1、工程科学工程科学生命科学生命科学生物生物工程工程发酵发酵工程工程酶酶工程工程基因基因工程工程分子水平细胞细胞工程工程细胞水平动物组织和细胞培养技术干细胞技术细胞融合技术细胞核移植技术第第1 1节节 生物工程概论生物工程概论细胞工程细胞工程发酵工程发酵工程基因工程基因工程酶工程酶工程综合性应用综合性应用生物工程生物工程生物反生物反应器工程应器工程 生物工程，一般认为是以生物学，一般认为是以生物学( (特别是特别是其中的微生物学、遗传学、生物化学和细胞其中的微生物学、遗传学、生物化学和细胞学学) )的理论和技术为基础，结合化工、机械、的理论和技术为基础，结合化工、机械、电子计算机等现代工程技术，充
2、分运用分子电子计算机等现代工程技术，充分运用分子生物学的最新成就，自觉地操纵遗传物质，生物学的最新成就，自觉地操纵遗传物质，定向地改造生物或其功能，短期内创造出具定向地改造生物或其功能，短期内创造出具有超远缘性状的新物种，再通过合适的生物有超远缘性状的新物种，再通过合适的生物反应器对这类反应器对这类“工程菌工程菌”或或“工程细胞株工程细胞株”进行大规模的培养，以生产大量有用代谢产进行大规模的培养，以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能一门新兴技术。物或发挥它们独特生理功能一门新兴技术。发酵工程现代啤酒的发酵生产工艺现代啤酒的发酵生产工艺分批补料发酵生产乳酸，使得乳酸的发酵水平达200g/
3、L，光学纯度达97.4%可满足聚乳酸的生产需要；纯培养厌氧分批补料发酵技术生物高分子材料生产建成一条我国第一，世界第二的年产5000t绿色可降解环保型聚乳酸树脂工业示范线，收率达到理论收率的90%，分子量大于10万。绿色可降解环保型聚，乳酸树脂具有环境友好型的优势，并能够胜任大部分合成塑料。对现有500t/a秸秆乙醇中式生产线技术改造 生物法生产大宗化学用品具有很强的潜力和很大的利润，更具有经济环保的优良性质。 目前生物法生产乙烯新增产值5.76亿，新增利润7654万元乙烯的生物炼制技术的成熟促使一系列大宗化学用品的生物法的发展。生物燃料我国是世界上肥料消费量第一的大国，化肥对我国粮我国是世界
4、上肥料消费量第一的大国，化肥对我国粮食的贡献占食的贡献占50%50%以上；以上；我国肥料资源十分匮乏，我国肥料资源十分匮乏，例如：再过例如：再过20年中高品年中高品位磷矿开采殆尽；位磷矿开采殆尽；化肥肥效易下降且会造化肥肥效易下降且会造成大量氮、磷污染地下水。成大量氮、磷污染地下水。生物肥料提供氮素，生物肥料提供氮素，转化难溶磷钾，促转化难溶磷钾，促进作物生长；进作物生长；生物肥料环境友好。生物肥料环境友好。生物肥料关键技术突破：生物肥料关键技术突破： 生物肥料高效菌种资源库的不断充实；生物肥料高效菌种资源库的不断充实； 突破秸秆快速腐熟技术；突破秸秆快速腐熟技术； 高密度发酵工业；高密度发酵
5、工业； 生物肥料高效载体研究的突破。生物肥料高效载体研究的突破。生物肥料干细胞与组织工程胚胎干细胞的多能性为发育生物学和医学提供了很多可能的应用，但是提取干细胞通常会毁坏胚胎，这项研究引发了生物伦理的激烈讨论。2006年，日本研究人员报告一个能避开人体胚胎干细胞实际与伦理问题。他们将4个基因（Oct4，Sox2，Klf4 和c-Myc）导入在培养皿中生长的小鼠尾部细胞，得到了外表和作用与干细胞十分相似的新细胞iPS细胞（诱导性多功能干细胞）。2008年，科学家们用基因技术彻底消除细胞的发育“记忆”，从而使其回到原始胚胎状态，这就是细胞重编程（reprogramming cell），被Scien
6、ce杂志评为2008年十大科学进展之首。基因工程 我国建立了水稻高效规模化的转基因技术的体系，形成年转化5000个基因的技术能力，并已经对上千个基因进行了转化和功能分析，构建了面向全国的开放平台。 我国转基因水稻涉及抗虫、抗病、抗逆、品质、养分高效利用和高产等，在国际顶级学术刊物上发表数篇重要科技论文。转基因植物转基因植物酶工程北京化工大学开发的酶法发酵生产生物柴油已在秦皇岛和上海实现了生物柴油的万吨级产业化；从生物质到生物柴油清华大学与湖南海纳百川生物工程有限公司合作，建成了全球套酶法工业化生产生物柴油装置，运行结果表示该酶法新工艺在经济上与目前的化学工艺相比具有很强的竞争力。生物酶法生产生
7、物柴油产业化装置发酵反应器工程菱花和阜丰集团采用绿色制造新技术发酵生产谷氨酸，并自主研发了一种新型大型的谷氨酸发酵罐，将产率提高了0.5%，且降低了能耗和设备成本。 例如：碱性甘露聚糖酶（水解纤维素）的高表达与产业开发1完成高温、酸性、碱性、以及耐盐碱的甘露聚糖酶、纤维素酶、淀粉酶、葡萄糖苷酶等多种极端酶产生菌的分离，获得146株极端微生物；3甘露聚糖酶和乳糖酶在酵母中高效表达，建成生产示范装置。2克隆表达30余个极端工业酶基因，完成18个极端酶的纯化与表征；阐述了极端酶的结构位点和适应机制；工业酶制剂是重要的大宗发酵产品，也是实现绿色化学的重要工具。是基因工程、蛋白质工程、发酵工程的融合。综
8、合利用综合利用生物工程的主要领域生物工程的主要领域生命生命科学科学工程工程科学科学生物生物工程工程主要主要 领域领域主要服主要服 务领域务领域 发酵发酵工程工程基因基因工程工程细胞细胞工程工程 酶酶工程工程人类人类健康健康工农工农业业资资源源能能源源环环境境生物工程的学科基础及主要领域生物工程的学科基础及主要领域微生物微生物工程菌工程菌发酵工程发酵工程酶工程酶工程细胞工程细胞工程产品产品基因工程基因工程酶酶动植物个体或细胞动植物个体或细胞优良动植物品种优良动植物品种生物工程主要领域之间相互关系示意图生物工程主要领域之间相互关系示意图生物工程的特点生物工程的特点高效性和经济性高效性和经济性：基因
9、工程应用举例基因工程应用举例 与医药卫生与医药卫生 （1 1）生产基因工程药品）生产基因工程药品 优点：高质量、低成本优点：高质量、低成本 举例：胰岛素、干扰素、举例：胰岛素、干扰素、乙肝疫苗等乙肝疫苗等（2 2）用于环境监测：用）用于环境监测：用DNADNA探针可检测饮水中病毒的含量探针可检测饮水中病毒的含量 方法：使用一个方法：使用一个特定的特定的DNADNA片段制成探针，与被检测的病毒片段制成探针，与被检测的病毒DNADNA杂交，从而把病毒检测出来。杂交，从而把病毒检测出来。特点：快速、灵敏特点：快速、灵敏 （3 3）基因治疗）基因治疗 含义：把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到
10、含义：把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。举例：半乳糖血症（病因、研究成果）治疗疾病的目的。举例：半乳糖血症（病因、研究成果） 发展前景：许发展前景：许多遗传病及疑难病症将被人类征服。多遗传病及疑难病症将被人类征服。细胞工程作为科学研究的一种手段，已经渗入到生物工程的各个方面，成为细胞工程作为科学研究的一种手段，已经渗入到生物工程的各个方面，成为必不可少的配套技术。在农林、园艺和医学等领域中，细胞工程正在为人类必不可少的配套技术。在农林、园艺和医学等领域中，细胞工程正在为人类做出巨大的贡献。利用细胞工程技术进行作物育种，是迄今人类受益最多的做出巨大的贡献。利用细胞工程技
11、术进行作物育种，是迄今人类受益最多的一个方面。我国在这一领域已达到世界先进水平，以花药单倍体育种途径，一个方面。我国在这一领域已达到世界先进水平，以花药单倍体育种途径，培育出的水稻品种或品系有近百个，小麦有培育出的水稻品种或品系有近百个，小麦有3030个左右。其中河南省农科院培个左右。其中河南省农科院培育的小麦新品种，具有抗倒伏、抗锈病、抗白粉病等优良性状。育的小麦新品种，具有抗倒伏、抗锈病、抗白粉病等优良性状。 清洁和低耗清洁和低耗强调技术设计强调技术设计可遗传和可扩散可遗传和可扩散对人类伦理道德观念有影响对人类伦理道德观念有影响第第2 2节节 细胞工程细胞工程细胞工程是什么？在细胞水平上，
12、以细胞生物学理论和技术为基础，结合现代工程技术手段以及其他学科的科学原理和技术，研究、开发和利用细胞的现代生物技术。动物组织和细胞培养技术动物组织和细胞培养技术美国科学家哈里森采用美国科学家哈里森采用开创了动物组织的体外培养技开创了动物组织的体外培养技术术：蛙胚的神经组织培养在淋巴液中凹窝载玻片盖玻片动物组织和细胞培养技术从动物体内分离出组织或细胞，在适宜的条件下，使从动物体内分离出组织或细胞，在适宜的条件下，使组织或细胞生长和繁殖的一门技术组织或细胞生长和繁殖的一门技术无菌、无毒的环境无菌、无毒的环境必须的营养必须的营养观察同济大学观察同济大学“细胞房细胞房”体外培养癌细胞的图片体外培养癌细
13、胞的图片适宜的温度、适宜的温度、PHPH、渗透压、气体、渗透压、气体你能归纳动物细胞培养的条件吗？如果体外培养哺乳动物组织细胞，需要怎样的温度？疫苗抗体激素酶干扰素动物细胞培养技术有什么用呢？干细胞技术具有自我更新和增殖、分化能力的细胞称为干细胞。比如：皮肤基底层干细胞比如：皮肤基底层干细胞干细胞的类型干细胞的类型胚胎干细胞胚胎干细胞成体干细胞成体干细胞从发育来源看从发育来源看胚胎干细胞胚胎干细胞及应用胚胎干细胞及应用思考用干细胞技术帮助型糖尿病患者？体外诱导胚胎干细胞定向分化为胰岛体外诱导胚胎干细胞定向分化为胰岛B细胞，细胞，进行胰岛移植进行胰岛移植如何救治患白血病的儿童？如何救治患白血病的
14、儿童？骨髓（造血干细胞）移植骨髓（造血干细胞）移植成体干细胞及应用成体干细胞成体干细胞多能干细胞多能干细胞单能干细胞单能干细胞多能造血干细胞皮肤基底层干细胞、神经干细胞等正在动物实验阶段正在动物实验阶段：用胚胎干细胞或神经干细胞治疗一些老年性疾病，如阿尔兹海默症、帕金森症这些疾病，已经成功已经成功：骨髓中造血干细胞移植已成功地挽救了许多白血病患者的生命。“人类胚胎在发育人类胚胎在发育14天内，不构成人格意义上的人，天内，不构成人格意义上的人，所以胚胎体外培养不得超过所以胚胎体外培养不得超过14天天”道德和伦理上的争议：道德和伦理上的争议：细胞融合技术细胞融合技术用人工的方法用人工的方法，使使不
15、同来源不同来源的细胞的细胞相互融合相互融合，形成一个新细胞形成一个新细胞，即重即重组细胞的过程。组细胞的过程。杂交的两个细杂交的两个细胞胞用纤维素酶、果用纤维素酶、果胶酶处理细胞壁胶酶处理细胞壁原生质体、原生质体、融合后的原生质体融合后的原生质体再生细胞壁再生细胞壁杂种细胞杂种细胞脱分脱分化化细胞分裂细胞分裂愈伤组愈伤组织织杂种植株杂种植株再分化再分化植植物物细细胞胞融融合合植物植物组织组织培养培养AB细胞A细胞B杂交细胞(体外诱导融合)用途：制备单克隆抗体动物细胞融合技术单克隆抗体的制备过程肿瘤细胞肿瘤细胞不会产生抗体不会产生抗体但能体外增殖但能体外增殖以绵羊红细胞为抗以绵羊红细胞为抗原刺激
16、原刺激B B淋巴细胞淋巴细胞 能产生抗体，但不能产生抗体，但不能体外增殖能体外增殖用促融剂融合用促融剂融合筛选筛选杂交瘤细胞杂交瘤细胞体外培养杂交瘤细胞，收集单克隆抗体单克隆抗体单克隆抗体 单个杂交瘤细胞增殖产生的杂交瘤细胞群单个杂交瘤细胞增殖产生的杂交瘤细胞群持持续分泌续分泌的的成分单一成分单一的的特异性抗体特异性抗体称为称为单克隆抗体。单克隆抗体。癌症的靶向治疗癌症的靶向治疗单克隆抗体的应用特异性识别特异性识别癌细癌细胞胞的单克隆抗体的单克隆抗体B B淋巴细胞淋巴细胞小鼠注射小鼠注射癌细胞癌细胞骨髓瘤细胞骨髓瘤细胞多种多种杂交细胞杂交细胞制制备备特特异异性性识识别别癌癌细细胞胞的的单单克克
17、隆隆抗抗体体筛选产生特异性抗体的筛选产生特异性抗体的一个杂交瘤细胞一个杂交瘤细胞从小鼠腹水或培养液中提取从小鼠腹水或培养液中提取抗癌细胞抗癌细胞单克隆抗体单克隆抗体小鼠腹腔培小鼠腹腔培养养体外培养体外培养癌症的靶向治疗癌症的靶向治疗特异性识别特异性识别癌细癌细胞胞的单克隆抗体的单克隆抗体抗癌药物抗癌药物细胞核移植技术细胞核移植技术童第周童第周中国克隆之父中国克隆之父 鲤鱼：个体大，味道差鲫鱼：个体小，肉细味美鲤鲫核质杂交鱼：个体大，味道好细胞核移植技术将一种细胞的细胞核移植到另一种去核细胞中的技术将一种细胞的细胞核移植到另一种去核细胞中的技术显微操作器：两个注射器、一台显微镜显微操作器：两个注
18、射器、一台显微镜1 1、持卵管靠近、持卵管靠近2 2、增加负压吸住、增加负压吸住去核卵去核卵3 3、装有移植核的注、装有移植核的注射管进入卵射管进入卵4 4、注射细胞核、注射细胞核回忆克隆羊回忆克隆羊“多莉多莉”的培育过程的培育过程核移植核移植早期胚胎早期胚胎多莉羊多莉羊重组细胞分裂分化重组细胞分裂分化妊娠妊娠 分娩分娩C母绵羊子宫母绵羊子宫卵细胞卵细胞母绵羊母绵羊乳腺细胞乳腺细胞显微操作注入第第3 3节节 酶工程酶工程一、酶和酶工程一、酶和酶工程1、酶、酶概念：概念：化学成分：化学成分：命名：命名：特性：特性：活细胞产活细胞产2、酶工程、酶工程（1）概念：酶工程是一项借助生物反应）概念：酶工
19、程是一项借助生物反应装置和工艺过程来生产人类所需酶产品装置和工艺过程来生产人类所需酶产品的现代生物技术。的现代生物技术。（2）主要内容）主要内容酶的生产酶的生产酶的分离纯化酶的分离纯化酶的固定化酶的固定化酶的应用酶的应用二、酶的生产二、酶的生产1 1、主要来源：微生物、主要来源：微生物生长繁殖快、培养成本低生长繁殖快、培养成本低2 2、方法：微生物发酵法、方法：微生物发酵法固体发酵固体发酵液体深层发酵液体深层发酵三、酶的分离提纯三、酶的分离提纯基本步骤基本步骤破碎细胞破碎细胞( (物理物理/ /化学化学/ /酶法酶法) )过滤过滤 ( (取滤液取滤液) )使酶蛋白沉淀使酶蛋白沉淀（方法：适当改
20、变（方法：适当改变PHPH或加入硫或加入硫酸铵）酸铵）提纯酶蛋白提纯酶蛋白（层析法）（层析法）结晶酶蛋白结晶酶蛋白（方法：冷冻干燥）方法：冷冻干燥）酶制剂酶制剂四、酶的固定化技术四、酶的固定化技术1、概念：将酶固定在不溶于水的承载物、概念：将酶固定在不溶于水的承载物 上，或使酶交联在一起，又能上，或使酶交联在一起，又能 发挥其催化作用的技术。发挥其催化作用的技术。2、酶固定化的方法、酶固定化的方法载体结合法载体结合法交联法交联法包埋法包埋法思考：为什么要将酶固定思考：为什么要将酶固定起来呢？起来呢？1、提高酶的反复使用效率、提高酶的反复使用效率2、提高产品的纯度（酶与底物易分离）、提高产品的纯
21、度（酶与底物易分离）五、酶的应用五、酶的应用1 1、酶在工业方面的应用：、酶在工业方面的应用：用于加工和生产一些产品用于加工和生产一些产品如：洗涤剂如：洗涤剂 蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶2 2、酶在环境保护方面的应用、酶在环境保护方面的应用如：降解高分子化合物如：降解高分子化合物3 3、酶在医疗方面的应用、酶在医疗方面的应用（1 1）作为药品用于治疗或缓解疾病）作为药品用于治疗或缓解疾病如：免疫缺陷综合症缺少如：免疫缺陷综合症缺少腺苷脱氨酶腺苷脱氨酶 苯丙酮尿症缺少苯丙酮尿症缺少苯丙氨酸羟化酶苯丙氨酸羟化酶 L-L-天冬氨酸酶天冬氨酸酶用于治疗白血病等。用于治疗白血病等。（2
22、 2）用于疾病的诊断及监测）用于疾病的诊断及监测如：测尿糖的酶试纸如：测尿糖的酶试纸葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶过氧化氢酶过氧化氢酶浅蓝、浅绿、棕色或深棕色浅蓝、浅绿、棕色或深棕色少少 多多练习练习1.1.下图是有关生物细胞生活史的概括。请据图分析回答问下图是有关生物细胞生活史的概括。请据图分析回答问题：题： (1)(1)所示的变化，在生物学上称为所示的变化，在生物学上称为_ 所示的变化，称为所示的变化，称为 _ _ ，(2)FGH(2)FGH过程的技术，在植物学上叫过程的技术，在植物学上叫 _ _ ，其理论基，其理论基础是础是_（3 3）所示过程分别叫所示过程分别叫_、_。细胞分裂细胞分裂细胞分
23、化细胞分化植物组织培养植物组织培养植物细胞的全能性植物细胞的全能性脱分化脱分化再分化再分化2. 下列属于克隆的是（C）扦插和嫁接 DNA扩增胚胎细胞移植精、卵体外受精并在体外大量繁殖 B. C. D. 3. 制备单克隆抗体所采用的细胞工程技术包括（A）细胞培养 细胞融合 胚胎移植 细胞核移植 B C D. 4. 高等动物随着胚胎发育，仅有少数细胞依然具有分化成其他细胞类型和构達组织器官的能力，这类细胞称为干细胞，如造血干细胞。下图中最能完整显示正常机体内干细胞基本特征的是（D）5. 细胞工程是指在_水平上，以_为基础，结合现代工程技术手段以及其他学科的科学原理和技术，研究、开发和利用细胞的现代生物技术。细胞工程涉及的领域相当广泛，就 其技术范围而言，大致有_、_、_、_、_、胚胎移植技术。6. 动物组织和细胞培养是从动物体内分离出组织或细胞，在_等条件下，使组织或细胞生长和繁殖的一门技术。细胞生物细胞生物学理论和学理论和技术技术细胞细胞植物组织和细植物组织和细胞培养技术胞培养技术动物组织动物组织和细胞培和细胞培养技术养技术干细胞技术干细胞技术细胞融合细胞融合技术技术细胞核移植细胞核移植技术技术无菌、适无菌、适宜的温度宜的温度和营养和营养谢 谢
