生命科学导论-生物技术与人类未来2012-8课件.ppt
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- 生命科学 导论 生物技术 人类 未来 2012 课件
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1、第十二章 生物技术与人类未来第一节 生物技术及其发展历史 第二节 重组DNA技术基因工程 第三节 蛋白质工程、发酵工程和细胞工程简介第四节 生物技术在农业、医药等方面的应用第五节 生物技术面临的问题与挑战第六节 生物科技造福人类 第八章 生物技术与人类未来第十二章 生物技术与人类未来第一节第一节 生物技术及其发展历史生物技术及其发展历史第一节一、一、生物技术的定义和特点 生物技术是应用自然科学及工程学的原理,依靠微生物、动生物技术是应用自然科学及工程学的原理,依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品为社会服物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术。务的技术
2、。 应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术,应用生物或来自生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以及利用微生物其还包括改良有重要经济价值的植物与动物以及利用微生物改良环境的技术。该定义强调了改良环境的技术。该定义强调了生物技术的商品属性生物技术的商品属性。 高技术、高投入、高利润是生物技术产业的显著特点。高技术、高投入、高利润是生物技术产业的显著特点。 第十二章 生物技术与人类未来第一节 生物技术通常包括生物技术通常包括基因工程基因工程、细胞工程、发酵工程和蛋白、细胞工程、发酵工程和蛋白质(酶)工程质(酶)工程4 4个方面内容个方面内容。 现代
3、生物技术实际上是建立在多学科基础之上、涉及面广现代生物技术实际上是建立在多学科基础之上、涉及面广泛的综合技术。泛的综合技术。 农业生物技术、医药生物技术、环境生物技术、海洋生物农业生物技术、医药生物技术、环境生物技术、海洋生物技术、材料生物技术、能源生物技术等。技术、材料生物技术、能源生物技术等。 上游技术上游技术-重组重组DNADNA等实验室操作为主等实验室操作为主; ;下游技术下游技术-发酵工发酵工程等为主的工业化生产。程等为主的工业化生产。二、二、生物技术包含的主要内容生物技术包含的主要内容第十二章 生物技术与人类未来第一节 1919世纪世纪, ,以酿酒发酵等为代表的传统生物技术以酿酒发
4、酵等为代表的传统生物技术; ; 2020世纪世纪7070年代以来,基因工程技术的重要成就,为世界农年代以来,基因工程技术的重要成就,为世界农业及粮食生产和制药产业的发展提供了广阔的发展空间。业及粮食生产和制药产业的发展提供了广阔的发展空间。 到到2020世纪末,世界各国已累计批准了约世纪末,世界各国已累计批准了约50005000个个( (次次) )转转基因作物释放于田间,其中近基因作物释放于田间,其中近5050个转基因作物产品已个转基因作物产品已经进入市场,转基因作物的种植面积近经进入市场,转基因作物的种植面积近40004000万公顷,万公顷,产值达产值达1515亿美元。亿美元。 在中国,正在
5、研究和开发的转基因作物有在中国,正在研究和开发的转基因作物有5050多种,涉多种,涉及各类基因及各类基因100100多个。在生物制药和诊疗方面,近几多个。在生物制药和诊疗方面,近几十年来也积累了丰硕的成果。十年来也积累了丰硕的成果。 三、生物技术发展的历史概况三、生物技术发展的历史概况 第十二章 生物技术与人类未来第二节第二节 重组重组DNADNA技术技术基因工程基因工程 第二节 重组重组DNADNA操作的一般步骤操作的一般步骤第十二章 生物技术与人类未来第二节 进行进行DNADNA重组操作,首先要获得需要的目的基因,重组操作,首先要获得需要的目的基因,最常用的方法包括:最常用的方法包括:(1
6、 1)直接从生物体中提取总)直接从生物体中提取总DNADNA,构建基因文库构建基因文库,从,从中调用目的基因。中调用目的基因。(2 2)以)以mRNAmRNA为模板,为模板,逆转录合成互补的逆转录合成互补的DNADNA片段片段。(3 3)利用聚合酶链反应)利用聚合酶链反应(PCR)(PCR)特异性地扩增所需要的特异性地扩增所需要的目的基因片段。目的基因片段。 一、获得目的基因一、获得目的基因 第十二章 生物技术与人类未来第二节 聚合酶链反应技术聚合酶链反应技术即即PCRPCR技术是在体外技术是在体外的小试管中通过酶的小试管中通过酶促反应有选择地大促反应有选择地大量扩增量扩增( (包括分离包括分
7、离) )一段目的基因的技一段目的基因的技术术-高效、快捷、高效、快捷、特异。特异。1)变性:在)变性:在95,双链双链DNA解解成单链。成单链。2)退火:)退火:55-60,引物与模,引物与模板互补配对。板互补配对。3)延伸:)延伸:72左右,左右,Taq DNA聚合酶在引物之后形成互补聚合酶在引物之后形成互补的的DNA双链。双链。第十二章 生物技术与人类未来 限制性内切酶、载体和宿主菌。限制性内切酶、载体和宿主菌。 限制性内切酶限制性内切酶是从细菌中分离提纯的核酸内切酶,可以识是从细菌中分离提纯的核酸内切酶,可以识别一小段特殊的核酸序列并将其别一小段特殊的核酸序列并将其在特定位点处切开在特定
8、位点处切开。 载体载体是运送目的基因片段进入宿主细胞的工具,目前最常是运送目的基因片段进入宿主细胞的工具,目前最常用的载体包括细菌用的载体包括细菌质粒质粒(如(如pUC18pUC18)、)、噬菌体、噬菌体、cosmidcosmid质粒等。质粒等。 基因克隆过程基因克隆过程是通过将携带目的基因的重组是通过将携带目的基因的重组DNADNA分子转入分子转入到宿主细胞中来完成的。到宿主细胞中来完成的。 酶切和酶切和电泳电泳方法来检查克隆的基因,还可以利用方法来检查克隆的基因,还可以利用DNADNA杂交杂交的技术的技术直接鉴定带有重组质粒的细菌克隆。直接鉴定带有重组质粒的细菌克隆。 第二节二、基因重组和
9、克隆二、基因重组和克隆 第十二章 生物技术与人类未来第二节几种常用的限制性内切酶几种常用的限制性内切酶 第十二章 生物技术与人类未来基因克隆以后使目的基因在合适的宿主细胞基因克隆以后使目的基因在合适的宿主细胞中表达,产生需要的基因表达产物或使宿主中表达,产生需要的基因表达产物或使宿主生物具备所需要的性状,同时,该外源目的生物具备所需要的性状,同时,该外源目的基因还能在宿主细胞中稳定地遗传。这一过基因还能在宿主细胞中稳定地遗传。这一过程就是程就是遗传转化遗传转化。宿主细胞宿主细胞就是接纳外源就是接纳外源DNADNA的细胞,它们可的细胞,它们可以是细菌等原核生物,也可以是植物或动物以是细菌等原核生
10、物,也可以是植物或动物细胞。细胞。 第二节三、三、转化受体细胞和转化子筛选转化受体细胞和转化子筛选 第十二章 生物技术与人类未来基因的直接转移方法包括:基因的直接转移方法包括:1 1)利用高压电脉冲的电激穿孔作用把外源)利用高压电脉冲的电激穿孔作用把外源DNADNA引入动引入动植物细胞或组织中。植物细胞或组织中。2 2)基因枪法基因枪法,用粒子枪把表面吸附有外源,用粒子枪把表面吸附有外源DNADNA的金属的金属微粒高速地射入动植物细胞或组织中。微粒高速地射入动植物细胞或组织中。3 3)微注射法,利用显微注射仪等将外源)微注射法,利用显微注射仪等将外源DNADNA直接注入直接注入细胞核或细胞质中
11、。对于植物细胞,常用除去了细细胞核或细胞质中。对于植物细胞,常用除去了细胞壁的原生质体为受体;对于动物细胞,常用的受胞壁的原生质体为受体;对于动物细胞,常用的受体包括受精卵、胚胎干细胞等。体包括受精卵、胚胎干细胞等。 第二节第十二章 生物技术与人类未来 蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动力学等结构与功能认识的基础上,对蛋白质人工力学等结构与功能认识的基础上,对蛋白质人工改造与合成,最终获得商业化的产品。改造与合成,最终获得商业化的产品。( (在现阶段,在现阶段,蛋白质工程主要是改造和表达现有的蛋白质,包括通过修改氨基酸蛋白质工程主要是改造和表达
12、现有的蛋白质,包括通过修改氨基酸序列来改善蛋白质的结构或构象,以提高蛋白质的活性、稳定性和序列来改善蛋白质的结构或构象,以提高蛋白质的活性、稳定性和产率产率) ) 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:(1 1)分离纯化目的)分离纯化目的蛋白。(蛋白。(2 2)测定氨基酸序列。()测定氨基酸序列。(3 3)测定蛋白质的结构。()测定蛋白质的结构。(4 4)了解)了解蛋白质的结构变化对活性与功能的影响。(蛋白质的结构变化对活性与功能的影响。(5 5)设计基因改造方案。)设计基因改造方案。(6 6)分离、纯化新蛋白,功能检测后投入实际使用。)分离、纯化新蛋白,功能检测后投入实
13、际使用。如如通过通过引入引入二二硫键提高酶的热稳定性硫键提高酶的热稳定性。 第三节第三节 蛋白质工程、发酵工程和细胞工程简介蛋白质工程、发酵工程和细胞工程简介第三节一、蛋白质工程一、蛋白质工程 第十二章 生物技术与人类未来 现代现代发酵工程发酵工程主要是指利用微生物、包括利用主要是指利用微生物、包括利用DNADNA重组重组技术改造过的微生物在全自动发酵罐或生物反应器中生技术改造过的微生物在全自动发酵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。( (发酵工程的产品从食品、药品、精细化工产品到许发酵工程的产品从食品、药品、精细化工产品到许多工业用原料等,范围非常广泛多工业用原料等,范围非
14、常广泛) ) 现代发酵工程是分子生物学、生物代谢、微生物生长动现代发酵工程是分子生物学、生物代谢、微生物生长动力学、力学、大型发酵罐大型发酵罐或生物反应器研制、化工原理密切结或生物反应器研制、化工原理密切结合和应用的结果。合和应用的结果。 基本步骤:(基本步骤:(1 1)菌种选育和改造获得工程菌等。()菌种选育和改造获得工程菌等。(2 2)细胞大规模培养即发酵过程。(细胞大规模培养即发酵过程。(3 3)生产活性的诱导。)生产活性的诱导。(4 4)菌体及产物的收获,从细胞或培养液中分离纯化)菌体及产物的收获,从细胞或培养液中分离纯化所需要的代谢产物。所需要的代谢产物。 第三节二、发酵工程二、发酵
15、工程 第十二章 生物技术与人类未来 细胞工程细胞工程是指通过组织、细胞和细胞器水平上的筛选或是指通过组织、细胞和细胞器水平上的筛选或改造,获得有商业价值的细胞株、细胞系或细胞组织,改造,获得有商业价值的细胞株、细胞系或细胞组织,再通过规模培养,获得特殊商品的技术与过程。再通过规模培养,获得特殊商品的技术与过程。 动物细胞培养动物细胞培养:体外培养可分为:体外培养可分为原代培养原代培养与与继代培养继代培养。 动物细胞培养动物细胞培养的操作步骤的操作步骤 包括:包括: 1 1)对动物体的胚胎、肌肉、肾等组织经酶解消化分离)对动物体的胚胎、肌肉、肾等组织经酶解消化分离出单个细胞。出单个细胞。2 2)
16、将分散的细胞转入特殊培养液中,于二氧化碳培养)将分散的细胞转入特殊培养液中,于二氧化碳培养箱中进行保温培养。箱中进行保温培养。3 3)原代细胞分装到多个扁形的瓶中进行继代培养。)原代细胞分装到多个扁形的瓶中进行继代培养。 第三节三、细胞工程三、细胞工程 第十二章 生物技术与人类未来第三节高等植物细胞组织培养高等植物细胞组织培养。高等植物细胞具有全能性,其幼。高等植物细胞具有全能性,其幼胚、根、茎、叶、花和果实等不同器官的组织中分离的单胚、根、茎、叶、花和果实等不同器官的组织中分离的单个细胞,经过特殊培养形成愈伤组织,并生成完整的植株。个细胞,经过特殊培养形成愈伤组织,并生成完整的植株。第十二章
17、 生物技术与人类未来 细胞融合细胞融合将不同种类的细胞经特殊处理形成杂种细胞。将不同种类的细胞经特殊处理形成杂种细胞。 细胞重组细胞重组是把不同种类细胞的细胞器重新组合装配,包是把不同种类细胞的细胞器重新组合装配,包括核移植、叶绿体移植、核糖体重建及线粒体装配等。括核移植、叶绿体移植、核糖体重建及线粒体装配等。 杂交瘤技术杂交瘤技术是通过细胞融合产生特异杂交瘤细胞,进而是通过细胞融合产生特异杂交瘤细胞,进而使杂交瘤细胞产生单一的抗体(使杂交瘤细胞产生单一的抗体(单克隆单克隆抗体),在医药业抗体),在医药业用作药物和诊断试剂。用作药物和诊断试剂。 制备单克隆抗体的过程制备单克隆抗体的过程 涉及细
18、胞培养、细胞融合等多涉及细胞培养、细胞融合等多种步骤。种步骤。 单克隆抗体技术现已应用于临床诊断和疾病的单克隆抗体技术现已应用于临床诊断和疾病的治疗,在癌症的研究治疗中也具有应用潜力。治疗,在癌症的研究治疗中也具有应用潜力。第三节第十二章 生物技术与人类未来第四节第四节 生物技术在农业、医药等方面的应用生物技术在农业、医药等方面的应用 第四节 转基因动物主要应用于促进动物生长,改善畜产品的产转基因动物主要应用于促进动物生长,改善畜产品的产量,提高动物的抗病性和量,提高动物的抗病性和生产药用蛋白生产药用蛋白等。畜牧业中的等。畜牧业中的基因工程产品还包括动物疫苗、生长激素等。基因工程产品还包括动物
19、疫苗、生长激素等。 植物基因工程在种植业生产上显示了更好的应用前景。植物基因工程在种植业生产上显示了更好的应用前景。如如用用农杆菌农杆菌TiTi质粒转化植物质粒转化植物培养出具有抗化学除草剂的培养出具有抗化学除草剂的转基因植物转基因植物,转基因番转基因番茄茄,转转BtBt基因基因作物等。作物等。 基因工程技术还被应用于环境保护,如利用转基因微生基因工程技术还被应用于环境保护,如利用转基因微生物吸收环境中的重金属,降解有毒有害化合物,处理工物吸收环境中的重金属,降解有毒有害化合物,处理工业废水等方面的研究已经取得了许多进展。业废水等方面的研究已经取得了许多进展。 一、农业生物技术一、农业生物技术
20、 第十二章 生物技术与人类未来第四节 传染性疾病的诊断。利用传染性疾病的诊断。利用PCRPCR技术或技术或PCRPCR与分子杂交标记与分子杂交标记相结合,可以快速准确地检测出病原性物质。分子生物相结合,可以快速准确地检测出病原性物质。分子生物学技术应用于学技术应用于传染性疾病的诊断传染性疾病的诊断具有专一性强,灵敏度具有专一性强,灵敏度高,且抗干扰好和操作快速简便等优点。高,且抗干扰好和操作快速简便等优点。 人类遗传性疾病早期诊断。胎儿出生前诊断应用最多的人类遗传性疾病早期诊断。胎儿出生前诊断应用最多的方法是方法是羊水和胎盘绒毛膜检测羊水和胎盘绒毛膜检测,如,如镰形细胞贫血症镰形细胞贫血症胎儿
21、胎儿出生前的基因组型分析。出生前的基因组型分析。 特异性互补寡核苷酸法特异性互补寡核苷酸法:该方法根据被检基因特定的:该方法根据被检基因特定的DNADNA序列,人工合成两种特异性的寡核苷酸分子探针(序列,人工合成两种特异性的寡核苷酸分子探针(ASOASO),),一种与正常的基因序列完全互补,另一种与突变的基因一种与正常的基因序列完全互补,另一种与突变的基因序列完全互补。序列完全互补。 二、分子诊断二、分子诊断 第十二章 生物技术与人类未来第四节 基因治疗基因治疗就是利用基因工程技术来治疗人类遗传性疾病和就是利用基因工程技术来治疗人类遗传性疾病和多因素疾病。多因素疾病。 基因治疗通常需要在基因治
22、疗通常需要在DNADNA水平上认识发病机制,掌握了基水平上认识发病机制,掌握了基因的克隆分离、体外操作和适量表达的技术,还要应用合因的克隆分离、体外操作和适量表达的技术,还要应用合适的载体或基因转移系统(如适的载体或基因转移系统(如逆逆转录病毒转录病毒)将人正常的结)将人正常的结构基因以及相关的调节序列送入到人体组织和细胞中去,构基因以及相关的调节序列送入到人体组织和细胞中去,使之稳定、安全地表达。如使之稳定、安全地表达。如重症综合性免疫缺乏症(重症综合性免疫缺乏症(SCIDSCID)的基因治疗的基因治疗。 RNARNA干扰技术干扰技术在基因治疗研究中显示了良好的应用前景,在基因治疗研究中显示
23、了良好的应用前景,所谓所谓RNARNA干扰(干扰(RNAiRNAi)技术)技术, ,就是利用一小段双链就是利用一小段双链RNARNA(dsRNAdsRNA)导入人体或其他哺乳动物细胞中,使特定的基)导入人体或其他哺乳动物细胞中,使特定的基因表达产生沉默。因表达产生沉默。 三、基因治疗三、基因治疗 第十二章 生物技术与人类未来第四节 生物芯片生物芯片是指本身贮存有大量的生物信息,并能够对生是指本身贮存有大量的生物信息,并能够对生物分子或组分进行高通量快速并行处理和分析的薄型固物分子或组分进行高通量快速并行处理和分析的薄型固体器件。体器件。 DNADNA芯片芯片或或基因芯片基因芯片,是,是DNAD
24、NA杂交探针技术与半导体工业杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。该技术系指将大量(通常每平方厘技术相结合的结晶。该技术系指将大量(通常每平方厘米点阵密度高于米点阵密度高于400400)探针分子固定于支持物上后与带荧)探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的光标记的DNADNA样品分子进行杂交,通过检测每个探针分子样品分子进行杂交,通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。 DNADNA芯片由于同时将大量探针固定于支持物上,所以可以芯片由于同时将大量探针固定于支持物上,所以可以一次性对样品大量序列进行检测和分析一次性对
25、样品大量序列进行检测和分析。四、生物芯片技术四、生物芯片技术 第十二章 生物技术与人类未来第四节 应用:基因表达谱测定、突变检测、多态应用:基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、基因组文库作图及杂交测序等。性分析、基因组文库作图及杂交测序等。 DNADNA芯片技术用于基因组分析时,具有样品芯片技术用于基因组分析时,具有样品用量小、信息量大、分析方法简易快速、用量小、信息量大、分析方法简易快速、自动化程度高等多项优点。自动化程度高等多项优点。 生物芯片具有仪器体积小、重量轻、便于生物芯片具有仪器体积小、重量轻、便于携带等特点,作为一项全新的技术,具有携带等特点,作为一项全新的技术,具有集成化、并
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