《分子生物学课程》教案.doc

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1、YOUR LOGO原 创 文 档 请 勿 盗 版精选名师资料分子生物学课程教案2012 2013学年第学期1授课专业：生物技术课程名称：分子生物学主讲教师：何晓红蔡应繁常平安精品学习资料第 1 页，共 74 页精选名师资料课程说明一、课程名称：分子生物学二、总课时数： 48三、先修课程：遗传学、微生物学四、使用教材：朱玉贤，李毅编著现代分子生物学，第三版，高等教育出版社，1997 年 3 月第 1 次印刷。五、教学参考书：PC 特纳、 AG 麦克伦南、 AD 贝茨、 MRH怀特，分子生物学- 现代生物学精要速览中文版，科1学出版社， 20XX 年 8 月第七次印刷。 Instant notes

2、 in Molecular Biology ,2PC Turner, AG McLennan, AD Bates&MRH White,科学出版社，20XX 年 1 月第八次印刷六、考核方式：理论课采用闭卷考试的方法，总成绩，平时成绩30% ，期末考试 70%七、教案编写说明：教案又称课时授课计划,是任课教师的教学实施方案。任课教师应遵循专业教学计划制订的培养目标，以教学大纲为依据，在熟悉教材、了解学生的基础上，结合教学实践经验，提前编写设计好每门课程每个章、节或主题的全部教学活动。教案可以按每堂课（指同一主题连续节课）设计编写。教案编写说12明如下：1 、 编号：按施教的顺序标明序号。2 、

3、教学课型表示所授课程的类型，请在相应课型栏内选择打“”。3 、 题目：标明章、节或主题。精品学习资料第 2 页，共 74 页精选名师资料4 、 教学内容： 是授课的核心。 将授课的内容按逻辑层次，有序设计编排， 必要时标以 “ *”、“# ”“？”符号分别表示重点、难点或疑点。5 、 教学方式既教学方法，如讲授、讨论、示教、指导等。教学手段指教科书、板书、多媒体、模型、标本、挂图、音像等教学工具。6 、 讨论、思考题和作业：提出若干问题以供讨论，或作为课后复习时思考，亦可要求学生作为作业来完成，以供考核之用。7 、 参考书目：列出参考书籍、有关资料。8 、 日期的填写系指本堂课授课的时间。精品

4、学习资料第 3 页，共 74 页精选名师资料课课时教序案讲 授 人何晓红时号21课题内容绪论教学时间2012.09.11教学方法讲授理论实验习题教学课型实践复习其它教学手段板书、多媒体教学目的主要介绍分子生物学定义、研究内容和发展简史及未来发展方向等。分子生物学定义、研究内容重点难点教学内容备注精品学习资料第 4 页，共 74 页精选名师资料1. 分子生物学定义：是研究核酸等生物大分子的形态、结构、功能、及其重要性和规律性的科学，是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。分子生物学主要研究核酸在细胞生命过程中的作用，包括核酸本身的复制、保

5、存以及基因的表达与调控规律，所以，这门学科其实应该叫做核酸生物学（ biology of nucleic acid）。2. 生物学大事年表1859年达尔文出版 物种起源 ，提出了自然选择原则。但他无法解释生物为什么能将性状遗传给下一代。1865年孟德尔通过他的豌豆发现了统一规律和分离规律。（Gregor）: 遗传学的奠基人Mendel,1822-18841869年米歇尔分离出核酸。(Friedrich Miescher)1879年弗莱明发现染色体，并描述了细胞分裂过程(WalterFlemming)中染色体的行为。1900年孟德尔的成果被重新发现。1903年萨顿发现染色体是成对的，并携带遗传信

6、息。(Walter Sutton)1905年加洛德提出了人类先天代谢疾病的概念，这(ArchibaldGarrod)是人类自身遗传研究的开始。1911年摩尔根 (Thomas Hunt Morgan)提出基因学说，阐释基因在染色体上的分布，以及繁殖过程中染色体重组形成独特新个体的过程。1913年斯特提万特绘制出第一张线式基因图(Alfred Henry Sturtevant)谱。1928年格里菲斯Griffith)发现了一种可以在细菌之间转移的(Frederick遗传分子。精品学习资料第 5 页，共 74 页精选名师资料1929年列文提出DNA的化学成分和基本结构。(Phoebus Leven

7、e)1944年OswaldMacleod和MaclynMcCarty指出，Avery,ColinGriffith发现的遗传分子就是DNA。年鲍林提出蛋白质为螺旋形的理论。1948(Linus Pauling)年查加夫发现核酸中四种碱基的含量比例是一定1950(EdwinChargaff)的。年富兰克林拍摄到了核酸的X 射线衍射照片。1951(Rosalind Franklin)年Hershey和 MarthaChase利用病毒证实，传递遗传信1952Alfred息的是而不是蛋白质。 赫尔希也由于这一研究而荣获1969年的诺贝尔医DNA学生理学奖。年沃森和克里克(Francis Crick)在自

8、然杂志1953(James Watson)上发表DNA双螺旋结构的论文。，美国冷泉港研究所科学家；J.Watson，英国剑桥大学教授。年他们创立了DNA的双螺旋结构模型，F.Crick1953获得1958年诺贝尔奖。1956年 Joe Hin和LevanHereditas确定人类共有23对TjioAlbert染色体。分离出DNA聚合酶。Arthur Kornberg1957年发表论蛋白质合成的演讲，提出制造蛋Francis CrickDNA白质的概念。1959年 JeromeLejeune发现唐氏综合症（先天愚型）是由于人体的第对染色体变异造成的。唐氏综合征是人类最早发现的因染色体缺陷21造成

9、的疾病。1960年Crick， Francois和 JaqueSydneyBrenner,FrancisJacobMonod发现信使。RNA(mRNA)精品学习资料第 6 页，共 74 页精选名师资料1961年 FrancoisJacob和 JacquesMonod提出在分子水平上特定基因被激活或抑制的机制。J.Monod； F.Jacob，法国科学家。由于他们提出了乳糖操纵子学说和在酶合成的遗传调控方面的重大贡献获得年诺贝尔奖。19661966年，和MarshallNirenbergHarGobindKhoranaRobertHolley阐明遗传密码。D.Baltimore； H.Temin

10、，美国科学家。由于他们各自发现了逆转录酶，打破了中心法则，该酶能使mRNA反转录成cDNA，使真核基因的克隆表达成为可能，为病毒学、遗传学、基因工程作出了重大贡献，他们获得1965年诺贝尔奖。1967年 Mary和Green使用体细胞杂合技术推进人类WeissHoward基因图谱绘制。1969年分离出一个细菌基因。Jonathan Beckwith1970年发现了限制性内切酶，对核苷酸的排列顺序HamiltonO.Smith的研究及DNA重组技术的研究提供了帮助。D.Nathans，美国霍普金斯大学医学院教授。由于他在限制性核酸内切酶方面的开创性成就获得1978年诺贝尔奖。W.Arber，瑞士

11、巴塞尔生物研究中心教授。年他第一个指出了限制1968性核酸内切酶的存在并分离了I 型酶 EcoB，获得了1978年获诺贝尔奖。，美国霍普金斯大学教授。1970年他首次分离纯化了型限制HSmith性核酸内切酶Hind，并阐明了其切点的专一性，为基因工程的诞生奠定了基础，获得1978年诺贝尔奖。1972年 Paul Berg创造出第一个重组分子。DNA精品学习资料第 7 页，共 74 页精选名师资料1973年Boyer和 Stanley Cohen发展了重组DNA技术，发Herbert现改造后的DNA分子可在外来细胞中复制。S.Cohen，美国斯坦福大学分子生物学教授。他在质粒的研究中作出了开创性

12、的研究，1973年他又第一个实现了细菌间抗药性基因的转移，创立了基因工程重组模式。科学界把这一年定为基因工程诞生之年，以纪念这位基因工程的创始人。1974年美国发表Belmont报告，确立科研中进行人体实验的政策。1975年和和发现，人类和猩猩的基Mary-Claire KingAllan C. Wilson因相似度达到。99%1975年和开发出生产单克隆抗体的技Georges KohlerCesar Milstein术。1977年， Allan M. Maxam和 Frederick Sanger开发Walter Gilbert出 DNA测序技术。F.Sanger，英国剑桥大学教授。由于他在

13、蛋白质一级结构和核酸序列分析方面的天才创造和震惊世界的成果，在1958年和1980年先后两次获得诺贝尔奖。他是生物医学科学领域里唯一两次获得这一最高荣誉的人，是一位谦虚谨慎、沉默寡言的伟大科学家。1978年 David开创核酸限制性片段长度多态性分析技术，用于Botstein标志不同个体间的基因差别。1978年美国开始借助基因技术用大肠杆菌批量生产人类胰岛素。，美国斯坦福大学化学教授。他首次用SV40作载体与 噬菌体实现P.Berg了两种病毒DNA的重组。由于他在重组DNA技术方面的功绩获得年1980诺贝尔奖。精品学习资料第 8 页，共 74 页精选名师资料H.Boyer，美国加州大学生化教授

14、，美国基因工程公司董事长。1977年，他首次用细菌合成生长激素释放抑制素，是基因工程第一块金牌的获得者。接着，1980年，他又与华盛顿大学的学者合作，用酵母生产了人干扰素。他筹建了美国基因工程公司，是基因工程研究中的权威科学家。1982年GeneBank数据库建立。，美国哈佛大学教授。他与瑞士苏黎世大学和生物基因公司教W.Gilbert授 Weissmann合作，用细菌生产了人干扰素。也是测定序W.GilbertDNA列的化学直读法创始人。由于他对科学的巨大贡献，获1980年诺贝尔奖。1983年 Kary Mullis发展聚合酶链式反应（PCR）技术1983年辩认出与亨廷顿氏症有关的基因，这是

15、科学家发现的第一个人类疾病基因。1984年 AlecJeffreys发明了基因指纹技术，可以用人的头发、血液和精液等来鉴定身份。1984年关于人类基因组测序的第一次公开讨论开始。1986年 Leroy Hood开发自动测序机。1988年人类基因组组织(HUGO)成立。1990年美国正式启动人类基因组计划。随后，德国、日本、英国、法国和中国也相继加入该计划。1991年 Craig Venter开发出新的测序技术。1994年美国一公司推出新的转基因西红柿罐头，其保质期比普通西红柿更长，成为人类历史上第一个转基因食品。1995年 7 月，美国人类基因组研究所绘出了流感嗜血杆菌的基因图谱；3个月后，科

16、学家又绘制出了生殖器支原体的基因图谱。精品学习资料第 9 页，共 74 页精选名师资料1996酵母基因组测序完成。1997年苏格兰罗斯林研究所培育出世界上第一例体细胞克隆动物绵羊“多莉”。1997年大肠杆菌基因组测序完成。1997年参加人类基因组计划的科学家决定将研究成果无偿向全世界公开。1998年结核性分枝杆菌以及梅毒螺旋体基因组测序完成。线虫基因组测序完成。日本科学家用一头成年牛的体细胞克隆出8 头克隆牛犊。1999年人类第22号染色体测序完成，这是第一个完成测序的人类染色体。2000年果蝇和拟南芥的基因组测序完成。和Celera公司和人类基因组计划相继宣布，人类基因组草图Craig Ve

17、nter完成。2001年 Craig Venter公布了绘制人类蛋白质组图谱的计划。2002年水稻、小鼠、疟原虫和按蚊基因组测序完成2003年人类基因组计划宣布，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。3.DNA的发现首先， 40年代发现了生物的遗传物质是。在美国年DNAAvery1934的一次学术会议上，首次报导了肺炎球菌的转化。(Djprococcuspneumonas)超越时代的科学成就往往不容易很快被人们接受，Avery成就的命运也是一样，当时并没有引起阵阵掌声。事隔10年，他的论文才公开发表；Avery的工作意义深远，他不仅证明是遗传物质、还证明DNA可以把一个细

18、菌的性DNA精品学习资料第 10 页，共 74 页精选名师资料状转给另一个细菌，理论意义十分重大。正如诺贝尔奖金获得者指Lederberg出的，的工作是现代生物学科学性的革命开端、也可以说是基因工程的Avery先导。早在1928年，Griffith等人就发现，肺炎链球菌使小鼠死亡的原因是引起肺炎。细菌的毒力（致病力）是由细胞表面夹膜中的多糖所决定的。具有光滑外表的S 型肺炎链球菌因为带有夹膜多糖而能使小鼠发病，具有粗糙外表的R型细菌因为没有夹膜多糖而失去致病力。用实验方法证实了的发现。 Avery第一个用实验方法证明AveryGriffith了基因就是DNA分子。其次，50年代搞清了生物遗传物

19、质的分子机制。1953年， Watson利 Crick提出了DNA结构的双螺旋模型。这一成就对于生命科学的发展，作出了可与达尔文学说媲美、与孟德尔定律齐名的贡献。年Hershey和 Martha利用病毒证实，传递遗传信1952AlfredChase息的是而不是蛋白质。DNA美国冷泉港卡内基遗传学实验室的科学家Hershey和他的学生Chase在1952年从事噬菌体侵染细菌的实验。噬菌体专门寄生在细菌体内。噬菌体感染细菌时，1 ）先是其尾部吸附在细菌表面；2 ）随后像注射器那样由尾部将头部的DNA注入细菌体内， 蛋白质外壳并不侵入；3 ）进入菌的借助宿主细菌的原料和能量，合成噬菌体自身的DNAD

20、NA和蛋白质；4 ）新合成的和蛋白质外壳， 能组装成许许多多与亲代完全相同的子DNA代噬菌体；精品学习资料第 11 页，共 74 页精选名师资料5 ）细菌细胞因噬菌体的大量增殖而破裂，结果释放出几十甚至几百个既有蛋白质外壳又有头部DNA的完整结构的噬菌体。第 三 ，60年 代 确定 了遗 传 信 息的 传 递 方式 。从1961年开 始 ，以Nirenberg等为代表的一批科学家，经过不倦的努力，确定遗传信息是以密码方式传递的，每三个核苷酸组成一个密码子，代表一种氨基酸。到 1966年全部破译了64个密码，编排了一个震惊世界的密码字典，阐述了中心法则，提出的遗传信息流是DNA RNA蛋白质。从

21、此，千百年来使人迷惑不解的种瓜得瓜、种豆得豆的遗传现象，在分子水平上得到了合理解释。4.分子生物学的研究内容：1 ） DNA重组技术2 ）基因表达调控研究3 ）生物大分子的结构功能研究4 ）基因组、功能基因组与生物信息学研究4.1 DNA重组技术DNA重组技术（又称基因工程），它是将不同的DNA片段（某个基因或基因的一部分）按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。严格地说，DNA重组技术并不完全等于基因工程，因为后者还包括其他可能使生物细胞基因组结构得到改进的体系。DNA重组技术有着广阔的应用前景1 ）可用于大量生产某些正常细胞代

22、谢中产量很低的多肽，如激素、 抗生素、酶类及抗体等， 提高产量， 降低成本， 使许多有价值的多肽类物质得到广泛应用。精品学习资料第 12 页，共 74 页精选名师资料2 ）可用于定向改造某些生物的基因结构，使它们所具备的特殊经济价值得到成百上千倍地提高。如用在分解石油、 生产避孕疫苗及在实验室生产蜘蛛丝等。3 ）可用于基础研究。如对启动子的研究、增强子及对转录因子的克隆与分析的研究等。4.2基因表达调控研究蛋白质分子参与被控制了细胞的一切代谢活动，而决定蛋白质结构和合成时序的信息都由核酸（主要是DNA）分子编码，表现为特定的核苷酸序列，所以基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译。在个体生长发育

23、过程中生物遗传信息的表达按一定的时序发生变化（时序调节），并随着内外环境的变化而不断加以修正（环境控制）基因表达的调控主要发生在转录水平和翻译水平上。原核生物的基因组和染色体结构比真核生物简单，转录和翻译在同一时间和空间内发生，基因表达的调控主要发生在转录水平上。真核生物有细胞核结构，转录和翻译在时间和空间上是分开进行的，并且在转录和翻译后都有复杂的信息加工过程，其基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上。基因表达调控主要表现在信号转导研究、转录因子研究及RNA剪接个3方面。信号传导是指外部信号通过细胞膜上的受体蛋白传到细胞内部，并激活诸如离子通透性、细胞形状或其它细胞功能方面的应答过程。当信

24、号分子（配体）与相应的受体作用后，可以引发受体分子的构型变化，使之形成专一性的离子通道，也可以引发受体分子的蛋白激酶或磷酸酯酶活性，还可以通过受体分子指导合成cGMP、 cAMP、肌醇三磷酸等第二信使分子。精品学习资料第 13 页，共 74 页精选名师资料信号传导引起细胞功能的改变，主要是由于信号最后活化了某些蛋白质分子，使之发生构型变化，从而直接作用于靶位点，打开或关闭某些基因。转录因子是一群能与基因5 端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子。在对植物的某些性状进行遗传分析时发现，某些基因的突变会影响其它基因的表达。例如，有 20多个基因参与玉

25、米花青素的生物合成，但其中的Cl、 r、 pl、或 b基因发生突变后，则这个代谢途径中的结构酶基因全部被关闭。真核基因在结构上的不连续性是近10年来生物学上的重大发现之一。当基因转录成pre-mRNA后，在5 端加帽，3 端加poly（ A），还要切去内含子，使外显子（编码区）相连后成为成熟mRNA。研究发现，许多基因中的内含子并不是一次全部切去，而是在不同的细胞或不同的发育阶段选择性剪切其中部分内含子，生成不同的mRNA及蛋白质分子。RNA选择性剪切是真核基因表达调控中一种比较灵活的方式。4.3生物大分子的结构功能研究结构分子生物学一个生物大分子，包括核酸、蛋白质、多糖，具有生物活性的条件有

26、两个：1 ）具有特定的空间结构（三维结构）；2 ）在它发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变化。结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。它包括结构的测定、结构运动变化规律的探索及结构与功能间的相互关系3个主要研究方向。4.4基因组、功能基因组与生物信息学精品学习资料第 14 页，共 74 页精选名师资料2001年 2 月， Nature和 Science同时发表了人类基因组全序列，是人类历史上最伟大的成就之一。现已有数十种原核生物、酵母、果蝇、拟南芥等真核生物的基因组基本被破译了，为人类认识自然、改造自然打下了坚实的基础。测定基因组序列是

27、了解基因的第一步，只有知道了基因所编码的蛋白质的功能和活性，才能指导人们利用这些基因产物。于是，又提出了“蛋白组”计划（又称“后基因组计划”或“功能基因组计划”） , 目的是快速、高效、大规模鉴定基因的产物和功能。基因组信息量庞大，如人细胞中携带29亿多个碱基对。依靠计算机快速高效运算并进行统计分类和结构功能预测的生物信息学相应诞生了。有了生物信息学知识，人们可以最大限度地开发和运用基因组学所产生的庞大数据。5.分子生物学展望1 ）绵羊多利是核转移克隆技术的第一次大的成功。在这一技术中，一个细胞的DNA被转移到失去自身遗传物质的空的卵细胞中。然后，卵细胞在转移DNA的控制下进行发育。成为克隆技

28、术发展的一个里程碑。2 ） Kind的研究组在牛和猪的细胞中成功地使用了基因打靶技术的技术，并称他们计划培育“敲除”猪- -这种猪将携带的一种蛋白质来帮助人体免疫系统接受移植的猪器官。3 ）人类基因组计划与生物制药产业发展前景。人类基因组计划（HGP）是人类科学史上的伟大工程，人类基因组序列的“工作框架图”的绘就，是该计划实施进程中的一个重要里程碑；HGP从整体精品学习资料第 15 页，共 74 页精选名师资料上解决肿瘤等疾病的分子遗传学问题，6千多种单基因遗传病和多种多基因疾病的致病基因和相关基因的定位、克隆和功能鉴定是HGP的核心部分，它将彻底改变传统新药开发的模式，并赋予基因技术的商业价

29、值；HGP将进一步深化生物制药的产业结构，引发基因诊断、基因疫苗、基因治疗、基因芯片等新兴产业； HGP完成后，人类基因序列将全部输入公共基因数据库，使我国的制药工业在一个新的起点上与国外制药企业展开竞争，从我国自主克隆的人类基因和公共数据库的人类基因中开发出具有自主知识产权的基因组药物，成为我国生物制药摆脱困境的有效途径；国内上市公司已进军基因技术的相关产业，但尚处于初级阶段，HGP是国内生物制药公司进行企业模式调整的重要契机，未来生物制药公司的竞争力主要取决于推出自主知识产权新药的速度、数量和质量。4 ）人类基因组学的前途有关基因组的大量知识将扩大我们对生物学过程的认识，并带来可评价患病危

30、险性的新诊断手段，创立个人化医疗学。基因组信息的利用会增进对生物学过程的了解而变革生命科学，使科学家可以针对着影响健康和疾病的具体过程。获得利益的商业领域有药物发现和开发、医学诊断、农业，等等。影响新药开发的一个最重要的因素是可以用于开发新药的已知目标分子数量有限。疾病目标分子可以受一种药物影响并在人体内引起后续的所希望的生物学反应。历史上，发现新目标分子的过程极慢，极费钱，因为它依赖于做出发现的试验和纠正方法。基因组学研究将使药物设计人员直接针对有利害关系的分子，所以减少上述依赖。这样不仅是生产出新的更好的药物，而且缩短新药上市周期，并降低成本。由于药物的严重副作用，美国每年有220万人入院

31、，因这些副作用而死亡者超过10万人。已有具体器官对药物的基因表达分布图，研究人员可以更精确地研究新药化合物的毒性。此外，基因表达数据与代谢途径多态性信息结合起来，将为个别患者对不同剂量的反应方式提供重要指标，因而精品学习资料第 16 页，共 74 页精选名师资料明显减少治疗中产生的意外副作用。受人类基因组数据影响的另一领域是制药基因组学。这个学科的重点是找出患者内可能影响药疗功效即个人对一具体药物的吸收与代谢的遗传变异，发展更加个人化的药物疗法。因为越来越多的证据说明，某一药物并非对所有的人有同样的作用，所以制药基因组学对于制药和生物技术界来说已变得非常重要，以致几乎所有制药公司都在成立制药基

32、因组学机构。以基因组学为基础的新治疗学将集中确定某个人患某一种病的危险性，而留意该患者的具体基因以及与疾病相关的任何变化。这些新诊断手段可能对一患者患一具体病症的潜在危险性做出更准确评价，给予更好的预防性治疗。农业是可能得益于基因组学研究的另一领域。对动植物疾病进行诊断并针对那些疾病发展处治方法的能力，应能使农产品品质改善，产量提高。例如，来自疾病的遗传信息的比较或抗虫害植物品系和不抗虫品质的对比以及选育计划中有利试验的运用，将使可在世界各个不同农业区种植的新品系数量和成功率明显增加。这样不仅会增加食物数量，也提高其营养质量。5 ）基因疗法的典型例子是半乳糖血症病人的基因治疗。这种病人由于细胞

33、内缺少基因G ，不能产生半乳糖-1-磷酸-尿苷酰转换酶，以致大量半乳糖-1-磷酸和半乳糖堆积在肝组织中，这些半乳糖可转变为酒精，因而造成肝脏损害。临床表现为：小结节性肝硬化、呕吐、腹泻、营养不良、黄疸、腹水、白内障、智力发育迟钝、半乳糖血症、半乳糖尿、氨基酸尿等。为了治愈这种病人，人们把大肠杆菌( 一般内含G基因)能产生半乳糖酶的脱氧核糖核酸片段提取出来， 让噬菌体作为运载体带入病人的细胞内，病人细胞便开始产生半乳糖酶。这样，原来不能利用半乳糖的细胞便恢复了对半乳糖的正常代谢。如果再将这种精品学习资料第 17 页，共 74 页精选名师资料已经治愈的细胞用人工的方法移植到人体器官内，使之成为人体

34、的正常部分，那么这种病就从根本上治愈了。而且由于病人细胞内脱氧核糖核酸的缺陷部分得了纠正，这种病也就不会再遗传给下一代了。6）科学技术的重大变革：生物芯片技术。生物芯片，一项将计算机芯片制作技术与生命科学研究相结合的新兴技术应运而生了！计算机芯片的工作本质上是对0与 1这二个数字以各种方法进行速度高达每秒钟数十亿次的运算。而生物芯片的本质是进行生物信号的平行分析。它利用微点阵技术将成千上万的生物讯息密码集中到一小片固相基质上，从而使一些传统的生物学分析手段能够在尽量小的空间范围内，以尽量快的速度完成。例如在八十年代， 在一个传统的生物学实验室中手工测定十几个片断的序列DNA（合约个碱基对）需要

35、至少一天时间。目前运用价格达数十万美元的自4000动化的PE3700DNA序列分析仪，可以在一天内测定近2000个DNA序列（合约70万个碱基对） 。 去年有一种生物芯片在分钟内完成了1.6万个15碱基对的测定，96个这样的生物芯片的平行工作，就相当于每天1.47亿个碱基对的分析能力！一般认为，生物芯片技术的开发与运用将在生物学和医学基础研究、农业、疾病诊断、 新药开发、 食品、环保等广泛的领域中。正像分子DNA技术成为现代生物学的象征一样，生物芯片技术作为新一代生物技术，将从根本上改变目前生物学和生物技术的观念和效率，它将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。生物芯片的飞

36、速发展引起世界各国的广泛关注和重视。1998年 6 月 29日 美国宣布正式启动生物芯片计划，世界各国也开始加大投入，以生物芯片为核心的相关产业正在全球崛起，目前美国已有8家生物芯片公司股票上市，平均每年股票上涨75，专家统计：全球目前生物芯片工业产值为10亿美元左右， 预计今后5 年之内， 生物芯片的市场销售精品学习资料第 18 页，共 74 页精选名师资料可达到亿美元以上。美国 财富 杂志载文指出， 在 20世纪科技史上有200两件事影响深远，一是微电子芯片，它是计算机和许多家电的心脏，它改变了我们的经济和文化生活，并已进入每一个家庭；另一件事就是生物芯片，它将改变生命科学的研究方式，革新

37、医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。鉴于生物芯片技术具有巨大理论意义和实际价值，国内已有多家科研单位开始从事这方面的研究。例如，军事医学科学院、清华大学、北京大学、中科院上海冶金所等单位已在生物芯片技术方面取得了较大突破。上海生命科学院的的胡赓熙博士和他的实验室，开发了目前亚洲规模最大的 cDNA阵列，在世界上位居第二。不久前，在肇庆上海博星基因芯片有限公司的成立，是目前中国投资规模最大的生物工程产业化合作项目。7 ）基因工程技术已经完全突破了经典的研究方法和研究内容，它形成了一个内容广泛而崭新的新领域。自然界创造的新的生物物种一般需要几十万乃至几百万年，但是在实验室用基因工程技术可

38、能在几天之内完成这个过程。自然界从未有过的新型蛋白质也可能会通过基因工程技术创造出来。基因工程使人类从单纯地认识生物和利用生物的传统模式跳跃到随心所欲改造生物和创造生物的新时代。人类已经能够利用基因工程，其潜力几乎是不可估量的。基因工程技术能把珍贵的人类激素基因插入到可以用工业规模生长的微生物中，来生产大量的人类激素，如生长激素、胰岛素、促红细胞生成素等等。农业科学已能利用基因工程技术来改良甚至创造新的作物新品种，例如用适当的基因转移来增加玉米的赖氨酸含量，或使某些作物增加维生素含量并提高产量，把生长快的动物基因转移到家畜使其快速生长，等等。（油豆保鲜、抗性）医学上除了用基因工程来制药外，还在

39、研究用简单的DNA转染来治疗某些癌症或某些遗传疾病。基因工程既是现实的生精品学习资料第 19 页，共 74 页精选名师资料产力，更是巨大的潜在生产力，必定无疑是下代新产业的基础技术，成为世界各国，特别是发达国家国民经济的重要支柱。在能源短缺、食品不足和环境污染这三大危机已开始构成全球社会问题的今天，基因工程及其伴随的细胞工程、酶工程、发酵工程和生化工程( 统称生物工程) 将是帮助人类克服这些难关的有力武器，是关系到各国经济乃至影响人类社会发展的关键因素之一。我国的基因工程我国自70年代末即开始了基因工程研究工作。最近几年来，我国的基因工程取得了很大的成绩，利用DNA重组技术表达了乙型肝炎表面抗

40、原、胰岛素、干扰素、青霉素酰化酶、猪牛生长激素、促红细胞生长素，等等。其中基因工程乙肝疫苗、 基因工程 1 型干扰素已投放市场，还有好几种基因工程医药也已进入了中试阶段，转基因植物和生物农药的基因工程工作，也将进入中试、野外试验阶段。但是，我们必须看到，基因工程技术在生产上还发挥不够，经济效益还不大。这些还有待于基因工程技术水平的提高以及基因工程技术人才的培养。我国目前还缺乏具有生产意义的基因工程元件( 目的基因) 。发展基因合成技术，开发基因源，是发展基因工程的先决条件。我们还缺乏高效的转录启动子和宿主细胞系统，需要努力构建适用于不同宿主系统的高效表达的载体系统。基因工程下游的重要环节是表达

41、后产物的分离、纯化，即基因工程的后处理工艺。在研究表达产物的分泌机制、建立分泌型载体受体系统等等方面，都有待于我们进一步深入研究和开发。生产药用成分的一些实例1）1977年和Boyer用人工合成的生长激素释放抑制素Itakurn基因，第一次实现了真核基因在原核细胞中的表达。(somatostatin,SMT)精品学习资料第 20 页，共 74 页精选名师资料SMT是14肽，由42个核苷酸编码，在人工合成的基因两端分别装有EcoRI和 BamHI酶切位点，在基因后方加了两个终止密码TGA 和 TAG；在基因前方加了一个甲琉氨酸起始密码ATG，再装上乳糖启动子片段。经过这样的精心设计， 再将它与质

42、粒连接并转化大肠杆菌。由于乳糖启动子的启动，SMT基因便能在大肠杆菌中表达，产生出人的生长激素释放抑制素。他们用价值几美元的9升培养液生产出50mg生物活性物质，相当于50万头羊脑的提取量，意义之大，令人折服。这是基因工程的第一个威震环宇的赫赫战果。2 ）胰岛素是治疗糖尿病的有效药物，长期以来只能用猪羊胰腺提取。据计算，每生产10克胰岛素需消耗胰腺一吨，因而造成市场紧张，价格昂贵。1978年美国哈佛大学的Gilbert等把老鼠胰岛素基因与大肠杆菌的一个基因连接，转化大肠杆菌，生产出了胰岛素。这是基因工程的又一重大突破。美国的基因工程胰岛素己在1981年投放市场。1985年，日本也获得成功并投放市场。据报导，加拿大用大肠杆菌生产胰岛素，产量达到100mg L ，也就是说，100升培养液中获得的胰岛素就相当于一吨猪羊胰腺的提取量。3 ）干扰素是治疗病毒性肝炎和肿瘤的药物，以前主要从人血中提取或用病毒感染诱导人血白细胞生产。估计， 约需1200升人血才能提取2.5 108单位的干扰素