1、Bioengineering = Biotechnology生物技术生物技术 = 生物工程生物工程 甜菜甜菜 (Sugar Beet)“Any product produced from raw materials with the aid of living organisms.”“在生物体的帮助下，将原材料转化成任何产品的过程在生物体的帮助下，将原材料转化成任何产品的过程”Karl Ereky “甜菜养猪甜菜养猪”的的“生物技术生物技术”古代中国古代中国“酿造酿造”的的“生物技术生物技术” )Fleming “制造青霉素制造青霉素”的的“生物技术生物技术”物料物料生物体生物体产品产品生物技
2、术生物技术Biotechonology生物技术发展史生物技术发展史阶段阶段时期时期名称名称技术特征技术特征典型产品典型产品第一阶段第一阶段远古时期远古时期1900传统生物技术传统生物技术酿造技术酿造技术酒、醋、酱油、酸奶等酒、醋、酱油、酸奶等第二阶段第二阶段19001970s近代生物技术近代生物技术微生物发酵技术微生物发酵技术抗生素、氨基酸、丙酮、抗生素、氨基酸、丙酮、甘油、柠檬酸、淀粉酶、甘油、柠檬酸、淀粉酶、等等第三阶段第三阶段1970s以后以后现代生物技术现代生物技术基因工程基因工程细胞工程细胞工程发酵工程发酵工程酶工程酶工程蛋白质工程蛋白质工程基因工程药物、新型酶基因工程药物、新型酶制
3、剂、新型发酵产品、制剂、新型发酵产品、新物种、转基因动物、新物种、转基因动物、新型生物反应器等新型生物反应器等Antonie Philips vanLeeuwenhoek1632 1723汉逊汉逊Emil Christian Hansen (1842 1909) 丹麦真菌学家、发酵生理学家丹麦真菌学家、发酵生理学家布雷菲尔德布雷菲尔德Julius Oscar Brefeld (1839 1925)德国植物学家、真菌学家德国植物学家、真菌学家约瑟夫约瑟夫李斯特李斯特JosephLister(18271912)英国外科医生英国外科医生 罗伯特罗伯特科赫科赫Robert Koch(1843-1910
4、)德国医生和细菌学家德国医生和细菌学家 菌株菌株筛选筛选发酵发酵转化转化下游下游处理处理第一步第一步第二步第二步第三步第三步如何筛选到一个高效、稳定产生如何筛选到一个高效、稳定产生目的产物的优良菌株？目的产物的优良菌株？ 自然界分离自然界分离 诱变：物理、化学诱变：物理、化学 筛选困难筛选困难 稳定性差稳定性差只能用于原核细胞只能用于原核细胞建立基因工程技术（重组建立基因工程技术（重组DNA技术），技术），获得获得1980年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖Michael Smith建立基因定位突变建立基因定位突变技术，获得技术，获得1993年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖Kary B. Mullis建立
5、建立了了PCR技术技术 ，获得，获得1993年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖Georges J.F. Khler，Csar Milstein 建立杂交瘤技术，建立杂交瘤技术，获得获得1984年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖 John B. Gurdon ，Shinya Yamanaka 发现发现iPS ，获得，获得2012生理学和医学诺贝尔奖生理学和医学诺贝尔奖 传统生物技术：传统生物技术：古代的人工驯养技术、酿造技术、食品加工技术古代的人工驯养技术、酿造技术、食品加工技术 近代生物技术：近代生物技术：路易斯路易斯巴斯德巴斯德(Louis Pasteur)发现微生物参与发酵过程发现微生
6、物参与发酵过程 Karl Ereky提出提出“生物技术生物技术”的概念的概念 丙酮、丁醇发酵工业的兴起丙酮、丁醇发酵工业的兴起 Alexander Fleming发现青霉素，发现青霉素， 抗生素工业的兴起抗生素工业的兴起 氨基酸发酵工业的兴起氨基酸发酵工业的兴起 现代生物技术：现代生物技术：伯格伯格(Paul Berg )建立了基因工程技术，获得建立了基因工程技术，获得1980年诺贝年诺贝 尔化学奖尔化学奖 Michael Smith建立基因定位突变技术，建立基因定位突变技术，Kary B. Mullis 建立了建立了PCR技术技术 ，获得，获得1993年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 科勒科勒(
7、Georges J.F. Khler)米尔斯坦米尔斯坦(Csar Milstein)建立建立 杂交瘤技术，获得杂交瘤技术，获得1984年生理和医学诺贝年生理和医学诺贝 格登格登(John B. Gurdon) 山中深弥山中深弥(Shinya Yamanaka)发现发现 iPS，获得，获得2012年生理和医学诺贝尔奖年生理和医学诺贝尔奖 在分子水平上，用人工方法提取不同生物的在分子水平上，用人工方法提取不同生物的遗传物质，在体外切割，拼接形成重组遗传物质，在体外切割，拼接形成重组DNA与在与在体的遗传物质重新组合，再将其引入没有该体的遗传物质重新组合，再将其引入没有该DNA的受体细胞中，进行复制
8、表达，产生出符合人类的受体细胞中，进行复制表达，产生出符合人类需要的产品或创造出新的性状，并使之稳定遗传需要的产品或创造出新的性状，并使之稳定遗传给下一代。给下一代。对糖尿病的认识对糖尿病的认识胰岛素的分离纯化胰岛素的分离纯化Before InsulinAges 3, 15 lbs15/12/1922After InsulinAges 3, 29 lbs15/12/1923第一个使用胰岛素的男孩第一个使用胰岛素的男孩-Leonard Thompson1957年，年，Alick Isaacs和和Jean Lindenmann发现发现干扰素干扰素从白细胞中提取干扰素：从白细胞中提取干扰素：1g=6
9、万升血液万升血液1986, Hoffmann-La Roche, Inc.在大肠杆菌中成功制备干扰素在大肠杆菌中成功制备干扰素- -2a ，产量高达，产量高达0.5g/L发酵液发酵液 根据体细胞的性质，应用细胞生物学的方法，根据体细胞的性质，应用细胞生物学的方法，按照预想的方案，在细胞水平上进行精细操作，把按照预想的方案，在细胞水平上进行精细操作，把一种细胞的染色体或细胞核等移植到另一种细胞中一种细胞的染色体或细胞核等移植到另一种细胞中去，从而改变细胞的遗传特性，达到改良物种或创去，从而改变细胞的遗传特性，达到改良物种或创造物中新物种的目的。造物中新物种的目的。 细胞和组织培养技术细胞和组织培
10、养技术 (Cell and tissue culture technology) 细胞融合细胞融合 (Cell fusion) 细胞重组细胞重组(Cell reconstruction) 染色体工程染色体工程 (Chromosome engineering ) 细胞核移植细胞核移植 (Nuclear transplantation) 原生质体诱变原生质体诱变 (Protoplast mutagenesis ) 干细胞技术干细胞技术(stem cell technology) 多能干细胞诱导技术多能干细胞诱导技术 (Induced pluripotent stem cell technology
11、)抗原免疫小鼠抗原免疫小鼠骨髓瘤细胞培养骨髓瘤细胞培养脾细胞脾细胞（产生抗原）（产生抗原）骨髓瘤细胞骨髓瘤细胞（无限增殖）（无限增殖）细胞融合细胞融合杂交瘤细胞杂交瘤细胞筛选产生特定筛选产生特定抗体的瘤细胞抗体的瘤细胞杂交瘤细胞株杂交瘤细胞株单克隆抗体单克隆抗体 全抗体：全抗体： 鼠源、嵌合、人源化鼠源、嵌合、人源化 抗体导向药物抗体导向药物 双功能抗体双功能抗体 Ig-Fc融合蛋白融合蛋白基因工程与细胞工程的结合，产生了基因工程与细胞工程的结合，产生了抗体工程抗体工程具有自我复制和多向具有自我复制和多向分化潜能的原始细胞分化潜能的原始细胞分化成多种功能分化成多种功能细胞或组织器官细胞或组织器
12、官干细胞干细胞 胚胎干细胞：胚胎干细胞：全能性干细胞，具有形成完整个体的分化潜能全能性干细胞，具有形成完整个体的分化潜能 成体干细胞：成体干细胞： 多能性干细胞：具有分化出多种组织细胞的潜能，如造血干细胞多能性干细胞：具有分化出多种组织细胞的潜能，如造血干细胞 单能干细胞：单能干细胞： 只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化 诱导的多能干细胞：诱导的多能干细胞： 体细胞经诱导形成的干细胞体细胞经诱导形成的干细胞John B. Gurdon ，Shinya Yamanaka 发发现现iPS ，获得，获得2012生理学和医学诺贝尔奖生理学和医学诺贝
13、尔奖 利用现代工程技术手段，利用微生物或哺乳动利用现代工程技术手段，利用微生物或哺乳动物细胞的特殊功能生产有用的物质，或直接将微生物细胞的特殊功能生产有用的物质，或直接将微生物或哺乳动物细胞用于工业生产的一种技术。物或哺乳动物细胞用于工业生产的一种技术。传统的发酵工程传统的发酵工程 = 微生物工程微生物工程现代发酵工程还包括哺乳动物细胞发酵工程现代发酵工程还包括哺乳动物细胞发酵工程优良的菌种或工程细胞株优良的菌种或工程细胞株自然界中分离自然界中分离人工诱变人工诱变基因工程、细胞工程基因工程、细胞工程菌种活化菌种活化固固(液体液体)大规模发酵大规模发酵生物反应器生物反应器扩大培养扩大培养产品纯化
14、产品纯化纯化技术纯化技术 在一定的生物反应器中，利用酶的催化作用，在一定的生物反应器中，利用酶的催化作用，将相应的地物原料转化成所需物质的技术将相应的地物原料转化成所需物质的技术化学酶工程化学酶工程自然酶自然酶化学修饰酶化学修饰酶固定化酶固定化酶化学人工酶化学人工酶生物酶工程生物酶工程克隆酶克隆酶突变酶突变酶固定化酶固定化酶新酶新酶 以蛋白质分子结构的规律及其与生物功能的关以蛋白质分子结构的规律及其与生物功能的关系为基础，借助计算机分子图像和辅助设计。通过系为基础，借助计算机分子图像和辅助设计。通过有控制的基因修饰和基因合成，再结合基因工程途有控制的基因修饰和基因合成，再结合基因工程途径，对现
15、有蛋白质进行定向项改造，设计、构建并径，对现有蛋白质进行定向项改造，设计、构建并最终产生出性能比自然存在的蛋白质更加优良、更最终产生出性能比自然存在的蛋白质更加优良、更符合人类社会需要的新型蛋白质符合人类社会需要的新型蛋白质蛋白质结构与功能关系研究蛋白质结构与功能关系研究确定需要改变的氨基酸确定需要改变的氨基酸定位突变或聚合酶链反应定位突变或聚合酶链反应（PCR）从基因上改变密码子从基因上改变密码子基因工程制备新蛋白基因工程制备新蛋白应用应用基因工程基因工程细胞工程细胞工程转基因转基因蛋白质工程蛋白质工程定位突变定位突变PCR基因合成基因合成酶工程酶工程发酵工程发酵工程提供优良提供优良的种子的
16、种子为种子生长为种子生长提供优良的环境提供优良的环境纯化精制纯化精制产品和应用产品和应用上游工程上游工程下游工程下游工程纯化精制纯化精制技术技术生物技术的发展和应用生物技术的发展和应用医药生物技术医药生物技术 (诊断、治疗诊断、治疗)农业生物技术农业生物技术 (提高粮食产量和品质提高粮食产量和品质)工业生物技术工业生物技术 (制造工业产品）制造工业产品）环境生物技术环境生物技术 (降解污染物）降解污染物）海洋生物技术海洋生物技术 (开发海洋产品）开发海洋产品）能源生物技术能源生物技术 (制造能源，如生物柴油等制造能源，如生物柴油等)军事生物技术军事生物技术生物技术生物技术R-红色生物技术红色生
17、物技术 医药生物技术医药生物技术1982年，重组胰岛素上市，多种重组蛋白、单年，重组胰岛素上市，多种重组蛋白、单克隆抗体、疫苗类药品上市克隆抗体、疫苗类药品上市G-绿色生物技术绿色生物技术 农业生物技术农业生物技术1996年，转基因大豆、玉米和油菜相继上市年，转基因大豆、玉米和油菜相继上市W-白色生物技术白色生物技术 工业生物技术工业生物技术2000年聚乳酸上市年聚乳酸上市生物产业生物产业 Bio-industry批准上市的部分基因工程药物批准上市的部分基因工程药物类别类别名称名称适应症适应症干扰素干扰素IFN-1b慢性肉芽肿；骨硬化病慢性肉芽肿；骨硬化病IFN-1a多发性硬化症复发感染多发性
18、硬化症复发感染IFN-2a毛细胞白血病；丙型肝炎毛细胞白血病；丙型肝炎IFN-2b毛细胞白血病；乙型肝炎毛细胞白血病；乙型肝炎IFN-多发性硬化症多发性硬化症IFN-风湿性关节炎风湿性关节炎白细胞介素白细胞介素IL-2恶性肿瘤恶性肿瘤IL-11化疗引起的血小板减少症化疗引起的血小板减少症集落刺激因子集落刺激因子GM-CSF化疗引起的中性粒细胞细胞减少症化疗引起的中性粒细胞细胞减少症G-CSF化疗引起的中性粒细胞细胞减少症化疗引起的中性粒细胞细胞减少症EPO慢性肾衰性贫血慢性肾衰性贫血激素激素GHRF生长激素缺乏症生长激素缺乏症GH生长激素缺乏症生长激素缺乏症FSH女性不孕症女性不孕症Insul
19、in糖尿病糖尿病生长因子生长因子EGF伤口愈合伤口愈合bFGF伤口愈合伤口愈合名称名称时间时间抗抗 体体 类类 型型适适 应应 症症OKT31986Murine(anti-CD3)器官移植排斥反应器官移植排斥反应RecPro1994Chimeric(anti-Platelet gbIIb/IIIa)不稳定心绞痛不稳定心绞痛Panorex1995Murine (anti-EpCAM)结肠癌结肠癌Rituxan1997Chimeric(anti-CD20)非何杰金氏淋巴瘤非何杰金氏淋巴瘤Zenapax1997Humanized(anti-IL2R)器官移植排斥反应器官移植排斥反应Herceptin
20、1998Humanized(anti-ERBB2)转移性乳腺癌转移性乳腺癌Remicade1998Chimeric(anti-TNFa)Crohes DiseaseSimulect1998Chimeric(anti-IL2R)肾移植排斥反应肾移植排斥反应Synagis1998Humanized(anti-F Protein)呼吸道仙台病毒感染呼吸道仙台病毒感染Mylotarg2000Humanized(anti-CD33)急性髓性白血病急性髓性白血病Campath2001Humanized(anti-CD52)B细胞慢性白血病细胞慢性白血病Xolair2002Humanized(anti-Ig
21、E)过敏反应过敏反应Avastin2004Humanized(anti-VEGF)转移性乳腺癌转移性乳腺癌,NSCLCCetuximab2004Humanized(anti-EGFR)转移性结直肠癌转移性结直肠癌Natalizumab2004Humanised(Anti-alpha4 integrin)多发性硬化症多发性硬化症Panitumumab2006Humanized(anti-EGFR)结直肠癌结直肠癌Golimumab2009Humanized(anti-TNFa)风湿性关节炎、银屑病关节炎、强直性脊柱炎风湿性关节炎、银屑病关节炎、强直性脊柱炎canakinumab2009Human
22、ized(anti-IL1 )Cryopyrinassociated periodic syndromesUstekinumab2009Humanized(anti-IL-12/IL-23 p40 )Plaque psoriasisDenosumab2009Humanized(anti-ANKL)Postmenopausal osteoporosisRaxibacuma2009Humanized(anti-PA)Inhalation anthraxBelimumab2009Humanized(anti-Blys)Systemic lupus erythematosusIpilimumab200
23、9Humanized(anti-CTLA4)Metastatic melanomaOfatumumab2009Humanized(anti-CD20)chroniclymphocytic leukaemia蛋白质药物的批准数量和市场情况蛋白质药物的批准数量和市场情况农业生物技术进展农业生物技术进展植物药厂植物药厂提取药物提取药物直接食用直接食用含有乙肝表面抗原含有乙肝表面抗原的转基因西红柿的转基因西红柿动物药厂动物药厂目的产物目的产物抗凝血酶抗凝血酶IIIATryn 工业生物技术进展工业生物技术进展 工业生物技术是利用工业生物技术是利用生化反应生化反应进行工业品的生产加进行工业品的生产加工技术
24、。工业生物技术的核心是工技术。工业生物技术的核心是生物催化生物催化(Biocatalysis)。由生物催化剂完成的生物催化过程具有催化效率高、专由生物催化剂完成的生物催化过程具有催化效率高、专一性强、反应条件温和、环境友好等优势一性强、反应条件温和、环境友好等优势 用可再生资源替代化石燃料资源用可再生资源替代化石燃料资源 石油、煤炭石油、煤炭 用生物加工工艺取代传统的加工工艺用生物加工工艺取代传统的加工工艺石油短缺，我国石油进口依存度不断增加；石油短缺，我国石油进口依存度不断增加；油价飚升，经济发展承受不确定的能源成本油价飚升，经济发展承受不确定的能源成本石油资源短缺石油资源短缺3019902
25、000202020302010205020752100年年0510152025我国在世界我国在世界CO2排放中的比例排放中的比例(%)化石经济，付出了巨大的环境代价化石经济，付出了巨大的环境代价温室效应温室效应白色污染白色污染n乙醇乙醇 (燃料燃料)n高分子聚合物高分子聚合物 (聚乳酸、丙烯酰胺等聚乳酸、丙烯酰胺等)n精细化学品精细化学品n大宗化学品大宗化学品n日用化学品日用化学品n主要工业生物技术产品主要工业生物技术产品 化工化工 医药医药 造纸造纸 纺织纺织 食品食品 发酵发酵 采矿采矿 冶金冶金 皮革皮革 能源能源 传统工业传统工业生物技术生物技术 减少污染减少污染 降低成本降低成本绿色
26、工业绿色工业生物催化技术的应用可使传统化学工业原生物催化技术的应用可使传统化学工业原材料、水和能源消耗减少材料、水和能源消耗减少30%、污染物排、污染物排放减少放减少30%纺织业：减少纺织业：减少14%18%的水消耗量的水消耗量塑塑 料：减少料：减少20%80%的石化需求的石化需求 是可自然降解的是可自然降解的“绿色塑料绿色塑料”制制 药：减少药：减少80%的的CO2排放量排放量 减少减少67%的污水排放量的污水排放量 在古代和近代生物技术经验积累的基础上，随在古代和近代生物技术经验积累的基础上，随着分子生物学、细胞生物学、遗传学、微生物学等着分子生物学、细胞生物学、遗传学、微生物学等基础学科
27、的发展，催生了以基础学科的发展，催生了以基因工程、细胞工程、基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和蛋白质工程发酵工程、酶工程和蛋白质工程为核心的为核心的现代生物现代生物技术技术。可以预见，生物技术将成为。可以预见，生物技术将成为21世纪最活跃的世纪最活跃的领域，将为保障人类健康，提高生活质量，维护地领域，将为保障人类健康，提高生活质量，维护地球家园做出巨大贡献。球家园做出巨大贡献。1、生物技术又被称为、生物技术又被称为 ，英文是，英文是2、生物技术的概念是：、生物技术的概念是：应用自然科学和工程学的原理，依靠生物作用剂的应用自然科学和工程学的原理，依靠生物作用剂的作用将物料加工以提供产品为社会服务的技术作用将物料加工以提供产品为社会服务的技术 生物工程生物工程Biotechnology或或Bioengineering。3、生物技术的主要技术体系包括：、生物技术的主要技术体系包括：基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和蛋白质基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和蛋白质工程。工程。1、简述生物技术发展历史上的重要人物和重大事件、简述生物技术发展历史上的重要人物和重大事件2、简述生物技术各工程之间的相互关系、简述生物技术各工程之间的相互关系3、简述生物技术的昨天、今天和明天、简述生物技术的昨天、今天和明天 (做成做成ppt，选择优秀者在讨论课上汇报），选择优秀者在讨论课上汇报）
