第一章生物技术概述.ppt

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1、 第一章第一章 生物技术概述生物技术概述 生物技术教研室生物技术教研室任课教师：王妍任课教师：王妍序序 言言 当今世界，我们所处的这个时代，是科学技术当今世界，我们所处的这个时代，是科学技术飞速发展、知识信息爆炸的知识经济时代，世界各飞速发展、知识信息爆炸的知识经济时代，世界各国都在相互竞争，竞争的焦点集中在科学技术上，国都在相互竞争，竞争的焦点集中在科学技术上，谁的科技发达，谁的综合国力就强大。谁的科技发达，谁的综合国力就强大。现在世界七大高新技术分别是现代生物技术、现在世界七大高新技术分别是现代生物技术、航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、新航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、

2、新能源技术和新材料技术。能源技术和新材料技术。研究人员培育的研究人员培育的“超级水稻超级水稻”.粮粮 食食 联合国粮农组织联合国粮农组织水稻研究所水稻研究所(菲菲,马马尼拉尼拉)。绿色革命绿色革命 资资 源源 矿物能源矿物能源(石油石油 煤煤)必将枯竭必将枯竭,生物能源生物能源已在已在开发之中。开发之中。很多不起眼的生物很多不起眼的生物,很很可能就是可能就是药物、材料药物、材料等等的宝贵资源。的宝贵资源。图为墨西哥荒原中的图为墨西哥荒原中的仙仙人掌类人掌类植物。植物。防辐射、降压、血凝等作用防辐射、降压、血凝等作用 一个一个20 20 米直径的水米直径的水池年产池年产 4 4 吨吨藻类藻类,加

3、工加工后可得相当于后可得相当于3000 3000 升升柴油的燃料。柴油的燃料。一英亩一英亩三角大戟三角大戟可生可生产相当于产相当于 50 50 吨石油的吨石油的燃料。燃料。图为图为生长在淡水和海水中的一种硅藻生长在淡水和海水中的一种硅藻 环环 境境 这是最早一份关这是最早一份关于环境对生物种群于环境对生物种群影响的研究。影响的研究。工业化前英国乡村有很多工业化前英国乡村有很多白色蛾子白色蛾子停在布满淡色停在布满淡色苔藓的树皮上，不易被鸟发现；苔藓的树皮上，不易被鸟发现；工业化后，工业化后，黑色蛾子黑色蛾子逐渐取而代之，因为黑烟污逐渐取而代之，因为黑烟污染了环境，黑色蛾子更易藏身。染了环境，黑色

4、蛾子更易藏身。工人正在向被工人正在向被石油污染石油污染的海滩喷洒营养液，促使吃石油的的海滩喷洒营养液，促使吃石油的细细菌菌长起来。长起来。其中生物技术列在首位，生物技术之所以令世界各国如此重其中生物技术列在首位，生物技术之所以令世界各国如此重视，是因为它是解决人类所面临的视，是因为它是解决人类所面临的最重大的最重大的问题和挑战问题和挑战n人口膨胀；人口膨胀；n粮食短缺；粮食短缺；n疾病危害；疾病危害；n环境污染；环境污染；n能源危机；能源危机；n资源匮乏；资源匮乏；n生态平衡破坏；生态平衡破坏；n生物物种大量消亡。生物物种大量消亡。解决人类生存与发展所面临的一系列重大问题，在很大程度上将依赖于

5、解决人类生存与发展所面临的一系列重大问题，在很大程度上将依赖于生命科学的发展。生命科学对人类经济、科技、政治和社会发展的作用是生命科学的发展。生命科学对人类经济、科技、政治和社会发展的作用是全方位全方位全方位全方位的。的。19801980年以来，世界著名大学如年以来，世界著名大学如MITMIT等，纷纷等，纷纷把生物类课程列为把生物类课程列为全校必修课全校必修课.19951995年以后，国内重点大学陆续把生物类课年以后，国内重点大学陆续把生物类课程列为程列为全校非生物类专业大学生的限选或必修课全校非生物类专业大学生的限选或必修课程。程。这是因为人们意识到，这是因为人们意识到，2121世纪将是生世

6、纪将是生命科学的世纪，命科学的世纪，面向面向2121世纪的大学生应有世纪的大学生应有生命科学基础，而不应该成为生命科学基础，而不应该成为“生物盲生物盲”。n细胞是生物的基本组成单位细胞是生物的基本组成单位(病毒除外病毒除外)n新陈代谢、生长和运动是生命的基本功能新陈代谢、生长和运动是生命的基本功能 物理运动物理运动化学运动化学运动生命运动生命运动 生命通过繁殖而延续生命通过繁殖而延续,DNADNA是生物遗传的基本是生物遗传的基本物质。物质。漂亮的漂亮的模特模特 遗传学家遗传学家“中心法则中心法则”n 生物具有个体发育和系统进化的历史生物具有个体发育和系统进化的历史生物对外界可产生应激反应，对环

7、境有适应性生物对外界可产生应激反应，对环境有适应性生命生命(生物体生物体)的基本特征的基本特征 1 1、细胞是生物的基本组成单位、细胞是生物的基本组成单位(病毒除外病毒除外)2 2、新陈代谢、生长和运动是生命的基本功能、新陈代谢、生长和运动是生命的基本功能 3 3、生命通过繁殖而延续，、生命通过繁殖而延续，DNADNA是生物遗传的基本物是生物遗传的基本物质质 4 4、生物具有个体发育和系统进化的历史、生物具有个体发育和系统进化的历史 5 5、生物对外界可产生应激反应和自我调节，对环境、生物对外界可产生应激反应和自我调节，对环境具有适应性具有适应性 在在 20世纪世纪90年代初，年代初，“21世

8、纪是生命科学的世纪是生命科学的世纪世纪”，还是科学家的预言，仅仅十年的发展，在，还是科学家的预言，仅仅十年的发展，在刚刚进入刚刚进入21世纪，这个预言正在变成现实。世纪，这个预言正在变成现实。圣经圣经载，上帝在创世纪中创造了果木、动物和载，上帝在创世纪中创造了果木、动物和人；人；21世纪人类将成为造物主，因为基因的发现使世纪人类将成为造物主，因为基因的发现使人类能够改变生命并创造生命。人类能够改变生命并创造生命。人类文明发展的三次技术革命：人类文明发展的三次技术革命：生物技术革命生物技术革命生物技术革命生物技术革命21212121世纪：创造生命世纪：创造生命世纪：创造生命世纪：创造生命 ！信息

9、革命信息革命信息革命信息革命20202020世纪：解放大脑世纪：解放大脑世纪：解放大脑世纪：解放大脑工业革命工业革命工业革命工业革命19191919世纪：解放双手世纪：解放双手世纪：解放双手世纪：解放双手 生物学经历了三个发展阶段：生物学经历了三个发展阶段：描述生物学阶段描述生物学阶段 (19(19世纪中叶以前世纪中叶以前)从传统生物学到现代生命科学从传统生物学到现代生命科学 生命科学能够迎接生命科学能够迎接2121世纪的挑战世纪的挑战 实验生物学阶段实验生物学阶段(19(19世纪中到世纪中到2020世纪中世纪中)创造生物学阶段创造生物学阶段 (20(20世纪中叶以后世纪中叶以后)(1)(1)

10、描述生物学阶段描述生物学阶段(19(19世纪中叶以前世纪中叶以前)主要从外部形态特征观察、描述、记载各主要从外部形态特征观察、描述、记载各种类型生物，寻找他们之间的异同和进化种类型生物，寻找他们之间的异同和进化脉络。脉络。达尔文达尔文 物种起源物种起源(1859)(1859)(2)(2)实验生物学阶段实验生物学阶段(19(19世纪中到世纪中到2020世纪中世纪中)利用各种仪器工具，通过实验过程，利用各种仪器工具，通过实验过程，探索生命活动的内在规律。探索生命活动的内在规律。巴斯德巴斯德在在实验室里实验室里 “自生说自生说”是一个古老的学说，认为一切生物是自然发生的。认为一切生物是自然发生的。到

11、了17世纪，虽然由于研究植物和动物的生长发育和生活循环，使“自生说”逐渐削弱，但是由于技术问题，如何证实微生物不是自然发生的仍然是一个难题，这不仅是“自生说”的一个顽固阵地，同时也是人们正确认识微生物生命活动的一大屏障。巴斯德巴斯德在前人工作的基础上，进行了许多试验，其中著名的曲颈曲颈瓶试验瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物，它们引起有机质的空气内确实含有微生物，它们引起有机质的腐败。腐败。巴斯德自制了一个具有细长而弯曲的颈的玻瓶，其中盛有有机物水浸液，经加热灭菌后，瓶内可一直保持无菌状态，有机物不发生腐败，因为弯曲的瓶颈阻挡了外面空气中微生物直达有机物浸液内，一旦将瓶颈打断，瓶内浸液

12、中才有了微生物，有机质发生腐败。巴斯德的实验彻底否定了“自生说”，并从此建立了病原学说建立了病原学说，推动了微生物学的发展。(3)(3)创造生物学阶段创造生物学阶段(20(20世纪中叶以后世纪中叶以后)分子生物学和基因工程的发展使人分子生物学和基因工程的发展使人们有可能们有可能“创造创造”新的物种。新的物种。沃沃生生和和克克里里克克在在讨讨论论D DNNA A双双螺螺旋旋模模型型第第一一例例基基因因工工程程实实验验含有荧光水母基因的小猪含有荧光水母基因的小猪美国密苏里大学最近通过克隆技美国密苏里大学最近通过克隆技术培育出四只含有荧光水母基因的术培育出四只含有荧光水母基因的小猪。小猪。左为荧光小

13、猪，右为正常小猪左为荧光小猪，右为正常小猪悠游的奇幻精灵悠游的奇幻精灵水母水母 生物技术的定义生物技术的定义n19821982年，国际合作与发展组织年，国际合作与发展组织(ICDO)(ICDO)对生物技术对生物技术进行了定义：进行了定义：即应用自然科学及工程学原理，依即应用自然科学及工程学原理，依靠微生物、动物体、植物体作为生物反应器，将靠微生物、动物体、植物体作为生物反应器，将原料加工以提供产品来为社会服务的技术。原料加工以提供产品来为社会服务的技术。n美国政府技术顾问委员会美国政府技术顾问委员会(OATOAT)的定义：的定义：应用生应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技物或来自生

14、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。和利用微生物改良环境的技术。一、概述一、概述1 1、生物技术概念、生物技术概念P1P1：生物技术，有时也称为生：生物技术，有时也称为生物工程，是以物工程，是以现代生命科学现代生命科学为基础，运用先进为基础，运用先进的科学原理和的科学原理和工程技术工程技术手段按预先的设计来加手段按预先的设计来加工或改造工或改造生物材料生物材料从而产生出人类需要的从而产生出人类需要的产品产品或达到某种目的。或达到某种目的。化学工程、基因化学工程、基因工程、控制工程、工程、

15、控制工程、环境工程等环境工程等与人类健康、与人类健康、农业、资源、农业、资源、能源、环境能源、环境基因、细胞、基因、细胞、有用物、个体有用物、个体或个体的一部或个体的一部分分植物学、动物植物学、动物学、遗传学、学、遗传学、分子生物学、分子生物学、微生物学等微生物学等粮食、医药、粮食、医药、食品、能源、食品、能源、金属等金属等生命科学生命科学工程科学工程科学生物技术生物技术(生物工程生物工程)研究领域研究领域基因基因工程工程细胞细胞工程工程酶工酶工程程发酵发酵工程工程分离分离工程工程蛋白质蛋白质工程工程服务领域服务领域人类人类健康健康农业农业资源资源能源能源环境环境食品食品化学化学设备设备传统生

16、物技术传统生物技术：是指通过微生物的初级发酵来是指通过微生物的初级发酵来生产产品，包括酱、醋、酒、面包、奶酪、酸生产产品，包括酱、醋、酒、面包、奶酪、酸奶等传统制造工艺。奶等传统制造工艺。现代生物技术：现代生物技术：2020世纪世纪7070年代末年代末8080年代初年代初,以现以现代生物学研究成果为基础，以基因工程为核心代生物学研究成果为基础，以基因工程为核心的新兴学科。的新兴学科。生物技术生物技术 DNADNA重组技术重组技术的发展改变了生物技术的本的发展改变了生物技术的本质，现代生物技术应运而生。质，现代生物技术应运而生。现代生物技术生命科学工程技术其他相关学科现代生物技术现代生物技术n1

17、9531953年，年，WatsonWatson和和CrickCrick发现发现DNADNA双螺旋双螺旋分子结构。分子结构。现代生物技术现代生物技术n19731973年，年，BoyerBoyer和和CohnCohn实现了实现了DNADNA体外重组。体外重组。n“基因克隆基因克隆”策略。策略。n传统与现代生物技术的区别传统与现代生物技术的区别n古代传统生物技术和近代生物技术古代传统生物技术和近代生物技术(旧有的制造酱、酒、旧有的制造酱、酒、面包、奶酪、面包、奶酪、酸奶及其它食品的传统工艺。酸奶及其它食品的传统工艺。)只是利只是利用现有的生物类型或生物机能为人类服务，而现代生用现有的生物类型或生物机

18、能为人类服务，而现代生物技术物技术(5(5大工程大工程)是按照人们的意愿创造全新的生物类是按照人们的意愿创造全新的生物类型和生物机能，造福于人类。它是人类在建立实用生型和生物机能，造福于人类。它是人类在建立实用生物技术中从必然王国走向自由王国，从等待大自然的物技术中从必然王国走向自由王国，从等待大自然的恩赐转向索取的质的飞跃。恩赐转向索取的质的飞跃。（1 1）以制酒、食品加工、农业、畜牧业为主的）以制酒、食品加工、农业、畜牧业为主的作作坊式生物技术坊式生物技术。（2 2）以抗生素为代表，发酵工程为主要技术的）以抗生素为代表，发酵工程为主要技术的工工业化生物技术业化生物技术。（3 3）以基因工程

19、为主的）以基因工程为主的现代生物技术现代生物技术。生物技术发展经历的三个阶段：生物技术发展经历的三个阶段：生物技术的内容生物技术的内容n基因工程技术基因工程技术n细胞（组织）工程技术细胞（组织）工程技术n酶工程技术酶工程技术n发酵工程技术发酵工程技术n蛋白质工程技术蛋白质工程技术第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理第二节第二节 细胞工程操作原理细胞工程操作原理第三节第三节 酶工程酶工程第四节第四节 发酵工程发酵工程第五节第五节 蛋白质工程蛋白质工程第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理一、基因工程的概念一、基因工程的概念 利利用用DNA体体外外重重组组或或PCR扩扩增增技技术

20、术从从某某种种生生物物基基因因组组中中分分离离感感兴兴趣趣的的基基因因，或或是是用用人人工工合合成成的的方方法法获获取取基基因因，然然后后经经过过一一系系列列切切割割，加加工工修修饰饰，连连接接反反应应形形成成重重组组DNA分分子子，再再将将其其转转入入适适当的受体细胞，以期获得基因表达的过程。当的受体细胞，以期获得基因表达的过程。二、基因工程技术及其应用二、基因工程技术及其应用第二节第二节 细胞工程细胞工程细胞工程：细胞工程：是指以细胞为对象，应用生命科学理是指以细胞为对象，应用生命科学理论，借助工程学原理与技术，有目的地利用或改论，借助工程学原理与技术，有目的地利用或改造生物遗传特性，以获

21、得特定的细胞、组织产品造生物遗传特性，以获得特定的细胞、组织产品或新型物种的一门综合性科学技术。或新型物种的一门综合性科学技术。一、什么是细胞工程一、什么是细胞工程细胞工程与基因工程一起代表着生物技术最新的细胞工程与基因工程一起代表着生物技术最新的发展前沿，伴随着试管植物、试管动物、转基因发展前沿，伴随着试管植物、试管动物、转基因生物反应器生物反应器等相继问世，细胞工程在生命科学、等相继问世，细胞工程在生命科学、农业、医药、食品、环境保护等领域发挥着越来农业、医药、食品、环境保护等领域发挥着越来越重要的作用。越重要的作用。细胞（组织）工程细胞（组织）工程 利用工程学原理进行细胞生物学的基础利用

22、工程学原理进行细胞生物学的基础研究和制造使用活细胞的产品，如组织工程研究和制造使用活细胞的产品，如组织工程和生物加工工程。前者是利用移植的细胞、和生物加工工程。前者是利用移植的细胞、骨架、骨架、DNA、蛋白质或蛋白质片段替代或修蛋白质或蛋白质片段替代或修复已受伤或损坏的组织和器官；后者是利用复已受伤或损坏的组织和器官；后者是利用活细胞生产生物医药产品。活细胞生产生物医药产品。组织工程组织工程人造器官人造器官 干细胞：干细胞：1999年年4月，月，美国的科研人员首次成功美国的科研人员首次成功地从成年人骨髓的干细胞在体外培养分化出软骨、地从成年人骨髓的干细胞在体外培养分化出软骨、脂肪和骨骼细胞。标

23、志着干细胞的研究取得了重大脂肪和骨骼细胞。标志着干细胞的研究取得了重大进展。进展。以这项技术为代表的组织工程的突破具有广阔以这项技术为代表的组织工程的突破具有广阔的应用前景，在不远的将来为实现人造的应用前景，在不远的将来为实现人造“器官器官”成成为可能。为可能。原理：原理：先用一种高分子材料先用一种高分子材料聚羟基乙酸做成聚羟基乙酸做成“人耳人耳”的的模型支架，然后让人体的软骨模型支架，然后让人体的软骨组织细胞在这个支架上繁殖生组织细胞在这个支架上繁殖生长。一周以后，在裸鼠的背上长。一周以后，在裸鼠的背上割开一个口子，将培育过的这割开一个口子，将培育过的这个个“人耳人耳”模子植入缝合，软模子植

24、入缝合，软骨组织的细胞不断增殖，聚羟骨组织的细胞不断增殖，聚羟基乙酸做成的支架慢慢地被机基乙酸做成的支架慢慢地被机体降解吸收，使体降解吸收，使“人耳人耳”和裸和裸鼠融为一体。鼠融为一体。在培育多莉的过程中，科学家采用体细胞克隆技在培育多莉的过程中，科学家采用体细胞克隆技术，主要分四个步骤进行：术，主要分四个步骤进行：从一只六岁雌性的芬兰多塞特白面绵羊的从一只六岁雌性的芬兰多塞特白面绵羊的乳腺中取出乳腺乳腺中取出乳腺细胞细胞，将其放入低浓度的培养液，将其放入低浓度的培养液中，细胞逐渐停止分裂，此细胞称之为供体细胞。中，细胞逐渐停止分裂，此细胞称之为供体细胞。从一头苏格兰黑面母绵羊的从一头苏格兰黑

25、面母绵羊的卵巢卵巢中取出未中取出未受精受精的的卵细胞卵细胞，并立即将，并立即将细胞核细胞核除去，留下一个除去，留下一个无核的卵细胞，此细胞称之为受体细胞。无核的卵细胞，此细胞称之为受体细胞。利用电脉冲方法，使供体细胞和受体细胞融合，最后形成融合细胞。融利用电脉冲方法，使供体细胞和受体细胞融合，最后形成融合细胞。融合细胞也能像受精卵一样进行细胞分裂、分化，从而形成合细胞也能像受精卵一样进行细胞分裂、分化，从而形成胚胎胚胎细胞。细胞。将胚胎细胞转移到另一只苏格兰黑面母绵羊的子宫内，胚胎细胞进一步将胚胎细胞转移到另一只苏格兰黑面母绵羊的子宫内，胚胎细胞进一步分化和发育，最后形成小绵羊多莉。分化和发育

26、，最后形成小绵羊多莉。第三节第三节 酶工程酶工程酶酶是一种在生物体内具有新陈代谢催化剂作用的蛋是一种在生物体内具有新陈代谢催化剂作用的蛋白质。具有反应效率高、条件温和、反应产物污染白质。具有反应效率高、条件温和、反应产物污染小、能耗低和反应易控制等特点。小、能耗低和反应易控制等特点。酶工程酶工程又称酶工艺学，就是利用酶的催化作用，利又称酶工艺学，就是利用酶的催化作用，利用酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等，通用酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等，通过工程学的手段，在一定的生物反应器中，将相应过工程学的手段，在一定的生物反应器中，将相应的原料转化成所需要的产品。的原料转化成所需要的产品。

27、一、酶工程的概念和内容一、酶工程的概念和内容n传统的酶工程主要是指天然酶制剂在工业上的大传统的酶工程主要是指天然酶制剂在工业上的大规模生产与应用。随着科学的发展，尤其是基因规模生产与应用。随着科学的发展，尤其是基因工程技术的日趋完善，为酶工程赋予了新的内容，工程技术的日趋完善，为酶工程赋予了新的内容，特别是利用特别是利用DNA操作技术，修饰改造酶分子的结操作技术，修饰改造酶分子的结构或活性位点、酶与底物作用位点，重组酶的生构或活性位点、酶与底物作用位点，重组酶的生产，模拟酶的人工设计与合成等成为新的内容。产，模拟酶的人工设计与合成等成为新的内容。酶工程的主要内容酶工程的主要内容n酶的分离纯化酶

28、的分离纯化n酶与细胞的固定化技术及反应器酶与细胞的固定化技术及反应器n酶制剂的发酵生产酶制剂的发酵生产n酶分子化学修饰、遗传突变及结构改造酶分子化学修饰、遗传突变及结构改造n酶抑制剂与激活剂开发与研究酶抑制剂与激活剂开发与研究n人工设计与合成模拟酶及酶分子人工设计与合成模拟酶及酶分子 酶工程的应用主要集中于食品工业、酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业、医药工业和临床诊断等方面。轻工业、医药工业和临床诊断等方面。18571857年年，法法国国微微生生物物学学家家巴巴斯斯德德发发现现了了发发酵酵原原理理，人人们们才才认认识识到到发发酵酵是是微微生生物物活活动的结果。动的结果。第四节第四节 发酵

29、工程发酵工程发酵工程发酵工程n 发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。工程。n 现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多且生产胰岛素、干扰素、生长激素、

30、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。发酵工程：发酵工程：是指利用微生物的特定性状，通过是指利用微生物的特定性状，通过现代化工程技术，在生物反应器中生产有用物质的现代化工程技术，在生物反应器中生产有用物质的一种技术系统，或直接把微生物应用于工业生产过一种技术系统，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。程的一种新技术。发酵工程的内容包

31、括菌种的选育、培养基的配发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。离提纯等方面。一、发酵工程的概念和内容一、发酵工程的概念和内容二、工业发酵步骤和工艺流程二、工业发酵步骤和工艺流程(1)(1)用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制(2)(2)培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌(3)(3)将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发酵罐中将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发酵罐中(4)(4)将接种到发酵罐中

32、的菌株控制在最适条件下生长并形成将接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生长并形成代谢产物代谢产物(5)(5)将产物抽提并进行精制，以得到合格的产品将产物抽提并进行精制，以得到合格的产品(6)(6)回收或处理发酵过程中产生的废物和废水回收或处理发酵过程中产生的废物和废水菌种筛选菌种筛选摇瓶试验摇瓶试验发酵罐试验发酵罐试验发酵工程由三部分组成：发酵工程由三部分组成：1 1、上游工程上游工程:包括利用常规方法、基因工程方法、包括利用常规方法、基因工程方法、细胞工程方法等选育优良种株，最适发酵条件的确细胞工程方法等选育优良种株，最适发酵条件的确定，营养物的准备等。定，营养物的准备等。2 2、发酵工艺发

33、酵工艺：主要指在最适发酵条件下，发酵罐中：主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。3 3、下游工程下游工程：指从发酵液中分离和纯化产品的技术。：指从发酵液中分离和纯化产品的技术。第五节第五节 蛋白质工程蛋白质工程n 蛋白质是蛋白质是生命生命的体现者，离开了蛋白质，生命将不复的体现者，离开了蛋白质，生命将不复存在。可是，生物体内存在的天然蛋白质，有的往往不尽存在。可是，生物体内存在的天然蛋白质，有的往往不尽人意，需要进行改造。由于蛋白质是由许多人意，需要进行改造。由于蛋白质是由许多氨基酸氨基酸按一定按一定顺序连接而成的，每一种蛋

34、白质有自己独特的氨基酸顺序，顺序连接而成的，每一种蛋白质有自己独特的氨基酸顺序，所以改变其中关键的氨基酸就能改变蛋白质的性质。而氨所以改变其中关键的氨基酸就能改变蛋白质的性质。而氨基酸是由三联体密码决定的，只要改变构成遗传密码的一基酸是由三联体密码决定的，只要改变构成遗传密码的一个或两个碱基就能达到改造蛋白质的目的。个或两个碱基就能达到改造蛋白质的目的。n 蛋白质工程的一个重要途径就是根据人们的蛋白质工程的一个重要途径就是根据人们的需要，对负责编码某种蛋白质的基因重新进行设需要，对负责编码某种蛋白质的基因重新进行设计，使合成的蛋白质变得更符合人类的需要，计，使合成的蛋白质变得更符合人类的需要，

35、甚甚至是自然界不存在的蛋白质。至是自然界不存在的蛋白质。蛋蛋白白质质工工程程是是以以蛋蛋白白质质结结构构功功能能关关系系的的知知识识为为基基础础，通通过过周周密密的的分分子子设设计计，把把蛋蛋白白质质改改造造为为合合乎乎人人类类需需要要的的新新的的突突变变蛋蛋白白质质。蛋白质工程也被称为蛋白质工程也被称为第二代基因工程第二代基因工程。一、什么是蛋白质工程一、什么是蛋白质工程n蛋白质工程是在基因重组技术、蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学生物化学、分子生物学分子生物学、分子遗传学分子遗传学等学科的基础之上，融合了蛋白质晶体学、蛋等学科的基础之上，融合了蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计

36、算机辅助设计等多学科而发白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域。其内容主要有两个方面：根据需展起来的新兴研究领域。其内容主要有两个方面：根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；确定蛋要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系。在此基白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系。在此基础之上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物础之上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能，设计合成具有特定生物功能的全新的蛋白质，这也功能，设计合成具有特定生物功能的全新的蛋白质，这也是蛋白质工程最根本的目标之

37、一。是蛋白质工程最根本的目标之一。n基因工程是核心基因工程是核心，带动其他四大工程的发展，四，带动其他四大工程的发展，四大工程的发展又促使基因工程发展更迅猛。基因工大工程的发展又促使基因工程发展更迅猛。基因工程和细胞工程看作生物工程的上流处理技术，将发程和细胞工程看作生物工程的上流处理技术，将发酵工程和酶工程看作生物工程的下流处理技术。基酵工程和酶工程看作生物工程的下流处理技术。基因工程、细胞工程和发酵工程中所需的酶往往是通因工程、细胞工程和发酵工程中所需的酶往往是通过酶工程来获得的。过酶工程来获得的。五大工程间的关系五大工程间的关系优良动植物品系动、植物个体或细胞基因工程微生物工程菌产品细胞

38、工程发酵工程蛋白质或酶工程蛋白质或酶第六节第六节 生物技术的应用生物技术的应用现代生物技术前景现代生物技术前景n生物技术的基本特征：生物技术的基本特征：n高效益高效益，可带来高额利润。，可带来高额利润。n高智力高智力，具有创造性和突破性。，具有创造性和突破性。n高投入高投入，前期需要投入大量资金。，前期需要投入大量资金。n高竞争高竞争，时效性的竞争非常强烈。，时效性的竞争非常强烈。n高风险高风险。n高势能高势能 。伴随着生命科学的新突破，现代生物伴随着生命科学的新突破，现代生物技术已经广泛地应用于工业、农牧业、医技术已经广泛地应用于工业、农牧业、医药、环保等众多领域，产生了巨大的经济药、环保等

39、众多领域，产生了巨大的经济和社会效益。和社会效益。根据其用途不同可分为三大类，即根据其用途不同可分为三大类，即基因基因工程药物、工程药物、生物疫苗、生物诊断与基因。生物医药行业特征：生物疫苗、生物诊断与基因。生物医药行业特征：(1)(1)高技术高技术(2)(2)高投入高投入(3)高风险高风险(4)高收益高收益一、生物技术在医药卫生方面的应用一、生物技术在医药卫生方面的应用n人类健康：提高生命质量、延长人类寿命人类健康：提高生命质量、延长人类寿命n1)1)开发制造奇特而又贵重的新型药品开发制造奇特而又贵重的新型药品 n19771977年，美国首先采用大肠杆菌生产了人类第一个基因工年，美国首先采用

40、大肠杆菌生产了人类第一个基因工程药物程药物-人生长激素释放抑制激素人生长激素释放抑制激素 n2)2)疾病的预防和诊断疾病的预防和诊断19981998年初，美国食品和药物管理局（年初，美国食品和药物管理局（FDAFDA）批准了首个艾）批准了首个艾滋病疫苗进入人体试验。滋病疫苗进入人体试验。nDNADNA探针，主要用来诊断遗传性疾病和传染性疾病。探针，主要用来诊断遗传性疾病和传染性疾病。n3)3)基因治疗基因治疗n19901990年年9 9月，美国月，美国FADFAD批准了用批准了用AIJA(AIJA(腺昔脱氨腺昔脱氨酶酶)基因治疗严重联合型免疫缺陷病基因治疗严重联合型免疫缺陷病(一种单基一种单基

41、因遗传病因遗传病)，并取得了较满意的结果。，并取得了较满意的结果。现现代代生生物物技技术术除除了了可可培培育育高高产产抗抗寒寒等等作作物物品品系系外外，还还可可培培育育品品质质好好、营营养养价价值值高高的的新新品品种种。还还可可用用转转基基因因技技术术获获得得优优良良品品种种。另另外外生生物物农农药药的的使使用用，能能够更加安全有效的预防病虫害。够更加安全有效的预防病虫害。生生物物农农药药：是是指指利利用用生生物物活活体体或或其其代代谢谢产产物物对对害害虫虫、病病菌菌、杂杂草草、线线虫虫、鼠鼠类类等等有有害害生生物物进进行行防防治治的的一一类类农农药药制制剂剂，或或者者是是通通过过仿仿生生合合

42、成成具具有有特特异异作作用的农药制剂。用的农药制剂。二、生物技术在农业方面应用二、生物技术在农业方面应用n普通大米实际上不是普通大米实际上不是“健康食品健康食品”。n大大米米中中含含有有一一种种叫叫做做肌肌醇醇六六磷磷酸酸的的小小分分子子，它它能能与与铁铁紧紧紧紧地地结结合合，使使得得小小肠肠难难以以吸吸收收食食物物中的铁；中的铁；n以以大大米米为为主主食食的的人人，易易患患铁铁缺缺乏乏症症而而导导致致贫贫血血哪种大米更有益身体健康？n转基因水稻转基因水稻 n“金金大大米米”：转转入入胡胡萝萝卜卜素素合合成成相相关关基基因因提提高高大大米米中中维维生生素素A A前前体体的的含含量量，以以减减少

43、少亚亚洲洲人人普普遍遍存存在在的的维维生生素素A A缺缺乏症乏症n解决铁吸收的问题，往解决铁吸收的问题，往“金大米金大米”中再转入三种基因：中再转入三种基因：n一一种种是是来来自自真真菌菌的的酶酶基基因因，这这种种酶酶能能够够把把肌肌醇醇六六磷磷酸酸降解掉；降解掉；n一种是来自菜豆的铁蛋白基因，铁蛋白能够储存铁；一种是来自菜豆的铁蛋白基因，铁蛋白能够储存铁；n还还有有一一种种是是来来自自印印度度香香米米的的基基因因，它它生生产产的的蛋蛋白白质质有有助于人的肠道吸收铁助于人的肠道吸收铁（1 1）污污水水的的生生物物净净化化：污污水水中中的的有有毒毒物物质质的的成成分分十十分分复复杂杂，包包括括各

44、各种种酚酚类类、氰氰化化物物、重重金金属属、有有机机磷磷、有有机机汞汞、有有机机酸酸、醛醛、醇醇及及蛋蛋白白质质等等等等。可可以以解解除除污污水水的的毒毒害害作作用用，从从而而使使污污水水中中的的有有毒毒物物质质转转化化为为有有益益的的无无毒毒物物质质，使使污污水水得得到到净净化化。当当今今固固定定化化酶酶和和固固定定化化细细胞胞技技术术处处理理污污水水就就是是生生物净化污水的方法之一。物净化污水的方法之一。三、生物技术在保护环境方面应用三、生物技术在保护环境方面应用（2 2）污污染染土土壤壤的的生生物物净净化化：重重金金属属污污染染是是造造成成土土壤壤污污染染的的主主要要污污染染物物。重重金

45、金属属污污染染的的生生物物修修复复是是利利用用生生物物(主主要要是是微微生生物物、植植物物)作作用用，削削减减、净净化化土土壤壤中中重重金金属属或或降降低低重重金金属属的的毒毒性性。其其原原理理是是:通通过过生生物物作作用用(如如酶酶促促反反应应)改改变变重重金金属属在在土土壤壤中中的的化化学学形形态态，使使重重金金属属固固定定或或解解毒毒，降降低低其其在在土土壤壤环环境境中中的的移移动动性性和和生生物物可可利利用用性性，通通过过生生物物吸吸收收、代代谢谢达达到到对重金属的削减、净化与固定作用。对重金属的削减、净化与固定作用。（3 3）白白色色污污染染的的清清除除：废废弃弃塑塑料料和和农农用用

46、地地膜膜经经久久不不化化解解，估估计计是是形形成成环环境境污污染染的的重重要要成成分分。塑塑料料在在土土壤壤中中残残存存会会引引起起农农作作物物减减产产，利利用用生生物物工工程程技技术术一一方方面面可可以以广广泛泛地地分分离离筛筛选选能能够够降降解解塑塑料料和和农农膜膜的的优优势势微微生生物物、构构建建高高效效降降解解菌菌，另另一一方方面面可可以以分分离离克克隆隆降降解解基基因因并并将将该该基基因因导导入入某某一一土土壤壤微微生生物物(如如：根根瘤瘤菌菌)中中，使使两两者者同同时时发发挥挥各各自自的的作作用用。（4 4）化化学学农农药药污污染染的的清清除除：一一般般情情况况下下，使使用用的的化化学学杀杀虫虫剂剂约约80%80%会会残残留留在在土土壤壤中中，特特别别是是氯氯代代烃烃类类农农药药是是最最难难分分解解的的，经经生生态态系系统统造造成成滞滞留留毒毒害害作作用用。所所谓谓生生物物农农药药它它们们多多是是生生物物体体的的代代谢谢产产物物，主主要要包包括括微微生生物物杀杀虫虫剂剂、农农用用抗抗生生素素制制剂剂和和微微生生物物除除草草剂剂等等。