生物技术与人类未来精选PPT.ppt

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1、关于生物技术与人类未来第1页，讲稿共83张，创作于星期二11.1 11.1 生物技术、主要内容和发展概况生物技术、主要内容和发展概况11.2 11.2 生物技术方法生物技术方法 一、基因工程一、基因工程一、基因工程一、基因工程-DNA-DNA重组技术与蛋白质工程重组技术与蛋白质工程 二、细胞工程二、细胞工程二、细胞工程二、细胞工程 三、动物克隆技术三、动物克隆技术三、动物克隆技术三、动物克隆技术 四、生物芯片技术四、生物芯片技术11.3 11.3 生物技术的应用生物技术的应用11.4 11.4 生物技术面临的问题与挑战生物技术面临的问题与挑战11.5 11.5 生物技术造福人类生物技术造福人类

2、第2页，讲稿共83张，创作于星期二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）二十世纪后叶，分子生物学等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变化；（2）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。生物技术将是未来经济发展的新动力第一次技术革命工业革命解放人的双手第二次技术革命 信息技术扩展人的大脑第三次技术革命生物技术改造生命本身第3页，讲稿共83张，创作于星期二1982年，国际合作与发展组织的定义为：生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术。美

3、国政府技术顾问委员会(OAT)的定义是：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，其中还包括改良有重要经济价值的植物与动物以及利用微生物改良环境的技术。该定义强调了生物技术的商品属性商品属性。生物工程-应用11.1 生物技术定义、主要内容和发展概况l 生物技术的定义和特点第4页，讲稿共83张，创作于星期二生物技术具有多学科交叉和综合运用的特点：1）其理论来源于实验室大量复杂的基础研究工作 2）微生物学、分子生物学、化学工程、材料科学等多学科交叉的综合性学科生物技术的显著特点 1）高技术高技术（精细和密集的复杂技术）2）高投入高投入 3）高利润高利润 4）周期长(三高一长三高一长)利用

4、生物技术的生产线利用生物技术的生产线利用生物技术的生产线利用生物技术的生产线第5页，讲稿共83张，创作于星期二通常生物技术主要包括基因工程基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质（酶）工程四大工程，此外还有单克隆抗体技术；克隆动物技术、生物芯片技术、生物材料技术、生物能源技术、利用生物降解环境中有毒有害化合物的技术等都可属生物技术范畴的内容。直接相关联的学科：分子生物学、微生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、生物信息学、化学工程学、医药学、材料科学等。涉及的学科还远不止这些生物技术是对人类和社会生活影响最大的技术领域按应用领域划分：农业生物技术、医药生物技术、环境生物技术、海洋生物技术、材料生物

5、技术、能源生物技术等等。11.2 生物技术方法：第6页，讲稿共83张，创作于星期二基因工程是指在分子水平，设计并实施把一个生物体中有用的目目的的基基因因或DNA(遗传信息)转入另一个生物体中，使后者获得新新的的遗遗传传性性状状或表达所需要的产物产物。最终实现该技术的商业价值。上游和下游技术一、基因工程与蛋白质工程基因工程与建筑工程雷同基因工程与建筑工程雷同第7页，讲稿共83张，创作于星期二 以克隆和重组DNA为核心的技术即基因工程技术，又称为重组DNA技术。重组DNA技术的重大突破带动了现代生物技术的兴起，并很快产生了许多生命科学的高技术产业。克隆(clone)-无性繁殖（系）分子克隆 DNA

6、的无性繁殖技术（从1973年DNA重组）重组DNA技术包括了基因克隆基因克隆为主的一系列的分子生物学操作步骤，实现不同物种间基因的转移。从研发到进入市场，需要的周期长，至少5年以上。基因工程技术基因工程技术是现代生物技术的基础第8页，讲稿共83张，创作于星期二重组DNA操作的一般步骤：1）获得需要的目的基因（又称外源基因）；2）目的基因在限制性内切酶和连接酶作用下与载体连接，形成新的重组DNA分子（克隆和筛选）；3）转化或转染：用重组的DNA分子转化受体细胞，使之进入受体细胞并能在受体细胞中复制和遗传；4）对转化子即获得外源基因的受体细胞进行筛选和鉴定；(阳性克隆)5）对获得外源基因的细胞或生

7、物体通过发酵、细胞培养、养殖或栽培等，最终获得所需的遗传性状或表达出所需要的产物。第9页，讲稿共83张，创作于星期二重组DNA技术-基因工程图示第10页，讲稿共83张，创作于星期二获得需要的目的基因常用的方法：（1）直接从生物体中提取总DNA，构建基基因因组组DNA文文库库(genomicDNAlibrary)，从文库中调用目的基因；（2）以mRNA为模板，反转录合成互补的DNA片段，建立cDNA文文库库，从文库中调用；（3）利利用用聚聚合合酶酶链链式式反反应应（PCR）特异性地扩增得到所需要的目的基因片段；（4）化学合成等。获得需要的目的基因（外源基因）第11页，讲稿共83张，创作于星期二l

8、 细胞内总DNA的提取分离程序：苯酚变性沉淀蛋白质(1)细胞内总DNA的提取分离与基因组文库的构建第12页，讲稿共83张，创作于星期二l 紫外分光光度计测定DNA溶液的纯度和浓度第13页，讲稿共83张，创作于星期二l 基因组DNA文库的构建 将总DNA经过酶解，经蔗糖梯度离心或琼脂糖凝胶电泳分离不同长短的DNA片段。包含的基因组片段分别克克隆隆在质粒或噬菌体载体上，转染细菌或体外包装到噬菌体颗粒上便构成了该生物的基因组文库。然后用标记的单链DNA为探针（probe）调用目的基因。第14页，讲稿共83张，创作于星期二(2)逆转录人工合成互补逆转录人工合成互补DNAcDNA文库文库的构建的构建mR

9、NA逆转录cDNA(互补DNA）第二条DNA链克隆、转染、建库第15页，讲稿共83张，创作于星期二基因组文库与cDNA文库的比较构建基因组文库获取目的基因存在的问题费时费事有内含子序列cDNA文库，反转录人工合成互补DNA方法的优势：1、不含内含子序列2、获取的DNA片段往往是具有特定功能的目的基因目的基因第16页，讲稿共83张，创作于星期二(3)聚合酶链式反应（PCR技术技术）lPCR技术就是在体外的小试管中通过酶促反应有选择地大量扩增（包括分离）一段目的基因的技术。该技术高效、快捷、特异性好。l 小试管中反应需加入4种物质：（1）作为模板的DNA序列即微量的总DNA；（2）与欲分离的目的基

10、因两条链的各自5端序列相互补的DNA引物（约20个左右碱基的短DNA单链）；（3）TaqDNA聚合酶；（4）4种核苷酸4dNTP（即dATP,dTTP,dGTP和dCTP）第17页，讲稿共83张，创作于星期二聚合酶链式反应（PCR）l反应步骤：变性、退火、延伸三步曲变性：双链DNA解链成为单链DNA退火：部分引物与模板的单链DNA的特定互补部位相配对和结合延伸：以目的基因为模板，合成互补的新DNA链第18页，讲稿共83张，创作于星期二聚合酶链式反应（PCR）l每一轮聚合酶链式反应可使目的基因片段增加一倍30轮循环，每一个目的基因就被选择性放大，获得230（1.07109)个片段循环反应在特制的

11、PCR仪中可自动进行直到完成第19页，讲稿共83张，创作于星期二l PCR技术的发明PCR的发明是DNA操作技术的革命美国KaryMullis教授开汽车时的联想逶迤崎岖的山路DNA双螺旋行驶的汽车一小段DNA引物1988年发明了PCR技术1993年获得诺贝尔奖第20页，讲稿共83张，创作于星期二基因重组和克隆操作最重要的工具有以下3个：(1)限制性内切酶 （和连接酶）(2)载体 (3)宿主菌 微量的目的基因必须经过基因克隆获得大量的拷贝后，才能实现进一步的重组、转化和表达等操作。构建重组重组DNADNA和基因克隆限制性内切酶是从细菌中分离提纯的核酸内切酶，可以识别并切开核酸序列的特定位点-称分

12、子手术刀Arber、Smith和Nathans因为在发现限制性内切酶方面的开创性工作而共同获得了1978年的诺贝尔奖。第21页，讲稿共83张，创作于星期二限制性内切酶限制性内切酶限制性内切酶限制性内切酶识别特定的核苷酸序列，一般46个碱基对。例如：EcoRI特异识别GAATTC及其互补碱基组成的双链DNA片段酶切后形成粘性末端或平端，互补的粘性末端或平端用T4连接酶可连接起来第22页，讲稿共83张，创作于星期二限制性内切酶-DNA的分子刀已经发现和鉴定的限制性内切酶有200多种第23页，讲稿共83张，创作于星期二n限制性内切酶切与DNADNA重组的操作：重组的操作：第24页，讲稿共83张，创作

13、于星期二 基因体外重组（基因克隆）基因体外重组（基因克隆）1973年，由美国斯坦福大学教授Cohn和美国加州大学教授Boyer带领各自的研究组几乎同时分别完成了DNA体外重组，一举打开了基因工程学大门打开了基因工程学大门。第25页，讲稿共83张，创作于星期二载体载体载载体体：是运送目的基因片段是运送目的基因片段进进入宿主入宿主细细胞的胞的工具工具（因因为为切切割割的的DNADNA并并不不能能直直接接进进入入到到细细菌菌等等宿宿主主细细胞胞中中，需需要要连连入入到合适到合适载载体中，才可能体中，才可能转转入到宿主入到宿主细细胞中并随之繁殖而复制）胞中并随之繁殖而复制）一般一般载载体要求具体要求具

14、备备以下特性：以下特性：（1 1）能）能够够自我复制自我复制，并，并带动带动插入的外源基因一起复制插入的外源基因一起复制（2 2）具有合适的）具有合适的限制性限制性酶酶切位点切位点（3 3）细细胞内胞内拷拷贝贝数要多数要多（4 4）通常）通常载载体的体的分子量要小分子量要小（有（有时时要求要求载载体分子量要大）体分子量要大）（5 5）具有合适的）具有合适的筛选标记筛选标记筛选标记筛选标记（6 6）细细胞内胞内稳稳定性高定性高 目目前前最最常常用用的的原原核核细细胞胞的的克克隆隆载载体体包包括括细细菌菌质质粒粒、噬噬菌菌体体、cosmidcosmid质质粒粒等等DNADNA。第26页，讲稿共83

15、张，创作于星期二 质粒是细菌细胞中自然存在于染色体外可以自主复制的一段环状DNA分子。进入到宿主细胞中的一个质粒可以大量增加其拷贝数。质粒载体第27页，讲稿共83张，创作于星期二（1)该质粒比较小，可以插入一段较长的DNA片段。（2)进入宿主细菌细胞后，pUC18在每个细胞中可大量复制，形成大约500个拷贝。（3)在pUC18中有一小段人为设计和插入的具有多种限制性酶切位点的序列，即多克隆位点。l l例如：例如：细菌质粒细菌质粒pUC18pUC18就是一种已被改造的实用载体：就是一种已被改造的实用载体：第28页，讲稿共83张，创作于星期二质粒载体的一般结构第29页，讲稿共83张，创作于星期二p

16、UC118质粒的多克隆位点整整合合在lacZ即-半乳糖苷酶的基因中，lacZ可以使细菌在含有IPTG（即乳糖操纵子的诱导物）和X-gal（即-半乳糖苷酶的底物）的平板培养基上形成蓝蓝色色的的菌菌落落，即X-gal被lacZ基因编码产生的-半乳糖苷酶水解成蓝色。但是，当外源DNA片段插入到多克隆位点区时，就破坏了lacZ基因的结构，使lacZ基因失去了活性和表达功能，大肠杆菌就形成白色菌落,即形成白白色色菌菌落落的细菌是携带有插入片段重组质粒的细菌。（4)带有筛选标记筛选标记如如lacZ基因的插入失活，筛选重组质粒第30页，讲稿共83张，创作于星期二（5)带有其他筛选标记筛选标记：如pUC18载

17、体携带了另一种筛选标记抗生素（antibiotic）如氨卞青霉素抗性（AmpR）的基因。只有插入外源目的基因的宿主细胞能在含有氨卞的培养基板上生长，所以也可依此特性筛选重组质粒。含有重组质粒的宿主菌又称“转化子转化子”。第31页，讲稿共83张，创作于星期二 DNADNA克隆常用克隆常用克隆常用克隆常用质质质质粒粒粒粒载载载载体体体体改进的改进的pUC18第32页，讲稿共83张，创作于星期二琼脂培养基上的菌落原位印迹到滤膜上制备32P标记的DNA分子探针（如用PCR法）与膜上的核酸杂交放射自显影法确定转化子挑出阳性菌落培养或进入下一步操作lDNA分子杂交直接鉴定-分子探针方法鉴定第33页，讲稿共

18、83张，创作于星期二重组基因导入宿主菌（即转化或转染）将目的基因克隆或转化到大肠杆菌细胞中的操作步骤包括：制备感受态细胞感受态细胞感受态细胞（competentcell）受体细胞处理后所处的易接受外源基因的状态用重组质粒转化大肠杆菌感受态细胞；筛选含重组质粒的大肠杆菌细胞，进行检查或鉴定。第34页，讲稿共83张，创作于星期二基因克隆获得大量目的基因后，就要使其在合适的宿主细胞中表达，产生需要的基因表达产物或使宿主生物具备所需的性状，同时目的基因还能在宿主细胞中稳定遗传。这一过程就是遗传转化遗传转化。若需要让克隆的基因表达和产生大量编码蛋白，可对转化的大肠杆菌或转化的细胞（即转转化化子子）进行培

19、养，使目的基因大量表达和积累，然后对表达产物分离纯化，便可获得想要的产品产品。导入基因的大肠杆菌细胞是基因克隆的宿主，可大量表达目的基因。转化或转染受体细胞及转化子的筛选第35页，讲稿共83张，创作于星期二l植物和动物的遗传转化常用的方法载体法转化载体法转化如上所述的细菌的质粒转化等。如上所述的细菌的质粒转化等。植物采用的是农杆菌介导法植物采用的是农杆菌介导法（TiTi质粒质粒）基因的直接转移基因的直接转移（1 1）高压电脉冲）高压电脉冲 电激穿孔电激穿孔（2 2）基因枪法）基因枪法（3 3）微注射法）微注射法（4 4）同源重组）同源重组等等等等第36页，讲稿共83张，创作于星期二宿主菌或受体

20、宿主菌或受体细细胞：胞：大大肠肠杆菌杆菌蓝蓝藻藻酵母酵母昆虫细胞哺乳哺乳动动物物细细胞胞植物植物原生质体细胞（除去细胞壁的）通过DNA体外重组技术构建的重组质粒除了转化到细菌中表达外，还可以直接用以转化蓝藻等原原核生物核生物或其他一些或其他一些原生生物原生生物细细胞胞以及酵母、昆虫、哺乳动物CHO等真核生物真核生物细细胞胞。也可直接也可直接转转染到染到动动、植物、植物细细胞培养。胞培养。第37页，讲稿共83张，创作于星期二举蓝藻例：构建缺失chlL基因的蓝细菌（即蓝藻）突变株（直接转化法之一）chlL一种控制叶绿素合成的基因第38页，讲稿共83张，创作于星期二Southern分子杂交杂交分析分

21、析示例（用探针杂交）A.DNA体外重组实验B.抗生素筛选转化子细胞C.培养突变株细胞D.Southern杂交实验结果显示，外源目的基因已经转入突变株细胞中第39页，讲稿共83张，创作于星期二对转化子的筛选和克隆基因的鉴定原原理理：琼脂糖凝胶电泳分离鉴定大小不等的酶解片段：DNA片段上的磷酸基团带负电荷酶解片段向阳极移动，受到电场驱动力和凝胶阻力两种作用-不同大小的DNA片段的迁移率不同（参照已知分子量标准的迁移率，找出未知片段）l 酶切和电泳方法-最常用的鉴定转化子即转基因生物的基因的方法第40页，讲稿共83张，创作于星期二纪念发明者EdwardSouthern（1）提取总DNA（2）酶解总D

22、NA（3）对酶切产物电泳（4）转移到滤膜（5）变性解链（6）DNA探针杂交（7）洗脱（8）放射自显影（9）比较分析又称DNA杂交法转化子的分析Southern杂交鉴定克隆第41页，讲稿共83张，创作于星期二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）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2）测定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构;（4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；（5）设计编码该蛋白的基因 改造方案，如点突变来改造蛋白结构；（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际

23、使用。T T4 4溶菌酶为例溶菌酶为例第42页，讲稿共83张，创作于星期二“后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究，包括研究蛋白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作用。因为对生物体的结构和功能直接发生作用的是基因表达产物蛋白质。蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动力学等结结构构与与功功能能认认识识的的基基础础上上，对蛋白质人工改造与合成，最终获得商业化的产品。蛋白质工程第43页，讲稿共83张，创作于星期二细胞工程是指通过细胞水平上的筛选或改造，获得有商业价值的细胞株、细胞系或细胞组织，再通过规模培养，获得特殊商品的技术与过程。细胞工程包括动物细

24、胞工程和植物细胞工程，它们分别以动物细胞和植物细胞为主要生产对象，以细胞培养为主要过程和内容。二、细胞工程第44页，讲稿共83张，创作于星期二生产药物为主，如生产药物为主，如EPOEPO、tPAtPA、CSFCSF、抗体、疫苗、抗体、疫苗n 动物细胞培养第45页，讲稿共83张，创作于星期二n n细胞融合和细胞重组细胞融合和细胞重组也是细胞工程主要内容细胞融合是将不同种类的两种细胞经过特殊处理后放在一起，在某些促融因子作用下发生融合，形成杂种细胞，具有新的性状。如杂杂交交瘤瘤技术。技术。细胞重组是把不同种类的细胞的部件重新组合装配，包括核的移植、叶绿体移植、核糖体重建及线粒体装配等。第46页，讲

25、稿共83张，创作于星期二单克隆是指所有制备抗体的细胞都是同一个细胞的拷贝，因此其产生的抗体完全相同。制备单克隆抗体的过程涉及到细胞培养、细胞融合等多种步骤，得到的是在体外无限生长、又可分泌单一种抗体的杂交瘤。单克隆抗体-细胞融合技术单克隆抗体是大规模细胞培养的产物，而不是直接来自于动物血清。第47页，讲稿共83张，创作于星期二AntierbB2（ScFv-Fc)AntierbB2（Herceptin)工程抗体药物-如肿瘤抗原erbB2的单克隆抗体的工程化第48页，讲稿共83张，创作于星期二l单细胞藻类培养一些单细胞低等植物如单细胞藻类的大规模培养成为细胞工程的重要组成部分获得蛋白质资源、营养食

26、品、精细化工产品等等，如螺旋藻等等，含有多种营养物质 如：嗜盐绿藻胡萝卜素 螺旋藻亚油酸、钙等n植物细胞工程一植物细胞工程一第49页，讲稿共83张，创作于星期二l l高等植物细胞和组织培养高等植物细胞和组织培养高等植物细胞具有全全能能性性。从高等植物的幼胚、根、茎、叶、花和果实等不同器官的组织中分离的单个细胞，经过特殊培养形成愈伤组织，并可进一步诱导生成完整的植株。通过载体介导可得到转基因植株。植物细胞工程二植物细胞工程二第50页，讲稿共83张，创作于星期二以克隆羊为例1997年2月23日苏格兰Roslin研究所Wilmut和Campbell，在Nature杂志宣布：世界首例来源于哺乳动物体细

27、胞的克隆羊“多莉”问世了应用核移植技术，就是利用一个动物的体细胞体细胞的细胞核（供体核）来取代受精或未受精卵中的细胞核，形成一个重建的“合子”。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，这个新个体是原“核供体动物”的拷贝。三、动物克隆技术第51页，讲稿共83张，创作于星期二434次核移植成功277次乳腺细胞核移植实验；获得29个发育为8细胞的“胚”；13头代孕母亲；1996年7月5日，羊羔6LL3，被命名为“多莉”。其他克隆动物相继问世，达几百头，如猪第52页，讲稿共83张，创作于星期二（1）既然绵羊的体细胞可以被成功地克隆成一个新的个体，是否意

28、味着人类也可以克隆自己呢？（2）是否应该允许进行克隆人的实验？在最后讨论克隆技术产生的两个重大问题：第53页，讲稿共83张，创作于星期二第54页，讲稿共83张，创作于星期二四、干细胞技术n n什么是干什么是干什么是干什么是干细细细细胞？胞？胞？胞？存在于胚胎和成体中具有自我更新和分化能力并可分化存在于胚胎和成体中具有自我更新和分化能力并可分化产产生至少一种或多种生至少一种或多种终终极特化极特化细细胞的胞的功能功能细细胞胞。n n干干干干细细细细胞的种胞的种胞的种胞的种类类类类1 1、胚胎干胚胎干胚胎干胚胎干细细细细胞（胞（胞（胞（ESES细细胞）胞）:胚胎胚胎发发育早期，受精卵分裂育早期，受精

29、卵分裂发发育成囊胚育成囊胚时时的内的内层细层细胞胞团团，可，可以自我更新并具有分化以自我更新并具有分化为为体内所有体内所有组织组织的能力，是全能性的能力，是全能性细细胞胞2 2、成体干成体干成体干成体干细细细细胞（胞（胞（胞（ASCASC）:包括造血干包括造血干细细胞、表皮干胞、表皮干细细胞、神胞、神经经干干细细胞等，研究胞等，研究进进展使人展使人们扩们扩大了大了对对ASCASC分化潜能的分化潜能的认识认识小鼠小鼠胚胎干胚胎干细细胞胞在在7070年代就可体外培养，人，最近才成功；年代就可体外培养，人，最近才成功；造血干造血干细细胞胞：骨髓、外周血、：骨髓、外周血、脐带脐带血中，血中，5050年

30、代就年代就临临床移植；床移植；其他干其他干细细胞培养和定向分化胞培养和定向分化诱导诱导，是当前的研究，是当前的研究热热点。点。n n干干干干细细细细胞的技胞的技胞的技胞的技术术术术方法方法方法方法几十年来，科学家一直希望制造几十年来，科学家一直希望制造这样这样的干的干细细胞。胞。2008-112008-11月，日本京都大学通月，日本京都大学通过过向人皮向人皮肤肤细细胞中植入胞中植入4 4个个经过经过重新重新编码编码的病毒基因，使皮肤的病毒基因，使皮肤细细胞具胞具备类备类似胚胎干似胚胎干细细胞的功能，胞的功能，这这就是就是诱导诱导式多功能干式多功能干细细胞（胞（iPSiPS），能），能发发育育为

31、为任何器官或任何器官或组织组织，而且，而且iPSiPS不需要人不需要人类类卵卵子，也不需要制造或者破坏胚胎，因此避开了子，也不需要制造或者破坏胚胎，因此避开了伦伦理和技理和技术术障碍。障碍。n n干干干干细细细细胞技胞技胞技胞技术术术术的的的的应应应应用和前景用和前景用和前景用和前景理理论论上，可以用来治上，可以用来治疗疗各种疾病，可以体外制造人体器官等，前景广各种疾病，可以体外制造人体器官等，前景广阔阔，但，但还还有有许许多机理和技多机理和技术术需要探索和解决。需要探索和解决。第55页，讲稿共83张，创作于星期二五、生物芯片技术生物芯片又称DNA芯片或基因芯片，它们是DNA杂交探针技术与半导

32、体工业技术相结合的结晶。该技术系指将大量DNA探针分子固定于支持物上后，与带荧光标记的DNA样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度而获取样品分子的数量和序列信息。信息量大、高通量、可快速并行处理信息量大、高通量、可快速并行处理。1996年底，美国Affymetrix结合照相平板印刷、计算机、半导体、寡核苷酸合成、荧光标记、核酸探针分子杂交和激光共聚扫描等高新技术，研制创造了世界第一块DNA芯片（仅仅2mm2的的胶胶片片，40万个小格万个小格)。n 生物芯片技术的一般原理第56页，讲稿共83张，创作于星期二A.用于微阵列芯片制作的点样仪。；B.封装在卡盒中的微阵列芯片;C.用于微阵

33、列芯片荧光标记检测的激光共聚焦扫描器；D.微阵列芯片的局部放大；E.微阵列芯片上固定DNA探针的示意图。图中蓝色的DNA链是预先固定在芯片表面的捕获探针，红色的DNA链是与捕获探针互补的靶DNA分子。第57页，讲稿共83张，创作于星期二DNA芯片可用于大规模筛查基因突变所引起的疾病；分析基因组及发现新基因等具有很大的优势；DNA芯片技术用于基因组分析时，具有样品用量小、信息量大、分析方法简易快速、自动化程度高等多项优点，特别适合于寻找新基因、基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面。此外，医学、化学、新药开发、司法鉴定、农业技术和食品技术领域也具有广泛的应用；蛋

34、白芯片和芯片实验室n 生物芯片技术的主要应用1998年底，美国科学促进会将基因芯片技术列为该年度自然科学领域十大进展之一。基因芯片和蛋白质芯片称为“可以随身携带的微型实验室”。第58页，讲稿共83张，创作于星期二一、生物技术与医药健康一、生物技术与医药健康-分子诊断、基因治疗和医药研发分子诊断、基因治疗和医药研发分子诊断、基因治疗和医药研发分子诊断、基因治疗和医药研发二、生物技术与工业二、生物技术与工业二、生物技术与工业二、生物技术与工业-新型生物材料新型生物材料新型生物材料新型生物材料 生物能源生物能源生物能源生物能源 微生物发酵工程微生物发酵工程微生物发酵工程微生物发酵工程三、生物技术与农

35、业三、生物技术与农业三、生物技术与农业三、生物技术与农业11.3 生物技术的应用第59页，讲稿共83张，创作于星期二l 生产稀少珍贵的蛋白质药物1982年，美国食品与药物管理局批准了首例基因工程产品人胰岛素投放市场它标志了基因工程产品正式进入到商业化阶段。人生长激素、表皮生长因子、肿瘤坏死因子、a-干扰素、纤维素酶、抗血友病因子、红细胞生成素、尿激酶原、白细胞介素-2、集落刺激因子、乙肝疫苗等等一、生物技术与医药健康第60页，讲稿共83张，创作于星期二n 分子诊断l最早应用于对传传染染性性疾疾病病的诊断的诊断：利用PCR技术或PCR与分子杂交标记相结合，可以快速准确地检测出病原性物质。包括病毒

36、、细菌真菌、寄生虫等。专一性强、灵敏度高、抗干扰性好、操作快速简便第61页，讲稿共83张，创作于星期二l对遗传性疾病的诊断（可诊断200200多种遗传性疾病）多种遗传性疾病）羊水和胎盘绒毛膜检测第62页，讲稿共83张，创作于星期二遗传病产前检测第63页，讲稿共83张，创作于星期二l例：shouthern 印迹法印迹法检测镰状红细胞贫血症镰状红细胞贫血症一种常染色体退化遗传病引起原因：基因的点突变丢失了可被MstII或Cvnl切开的一个限制性内切酶位点。用shouthern印记法和限制性片段多态性RFLP分析，Mst酶切正常：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

37、女子女2 2：患病：患病子女子女3 3：携带者：携带者第64页，讲稿共83张，创作于星期二l例：特异性互补寡核苷酸法：特异性互补寡核苷酸法检测镰状红细胞贫血症（1）提取DNA，热处理成为单链DNA；（2）以单链DNA为模板，仅对可能发生突变的核苷酸区域设计引物进行PCR扩增后转移到滤膜上，热变性成单链；（3）分别用两种特异性互补寡核苷酸分子探针（ASO）杂交。是一种更快速、简便和高效地诊断技术第65页，讲稿共83张，创作于星期二n 基因治疗基因治疗即利用基因工程技术治疗人类遗传性疾病。（导致30的儿童死亡和60的成年人疾病的原因）理论上，将正常的人类基因克隆，并引入到遗传病患者的体细胞中，这些

38、基因都会产生蛋白，以替代、修复或纠正有缺陷的基因，有望缓解疾病进程。通常使用一种反转录病毒作为基因治疗的转移系统，无害病毒重组载体可以感染人的组织和细胞，但不自我复制！不自我复制！第66页，讲稿共83张，创作于星期二l例：基因治疗重症综合性免疫缺乏症（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（ADA缺乏症），3年后，患者50的T淋巴细胞出现新的ada基因并合成了腺苷酸脱氨酶（ada).06年美国成功治愈晚期皮肤癌患者也有失败第67页，讲稿共83张，创作于星期二 RNAi 现象的首次发现，是外源的多拷贝转基现象的首次发现，是外源的多拷贝

39、转基因被引入牵牛花后所激起的基因沉默响应，导致了因被引入牵牛花后所激起的基因沉默响应，导致了封面上的花的双色彩图案。封面上的花的双色彩图案。Argonaute是是RNAi 效应效应复合体中的标志组分，复合体中的标志组分，2004年年Science封面上登载了封面上登载了它的晶体结构。它的晶体结构。1995年，年，Andrew Fire和和Craig Mello等人发现在秀丽新小杆菌中仅需少量等人发现在秀丽新小杆菌中仅需少量dsRNA（双链（双链RNA）分子就可以抑制与）分子就可以抑制与dsRNA的同源基因的同源基因par-1表达，并将此种表达，并将此种dsRNA 触发的触发的转录后基因沉默现象

40、转录后基因沉默现象命名为命名为RNA干扰干扰（RNA interference，RNAi）。）。RNA干扰现象广泛存在于从植物、真菌、线虫、昆虫、蛙类、鸟类、干扰现象广泛存在于从植物、真菌、线虫、昆虫、蛙类、鸟类、大鼠、小鼠、猴一直到人类几乎所有的真核生物中。大鼠、小鼠、猴一直到人类几乎所有的真核生物中。RNAiRNAi的发现的发现RNA干扰技术在基因治疗中的应用前景第68页，讲稿共83张，创作于星期二 20012001年年年年NatureNature首家首家首家首家报导报导报导报导：在哺乳：在哺乳：在哺乳：在哺乳动动动动物培养物培养物培养物培养细细细细胞中通胞中通胞中通胞中通过过过过 RNA

41、iRNAi成功成功成功成功诱导诱导诱导诱导了了了了特异性靶基因表达沉默特异性靶基因表达沉默特异性靶基因表达沉默特异性靶基因表达沉默。随着随着RNARNA干干扰扰的分子生的分子生物学机制和功能的物学机制和功能的进进一步一步阐阐明，明，RNARNA干干扰扰技技术术体系的逐步建体系的逐步建立，使立，使 RNARNA干干扰扰技技术术已成功已成功应应用于用于线线虫、果虫、果蝇蝇、真菌、植物、真菌、植物及哺乳及哺乳动动物等生物的物等生物的基因功能研究基因功能研究，并在研究与治，并在研究与治疗遗传疗遗传性疾性疾病、病毒感染免疫缺陷和病、病毒感染免疫缺陷和肿肿瘤等重大疾病的瘤等重大疾病的基因治基因治基因治基因

42、治疗疗疗疗和和和和药药药药物物物物筛筛筛筛选选选选方面，具有广方面，具有广阔阔的的应应用前景。用前景。RNARNA干扰技术的应用干扰技术的应用第69页，讲稿共83张，创作于星期二In humansCancer 69%第70页，讲稿共83张，创作于星期二动动植植物物原原材材料料：生生物物生生命命过过程程中中形形成成的的材材料料，如如麻麻、棉棉、蚕丝和贝壳等蚕丝和贝壳等生生物物医医用用材材料料：植植入入人人体体内内可可起起某某种种生生物物学学功功能能的的材材料料，如胶原蛋白制成的人工血管、人工皮如胶原蛋白制成的人工血管、人工皮仿生和组织工程材料：模仿生物功能的人工合成材料仿生和组织工程材料：模仿生

43、物功能的人工合成材料n 新型生物材料-是生物材料学与材料科学的交叉科学二、生物技术与工业第71页，讲稿共83张，创作于星期二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器中中生生产产某种商品的技术。某种商品的技术。现现代代发发酵酵工工程程是是分分子子生生物物学学、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。n 微生物发酵-发酵工程第72页，

44、讲稿共83张，创作于星期二一般发酵工程包括以下一般发酵工程包括以下基本步骤基本步骤：（1）菌种选育；（通过细胞诱变或基因工程技术改造等）（2）细胞大规模培养即发酵过程；（3）生产活性的诱导；（在发酵特定阶段，用化学或物理法）（4）菌体及产物的收获（利用浓缩、吸附、过滤、离心、萃取、干燥、重结晶等手段）上游技术：指基因重组和微生物育种技术等获得工程菌 下游技术：指发酵生产、产物分离到产品制作等过程监控现现代代发发酵酵工工程程的的应应用用范范围围非非常常广广泛泛，从食品、药品（如抗生素类产品）、酶制剂、精细化工产品到许多工业用原料等等生物可降解塑料PHB（即聚羟基丁酸脂Biopol)第73页，讲稿

45、共83张，创作于星期二n n美国：用现代生物技术建成美国：用现代生物技术建成“工程微藻工程微藻”，生产柴油，生产柴油n n芬兰：用一亿欧元在南部建芬兰：用一亿欧元在南部建世界首座生物柴油加工厂世界首座生物柴油加工厂(从植物油如油菜和动物从植物油如油菜和动物脂肪中提炼柴油燃料，每年可生产脂肪中提炼柴油燃料，每年可生产1717万吨，万吨，20072007年完工并投产年完工并投产)n n全球的全球的生物柴油生物柴油年产量已超过年产量已超过350350万吨，预计万吨，预计20102010年可达年可达30003000万吨以上万吨以上n n中国中国：生物能源公司发展迅速，：生物能源公司发展迅速，海南正和生

46、物能源公司海南正和生物能源公司 四川古杉油脂化工公司四川古杉油脂化工公司 福建卓越新生物能源发展公司福建卓越新生物能源发展公司 河南相继建成了规模超过万吨的生产厂河南相继建成了规模超过万吨的生产厂等等n n优点：含硫量低、较好的低温发动机启动性能、较好的润滑性能优点：含硫量低、较好的低温发动机启动性能、较好的润滑性能n n 生物能源生物柴油由帝斯曼投资参股的天津国韵生物科技有限公司由帝斯曼投资参股的天津国韵生物科技有限公司聚羟基脂肪酸酯聚羟基脂肪酸酯(PHA)(PHA)生产基地在生产基地在天津泰达开发区开工建设。该基地为中国目前最大的聚羟基脂肪酸酯生产基地，预计天津泰达开发区开工建设。该基地为

47、中国目前最大的聚羟基脂肪酸酯生产基地，预计20092009年初可投入生产。建成后，年初可投入生产。建成后，PHAPHA年生产量可达年生产量可达1 1万吨。万吨。第74页，讲稿共83张，创作于星期二三、生物技术与农业转基因动物-1、促进动物生长、改善畜产品质量和提高抗病性2、作为生物反应器：如从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA畜牧业中的基因工程幼畜腹泻疫苗、口蹄疫疫苗（亚单位疫苗），牛、羊生长激素、纤维素酶在大肠杆菌表达，用于动物饲料第75页，讲稿共83张，创作于星期二植物基因工程在种植业的应用用携带外源基因的农杆菌Ti质粒转化植物原生质体，或直接转化，使外源DNA与植物染色体DNA

48、整合，通过原生质体的培养分化成愈伤组织，最后发育成具有新性状的完整植株转基因植物。已培育出的作物有抗化学除草剂大豆、水稻和小麦，抗虫棉、玉米和马铃薯等（转微微生生物物的的Bt基基因因，其产物可特异性毒死昆虫），抗旱、抗寒作物及花卉品种改良等等。第76页，讲稿共83张，创作于星期二转基因西红柿将多聚半乳糖醛酸酶（催化西红柿成熟的一种酶）克隆，将其互补的基因转入西红柿植株，生成互补的mRNA，使西红柿不能正常成熟。需要时，微量乙烯气体熏一次，西红柿很快即可成熟。固氮酶基因转入水稻、小麦人类DNA移到苜宿属植物生产干扰素、胰岛素、白介素2等l 环境保护等等转基因微生物吸收环境有害化合物第77页，讲稿

49、共83张，创作于星期二10.4 生物技术面临的问题与挑战基因一旦被改动，一方面可能引起生物体内一系列未知的结构与功能的变化；另一方面，转基因操作对生物体的影响会通过遗传传递。如：n 转基因技术的安全性问题MM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原癌癌基因？基因？MM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？MM是否会造成生态学灾难？是否会造成生态学灾难？MM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

50、康？第78页，讲稿共83张，创作于星期二n 克隆人的伦理问题M在克隆阶段，如果有关胚胎发育的基因重新编排或启动不完全，对新生儿可能产生什么严重后果呢？M兄弟、姐妹、父母、子女？伦理关系M器官克隆和干细胞培养和分化器官，用于医学和临床治疗？n 个人基因信息的隐私权问题，基因歧视人类基因组计划的一部分，设立了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，规定了：（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）公众与专业教育第79页，讲稿共83张，创作于星期二n 基因治疗的应用范围问题