现代科学技术概论.ppt

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1、 现代科学技术概论生命篇（二）现代生物技术第三章 现代生物技术一、生物技术的兴起二、基因工程及其应用三、细胞工程四、克隆羊技术五、生物芯片技术六、人类基因组计划七、生物技术面临的严肃课题一、生物技术的兴起生命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生物技术的显著特点：高技

2、术高效能高投入高利润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。该定义强调了生物技术的商品属性。l生物技术的定义基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质（酶）工程此外还有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、利用生物降解环境中有毒有害化合物的技术直接相关联的学科：分子生物学、微生物学、生物化

3、学、遗传学、细胞生物学、化学工程学、医药学等。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、海洋生物技术l生物技术的主要内容基因工程是指在微观领域（分子水平）中，根据分子生物学和遗传学原理，设计并实施一项把一个生物体中有用的目的DNA(遗传信息)转入另一个生物体中，使后者获得新的需要的遗传性状或表达所需要的产物，最终实现该技术的商业价值。从理论上说，包括动物、植物和微生物在内的任何物种都可以任意“杂交”，创造出兼有它们的多种特性的新种，这就意味着将来我们可理直气壮地说“物种根本不是上帝创造的，而是人创造的”。二、基因工程及其应用在生物体上“施工”基因工

4、程与建筑工程基因工程与建筑工程基因工程与建筑工程基因工程与建筑工程基因工程如何“施工”？不同种类生物的生物特性不同，其基因工程在操作上和具体技术上必然有所差异。但技术核心都是DNA的重组技术，又称为分子克隆或基因克隆（gene cloning），即利用一系列的DNA限制性内切酶、连接酶等分子手术工具，在某种生物DNA链上切下某个目标基因或特殊的DNA片段，然后根据设计要求，将其接合到受体生物的DNA链上。重组重组DNADNA操作通常包括的步骤操作通常包括的步骤 第第一一步步：获获得得需需要要的的目目的的基基因因（外源基因）（外源基因）第第二二步步：在在限限制制性性内内切切酶酶和和连连接接酶酶作

5、作用用下下与与克克隆隆载载体体相相连连接接，形成新的重组形成新的重组DNADNA分子。分子。第第三三步步：用用重重组组DNADNA分分子子转转化化受受体体细细胞胞，使使之之进进入入受受体体细细胞胞并并能能够够在在受受体体细细胞胞中中复复制制和和遗遗传。传。第第四四步步：对对转转化化子子（获获得得外外源源基基因因的的受受体体细细胞胞）进进行行筛筛选选和和鉴定。鉴定。第五步第五步：对获得外源基因的细：对获得外源基因的细胞或生物体通过发酵、细胞培胞或生物体通过发酵、细胞培养、养殖或栽培等，最终获得养、养殖或栽培等，最终获得所需要的遗传性状或表达出所所需要的遗传性状或表达出所需要的产物。需要的产物。基

6、因工程为我们带来了什么？基因工程为我们带来了什么？由于这种分子水平的操作不受物种生存隔离的限制，能按人类的需要对有利经济的性状的基因进行组合，因此具有潜在的巨大生产力和经济价值。自1973年人类在实验室的试管里成功地进行了第一例细菌不同DNA的重组以来，基因工程便一直受到人们的高度关注，技术在不断的完善，也日益显示出了其不同寻常的应用价值。l利用基因技术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。转基因生物的应用转基因生物的应用转基因动物转基因动物 转基因植物转基因植物转基因微生物转基因微生物人生长激素、表

7、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、乙肝疫苗等等例：从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA夸克博士的蔬菜水果店夸克博士的蔬菜水果店(1)(1)转基因农作物l种植业中的应用抗化学除草剂基因转基因西红柿固氮酶基因人类DNAl环境保护等等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或细胞系，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。三、细胞工程l动物细胞培养利用动物细胞工程生产一些药品

8、，如红细胞生成素、抗血友病因子、组织纤溶酶原激活物（tPA）等等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、营养食品、精细化工产品等等，利用植物细胞工程生产的商品种类繁多。l高等植物细胞培养高等植物细胞具有全能性。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。l细胞融合、细胞重组、杂交瘤技术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。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、

9、核糖体重建及线粒体装配等。杂交瘤技术是通过细胞融合产生特异杂交瘤细胞，产生单克隆抗体。四、克隆羊技术核移植，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，形成一个重建的“合子”。克隆原意是无性繁殖。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。多利的诞生.WMV277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”。几点说明几点说明任何一个高等动物的细胞或个体都有两套独立的遗传系统：一套是我们所熟知的由细胞核里的全部基因所组成的遗传系统，这是

10、主要的遗传系统，负责生物体结构和细胞绝大部分的生命活动；另一套是由细胞质里的线粒体和叶绿体的DNA所组成的细胞质遗传系统，植物的细胞质遗传系统有线粒体和叶绿体两种，动物的细胞质遗传系统只有线粒体一种。细胞质遗传系统与细胞核遗传系统有着密切的关系，但线粒体和叶绿体DNA上的基因是细胞核的染色体上所没有的，因此，细胞质遗传系统的功能不能由细胞核遗传系统来代行。由于动物的精子不为后代提供细胞质，所以高等动物的线粒体是通过母系的细胞质来遗传的，即其后代的所有线粒体都来自于母亲，与父亲无关。（1）多利并不是与母体完全一样的克隆多利的细胞核来自芬兰母羊，但线粒体DNA分析确认了多利的线粒体来自苏格兰黑面母

11、羊，由于线粒体在细胞生命活动中具有极其重要的功能，与许多生理活动密切相关，因此多利在生理上与其母体也会有明显的差异。多利的诞生显示了用生物技术复制与母体完全一样的个体的可能性：如果接受体细胞的去核卵与体细胞是来自于同一个个体，则所得的复制体的细胞质与细胞核里的基因都与母体是完全一样的，这样的克隆才是母体真实的复制品。女性有可能用自身的体细胞和自身的去核卵细胞克隆出与自己的遗传组成、生理特征完全一样的个体；而克隆技术不可能用男性的体细胞复制出与原来个体在遗传上完全相同的克隆。（2）即使是女性，也不可能复制出 与自身心理完全一样的个体心心理理的的形形成成不不仅仅与与个个人人的的遗遗传传相相关关，而

12、而且且与与个个人人的的社社会会经经历历和和社社会会环环境境密密切切相相关关。（因因此此，对对于于人人这这种种以以心心智智和和社社会会性性为为其其本本质质特特征征的的生生物物，用用克克隆隆技技术术复复制不会有任何进步的意义。）制不会有任何进步的意义。）（3）通过体细胞克隆所得到的生物体与通过正常两性生殖产生的生物体在生存能力上可能会存在差别动动物物的的体体细细胞胞的的最最多多分分裂裂次次数数是是有有限限制制的的，而而且且每每一一次次分分裂裂都都会会在在其其染染色色体体上上留留下下年年龄龄的的标标记记，这这种种母母体体的的真真实实复复制制品品的的生生理理年年龄龄也也可可能能与与它它的的实实际际出出

13、生生年年龄龄会会不不一一致致，即即克克隆隆动动物物个个体体可可能能会会出出现现早早衰衰现现象象。对对多多利利所所进进行行的的生生理理监监测测似似乎乎也表明正是如此。也表明正是如此。克隆羊的意义克隆羊的意义理理论论意意义义：证证明明已已分分化化的的高高等等动动物物的的体体细细胞胞仍仍然然具具有有潜潜在在的的遗遗传传表表达达全全能能性性，也也证证明明了了用用现现代代生生物物技技术术复复制制或或克克隆隆高高等等动动物物甚至人类的可能性。甚至人类的可能性。12生肖已经克隆了一半.doc 两种意见反对克隆人反对克隆人支持克隆人支持克隆人克隆人的问题克隆人的问题.WMV何祚庥是否应该克隆人？是否应该克隆人

14、？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体工业技术相结合的结晶。该技术系指将大量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进而获取样品分子的数量和序列信息。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。n 生物芯片技术的一般原理生物芯片之所以成为全世界科学家孜孜以求的目标的原因一个指甲大的地方就能建个实验室，诊断肝炎，医生可以一次同时测出多种病原微生物，在极短的时间内知道病

15、人被哪种微生物感染，迅速医治；想知道胎儿是否患有遗传病，只要取少量羊水或几滴父母血液，同时鉴别的遗传病达数十种甚至数千种！这个缩微实验室名叫“生物芯片”。陈竺教授说，生物芯片最终将走入千家万户。生物芯片大规模、高通量检测，使个人拥有自己的基因卡成为可能，这对预防医学极为重要。也许不久的将来，上医院看病，不仅要带病历卡，还要带芯片病历卡。盈盈方寸间，将记录你的个人遗传信息，对什么药物最敏感，医生将据此为每个人设计预防方案，通过生活方式的改变，躲开许多致命的遗传疾病的侵袭。最近两年内，基因学专家有望按照对药物的不同反应，将人分成若干类型，届时便能够准确地判定出谁适合服用哪种药。这就如同发给每人一张

16、“基因身份证”。基因身份证中包含着比人的指纹更为复杂、更有价值的东西。所有愿意获取这一身份证的人都会得到如下的信息：适合于什么药物，不适合于什么药物；自身容易感染何种疾病，而罹患某些疾病的机会则微乎其微。婴儿在呱呱坠地时候便可以得到自己的“基因身份证”。美国已有人植入人体基因芯片（“随身携带”的身份证）如果每个人在幼年时代便知道自己今后可能会患上某种重病，这是否太过残酷和宿命了？六、人类基因组计划（HGP）1990年7月，美国将人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）正式列入国家重大项目，美国国会还通过了30亿美元的研究经费正式启动这个计划，预计用15年的时间，在20

17、05年绘出人类基因图谱。继美国之后，英国、日本、法国、德国、中国等18个国家相继参与这个计划，成为重大国际合作计划。这是迄今为止在生命科学领域最宏大的研究计划，与20世纪的“阿波罗计划”和“曼哈顿工程”并列，也被称为生命“阿波罗计划”。人类基因组计划的基本的工作，就是完成全部人类基因的测序（1）遗传图谱：利用人类家族遗传史和染色体上基因交换频率的试验数据，推断任何两个已知性状的基因之间的距离，根据点测试验确定各基因在基因组中的相互位置和排列顺序。（2）物理图谱：在特定染色体区域内确定基因在染色体上的实际排列顺序，对基因定位。（3）序列图谱：进行DNA的核苷酸测序分析。找出30亿个碱基对的准确位

18、置或测出30个核苷酸的整个序列，并在基因图谱上表示出来。这相当于在北京到上海的公路旁种30亿棵树，而且是四种树，要把每一棵树的准确位置标出来。这是人类基因组计划最繁重、耗时最多的工作，是人类基因组计划的核心部分。（4）基因图谱：鉴定DNA上所有基因的位置、结构、功能，分析其作用方式，解读人类的全部遗传信息。基因是生命遗传的基本单位，人类基因组包含30亿个碱基对，绘制出人类基因组序列图就意味着掌握了探索人类“生命迷宫”的路标。这是一本人类生命的百科全书。如果把人类的全部遗传信息都破译，人类便在分子水平上看透了自己。人类基因组计划大事记人类基因组计划大事记1992年，完成了对酵母3号染色体DNA的

19、全部315357个碱基序列的测定，这是人类完成的第一条真核生物染色体DNA的全序列。1995年，获得了人类第3号、第16和第22号染色体的高密度物理图。1999年12月1日，科学家们宣布，人类第22号染色体含3.34107个碱基序列的测定已经全部完成，这是人类完成的第一条人类自身染色体的全序列测定。2000年6月26日，美国、中国等6个国家宣布，人类基因组计划的物理结构全部完成，并将公开发布，中国完成了1的测序工作。人类基因组计划大事记人类基因组计划大事记 2001年2月12日，美、日、德、法、英、中科学家首次公布人类基因组工作草图及初步的分析结果。2001年8月26日，人类基因组“中国卷”的

20、绘制工作宣告完成。2003年4月14日，中、美、日、德、法、英等国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，。从“框架图”到“完成图”，人类基因组测序范围从90提高到了99，以碱基对为基础的误差率从11000降到了110000。人类基因组计划的结果 有3点出人意料之处：一是由于技术手段的进步，科学家的工作步伐大大加快，进度一再提前，只用了10年多的时间，成为献给新世纪的厚礼。二是人类基因总数比预计的10万要少得多，只有3万至4万，仅比果蝇多2万个，这意味着破解人类基因的工复杂性可能会降低。是原以为作为万物之灵的人类，其基因会与其它物种有相当多的差异。结果发现我们人类与很多物种是“亲戚”。学者们证实，

21、人体有一半的基因与较为原始的生物如苍蝇、爬虫等是相同的，如此说来，苍蝇成了我们的“远亲”；包括中国科学家在内的一个国际科研小组经过比较后推定，人与黑猩猩在基因序列上的差异仅123%,低于原先的估计。黑猩猩成了我们的“表亲”，人只不过是站直了身子的猴子。不过我国科学家说，正是这123%基因，隐藏着关于人的高度智慧和能力的秘密，使的人与猩猩在职能、行为、心理和生理方面变得如此不同。国际人类基因组研究组织的这一结论轰动了世界。伦敦皇家协会主席罗伯特梅伊甚至断言，人体有一半基因不是与其它生物相同，而是跟香蕉相同。科学家推断：进化的实质就是给每个基因“加码”的过程。生物体越复杂，每个基因所生产的“产品”

22、就越多，它的功能就越多。人与爬虫的最大差异在于人体基因的作用比爬虫要复杂得多，而不在于基因本身的差异。七、生物技术面临的严肃问题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生物体的影响会通过遗传传递。对生物体的影响会通过遗传传递。n 转基因技术的安全性问题M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，甚至会激活原癌基因？甚至会激活原癌基因？M转转基基因因技技术术的的广广泛泛应应用用是是否否会会导导致致难难以以消消灭灭的的新新

23、病病原原物出现？物出现？M是是否否会会造造成成生生态态学学灾灾难难？人人类类生生存存环环境境异异化化的的后后果果是是什么？什么？M人人类类摄摄食食大大量量转转基基因因食食品品是是否否会会影影响响人人类类及及其其后后代代的的健康健康？基因技术的安全性.MPGn 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？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n 基因治疗的应用问题M一个人有权决定另一个人的基因结构或未来命运吗？M万一这种基因操作失败了或者造成了将来才能发现的不可挽回的缺陷和后果，谁承当责任呢？M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，这与运动员服用兴奋剂有什么本质区别？n 生物技术引发的其它问题M生物技术费用高，在自身健康上的贫富差距？M涉及人类自身发展的重要生物技术的垄断？M生物武器？M有关网站 http:/http:/