细细胞的胞的“胚胚”；n n1313头代孕母亲；头代孕母亲；n n19961996年年7 7月月5 5日日，羊羊羔羔6LL36LL3，被被命命名名为为“多莉多莉”。现在学习的是第27页，共35页n n（1 1）既既然然绵绵羊羊的的体体细细胞胞可可以以被被成成功功地地克克隆隆成成一一个个新新的个体，是否意味着人类也可以克隆自己呢？的个体，是否意味着人类也可以克隆自己呢？n n（2 2）是否应该允许进行克隆人的实验？）是否应该允许进行克隆人的实验？现在学习的是第28页，共35页12.6 生物芯片技术n n生生物物芯芯片片又又称称DNADNA芯芯片片或或基基因因芯芯片片，它它们们是是DNADNA杂杂交交探探针针技技术术与与半半导导体体工工业业技技术术相相结结合合的的结结晶晶。该该技技术术系系指指将将大大量量探探针针分分子子固固定定于于支支持持物物上上后后与与带带荧荧光光标标记记的的DNADNA样样品品分分子子进进行行杂杂交交，通通过过检检测测每每个个探探针针分分子子的的杂杂交交信信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。n19961996年年底底，美美国国 Affymetrix Affymetrix 结结合合照照相相平平板板印印刷刷、计计算算机机、半半导导体体、寡寡核核苷苷酸酸合合成成、荧荧光光标标记记、核核酸酸探探针针分分子子杂杂交交和和激激光共聚扫描等高新技术，研制创造了世界第一块光共聚扫描等高新技术，研制创造了世界第一块DNADNA芯片。芯片。生物芯片技术的一般原理现在学习的是第29页，共35页 A.A.用用于于微微阵阵列列芯芯片片制制作作的的点点样样仪仪。；B.B.封封装装在在卡卡盒盒中中的的微微阵阵列列芯芯片片;C.C.用用于于微微阵阵列列芯芯片片荧荧光光标标记记检检测测的的激激光光共共聚聚焦焦扫扫描描器器；D.D.微微阵阵列列芯芯片片的的局局部部放放大大；E.E.微微阵阵列列芯芯片片上上固固定定DNADNA探探针针的的示示意意图图。图图中中蓝蓝色色的的DNADNA链链是是预预先先固固定定在在芯芯片片表表面面的的捕捕获获探探针针，红红色色的的DNADNA链链是是与捕获探针互补的靶与捕获探针互补的靶DNADNA分子。分子。现在学习的是第30页，共35页n nDNADNA芯片可用于大规模筛查基因突变所引起的疾病；芯片可用于大规模筛查基因突变所引起的疾病；n n分析基因组及发现新基因等具有很大的优势；分析基因组及发现新基因等具有很大的优势；DNADNA芯芯片片技技术术用用于于基基因因组组分分析析时时，具具有有样样品品用用量量小小、信信息息量量大大、分分析析方方法法简简易易快快速速、自自动动化化程程度度高高等等多多项项优优点点，特特别别适适合合于于寻寻找找新新基基因因、基基因因表表达达检检测测、突突变变检检测测、基基因因组组多多态态性性分分析和基因文库作图以及杂交测序等方面。析和基因文库作图以及杂交测序等方面。n n医医学学、化化学学、新新药药开开发发、司司法法鉴鉴定定、农农业业技技术术和和食食品品技技术术领领域也具有广泛的应用；域也具有广泛的应用；生物芯片技术的主要应用n n19981998年年底底，美美国国科科学学促促进进会会将将基基因因芯芯片片技技术术列列为为19981998年年度度自自然然科科学学领领域域十十大大进进展展之之一一。一一些些科科学学家家把把基基因因芯芯片片称为称为“可以随身携带的微型实验室可以随身携带的微型实验室”。现在学习的是第31页，共35页12.7 生物技术的安全性和社会伦理问题n基基因因一一旦旦被被改改动动，一一方方面面可可能能引引起起生生物物体体内内一一系系列列未未知知的的结结构构与与功功能能的的变变化化；另另一一方方面面，转转基基因因操操作作对对生物体的影响会通过遗传传递。生物体的影响会通过遗传传递。转基因技术的安全性问题n n外外源源基基因因引引入入后后，是是否否会会影影响响其其他他重重要要的的调调节节基基因因，甚甚至至会会激激活活原癌基因？原癌基因？n n转基因技术的广泛应用是否会导致难以消灭的新病原物出现？转基因技术的广泛应用是否会导致难以消灭的新病原物出现？n n是否会造成生态学灾难？是否会造成生态学灾难？n n人类摄食大量转基因食品是否会影响人类及其后代的健康？人类摄食大量转基因食品是否会影响人类及其后代的健康？现在学习的是第32页，共35页 克隆人的伦理问题n n在在克克隆隆阶阶段段，如如果果有有关关胚胚胎胎发发育育的的基基因因重重新新编编排排或或启启动动不不完完全全，对对新新生儿可能产生什么严重后果呢？生儿可能产生什么严重后果呢？n n兄弟、姐妹、父母、子女？兄弟、姐妹、父母、子女？n n器官克隆和干细胞培养和分化器官，用于医学和临床治疗？器官克隆和干细胞培养和分化器官，用于医学和临床治疗？个人基因信息的隐私权问题人类基因信息利用的伦理、法律和社会影响计划，称之为ELSI项目：（1）在应用和解释基因信息时的隐私权和公正性；（2）基因信息由实验室研究向实际医疗应用的转化；（3）人类基因组计划参与者相互协调和成果发布；（4）公众与专业教育现在学习的是第33页，共35页 基因治疗的应用问题n n一个人有权决定另一个人的基因结构或未来命运吗？一个人有权决定另一个人的基因结构或未来命运吗？n n万万一一这这种种基基因因操操作作失失败败了了或或者者造造成成了了将将来来才才能能发发现现的的不不可可挽挽回回的的缺缺陷陷和后果，谁承当责任呢？和后果，谁承当责任呢？n n是否可以通过基因治疗操作来增加运动员的身高或短跑速度，是否可以通过基因治疗操作来增加运动员的身高或短跑速度，n n这与运动员服用兴奋剂有什么本质区别？这与运动员服用兴奋剂有什么本质区别？生物技术引发的其它问题n n生物技术费用高，在自身健康上的贫富差距？生物技术费用高，在自身健康上的贫富差距？n n涉及人类自身发展的重要生物技术的垄断？涉及人类自身发展的重要生物技术的垄断？n n生物武器？生物武器？n n现在学习的是第34页，共35页生物技术是生物技术是“应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术，应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术，其还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术其还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术”，通常包括基因工程、细胞工程、，通常包括基因工程、细胞工程、发酵工程和蛋白质（酶）工程发酵工程和蛋白质（酶）工程4 4个方面内容。个方面内容。高技术、高投入、高利润是生物技术的显著特点。高技术、高投入、高利润是生物技术的显著特点。以重组以重组DNADNA操作为核心技术的过程被称为基因工程。基因工程的发展带动和操作为核心技术的过程被称为基因工程。基因工程的发展带动和促进了蛋白质工程、发酵工程和细胞工程的发展，它们相互补充和相互渗透，形成了促进了蛋白质工程、发酵工程和细胞工程的发展，它们相互补充和相互渗透，形成了生物技术的上游与下游的关系。生物技术的上游与下游的关系。分子诊断是利用分子生物学的手段如分子诊断是利用分子生物学的手段如PCRPCR、限制性酶切、克隆、核酸杂交等、限制性酶切、克隆、核酸杂交等对多种疾病、特别是对遗传性疾病作出早期诊断的技术。利用基因工程技术来治疗人对多种疾病、特别是对遗传性疾病作出早期诊断的技术。利用基因工程技术来治疗人类遗传性疾病称为基因治疗。类遗传性疾病称为基因治疗。克隆动物是不经过生殖细胞的受精过程而直接由体细胞获得新的动物个体。克隆动物是不经过生殖细胞的受精过程而直接由体细胞获得新的动物个体。生物芯片又称生物芯片又称DNADNA芯片或基因芯片，它们是芯片或基因芯片，它们是DNADNA杂交探针技术与半导体工业技术杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。相结合的结晶。转基因技术的安全性问题、克隆人的伦理问题、个人基因信息的隐私权转基因技术的安全性问题、克隆人的伦理问题、个人基因信息的隐私权问题、等等都是当今人类面临的由生物技术引发的新问题。问题、等等都是当今人类面临的由生物技术引发的新问题。本章摘要现在学习的是第35页，共35页