1、 第五章第五章 生物技术原理生物技术原理 2121世纪是生命科学与生物技术的世纪，生物技术被世界各国视世纪是生命科学与生物技术的世纪，生物技术被世界各国视为一项高新技术，广泛应用于农业、工业、医药卫生、食品、为一项高新技术，广泛应用于农业、工业、医药卫生、食品、化工能源等各行各业，正在对人类社会生活产生深远影响。化工能源等各行各业，正在对人类社会生活产生深远影响。传统生物技术传统生物技术:酱、醋、酒、面包、奶酪、酸奶酱、醋、酒、面包、奶酪、酸奶现代生物技术现代生物技术:20:20世纪世纪7070年代末年代末8080年代初年代初,基因工程基因工程 生物技术生物技术生物技术生物技术也称为生物工程，
2、是指以现代也称为生物工程，是指以现代生命科学为基础，结合其它基础学科的生命科学为基础，结合其它基础学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，科学原理，采用先进的工程技术手段，改造或重新设计细胞的遗传物质，按照改造或重新设计细胞的遗传物质，按照预先的设计改造生物体，获得优良品质预先的设计改造生物体，获得优良品质的动物、植物和微生物品系，或加工生的动物、植物和微生物品系，或加工生物原料，为人类生产出所需产品，达到物原料，为人类生产出所需产品，达到提高社会生产力和生活质量的目的。提高社会生产力和生活质量的目的。基因工程基因工程细胞工程细胞工程酶工程酶工程发酵工程发酵工程蛋白质工程蛋白质工程生物技术生物
3、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六节第六节 分子杂交与遗传标记分子杂交与遗传标记 生物技术的发展日新月异，新成果层出不穷，了解生物技术生物技术的发展日新月异，新成果层出不穷，了解生物技术原理有利于理解和利用生物技术为社会服务。原理有利于理解和利用生物技术为社会服务。旨在通过本章的学习，达到了解生物技术基本原理的目的。旨在通过本章的学习，达到了解生物技术基本原理的目的。第一节第一节 基因工程操作原理（基因工程操作原理（P133P133）n一、
4、什么是基因工程一、什么是基因工程n二、基因工程操作技术及原理二、基因工程操作技术及原理一、一、什么是基因工程什么是基因工程v 概念概念：也叫也叫 基因操作基因操作 遗传工程遗传工程 重组重组DNA技术技术v基因工程主要原理基因工程主要原理 v基因工程四个步骤基因工程四个步骤 用人工方法，把生物的遗传物质分离出来，在体外用人工方法，把生物的遗传物质分离出来，在体外进行基因切割、连接、重组、转移和表进行基因切割、连接、重组、转移和表 达的技术。达的技术。克隆目的基因，取得所需要的克隆目的基因，取得所需要的DNA特异片段。特异片段。与与DNA载体连接成重组载体连接成重组DNA。引入细菌或动植物细胞并
5、使其增殖。引入细菌或动植物细胞并使其增殖。挑选出受体细胞，指导合成蛋白质或优良新品种。挑选出受体细胞，指导合成蛋白质或优良新品种。第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理（一）核酸分子的提取技术（一）核酸分子的提取技术（二）电泳技术（二）电泳技术（三）各种酶的使用（三）各种酶的使用（四）基因克隆（四）基因克隆（五）体外重组（五）体外重组（六）载体构建（六）载体构建（七）转化（七）转化（八）重组体的筛选与鉴定（八）重组体的筛选与鉴定（九）培育新型品种（九）培育新型品种二、基因工程操作技术及原理二、基因工程操作技术及原理第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 v分类：分类：v方法：方
6、法：（一）核酸分子的提取技术（一）核酸分子的提取技术RNARNA的提取的提取总总DNADNA的提取的提取质粒质粒DNADNA的提取的提取 首先首先，粉碎组织细胞；，粉碎组织细胞；其次其次，DNADNA用乙醇等进行沉淀；用乙醇等进行沉淀；最后最后，用苯酚、氯仿等洗涤，用苯酚、氯仿等洗涤 纯化纯化。第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理（二）电泳技术（二）电泳技术带电物质在电场中向相反电极移动的现象称为电泳。带电物质在电场中向相反电极移动的现象称为电泳。各种生物大分子在一定各种生物大分子在一定pHpH值条件下，可以解离成带值条件下，可以解离成带电荷的离子，在电场中会向相反的电极移动。电荷的
7、离子，在电场中会向相反的电极移动。v分类：分类：琼脂糖凝胶电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳、脉冲电琼脂糖凝胶电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳、脉冲电场凝胶电泳。场凝胶电泳。v概念：概念：第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 总总RNARNA总总DNADNA质粒质粒DNADNA第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理（三）各种酶的使用（三）各种酶的使用1 1、限制性内切酶的使用、限制性内切酶的使用v分类分类：型酶、型酶、型型酶酶和和型酶。型酶。v概念概念：是一类能识别是一类能识别双链双链DNADNA中特殊核苷酸序中特殊核苷酸序列，并在合适的条件下列
8、，并在合适的条件下使每一条链一定位点上使每一条链一定位点上的磷酸二酯键断开，产的磷酸二酯键断开，产生具有生具有3-OH3-OH基团和基团和5-P5-P基团的基团的DNADNA片段的片段的内切脱氧核糖核酸酶内切脱氧核糖核酸酶。用用质粒质粒构建构建第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 重组重组DNADNA分子分子用用噬菌体噬菌体DNADNA构建构建第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 重组重组DNADNA分子分子限制性内切酶造成限制性内切酶造成粘性末端粘性末端有利于重组有利于重组DNA DNA 分分子的构建子的构建第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 2 2、DNAD
9、NA连接酶的使用连接酶的使用vDNA连接酶连接酶能够催化具有能够催化具有3-OH基团和基团和5-P基团的基团的DNA片段之间片段之间形成磷酸二酯形成磷酸二酯键。在基因克键。在基因克隆中用来连接隆中用来连接载体与目的基载体与目的基因。因。第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 vDNA聚合酶可以使单核苷酸通过磷酸二酯键加在寡核苷酸的聚合酶可以使单核苷酸通过磷酸二酯键加在寡核苷酸的3-OH端，在基因克隆中用来补平缺口。尤其是具有耐热性质端，在基因克隆中用来补平缺口。尤其是具有耐热性质的的DNA聚合酶的分离极大促进了基因等聚合酶的分离极大促进了基因等DNA片段的体外合成与片段的体外合成与扩增
10、技术的发展。扩增技术的发展。3 3、DNADNA聚合酶的使用聚合酶的使用第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 4 4、逆转录酶的使用、逆转录酶的使用v逆转录酶可以逆转录酶可以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA，即，即cDNAcDNA（互（互补补DNADNA）。在基因）。在基因克隆中常用来构克隆中常用来构建建cDNAcDNA文库。文库。第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理（四）基因克隆（四）基因克隆第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 553333555 5 333 3 55+变性变性(94)复性复性(55)5 5 33P P1 13355+P2+P P1
11、 1P2合成（合成（7272）PCR一般用一般用PCR PCR 扩增扩增方法，根据已知方法，根据已知基因的序列设计基因的序列设计引物来克隆基因。引物来克隆基因。1、克隆已知基、克隆已知基因序列的基因因序列的基因 第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 v在某种植物在某种植物的同源基因被的同源基因被克隆的条件下，克隆的条件下，可先构建可先构建cDNAcDNA 文库或基因组文库或基因组文库，然后以文库，然后以该基因（或部该基因（或部分序列）为探分序列）为探针来筛选目的针来筛选目的基因的克隆。基因的克隆。v作图克隆技术是随着分子标记作图克隆技术
12、是随着分子标记图谱的建立而发展起来的基因克图谱的建立而发展起来的基因克隆技术。根据连锁图谱定位的基隆技术。根据连锁图谱定位的基因来克隆目的基因。克隆植物分因来克隆目的基因。克隆植物分子连锁图谱定位的基因，可采用子连锁图谱定位的基因，可采用作图克隆的策略。作图克隆是从作图克隆的策略。作图克隆是从连锁标记出发，通过大片段克隆连锁标记出发，通过大片段克隆（BACBAC或或YACYAC库）的染色体步移到库）的染色体步移到达靶基因。达靶基因。第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 3 3、作图克隆、作图克隆v根据基因的产物蛋白质克隆基因。首先根据已知的生化缺陷或特征确认根据基因的产物蛋白质克隆基
13、因。首先根据已知的生化缺陷或特征确认与该功能有关的蛋白质，再分离纯化这一蛋白并制备相应抗体；或测定其与该功能有关的蛋白质，再分离纯化这一蛋白并制备相应抗体；或测定其氨基酸序列，推测可能的氨基酸序列，推测可能的mRNAmRNA序列，根据序列，根据mRNAmRNA序列设计相应的核苷酸探针序列设计相应的核苷酸探针或寡核苷酸引物。利用抗体或核苷酸探针筛选文库，也可进行或寡核苷酸引物。利用抗体或核苷酸探针筛选文库，也可进行PCRPCR扩增。扩增。2 2、功能克隆、功能克隆第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理（1 1）消减杂交法）消减杂交法（2 2）DNA DNA 标签法标签法（3 3）差别显示
14、技术）差别显示技术包括：包括：mRNA mRNA 差别显示法等。差别显示法等。（4 4）缺陷互补和反义）缺陷互补和反义mRNAmRNA技术技术（5 5）cDNAcDNA微阵列和基因芯片技术微阵列和基因芯片技术4、表型差异克隆表型差异克隆 v利用表型差异或组织器官特异表达产生的差异来克隆基因。利用表型差异或组织器官特异表达产生的差异来克隆基因。利用酵母或细菌制备人工染色体基因组文库，从中克利用酵母或细菌制备人工染色体基因组文库，从中克隆基因，如酵母双杂交体系可以分离能与已知的靶蛋白质隆基因，如酵母双杂交体系可以分离能与已知的靶蛋白质相互作用的蛋白质的编码基因。相互作用的蛋白质的编码基因。5、染色
15、体大片段基因克隆、染色体大片段基因克隆第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 是将带有目的基因的外源是将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我复片段连接到能够自我复制并具有选择标记的载体分子上，形成重组制并具有选择标记的载体分子上，形成重组DNA 分子。分子。（五）体外重组（五）体外重组 理想的运理想的运载体是质粒，载体是质粒，当给它安装一当给它安装一段外来段外来 DNADNA片片段后，它依然段后，它依然如故地进行自如故地进行自我复制。我复制。（六）载体构建（六）载体构建第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理（1）农杆菌介导转
16、化）农杆菌介导转化法：法：将外植体放入农杆将外植体放入农杆菌菌液中浸泡，然后转菌菌液中浸泡，然后转入共培养基，再转入筛入共培养基，再转入筛选培养基诱导抗性愈伤选培养基诱导抗性愈伤组织和抗性芽，生根后组织和抗性芽，生根后的抗性植株移栽至营养的抗性植株移栽至营养钵培养。钵培养。（七）转化（七）转化1、植物转基因技术、植物转基因技术第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 又称又称微弹轰击法微弹轰击法。其。其基本原理基本原理是将外源是将外源DNADNA包被包被在微小的金粒或钨粒表面，然后在高压的作用在微小的金粒或钨粒表面，然后在高压的作用下，微粒被高速射入受体细胞或组织，微粒上下，微粒被高速射
17、入受体细胞或组织，微粒上的外源的外源DNADNA进入细胞后，整合到植物染色体上，进入细胞后，整合到植物染色体上，得到表达，从而实现基因的转化，得到表达，从而实现基因的转化，（2）基因枪法）基因枪法第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 利用植物在开花、受精过程中形成的花粉管通道，将外源利用植物在开花、受精过程中形成的花粉管通道，将外源DNADNA导入受精卵细胞，并进一步地被整合到受体细胞的基因组中，导入受精卵细胞，并进一步地被整合到受体细胞的基因组中，随着受精卵的发育而成为带转基因的新个体。随着受精卵的发育而成为带转基因的新个体。（3）花粉管通道法花粉管通道法第一节第一节 基因工程操作
18、原理基因工程操作原理 8080年代初期周光宇年代初期周光宇转基因抗虫棉转基因抗虫棉不依赖组织培养不依赖组织培养 首先制备植首先制备植物原生质体，游物原生质体，游离出细胞，在倒离出细胞，在倒置显微镜和显微置显微镜和显微操作器的帮助下，操作器的帮助下，将目的基因将目的基因DNA通过微管注射到通过微管注射到受体细胞中。受体细胞中。（4）微注射法）微注射法第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 在短时间的高压直流电脉冲的冲击下，可以使原生质膜的分在短时间的高压直流电脉冲的冲击下，可以使原生质膜的分子疏松，形成暂时性的直径为子疏松，形成暂时性的直径为3 34 nm4 nm的小孔，但对原生质体生的
19、小孔，但对原生质体生活力影响不大。这时，存在于原生质体周围溶液中的外源活力影响不大。这时，存在于原生质体周围溶液中的外源DNADNA，就可以通过这种小孔进入原生质体，实现基因的直接转移。就可以通过这种小孔进入原生质体，实现基因的直接转移。（5）电穿孔法）电穿孔法第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 原生质体在短时间的微束激光照射下，可在质膜表面形成面积原生质体在短时间的微束激光照射下，可在质膜表面形成面积约约0.25 m0.25 m2 2左右的小孔，使左右的小孔，使DNADNA分子进入细胞分子进入细胞。（6 6）微束激光打孔法）微束激光打孔法 世界上主要有世界上主要有4 4类已报道的
20、方法：类已报道的方法：1 1）融合法）融合法，包括精子融介法，微细胞，包括精子融介法，微细胞介导融合等。介导融合等。2 2）化学法）化学法，包括，包括DNA-DNA-磷酸钙沉淀法、磷酸钙沉淀法、DEAE-DEAE-葡聚糖法、染色体介导法。葡聚糖法、染色体介导法。3 3）物理法）物理法，包括显微注射法、电脉冲，包括显微注射法、电脉冲法、细胞冻存法等。法、细胞冻存法等。4 4）病毒感染法）病毒感染法，包括重组，包括重组DNADNA病毒感染、病毒感染、重组重组RNARNA病毒感染等。病毒感染等。真正成熟方法真正成熟方法显微注射显微注射DNADNA法法精子介导法精子介导法核移植法核移植法2、转基因动物
21、技术、转基因动物技术 第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 核显微注射法核显微注射法是转基因技术中是转基因技术中最常用的方法最常用的方法。它是在显微镜下将。它是在显微镜下将外源基因注射到受精卵细胞的原核内，外源基因注射到受精卵细胞的原核内，注射的外源基因与胚胎基注射的外源基因与胚胎基因组融合，然后进行体外培养，最后移植到受体母畜子宫内发育，因组融合，然后进行体外培养，最后移植到受体母畜子宫内发育，这样分娩的动物体内的每一个细胞都含有新的这样分娩的动物体内的每一个细胞都含有新的DNA DNA 片段。片段。（1 1）核显微注射法）核显微注射法第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理
22、 缺点：缺点：效率低效率低表达结果的不确定性表达结果的不确定性动物利用率低等动物利用率低等在反刍动物：繁殖周期长，较强的时间限制、需要大量的受体动物。在反刍动物：繁殖周期长，较强的时间限制、需要大量的受体动物。精子介导的基因转移是把精子介导的基因转移是把精子作适当处理后，使其精子作适当处理后，使其具有携带外源基因的能力。具有携带外源基因的能力。然后，用携带有外源基因然后，用携带有外源基因的精子给母畜授精。的精子给母畜授精。优点优点：成本很低，只有显：成本很低，只有显微注射法成本的微注射法成本的1 11010。由于它不涉及对动物进行由于它不涉及对动物进行手术处理，因此，可以用手术处理，因此，可以
23、用生产牛群或羊群进行试验。生产牛群或羊群进行试验。（2 2）精子介导的基因转移）精子介导的基因转移第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 先把外源基因与供体先把外源基因与供体细胞在培养基中培养，使细胞在培养基中培养，使外源基因整合到供体细胞外源基因整合到供体细胞上，然后将供体细胞的细上，然后将供体细胞的细胞核移植到受体细胞胞核移植到受体细胞去去核卵母细胞，构成重建胚，核卵母细胞，构成重建胚，再把其移植到假孕母体，再把其移植到假孕母体，待其妊娠、分娩，便可得待其妊娠、分娩，便可得到转基因的克隆动物。到转基因的克隆动物。（3 3）核移植转基因法）核移植转基因法第一节第一节 基因工程操作原理
24、基因工程操作原理 v遗传检测法遗传检测法v物理检测法物理检测法v菌落或噬菌斑杂交筛选法菌落或噬菌斑杂交筛选法v免疫化学检测法免疫化学检测法vDNA 蛋白质筛选法蛋白质筛选法v转译筛选法等转译筛选法等（八）重组体的筛选与鉴定（八）重组体的筛选与鉴定技术方法技术方法:第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 草甘磷是一种广谱除草剂，将含有抗草甘磷的草甘磷是一种广谱除草剂，将含有抗草甘磷的EP2SPEP2SP合合成酶突变基因引入植物，就可使植物获得抗除草剂特性，成酶突变基因引入植物，就可使植物获得抗除草剂特性，使大田作物便于除草，农业操作简便。使大田作物便于除草，农业操作简便。（九）培育新型品
25、种（九）培育新型品种第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 在食品工业方面在食品工业方面可提高微生物菌种可提高微生物菌种性能，通过基因工性能，通过基因工程改造的面包酵母程改造的面包酵母中麦芽糖透性酶和中麦芽糖透性酶和麦芽糖酶的含量比麦芽糖酶的含量比普通面包酵母高，普通面包酵母高，产生二氧化碳气体产生二氧化碳气体的量也较高，可制的量也较高，可制作出更松软可口的作出更松软可口的面包。面包。第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 凝乳酶凝乳酶传统方法传统方法是从小牛胃中提取，是从小牛胃中提取，成本高，产量低，成本高，产量低，20 20 世纪世纪80 80 年代以年代以来，将凝乳酶原基
26、来，将凝乳酶原基因导入大肠杆菌，因导入大肠杆菌，成功地进行了大规成功地进行了大规模的生产。模的生产。第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 美国基因重组的抗霜菌，洒在植物上可抗霜冻。美国基因重组的抗霜菌，洒在植物上可抗霜冻。目前，基因工程作物主要有玉米、大豆、水稻、目前，基因工程作物主要有玉米、大豆、水稻、棉花、马铃薯、番茄、烟草等。棉花、马铃薯、番茄、烟草等。第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理 第一节第一节 基因工程操作原理基因工程操作原理“多莉多莉”轰动了世界；轰动了世界；“克隆人克隆人”让人匪夷所思；将人让人匪夷所思；将人类的干细胞加到动物的早期发育胚胎中，导致猪体内
27、类的干细胞加到动物的早期发育胚胎中，导致猪体内流人血，老鼠长着人类脑细胞，小鼠背上长人耳流人血，老鼠长着人类脑细胞，小鼠背上长人耳。第二节第二节 细胞工程操作原理（细胞工程操作原理（P139P139）一、什么是细胞工程一、什么是细胞工程二、细胞工程技术与原理二、细胞工程技术与原理细胞工程：细胞工程：按照人按照人们的需要和科学设们的需要和科学设计改变细胞的遗传计改变细胞的遗传基础，并通过无菌基础，并通过无菌操作，细胞融合，操作，细胞融合，核质移植，染色体核质移植，染色体移植以及组织和细移植以及组织和细胞培养等技术，重胞培养等技术，重组细胞的结构和内组细胞的结构和内含物，以改变生物含物，以改变生物
28、的结构和功能，快的结构和功能，快速繁殖和培养出人速繁殖和培养出人们所需要的新物种们所需要的新物种的生物工程技术。的生物工程技术。一、什么是细胞工程一、什么是细胞工程第二节第二节 细胞工程操作原理细胞工程操作原理（一）细胞融合技术（一）细胞融合技术 细胞融合，细胞融合，又称细胞杂交：是指在离体条件下用人工方法使又称细胞杂交：是指在离体条件下用人工方法使两个或两个以上的细胞相互接触后，导致细胞合并形成一个两个或两个以上的细胞相互接触后，导致细胞合并形成一个新细胞的过程。新细胞的过程。二、细胞工程技术与原理二、细胞工程技术与原理第二节第二节 细胞工程操作原理细胞工程操作原理自然融合自然融合人工诱导融
29、合人工诱导融合通常所说的细胞融合指人工诱导融合。通常所说的细胞融合指人工诱导融合。1 1、制备原生质体、制备原生质体2 2、诱导细胞融合、诱导细胞融合 3 3、筛选杂合细胞、筛选杂合细胞 细胞融合技术主要步骤细胞融合技术主要步骤:第二节第二节 细胞工程操作原理细胞工程操作原理克隆技术克隆技术：从同一个亲代细胞形成的一组细胞，形成大量从同一个亲代细胞形成的一组细胞，形成大量子细胞的无性繁殖过程，这些子细胞和亲代细胞完全相同，子细胞的无性繁殖过程，这些子细胞和亲代细胞完全相同，多莉多莉 的诞生意味着人类可以利用动物的一个组织细胞的诞生意味着人类可以利用动物的一个组织细胞“复印复印”出大量相同的生命
30、体，这个过程称为克隆技术。出大量相同的生命体，这个过程称为克隆技术。（二）克隆技术（二）克隆技术第二节第二节 细胞工程操作原理细胞工程操作原理生物克隆原理第二节第二节 细胞工程操作原理细胞工程操作原理 染色体工程是染色体工程是按照预先的设计，按照预先的设计，添加、消除或替代添加、消除或替代同种或异种染色体同种或异种染色体的全部或一部分，的全部或一部分，从而达到定向改变从而达到定向改变生物遗传性状或选生物遗传性状或选育新品种的目的。育新品种的目的。例如，向小麦例如，向小麦中添加黑麦染色体中添加黑麦染色体形成小黑麦附加系、形成小黑麦附加系、代换系等，为染色代换系等，为染色体的研究和育种提体的研究和
31、育种提供新材料。供新材料。（三）染色体工程（三）染色体工程第二节第二节 细胞工程操作原理细胞工程操作原理 将动物的一个早期将动物的一个早期胚胎如胚胎如8 8细胞胚取出并在细胞胚取出并在动物体外进行分割后，动物体外进行分割后，把分割胚胎都移植到母把分割胚胎都移植到母体内，结果得到由多个体内，结果得到由多个胚胎细胞克隆而成的生胚胎细胞克隆而成的生物。物。（五）胚胎分割和移植技术（五）胚胎分割和移植技术 第二节第二节 细胞工程操作原理细胞工程操作原理 细胞质工程又称细胞拆合工程，是通过物理或化学方细胞质工程又称细胞拆合工程，是通过物理或化学方法将细胞质与细胞核分开，再进行不同细胞间核质的重新法将细胞
32、质与细胞核分开，再进行不同细胞间核质的重新组合，细胞质的置换重建成新细胞。组合，细胞质的置换重建成新细胞。（四）细胞质工程（四）细胞质工程 细胞核转移技术就是细胞核转移技术就是将一个细胞的细胞核取出，将一个细胞的细胞核取出，移入另外一个除去了细胞移入另外一个除去了细胞核的细胞中，组成一个完核的细胞中，组成一个完整的细胞。整的细胞。该技术是体细胞克隆该技术是体细胞克隆技术的基础。技术的基础。（六）细胞核转移技术（六）细胞核转移技术 第二节第二节 细胞工程操作原理细胞工程操作原理（七）干细胞工程（七）干细胞工程第二节第二节 细胞工程操作原理细胞工程操作原理 干细胞工程干细胞工程是利用干是利用干细胞
33、的增殖特性，多分化细胞的增殖特性，多分化潜能及其增殖分化的高度潜能及其增殖分化的高度有序性，通过体外培养干有序性，通过体外培养干细胞、诱导干细胞定向分细胞、诱导干细胞定向分化或利用转基因技术处理化或利用转基因技术处理干细胞以改变其特性的方干细胞以改变其特性的方法。法。（八）大规模细胞（八）大规模细胞组织培养技术组织培养技术第二节第二节 细胞工程操作原理细胞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二节第二节 细胞工程操作原理细胞工程操作原理生物体生物体机器机器酶酶复杂高效化学反应。复杂高效化学反应。胃分泌的胃蛋白酶胃分泌的胃蛋白酶胰脏分泌的淀粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶胰脏分泌的淀
34、粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶第三节第三节 酶工程（酶工程（P142P142）一、酶工程的概念和内容一、酶工程的概念和内容二、酶分析技术二、酶分析技术三、三、酶的生产酶的生产四、四、酶的提取和分离纯化酶的提取和分离纯化五、五、酶的固定化方法酶的固定化方法六、六、酶的应用酶的应用 酶酶是一种在生物体内具有新是一种在生物体内具有新陈代谢催化剂作用的蛋白质。陈代谢催化剂作用的蛋白质。具有反应效率高、条件温和、具有反应效率高、条件温和、反应产物污染小、能耗低和反应产物污染小、能耗低和反应易控制等特点。反应易控制等特点。酶工程酶工程又称酶工艺学，就是又称酶工艺学，就是利用酶的催化作用，利用酶利用酶的催化作用，利
35、用酶或者微生物细胞，动植物细或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等，通过工程学胞，细胞器等，通过工程学的手段，在一定的生物反应的手段，在一定的生物反应器中，将相应的原料转化成器中，将相应的原料转化成所需要的产品。所需要的产品。一、酶工程的概念和内容一、酶工程的概念和内容第三节第三节 酶工程酶工程 酶工程的应用主要集中于酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业、医药工业食品工业、轻工业、医药工业和临床诊断等方面。和临床诊断等方面。对传统化学工对传统化学工业的改造和业的改造和“三废三废”处理等具有很大潜力。处理等具有很大潜力。第三节第三节 酶工程酶工程n酶的工作效率很高，酶的工作效率很高，-淀粉酶在淀
36、粉酶在60 15分钟分钟可使两吨淀粉转化为糊精，可使两吨淀粉转化为糊精，若用酸水解须在若用酸水解须在14O15O高温耐酸设备中至高温耐酸设备中至少进行少进行2小时。小时。n目前，人们把酶工程分为目前，人们把酶工程分为生物酶工程和化学酶工程生物酶工程和化学酶工程。第三节第三节 酶工程酶工程 主要任务是：主要任务是：(1)(1)采用基因重组技术，利用微生物、动植物细胞作为生物采用基因重组技术，利用微生物、动植物细胞作为生物反应器大量生产酶。目前已成功地生产了反应器大量生产酶。目前已成功地生产了 lOOlOO多种酶。多种酶。(2)(2)通过基因工程技术，使酶基因发生定位突变，产生遗传通过基因工程技术
37、，使酶基因发生定位突变，产生遗传性修饰酶性修饰酶(突变酶突变酶)。(3)(3)设计新酶基因，合成自然界不曾有的新酶。虽然生物酶设计新酶基因，合成自然界不曾有的新酶。虽然生物酶工程技术的发展尚处在幼年时代，但它将开创从分子水平工程技术的发展尚处在幼年时代，但它将开创从分子水平根据遗传设计蓝图，创造出超自然生物机器的新时代。根据遗传设计蓝图，创造出超自然生物机器的新时代。1 1、生物酶工程、生物酶工程第三节第三节 酶工程酶工程2 2、化学酶工程、化学酶工程(1)(1)自然酶，自然酶，是指由生物材料中分离出来的是指由生物材料中分离出来的酶。酶。(2)(2)化学修饰酶化学修饰酶又称又称“生物分子工程生
38、物分子工程”，是通过对酶分子实行是通过对酶分子实行“手术手术”以达到改构以达到改构和改性的目的。和改性的目的。(3)(3)固定化酶固定化酶，是将酶分子通过吸附、交联、，是将酶分子通过吸附、交联、包埋及共价键结合束缚于某种特定支持物包埋及共价键结合束缚于某种特定支持物上而发挥酶的作用。具有能反复使用、产上而发挥酶的作用。具有能反复使用、产物易纯化、可用微电脑控制，实行自动化物易纯化、可用微电脑控制，实行自动化连续化生产等优点。连续化生产等优点。(4)(4)人工合成酶人工合成酶，模拟酶的催化功能，用化，模拟酶的催化功能，用化学方法合成具有专一性的催化剂。学方法合成具有专一性的催化剂。第三节第三节
39、酶工程酶工程 包括包括酶试剂盒、酶酶试剂盒、酶联免疫、酶标基因探针、联免疫、酶标基因探针、酶传感器酶传感器等等，已经在等等，已经在临床诊断、生物工艺过临床诊断、生物工艺过程分析与监控、环境监程分析与监控、环境监测、检疫、生命科学研测、检疫、生命科学研究等方面逐渐取代传统究等方面逐渐取代传统的化学分析法。的化学分析法。二、酶分析技术二、酶分析技术第三节第三节 酶工程酶工程酶在分析生物技术领域应用也很广。酶在分析生物技术领域应用也很广。提取法、发酵法和化学合成法提取法、发酵法和化学合成法1 1、提取法：、提取法：直接从动植物或微生直接从动植物或微生物的细胞或组织中将酶提取出来。物的细胞或组织中将酶
40、提取出来。2 2、发酵法：、发酵法：通过微生物发酵来通过微生物发酵来获得人们所需要的酶。获得人们所需要的酶。3 3、化学合成法：、化学合成法：采用化学合成的采用化学合成的方法获得酶。但是，成本比较高，方法获得酶。但是，成本比较高，并且只能合成已知化学结构的酶。并且只能合成已知化学结构的酶。三、酶的生产三、酶的生产 第三节第三节 酶工程酶工程 1 1、细胞破碎处理、细胞破碎处理 机械破碎法：机械破碎法：利用捣碎机、研磨器或匀浆器等将细胞破碎。利用捣碎机、研磨器或匀浆器等将细胞破碎。物理破碎法：物理破碎法：利用温度差、压力差或超声波等将细胞破碎。利用温度差、压力差或超声波等将细胞破碎。化学破碎法：
41、化学破碎法：利用甲醛、丙酮等有机溶剂或表面活性剂作用于细利用甲醛、丙酮等有机溶剂或表面活性剂作用于细胞膜，使细胞膜的结构遭到破坏或透性发生改变。胞膜，使细胞膜的结构遭到破坏或透性发生改变。酶学破碎法：酶学破碎法：选用合适的酶，使细胞壁遭到破坏，进而在低渗溶选用合适的酶，使细胞壁遭到破坏，进而在低渗溶液中将原生质体破碎。液中将原生质体破碎。四、酶的提取和分离纯化四、酶的提取和分离纯化 第三节第三节 酶工程酶工程2 2、酶的提取、酶的提取过柱法过柱法盐溶液提取法盐溶液提取法碱溶液提取法碱溶液提取法有机溶剂提取法等有机溶剂提取法等3 3、分离、分离酶分离纯化的方法很多，可利用酶相对分酶分离纯化的方法
42、很多，可利用酶相对分子质量的大小进行分离纯化，如通过透析子质量的大小进行分离纯化，如通过透析的方法分离酶等。的方法分离酶等。1 1、载体结合法、载体结合法 载体结合法是指将酶固定到非水溶性载体载体结合法是指将酶固定到非水溶性载体上的方法。上的方法。物理吸附法、离子结合法、共价结合法。物理吸附法、离子结合法、共价结合法。2 2、交联法：、交联法：通过双功能试剂，将酶和酶联结成网状结构的通过双功能试剂，将酶和酶联结成网状结构的方法。交联法使用的交联剂是戊二醛等水溶性化合物。方法。交联法使用的交联剂是戊二醛等水溶性化合物。3 3、包埋法、包埋法 ：将酶包裹在多孔的载体中。：将酶包裹在多孔的载体中。五
43、、酶的固定化方法五、酶的固定化方法 第三节第三节 酶工程酶工程酶的固定化方酶的固定化方法不下百种，法不下百种，归纳起来大致归纳起来大致可以分为三类：可以分为三类：（1 1）高果糖浆）高果糖浆 葡萄糖葡萄糖经过异构化经过异构化果糖。果糖。生产上实际上只有生产上实际上只有42%42%45%45%，其余的仍然是葡萄糖。，其余的仍然是葡萄糖。把果葡糖浆中的果糖和葡萄糖分离，将分离出来的葡萄糖把果葡糖浆中的果糖和葡萄糖分离，将分离出来的葡萄糖再次进行异构化，如此反复多次，最后的混合物中果糖的含量再次进行异构化，如此反复多次，最后的混合物中果糖的含量可以达到可以达到70%70%90%90%，形成高果糖浆。
44、，形成高果糖浆。六、酶的应用六、酶的应用第三节第三节 酶工程酶工程 加酶洗衣粉中添加了多种酶制剂，如碱性蛋白酶制剂和碱加酶洗衣粉中添加了多种酶制剂，如碱性蛋白酶制剂和碱性脂肪酶制剂等。性脂肪酶制剂等。对人体没有毒害作用对人体没有毒害作用 不会污染环境。不会污染环境。（2）加酶洗衣粉）加酶洗衣粉 第三节第三节 酶工程酶工程 肌肉组织中含有胶原蛋白，由于存在着交联键而使肌肉具有肌肉组织中含有胶原蛋白，由于存在着交联键而使肌肉具有很强的机械强度。用嫩肉粉处理年老畜禽的肌肉，可以使这类肌很强的机械强度。用嫩肉粉处理年老畜禽的肌肉，可以使这类肌肉中的胶原蛋白水解，使肌肉变软并且易于烹调。肉中的胶原蛋白水
45、解，使肌肉变软并且易于烹调。第三节第三节 酶工程酶工程（3 3）嫩肉粉）嫩肉粉木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶或米曲霉蛋白酶制成。木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶或米曲霉蛋白酶制成。传感器又叫变送器，是一类能将某一种被测物理量变传感器又叫变送器，是一类能将某一种被测物理量变换成便于传送和处理的另一种物理量（通常为电量）的器换成便于传送和处理的另一种物理量（通常为电量）的器件或装置。例如，验钞器就是一种比较简单的传感器。件或装置。例如，验钞器就是一种比较简单的传感器。第三节第三节 酶工程酶工程（4 4）酶传感器）酶传感器菠萝蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶、胃蛋白酶等菠萝蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶、胃蛋白酶等-胃胃分泌功能障
46、碍。分泌功能障碍。L-L-天冬酰胺酶、白喉毒素天冬酰胺酶、白喉毒素-抗肿瘤，抗肿瘤，胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶-治疗炎症，治疗炎症，激肽释放酶激肽释放酶-降血压，降血压，尿激酶尿激酶-溶解血凝块。溶解血凝块。第三节第三节 酶工程酶工程（5 5）医药医疗）医药医疗 1857 1857年，法国微年，法国微生物学家巴斯德发现生物学家巴斯德发现了发酵原理，人们才了发酵原理，人们才认识到发酵是微生物认识到发酵是微生物活动的结果。活动的结果。第四节第四节 发酵工程（发酵工程（P147P147）一、发酵工程的概念和内容一、发酵工程的概念和内容二、发酵工程操作技术二、发酵工程操作技术三、发酵工程的应用三、发酵工
47、程的应用四、发酵工程产品四、发酵工程产品氨基酸氨基酸 发酵工程：发酵工程：是指利用微生物的特定性状，通过现代化工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一种技术系统，或程技术，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程的一种新技术。直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、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离提纯等方面。扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。一、发酵工程的概念和内容一、发酵工程的概念和内容第四节第四节
48、发酵工程发酵工程2 2、发酵工艺发酵工艺：:主要指在主要指在最适发酵条件下，发酵罐最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。谢产物的工艺技术。3 3、下游工程下游工程：:指从发酵指从发酵液中分离和纯化产品的技液中分离和纯化产品的技术。术。第四节第四节 发酵工程发酵工程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（细胞工程方法等选育优良种株，最适发酵条件（pHpH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。温度、溶氧和营养组
49、成）的确定，营养物的准备等。(一一)菌种的选育菌种的选育 ：自然选育、自然选育、诱变育种诱变育种，例如，在，例如，在1943年刚开始年刚开始生产青霉素时，青霉素的产量只有生产青霉素时，青霉素的产量只有20g/mL左右，经过长期的诱变育左右，经过长期的诱变育种，如今青霉素的产量已达到种，如今青霉素的产量已达到85 000g/mL以上。以上。（二）培养基的配制（二）培养基的配制 合适的培养合适的培养基对细菌生长非常重要。基对细菌生长非常重要。（三）灭菌（三）灭菌 发酵工程中所用的菌发酵工程中所用的菌种大多是单一的纯种。种大多是单一的纯种。（四）扩大培养和接种（四）扩大培养和接种 在大规模在大规模的
50、发酵生产中，需要多次扩大培养。的发酵生产中，需要多次扩大培养。二、发酵工程操作技术二、发酵工程操作技术第四节第四节 发酵工程发酵工程 这是发酵工程的中心阶段和生产过程。在这个阶这是发酵工程的中心阶段和生产过程。在这个阶段，除了要随时取样检测培养液中的细菌数目、产物段，除了要随时取样检测培养液中的细菌数目、产物浓度等，以了解发酵进程外，还要及时添加必需的培浓度等，以了解发酵进程外，还要及时添加必需的培养基组分，以满足菌种的营养需要。同时，要严格控养基组分，以满足菌种的营养需要。同时，要严格控制温度、制温度、pHpH值、溶氧、通气量与转速等发酵条件。值、溶氧、通气量与转速等发酵条件。第四节第四节
