基因工程与食品产业总结.ppt

基因工程（基因工程（gene engineering)gene engineering)：所谓基因工程，就是利用所谓基因工程，就是利用DNADNA体外重体外重组或扩增技术从供体生物基因组中分离感组或扩增技术从供体生物基因组中分离感兴趣的基因或兴趣的基因或DNADNA片段，或是经过人工合片段，或是经过人工合成的方法获得基因，然后经过一系列切割，成的方法获得基因，然后经过一系列切割，加工修饰，连接反应产生加工修饰，连接反应产生重组重组DNADNA分子分子，再将其转入适当的再将其转入适当的受体细胞受体细胞，以期获得，以期获得基基因表达因表达的过程。的过程。工具酶和基因载体工具酶和基因载体1 1、基因工程的工具酶、基因工程的工具酶 限制性内切酶限制性内切酶 DNADNA连接酶连接酶 DNADNA聚合酶聚合酶 碱性磷酸酯酶碱性磷酸酯酶 S1 S1核酸酶核酸酶 逆转录酶逆转录酶限制性内切酶（限制性内切酶（RERE表示）表示）分类分类：I I型：型：由三个基因构成，由三个基因构成，hsdhsdR R；hsdhsdM M；hsdhsdS S位于染色体上，三位于染色体上，三 个基因构成一个复合体，限制酶需要个基因构成一个复合体，限制酶需要ATPATP、Mg2+Mg2+、SAM SAM （腺苷甲硫氨酸）。腺苷甲硫氨酸）。IIII型：型：限制与修饰基因产物独立起作用，在限制与修饰基因产物独立起作用，在.coli.coli中这两中这两 种基因位于质粒上。种基因位于质粒上。IIIIII型：型：修饰酶与型酶相同，修饰酶与型酶相同，hsdhsd与与hsdhsd基因产物结合成基因产物结合成 一亚单位，限制酶是独立存在的一亚单位，限制酶是独立存在的。上述三个系统中，只有上述三个系统中，只有IIII型限制酶型限制酶具有相当高的核苷酸识别具有相当高的核苷酸识别特异性，因而被广泛用于基因工程中。特异性，因而被广泛用于基因工程中。限制性内切酶的限制性内切酶的定义定义、命名命名定义定义：广义指上述三个系统中的限制酶；狭义指：广义指上述三个系统中的限制酶；狭义指 II型限制酶。型限制酶。命名命名：限制酶由三部分构成，即菌种名、菌系编：限制酶由三部分构成，即菌种名、菌系编 号、分离顺序。号、分离顺序。例如：例如：Hind前三个字母来自于菌种名前三个字母来自于菌种名 称称H.influenzae，“”表示菌系为型表示菌系为型 血清型；血清型；“”表示分离到的第三种限制酶。表示分离到的第三种限制酶。限制酶的限制酶的特点特点识别顺序和酶切位点；识别顺序和酶切位点；识别识别-8个相连的核苷酸；个相连的核苷酸；富含；富含；对称性；（回文结构）对称性；（回文结构）切点大多数在识别顺序之内，也有例外；切点大多数在识别顺序之内，也有例外；限制酶切后产生两个末端，限制酶切后产生两个末端，-和和-。末端种类：末端种类：-端突起，个数为或个核苷酸；端突起，个数为或个核苷酸；-端突起，个数为或个核苷酸；端突起，个数为或个核苷酸；平齐末端。平齐末端。限制酶切末端特点限制酶切末端特点5-突起末端：突起末端：EcoRI 5GAATTC3 5GOH PAATTC3 3CTTAAG5 3CTTAAP HOG53-突起末端：突起末端：Pst I 5CTGCAG3 5CTGCA G3 3GACGTC5 3G ACGTC5平端平端：SmaI 5CCCGGG3 5CCC GGG-3 3GGGCCC5 3GGG CCC5 限制酶的用途限制酶的用途 DNA重组；重组；限制酶（物理）图谱绘制；限制酶（物理）图谱绘制；突变分析（突变分析（RFLP分析）；分析）；限制酶的部分酶切与完全酶切。限制酶的部分酶切与完全酶切。DNA 连接酶连接酶T4 DNA连接酶连接酶 特点特点：只连接ds-DNA分子，要求3-羟基和5-磷酸基 用途用途：用于不同DNA分子的连接，形成重组DNA分子 1)相同或相容粘性末端的连接 2)平整末端的相连 DNA聚合酶聚合酶 E.coli 的的DNA聚合酶系统聚合酶系统 催化催化53方向合成DNA Pol I 参与DNA修复 具35和53外切酶活性 pol II 同上 具35外切酶活性 pol III 参与DNA复制 具35和53外切酶活性E.coli polI的特点：的特点：1）具两种外切酶活性和DNA聚合酶活性，在蛋白酶作用下，该酶分裂成两个大小不同的片段，其中小片段具53外切酶活性，大片段具35外切酶活性(大片段亦称为Klenow片段,polIK)2）聚合酶活性，53,要求3-OH引物和模板DNA，其延续性受反应条件的影响 3）外切酶活性 E.coli polI用途：用途：1）除去3-端突起的单链DNA 2）补齐5-突起端 3）合成第二条cDNA链 4）切口移位制备探针 其中用途其中用途2)和和3)常用大片段常用大片段2、基因工程载体基因工程载体 载体要求：载体要求：在宿主细胞中能独立自主地复制；在宿主细胞中能独立自主地复制；易从宿主细胞中分离纯化；易从宿主细胞中分离纯化；其分子中有一段不影响自身扩增的非必需区域，其分子中有一段不影响自身扩增的非必需区域，插在其中的外源基因可以进行复制和扩增。插在其中的外源基因可以进行复制和扩增。基因工程载体基因工程载体:质粒载体质粒载体plasmid:pBR322,pUC18/19；噬菌体载体噬菌体载体phage:,M13,SV40；柯斯质粒载体柯斯质粒载体cosmid:人工组建，兼具人工组建，兼具、质粒、质粒优点。优点。三、基因工程理三、基因工程理论基基础 1 1、不同基因具有相同的物质基础；、不同基因具有相同的物质基础；、不同基因具有相同的物质基础；、不同基因具有相同的物质基础；基因是一个具有遗传功能的特定核苷酸序列的基因是一个具有遗传功能的特定核苷酸序列的基因是一个具有遗传功能的特定核苷酸序列的基因是一个具有遗传功能的特定核苷酸序列的DNADNA片段。片段。片段。片段。2.2.基因是基因是基因是基因是可切割可切割可切割可切割的；的；的；的；限制性内切限制性内切限制性内切限制性内切酶酶（RestrictionRestrictionEnzymeEnzyme），如），如），如），如EcoEcoRIRI，HinHindIIIdIII等。等。等。等。3.3.基因是可以基因是可以基因是可以基因是可以转转移移移移的；的；的；的；4.4.多多多多肽肽和基因之和基因之和基因之和基因之间间存在存在存在存在对应对应关系；关系；关系；关系；证明基因与氨基酸之间存在直接对应关系的第一个直接证据证明基因与氨基酸之间存在直接对应关系的第一个直接证据5.5.遗传遗传密密密密码码是是是是通用通用通用通用的；的；的；的；6.6.基因可以通基因可以通基因可以通基因可以通过过复制把复制把复制把复制把遗传遗传信息信息信息信息传给传给下一代。下一代。下一代。下一代。所所所所谓谓“中心法中心法中心法中心法则则”，是指，是指，是指，是指遗传遗传信息在信息在信息在信息在细细胞内的生物胞内的生物胞内的生物胞内的生物大分子之大分子之大分子之大分子之间转间转移或移或移或移或传递传递的的的的基本法基本法基本法基本法则则。基因工程的基本原理基因工程的基本原理(1)(1)利用载体利用载体DNADNA在受体细胞中独立于染色体在受体细胞中独立于染色体DNADNA而自主复而自主复 制的特性，将外源基因与载体分子重组，通过制的特性，将外源基因与载体分子重组，通过载体分载体分 子的扩增提高外源基因在受体细胞中的剂量子的扩增提高外源基因在受体细胞中的剂量，借此提，借此提 高其高其宏观表达水平宏观表达水平。这里涉及到。这里涉及到DNADNA分子拷贝复制以及分子拷贝复制以及 稳定遗传的分子遗传学原理。稳定遗传的分子遗传学原理。(2)(2)筛选、修饰和重组启动子、增强子、操作子、终止子筛选、修饰和重组启动子、增强子、操作子、终止子 等基因的转录调控原件，并将这些原件与外源基因精等基因的转录调控原件，并将这些原件与外源基因精 细拼接，通过细拼接，通过强化外源基因的转录强化外源基因的转录提高其表达水平。提高其表达水平。(3)(3)选择、修饰和重组核糖体结合位点及密码子等选择、修饰和重组核糖体结合位点及密码子等mRNAmRNA的翻译的翻译 调控原件，强化受体细胞中蛋白的生物合成过程。这些涉调控原件，强化受体细胞中蛋白的生物合成过程。这些涉 及到及到基因表达调基因表达调控控的分子生物学原理的分子生物学原理。(4)(4)基因工程菌基因工程菌（细胞）是现代生物工程中的微型生物反应（细胞）是现代生物工程中的微型生物反应 器，在强化并维持其最佳生产效能的基础上，从工程菌器，在强化并维持其最佳生产效能的基础上，从工程菌 （细胞）大规模培养的工程和工艺角度切入，合理控制微（细胞）大规模培养的工程和工艺角度切入，合理控制微 型生物反应器的增值速度和最终数量，也是提高外源表型生物反应器的增值速度和最终数量，也是提高外源表 达产物产量的主要环节，这里涉及的是生物化学工程学达产物产量的主要环节，这里涉及的是生物化学工程学 的基本理论体。的基本理论体。基因工程基本技术基因工程基本技术 基因工程主要内容基因工程主要内容基因工程主要内容基因工程主要内容 基因工程的实现主要分为基因工程的实现主要分为四个步骤四个步骤：第一步：第一步：目的基因的分离或制备目的基因的分离或制备：人工分离生物基因组群中：人工分离生物基因组群中 目的基因及内切酶定位切目的基因及内切酶定位切 割或人工酶促合成；割或人工酶促合成；第二步：第二步：重组重组DNADNA：选择载体及目的基因与载体基因重组；：选择载体及目的基因与载体基因重组；第三步：第三步：导入与表达导入与表达：重组：重组DNADNA导入受体细胞，目的基因表导入受体细胞，目的基因表 达出目的效应和性状；达出目的效应和性状；第四步：第四步：筛选、鉴定：筛选、鉴定：筛选、鉴定出含有外源目的基因的菌筛选、鉴定出含有外源目的基因的菌 体或个体。体或个体。（1 1）从供体细胞中分离出基因组）从供体细胞中分离出基因组）从供体细胞中分离出基因组）从供体细胞中分离出基因组DNADNA，用限制性核酸内切酶，用限制性核酸内切酶，用限制性核酸内切酶，用限制性核酸内切酶 分别将外源分别将外源分别将外源分别将外源DNADNA（包括外源基因或目的基因）和载体分（包括外源基因或目的基因）和载体分（包括外源基因或目的基因）和载体分（包括外源基因或目的基因）和载体分 子切开（子切开（子切开（子切开（简称简称简称简称“切切切切”）；）；）；）；（2）用用DNA连接接酶将含有外源基因的将含有外源基因的DNA片断接到片断接到载体体 上，形成上，形成DNA重重组分子分子（简简称称称称“接接接接”）；）；）；）；（3）借助于细胞转化手段将）借助于细胞转化手段将DNA重组分子导入受体细胞中重组分子导入受体细胞中 （简称简称简称简称“转转转转”）；）；）；）；（4）短时间培养转化细胞，以扩增）短时间培养转化细胞，以扩增DNA重组分子或使其整合重组分子或使其整合 到受体细胞的基因组中到受体细胞的基因组中（简称简称简称简称“增增增增”）；）；）；）；（5）筛选和鉴定转化细胞，获得使外源基因高效表达的基因）筛选和鉴定转化细胞，获得使外源基因高效表达的基因 工程菌或细胞工程菌或细胞（简称简称简称简称“检检检检”）。）。）。）。可可可可见见，基因工程的上游操作，基因工程的上游操作，基因工程的上游操作，基因工程的上游操作过过程可程可程可程可简简化：化：化：化：l切切 l接接 l转 l增增 l检 基因工程基本技术基因工程基本技术1 1 1 1、目的基因的获得与序列分析、目的基因的获得与序列分析、目的基因的获得与序列分析、目的基因的获得与序列分析 1.1 1.1 目的基因的获得目的基因的获得鸟枪法鸟枪法物理化学法物理化学法化学合成法化学合成法酶促逆转录合成法酶促逆转录合成法PCRPCR扩增法扩增法 1.2 DNA1.2 DNA序列测定序列测定化学降解法化学降解法酶促法酶促法自动化测序自动化测序 2 2 2 2、目的基因与载体的连接（重组与克隆）、目的基因与载体的连接（重组与克隆）、目的基因与载体的连接（重组与克隆）、目的基因与载体的连接（重组与克隆）亚克隆亚克隆黏性末端连接黏性末端连接平段连接平段连接同聚物加尾连接同聚物加尾连接 3 3 3 3、重组、重组、重组、重组DNADNADNADNA向受体的转化向受体的转化向受体的转化向受体的转化转化反应转化反应磷酸钙沉淀法磷酸钙沉淀法体外包装转染法体外包装转染法共转化共转化电转化法电转化法基因枪法基因枪法微注射技术法微注射技术法脂质体导入法脂质体导入法 4 4 4 4、重组体筛选与外源基因的鉴定、重组体筛选与外源基因的鉴定、重组体筛选与外源基因的鉴定、重组体筛选与外源基因的鉴定重组体的筛选重组体的筛选重组体的鉴定重组体的鉴定 5 5、基因食品、基因食品、基因食品、基因食品 转基因食品是利用分子生物学技术，将某些生物的基因转移转基因食品是利用分子生物学技术，将某些生物的基因转移转基因食品是利用分子生物学技术，将某些生物的基因转移转基因食品是利用分子生物学技术，将某些生物的基因转移到其他物种中去，使其性状、营养品质、消费品质向人类所到其他物种中去，使其性状、营养品质、消费品质向人类所到其他物种中去，使其性状、营养品质、消费品质向人类所到其他物种中去，使其性状、营养品质、消费品质向人类所需要的目标转变。需要的目标转变。需要的目标转变。需要的目标转变。转基因食品大致可以分为两大类，一是改转基因食品大致可以分为两大类，一是改转基因食品大致可以分为两大类，一是改转基因食品大致可以分为两大类，一是改造现有的基因，使一些性状不表现出来；另外一类是导入其造现有的基因，使一些性状不表现出来；另外一类是导入其造现有的基因，使一些性状不表现出来；另外一类是导入其造现有的基因，使一些性状不表现出来；另外一类是导入其他的基因，从而产生新的性状。他的基因，从而产生新的性状。他的基因，从而产生新的性状。他的基因，从而产生新的性状。6 6、转基因动物、转基因动物、转基因动物、转基因动物 转基因动物转基因动物转基因动物转基因动物 （transgenic animaltransgenic animal）是通过遗传工程的手段）是通过遗传工程的手段）是通过遗传工程的手段）是通过遗传工程的手段对动物基因组的结构或组成进行人为的修饰或改造，并通过对动物基因组的结构或组成进行人为的修饰或改造，并通过对动物基因组的结构或组成进行人为的修饰或改造，并通过对动物基因组的结构或组成进行人为的修饰或改造，并通过相应的动物育种技术使得这些经修饰改造后的基因组在世代相应的动物育种技术使得这些经修饰改造后的基因组在世代相应的动物育种技术使得这些经修饰改造后的基因组在世代相应的动物育种技术使得这些经修饰改造后的基因组在世代间得以传递和表现。间得以传递和表现。间得以传递和表现。间得以传递和表现。技术体系的组成：（技术体系的组成：（技术体系的组成：（技术体系的组成：（1 1）克隆目的基因；）克隆目的基因；）克隆目的基因；）克隆目的基因；（2 2）设计遗传修饰策略（包括载体系统的构建等）；（）设计遗传修饰策略（包括载体系统的构建等）；（）设计遗传修饰策略（包括载体系统的构建等）；（）设计遗传修饰策略（包括载体系统的构建等）；（3 3）按育种程序进行工程动物的选育和建系按育种程序进行工程动物的选育和建系按育种程序进行工程动物的选育和建系按育种程序进行工程动物的选育和建系l动物体物体细胞克隆技胞克隆技术为生生长蛋白蛋白类药物、器官移物、器官移 植、挽救珍惜植、挽救珍惜濒危危动物及培育物及培育优良品种奠定基良品种奠定基础；l1997年，年，Wilmut等用山羊胚胎的核等用山羊胚胎的核转入去核未受精入去核未受精的卵母的卵母细胞，克隆了胞，克隆了“Dolly羊羊”；l转基因基因动物成功引物成功引导了一种新型的制了一种新型的制药工工业，利用，利用转基因山羊，基因山羊，绵羊和乳牛的乳汁生羊和乳牛的乳汁生产治治疗人人类疾病的疾病的蛋白蛋白类药物；另外克隆物；另外克隆经过修修饰的猪，的猪，为人体器官移人体器官移植提供外源器官。植提供外源器官。l我国上海我国上海转基因研究中心和基因研究中心和陕西的中国西的中国杨凌克隆凌克隆动物基地也成功克隆了山羊。物基地也成功克隆了山羊。转基因动物第一例转基因动物转基因鼠基因工程在食品产业中的应用基因工程在食品产业中的应用 利用基因工程改造利用基因工程改造利用基因工程改造利用基因工程改造食品微生物食品微生物食品微生物食品微生物 利用基因利用基因利用基因利用基因改善食品改善食品改善食品改善食品原料的品质原料的品质原料的品质原料的品质 利用基因工程改进食品利用基因工程改进食品利用基因工程改进食品利用基因工程改进食品生产工艺生产工艺生产工艺生产工艺 利用基因工程生产利用基因工程生产利用基因工程生产利用基因工程生产食品添加剂食品添加剂食品添加剂食品添加剂及及及及功能性食品功能性食品功能性食品功能性食品 利用基因工程改造食品微生物利用基因工程改造食品微生物利用基因工程改造食品微生物利用基因工程改造食品微生物1 1、改良微生物菌种改良微生物菌种改良微生物菌种改良微生物菌种基因工程菌基因工程菌基因工程菌基因工程菌 例：面包酵母菌例：面包酵母菌例：面包酵母菌例：面包酵母菌促进发酵促进发酵促进发酵促进发酵 啤酒酵母菌啤酒酵母菌啤酒酵母菌啤酒酵母菌 2 2、微生物酶分子的人工进化、微生物酶分子的人工进化、微生物酶分子的人工进化、微生物酶分子的人工进化 利用基因工程改善食品原料的品质利用基因工程改善食品原料的品质利用基因工程改善食品原料的品质利用基因工程改善食品原料的品质1 1、蛋白质类食品原料蛋白质类食品原料蛋白质类食品原料蛋白质类食品原料2 2、油脂类食品原料、油脂类食品原料、油脂类食品原料、油脂类食品原料3 3、碳水化合物类食品原料、碳水化合物类食品原料、碳水化合物类食品原料、碳水化合物类食品原料 利用改进食品生产工艺利用改进食品生产工艺利用改进食品生产工艺利用改进食品生产工艺1 1、利用、利用、利用、利用DNADNA重组技术改进果糖和乙醇生产方法重组技术改进果糖和乙醇生产方法重组技术改进果糖和乙醇生产方法重组技术改进果糖和乙醇生产方法2 2、改良啤酒大麦的加工工艺改良啤酒大麦的加工工艺改良啤酒大麦的加工工艺改良啤酒大麦的加工工艺3 3、改良小麦种子贮藏蛋白的烘烤特性改良小麦种子贮藏蛋白的烘烤特性改良小麦种子贮藏蛋白的烘烤特性改良小麦种子贮藏蛋白的烘烤特性4 4、改善牛乳加工特性改善牛乳加工特性改善牛乳加工特性改善牛乳加工特性 利用基因工程生产食品添假剂及功能性食品利用基因工程生产食品添假剂及功能性食品利用基因工程生产食品添假剂及功能性食品利用基因工程生产食品添假剂及功能性食品1 1、生产氨基酸生产氨基酸生产氨基酸生产氨基酸2 2、生产黄原胶、生产黄原胶、生产黄原胶、生产黄原胶3 3、SODSOD的基因工程的基因工程的基因工程的基因工程4 4、应用于生产保健食品的有效成分、应用于生产保健食品的有效成分、应用于生产保健食品的有效成分、应用于生产保健食品的有效成分作业作业1.什么是基因工程，基因工程的原理、基因工程技术的什么是基因工程，基因工程的原理、基因工程技术的4个主要步骤。个主要步骤。2基因工程的工具有哪些？完成一个基因产品需要经过哪些步骤。基因工程的工具有哪些？完成一个基因产品需要经过哪些步骤。4简述基因工程在食品工业中的应用。简述基因工程在食品工业中的应用。3什么是目的基因？通常获得目的基因的方法有哪些。什么是目的基因？通常获得目的基因的方法有哪些。