1、2现代生物技术现代生物技术 19531953年年DNADNA的双螺旋结构的发现。的双螺旋结构的发现。19621962年诺贝尔生理医学奖年诺贝尔生理医学奖Rosalind Elsie Franklin照片照片5151号号3现代生物技术现代生物技术1961-1966 1961-1966 破译了生物界通用的遗传密码破译了生物界通用的遗传密码1972 DNA1972 DNA体外重组技术建立体外重组技术建立19761976年第一家生物技术公司年第一家生物技术公司GenentechGenentech公司成立。公司成立。1988 PCR1988 PCR技术问世技术问世1997 1997 英国培养出第一只克隆
2、羊英国培养出第一只克隆羊“多莉多莉”1990-2003 1990-2003 人类基因组测序工作完成人类基因组测序工作完成什么是现代生物技术？什么是现代生物技术？应用生命科学研究成果，以人们意志设计，应用生命科学研究成果，以人们意志设计，对生物或生物的成分进行改造和利用的技术。对生物或生物的成分进行改造和利用的技术。现代生物技术综合分子生物学、生物化学、现代生物技术综合分子生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、胚胎学、免疫学、化学、遗传学、细胞生物学、胚胎学、免疫学、化学、物理学、信息学、计算机等多学科技术，可用物理学、信息学、计算机等多学科技术，可用于研究生命活动的规律和提供产品为社会服务于研
3、究生命活动的规律和提供产品为社会服务等。等。5现代生物技术特点现代生物技术特点 运用了运用了DNADNA重组、细胞融合等技术的成果。重组、细胞融合等技术的成果。DNADNA重组技术产品有：胰岛素、干扰素、乙重组技术产品有：胰岛素、干扰素、乙型肝炎疫苗、食品加工酶、生物杀虫剂、生型肝炎疫苗、食品加工酶、生物杀虫剂、生物杀菌剂等等。物杀菌剂等等。最具代表性生物技术产品为转基因生物与克最具代表性生物技术产品为转基因生物与克隆动物的出现隆动物的出现。6生物技术被誉为第三次技术革命生物技术被誉为第三次技术革命第一次技术革命第一次技术革命工业革命工业革命解放人的双手解放人的双手第二次技术革命第二次技术革命
4、信息技术信息技术扩展人的大脑扩展人的大脑第三次技术革命第三次技术革命生物技术生物技术改造生命本身改造生命本身生物技术被世界各国视为一项高新技术生物技术被世界各国视为一项高新技术,它对于提高国力它对于提高国力,迎接人类所面临的迎接人类所面临的人口、食物、资源、能源和环境等五大危机及经济问题的挑战是至关重要人口、食物、资源、能源和环境等五大危机及经济问题的挑战是至关重要的关键性技术之一。的关键性技术之一。7生物技术被誉为第三次技术革命生物技术被誉为第三次技术革命全球生物企业现状全球生物企业现状据统计，截至据统计，截至20102010年底，全球约有生物技术企业年底，全球约有生物技术企业4700470
5、0多家，市多家，市场规模达场规模达25002500亿美元。其中上市生物技术公司亿美元。其中上市生物技术公司622622家。上市家。上市生物技术公司总收入生物技术公司总收入846846亿美元，亿美元，研发投入研发投入228228亿美元亿美元，其，其中美国生物技术产业产值占全球近中美国生物技术产业产值占全球近50%50%，其次为日本和欧，其次为日本和欧洲。洲。我国生物技术产业现状我国生物技术产业现状据统计，目前我国生物技术企业据统计，目前我国生物技术企业500500家公司，涉及医药生物技家公司，涉及医药生物技术的企业术的企业300300多家，涉及农业生物技术的企业多家，涉及农业生物技术的企业200
6、200多家多家8 五大工程五大工程 基因工程、细胞工程、基因工程、细胞工程、蛋白质工程、蛋白质工程、酶工程、发酵工程酶工程、发酵工程此外还有此外还有基因诊断与基因治疗技术基因诊断与基因治疗技术、克隆动物技术克隆动物技术、生物芯片技术生物芯片技术、生物材料技术、生物能源技术、利、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用生物降解环境中有毒有害化合物的技术生物技术的主要内容生物技术的主要内容9化学工业化学工业生物生理学生物生理学分子与细胞生物学分子与细胞生物学遗传学遗传学生物化学生物化学 微生物学微生物学能源与环能源与环 境管理境管理 农业农业作物改良，动物作物改良，动物
7、 食品食品 疾病诊断疾病诊断 发酵技术发酵技术化工产品化工产品 商业应用商业应用 健康与制药健康与制药 食品食品革新与加工革新与加工 蛋白质工程蛋白质工程 发酵工程发酵工程 酶工程酶工程 细胞工程细胞工程基因工程基因工程医药学医药学10生物技术五大工程生物技术五大工程一、一、基因工程基因工程二、二、细胞工程细胞工程三、三、蛋白质工程蛋白质工程四、酶工程四、酶工程五、五、发酵工程发酵工程11 也称也称DNADNA重组技术，应用人工方法分离生物体的重组技术，应用人工方法分离生物体的遗传物质遗传物质 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA),(DNA),或通过化学的方或通过化学的方法合成出人工的遗传物质，
8、在体外进行切割、拼法合成出人工的遗传物质，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组了的接和重组。然后将重组了的DNADNA导入某种宿主细导入某种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品性胞或个体，从而改变它们的遗传品性,使新的遗传使新的遗传信息在新的宿主细胞或个体中大量表达，以获得信息在新的宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物基因产物(多肽或蛋白质或其它物质多肽或蛋白质或其它物质)。一、基因工程一、基因工程(gene engineeringgene engineering)121 1、用于提高动物生长速度、用于提高动物生长速度2 2、用于生产基因工程药物、用于生产基因工程药物3 3、用转基因动物
9、作器官移植的供体、用转基因动物作器官移植的供体 畜牧业中的应用畜牧业中的应用13 畜牧业中的应用畜牧业中的应用基因工程药物基因工程药物例：从转基因羊的羊奶中提取出例：从转基因羊的羊奶中提取出 治疗心脏病的药物治疗心脏病的药物tPA(tPA(组织型血组织型血纤维溶酶原激活剂纤维溶酶原激活剂)治疗：脑血栓、心肌梗塞等治疗：脑血栓、心肌梗塞等DNADNA重组体导入受体细胞重组体导入受体细胞 14生长快、肉质好的转基因鱼(中国)畜牧业中的应用畜牧业中的应用15种植业中的应用种植业中的应用1.1.抗虫转基因植物抗虫转基因植物 2.2.抗病转基因植物抗病转基因植物3.3.抗逆转基因植物抗逆转基因植物 4.
10、4.利用转基因改良植物的品质利用转基因改良植物的品质161.1.抗虫转基因植物抗虫转基因植物抗虫转基因植物原理：抗虫转基因植物原理：分离具有杀虫活性的基因（如分离具有杀虫活性的基因（如BtBt毒蛋白基因、蛋白酶抑制毒蛋白基因、蛋白酶抑制），），导入作物，抗虫性。导入作物，抗虫性。例如我国的转基因抗虫棉，例如我国的转基因抗虫棉，BtBt毒蛋白基因毒蛋白基因-棉铃虫抗性。棉铃虫抗性。此项技术的最大好处：此项技术的最大好处：减少化学农药对环境的污染减少化学农药对环境的污染 且大大降低生产成本且大大降低生产成本17 1986 1986年，美国年，美国BeachyBeachy研究小组首次将烟草花叶病毒的
11、外研究小组首次将烟草花叶病毒的外壳蛋白基因导入烟草，培育出抗烟草花叶病毒的烟草植壳蛋白基因导入烟草，培育出抗烟草花叶病毒的烟草植株，开创了抗病毒育种的新途径。株，开创了抗病毒育种的新途径。抗病基因种类抗病基因种类:(1)(1)抗病毒基因抗病毒基因:病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因 (2)(2)抗真菌基因抗真菌基因:几丁质酶基因和抗毒素合成基因几丁质酶基因和抗毒素合成基因2.2.抗病转基因植物抗病转基因植物l抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等多种作物抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等多种作物。18抗逆转基因植物原理：抗逆转基因植物原理：盐碱、干旱、低温、旱涝盐碱、
12、干旱、低温、旱涝分离抗逆性的基因，导入作物，产生相应抗性。分离抗逆性的基因，导入作物，产生相应抗性。耐耐1 1NaClNaCl的苜蓿，耐的苜蓿，耐0.80.8NaClNaCl的草莓，耐的草莓，耐2 2NaClNaCl的烟草。的烟草。我国科学家刘岩等获得了耐盐性明显提高的转基因玉米植株。我国科学家刘岩等获得了耐盐性明显提高的转基因玉米植株。张荃等获得了耐盐性提高的转基因番茄。张荃等获得了耐盐性提高的转基因番茄。3.3.抗逆转基因植物抗逆转基因植物194.4.利用转基因改良植物的品质利用转基因改良植物的品质转基因水稻转基因水稻“金大米金大米”20二、细胞工程二、细胞工程(cell engineer
13、ing)(cell engineering)以细胞为基础单位，在以细胞为基础单位，在体外条件下进行培养、繁体外条件下进行培养、繁殖或人为地使细胞某些生殖或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发物学特性按人们的意愿发生改变生改变,从而达到改良生物从而达到改良生物品种和创造新品种品种和创造新品种;或加速或加速繁殖动、植物个体繁殖动、植物个体;或获得或获得某种有用的物质过程。某种有用的物质过程。动物细胞培养动物细胞培养21单细胞藻类培养单细胞藻类培养一些单细胞低等植物如单细一些单细胞低等植物如单细胞藻类的大规模培养成为胞藻类的大规模培养成为细胞工程的重要组成部分细胞工程的重要组成部分获得蛋白质资源
14、、营养食品、获得蛋白质资源、营养食品、精细化工产品等等精细化工产品等等二、细胞工程二、细胞工程22高等植物细胞培养高等植物细胞培养 高等植物细胞具有全能性。高等植物细胞具有全能性。脱分化脱分化-诱导愈伤组织诱导愈伤组织-分化分化-获得幼苗。获得幼苗。二、细胞工程二、细胞工程23细胞融合、细胞重组、杂交瘤技术细胞融合、细胞重组、杂交瘤技术 细胞融合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。起，在某些促融因子作用下发生融合，形成杂种细胞。细胞重组细胞重组是把不同种类的细胞的部是把不同种类的细胞的部件重
15、新组合装配，包括核的移植、件重新组合装配，包括核的移植、叶绿体移植、核糖体重建及线粒叶绿体移植、核糖体重建及线粒体装配等。体装配等。杂交瘤技术杂交瘤技术是通过细胞融合产生特是通过细胞融合产生特异杂交瘤细胞。异杂交瘤细胞。二、细胞工程二、细胞工程24三、蛋白质三、蛋白质工程工程（protein engineeringprotein engineering）在基因工程的基础上，结合蛋白质结在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对蛋白质中基因的学科的基础知识，通过对蛋白质中基因的人工定向改造等手段，从而达到对蛋白质
16、人工定向改造等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质的技术。需要的新型蛋白质的技术。25（1 1）从生物体中分离纯化目的蛋白；）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2 2）测定其氨基酸序列；）测定其氨基酸序列；（3 3）借助核磁共振和）借助核磁共振和X 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维 晶体结构晶体结构;（4 4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构）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变化，包括折叠与去折叠等对其活性与
17、 功能的影响；功能的影响；（5 5）设计编码该蛋白的基因改造方案，）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；如点突变；（6 6）分离、纯化新蛋白，功能检测后）分离、纯化新蛋白，功能检测后 投入实际使用。投入实际使用。三、蛋白质工程三、蛋白质工程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26三、蛋白质工程三、蛋白质工程27四、酶工程(enzyme engineering)(enzyme engineering)利用酶、菌体细胞具有的特利用酶、菌体细胞具有的特异催化功能，或对酶结构进异催化功能，或对酶结构进行修饰改造，并借助于生物行修饰改造，并借助于生物反应器和工艺优化过程，有反应器
18、和工艺优化过程，有效地发挥酶的催化特性来生效地发挥酶的催化特性来生产人类所需产品的技术。产人类所需产品的技术。包括酶、细胞固定化技术、包括酶、细胞固定化技术、酶化学修饰技术和酶反应器酶化学修饰技术和酶反应器设计等。设计等。酶的应用酶的应用随着酶的工业化发展，酶已广泛地应用于随着酶的工业化发展，酶已广泛地应用于工业、农业、医药、生活、环保及科研等工业、农业、医药、生活、环保及科研等领域。领域。30五、发酵工程（fermentation engineering)利用微生物生长速度快、生长条件简单及代谢利用微生物生长速度快、生长条件简单及代谢过程特殊等特点，在合适的条件下，通过现代过程特殊等特点，在
19、合适的条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品的技术，又称微生物工程。产出人类所需的产品的技术，又称微生物工程。31现代发酵工程主要指利现代发酵工程主要指利用微生物、包括利用用微生物、包括利用DNADNA重组技术改造的重组技术改造的微生物在全自动发酵微生物在全自动发酵罐或生物反应器中生罐或生物反应器中生产某种商品的技术。产某种商品的技术。现代发酵工程32五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工程发酵工程蛋白质工程蛋白质或酶酶工程33生物工程对经济社会的影响生物工程对经济社会的影响 改
20、善农业生产、解决食品短缺 提高生命质量、延长人类寿命 解决能源危机、治理环境污染 制造工业原料、生产贵重金属 生物工程的安全及其对伦理、道德、法律、的影响341.1.改善农业生产、解决食品短缺改善农业生产、解决食品短缺提高农作物产量及其品质：提高农作物产量及其品质：动物的大量快速无性繁殖 培育动物的优良品系 培育抗逆的作物优良品系 植物种苗的工厂化生产 生物农药，生产绿色食品发展畜牧业生产：发展畜牧业生产：35植物种苗的工厂化生产36转基因作物，瓜果蔬菜转基因作物，瓜果蔬菜37生物肥料生物肥料382.2.提高生命质量、延长人类寿命提高生命质量、延长人类寿命开发制造奇特而又贵重的新型药品开发制造
21、奇特而又贵重的新型药品 利用细胞培养技术或转基因动物来生产 蛋白质药物。疾病的预防和诊断疾病的预防和诊断 单克隆抗体既可用于疾病治疗，又可用 于疾病的诊断。基因治疗基因治疗 恶性肿瘤、遗传病、代谢性疾病、传染 病等多个治疗方案正在实施中。人类基因组计划人类基因组计划 人类基因组序列图绘制成功。39基因工程药物基因工程药物40分子诊断l 利用利用PCRPCR技术或技术或PCRPCR与分子杂交与分子杂交标记相结合，可标记相结合，可以快速准确地检以快速准确地检测出病原性物质。测出病原性物质。l 亲子鉴定亲子鉴定41l 遗传性疾病遗传性疾病 的诊断的诊断羊水和胎盘绒毛膜检测分子诊断42基因治疗基因治疗
22、 基因治疗即利用基因工程技术治疗人类遗传性疾病基因治疗即利用基因工程技术治疗人类遗传性疾病。正常的人类基因可以克隆并引入遗传病患者的体细胞，以替正常的人类基因可以克隆并引入遗传病患者的体细胞，以替代、修复或纠正有缺陷的基因。代、修复或纠正有缺陷的基因。43l例：重症综合性免疫缺乏症例：重症综合性免疫缺乏症19901990年，转基因年，转基因T T淋巴淋巴细胞注射到人体骨髓细胞注射到人体骨髓组织中治疗组织中治疗SCIDSCID44 277277次乳腺细胞核次乳腺细胞核移植实验；移植实验；获得获得2929个发育为个发育为8 8细胞的细胞的“胚胚”；1313头代孕母亲；头代孕母亲；19961996年
23、年7 7月月5 5日，日，羊羔羊羔6LL36LL3，被命，被命名为名为“多莉多莉”。克隆羊技术克隆羊技术45克隆羊的意义克隆羊的意义理论意义：证明已分化的高等动物的体细胞仍然具理论意义：证明已分化的高等动物的体细胞仍然具有潜在的遗传表达全能性。有潜在的遗传表达全能性。建造动物药厂，制造药物蛋白建造动物药厂，制造药物蛋白,建立实验动物模型，探索人类发病规律建立实验动物模型，探索人类发病规律克隆异种纯系动物，提供移植器官克隆异种纯系动物，提供移植器官拯救濒危动物，保护生态平衡拯救濒危动物，保护生态平衡46生物芯片技术 19961996年底，美国年底，美国 Affymetrix Affymetrix
24、，世界第一块，世界第一块DNADNA芯片。芯片。生物芯片是将大量生物识别生物芯片是将大量生物识别分子（如探针）按预先设置的分子（如探针）按预先设置的排列固定于一种载体（如硅片排列固定于一种载体（如硅片、玻片及高聚物载体等）表面、玻片及高聚物载体等）表面，利用生物分子的特意性亲和，利用生物分子的特意性亲和反应，如核酸杂交反应，抗原反应，如核酸杂交反应，抗原抗体反应等来分析各种生物分抗体反应等来分析各种生物分子的存在及其量的一种技术子的存在及其量的一种技术。表达谱芯片表达谱芯片48蛋白质微阵列(Protein Microarray)49 医学、化学、新药开发、司法鉴定、农业技术和食品技术医学、化学
25、、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；领域也具有广泛的应用；生物芯片技术的主要应用 DNADNA芯片可用于大规模筛查基因突变所引起的疾芯片可用于大规模筛查基因突变所引起的疾病；病；分析基因组及发现新基因等具有很大的优势；分析基因组及发现新基因等具有很大的优势；503.3.解决能源危机、治理环境污染解决能源危机、治理环境污染 解决能源危机解决能源危机 生物能源将是最有希望的新能源之一，而生物能源将是最有希望的新能源之一，而其中又以乙醇最有希望成为新的替代能源。其中又以乙醇最有希望成为新的替代能源。环境保护环境保护 利用微生物净化有毒的化合物、降解石油污利用微生物净化有毒的
26、化合物、降解石油污染、清除有毒气体和恶臭物质、综合利用废染、清除有毒气体和恶臭物质、综合利用废水和废渣、达到净化和保护环境的目的。水和废渣、达到净化和保护环境的目的。51基因工程做成的基因工程做成的“超级细菌超级细菌”能吞食和分解多能吞食和分解多种污染环境的物质。种污染环境的物质。环境保护环境保护 超级细菌：分解石油中的多种烃类化合物，超级细菌：分解石油中的多种烃类化合物，吞食转化汞、镉等重金属，分解毒害物质吞食转化汞、镉等重金属，分解毒害物质524.4.制造工业原料、生产贵重金属制造工业原料、生产贵重金属 制造工业原料制造工业原料 化工原料如乙醇、丙酮、丁醇、癸二化工原料如乙醇、丙酮、丁醇、
27、癸二酸（制造尼龙、香料）等。酸（制造尼龙、香料）等。生产贵重金属生产贵重金属 细菌浸矿技术：金、银、铜、铀、锰、钼、细菌浸矿技术：金、银、铜、铀、锰、钼、锌、钻、镍、钡、铊等锌、钻、镍、钡、铊等53 现代生物技术是一把双刃剑。它在给人类带来种种好处的同时，也可能给人类带来安全隐患以及对人类社会的伦理、道德、法律等方面带来冲击。54生物技术的安全及其对伦理、道生物技术的安全及其对伦理、道德、法律的影晌德、法律的影晌基因工程对微生物的改造是否会产生某种基因工程对微生物的改造是否会产生某种有致病性的微生物有致病性的微生物。转基因作物及食品的生产和销售，是否对转基因作物及食品的生产和销售，是否对人类和环境造成长期的影响人类和环境造成长期的影响。分子克隆技术在人类身上的应用可能造成分子克隆技术在人类身上的应用可能造成巨大的社会问题巨大的社会问题。生物技术的发展将不可避免地推动生物武生物技术的发展将不可避免地推动生物武器的研制与发展器的研制与发展。55有你的参与有你的参与生命科学更精彩！生命科学更精彩！结束结束
