(完整版)现代生命科学与生物技术-07基因技术课件.ppt

1、127.1 7.1 基因克隆技术基因克隆技术7.2 7.2 基因测序技术基因测序技术7.3 7.3 基因重组技术基因重组技术7.4 7.4 生物制造生物制造2022-8-73v概念：由少量（单拷贝）基因扩增产生大量概念：由少量（单拷贝）基因扩增产生大量（高拷贝）基因。分子克隆（高拷贝）基因。分子克隆v策略：化学合成已知序列（策略：化学合成已知序列（606080bp80bp）;生物合成（基因扩增）生物合成（基因扩增）(已知部分或全部序列已知部分或全部序列)；文库筛选文库筛选v应用：测序，功能研究，诊断与检测，物质应用：测序，功能研究，诊断与检测，物质生产生产7.1.1 7.1.1 基因克隆基因克

2、隆2022-8-741 1、原理、原理19711971，KleppeKleppe等首先描述了基因合成的基本原理等首先描述了基因合成的基本原理PCRPCR技术发明人：技术发明人：Kary MullisKary Mullis（CetusCetus公司公司）19831983，构想，构想DNADNA链的合成。链的合成。19851985，KlenowKlenow片段扩增出哺乳动物单拷贝基因片段扩增出哺乳动物单拷贝基因19931993，获得诺贝尔化学奖。，获得诺贝尔化学奖。聚合酶链式反应：聚合酶链式反应：Polymerase chain reactionPolymerase chain reaction，

3、PCRPCR分子生物学技术，生物体外，扩增一段分子生物学技术，生物体外，扩增一段DNADNA片段。片段。通常不超过通常不超过10kb,10kb,特定方法扩增特定方法扩增40kb40kb左右。左右。2022-8-75PCRPCR原理：在原理：在DNADNA聚合酶催化下聚合酶催化下DNADNA的复制过程，利用反复相同的复制过程，利用反复相同程序，程序，DNADNA聚合酶在体外扩增特定的聚合酶在体外扩增特定的DNADNA片段。片段。变性变性9494退火退火5555延伸延伸7272第1轮第2轮第3轮指数增加指数增加2022-8-76加热方式：水加热，空气加热，加热方式：水加热，空气加热，电热丝加热，电

4、热丝加热，半导体半导体+电热丝电热丝致冷方式：水致冷，空气致冷，致冷方式：水致冷，空气致冷，压缩机致冷，压缩机致冷，半导体致冷半导体致冷温控系统仪器构造：三传感器，仪器构造：三传感器，双区域温度双区域温度-温度梯度温度梯度样品池样品池传感传感热敏元件热敏元件热泵热泵热池热池2、PCR仪原理计算机芯片控计算机芯片控制过程参数制过程参数2022-8-77The PCRJet from MegaBase gives fast PCR with large samples.2、PCR仪，热循环仪More reactions in the same space with 1,536 wells 2022

5、-8-78PCRPCR反应的基本组分：反应的基本组分：DNADNA模板：含靶基因的模板：含靶基因的DNADNA片段片段引物：引物：1 1对人工合成的短寡核苷酸，对人工合成的短寡核苷酸，181825bp25bp，决定扩增的起始和终止位置及扩增长度决定扩增的起始和终止位置及扩增长度DNADNA聚合酶：作用是催化合成复制扩增的区域聚合酶：作用是催化合成复制扩增的区域底物：底物：4 4种脱氧核糖核苷酸种脱氧核糖核苷酸(dNTPs)(dNTPs)，A A、T T、G G、C C缓冲体系缓冲体系:提供适合聚合酶行使功能的化学环境。提供适合聚合酶行使功能的化学环境。石蜡油：防止蒸发；管盖（可加热）封闭反应管

6、石蜡油：防止蒸发；管盖（可加热）封闭反应管2022-8-79l第第1 1步：步：25254040个循环，变性个循环，变性(94-96(94-96，1-1-2min)2min)退火（降低温度使得引物结合到模板退火（降低温度使得引物结合到模板的特定序列上。的特定序列上。5555，1-2min)1-2min)延伸（延伸（DNADNA聚聚合酶由引物的合酶由引物的3 3端开始，沿着端开始，沿着DNADNA链合成新的互补链合成新的互补链。链。7272，1000bp/min)1000bp/min)。l第第2 2步：强化延伸，步：强化延伸，7272，7 713min13minl第第3 3步：终止反应（步：终止

7、反应（44）lPCRPCR反应在热循环仪（反应在热循环仪（PCRPCR仪）中自动化进行。仪）中自动化进行。l反应控制：温度的加热或冷却过程，关键是每反应控制：温度的加热或冷却过程，关键是每步反应温度精确，升温和降温的时间控制。步反应温度精确，升温和降温的时间控制。10PCRPCR产物的电泳结果产物的电泳结果2022-8-711 原理没有变，技术改进，派生出多种类型和原理没有变，技术改进，派生出多种类型和用途。用途。基因克隆方面：基因克隆方面：反转录反转录PCR(RT-PCR)PCR(RT-PCR)：以以RNARNA为模板，基因扩为模板，基因扩增增多重多重PCR(multiplex PCR)PC

8、R(multiplex PCR)：同一反应中使用同一反应中使用多组引物，扩增多个基因多组引物，扩增多个基因2022-8-712gcgtacgtacgtagagtgctagtctagtcgtagcgccgtagtcgatcgtgtgggtagtagctgatatgatgcgaggtaggggataggatagcaacagatgagcggatgctgagtgcagtggcatgcgatgtcgatgatagcggtaggtagacttcgcgcataaagctgcgcgagatgattgcaaagragttagatgagctgatgctagaggtcagtgactgatgatcgatgcatgca

9、tggatgatgcagctgatcgatgtagatgcaataagtcgatgatcgatgatgatgctagatgatagctagatgtgatcgatggtaggtaggatggtaggtaaattgatagatgctagatcgtaggtagtagctagatgcagggataatgcgcatta.基因是由基因是由A A、T T、G G、C4C4种碱基组成种碱基组成基因组测序就是排列出其基因组测序就是排列出其DNADNA上所有碱基顺序。上所有碱基顺序。2022-8-71319651965，Holley RHolley R等：测定酵母等：测定酵母tRNAtRNA全部全部77bp77b

10、p的序列。的序列。19711971，Wu,TaylorWu,Taylor：dNTPdNTP，DNADNA黏末端黏末端12bp12bp。19731973，GilbertGilbert和和MaxamMaxam，RNARNA聚合逆转录聚合逆转录DNADNA，RNARNA测序。测序。1975,Sanger:1975,Sanger:加减法测定了加减法测定了X174 DNAX174 DNA的的6386bp6386bp序列。序列。19771977，SangerSanger：酶法测序。双脱氧链终止法。：酶法测序。双脱氧链终止法。PNASPNAS。19771977，MaxamMaxam和和GilbertGilb

11、ert：化学降解法测序。：化学降解法测序。PNASPNAS。19801980，MessingMessing等等:测序优化，计算机数据处理。测序优化，计算机数据处理。19821982，HoodHood等等:部分自动化，荧光检测，部分自动化，荧光检测，PCRPCR测序。测序。19901990，自动测序仪，测序酶，配套荧光染料，机器人高通量工具，自动测序仪，测序酶，配套荧光染料，机器人高通量工具，人类基因组测序启动。人类基因组测序启动。20002000，毛细管测序仪，机器人使用，加速测序，毛细管测序仪，机器人使用，加速测序2005200520072007，以，以Genome Sequencer Sy

12、stemGenome Sequencer System、Genome Analyzer Genome Analyzer systemsystem、SOLiD SystemSOLiD System为代表的基因组测序分析系统的诞生，标为代表的基因组测序分析系统的诞生，标志着进入超高通量基因组测序的新时代。志着进入超高通量基因组测序的新时代。2022-8-714（1 1）产生长度只差）产生长度只差1bp1bp的一系列寡核苷酸：的一系列寡核苷酸：固定起点，随机终止于特定一种或者多种残基（固定起点，随机终止于特定一种或者多种残基（A A、T T、C C、G G）。长度由特定碱基在）。长度由特定碱基在DN

13、ADNA上位置所决定。上位置所决定。（2 2）检测长度只差）检测长度只差1bp1bp的一系列寡核苷酸：的一系列寡核苷酸：SDSSDSPAGEPAGE电泳分离，发光成像。电泳分离，发光成像。（3 3）确定序列：放射性（）确定序列：放射性（3232P P、3333P P）、荧光（非放射）、荧光（非放射性荧光），直接读出性荧光），直接读出DNADNA上的核苷酸顺序。上的核苷酸顺序。产生只差产生只差1bp1bp寡核苷酸方法，分两种：寡核苷酸方法，分两种：SangerSanger双脱氧双脱氧链终止法，链终止法，Maxam-Gilbert DNAMaxam-Gilbert DNA化学降解法。化学降解法。1

14、、基本原理、基本原理2022-8-7152022-8-7162022-8-717 开始：开始：GilbertGilbert研究研究laclac抑制子与抑制子与laclac操纵基因。操纵基因。发现：抑制子结合并保护操纵子发现：抑制子结合并保护操纵子DNADNA，用，用SangerSanger建建立的立的RNARNA测序技术测定了测序技术测定了DNADNA片段序列。片段序列。灵感火花：苏联灵感火花：苏联MirzabekovMirzabekov到访，午餐讨论，是否到访，午餐讨论，是否与与DNADNA的甲基化有关，产生了化学测序技术。的甲基化有关，产生了化学测序技术。19771977：测序技术，：测序

15、技术，PNASPNAS，7474：560560564564 DNADNA片段一端用放射性标记，用碱基特异性的化学片段一端用放射性标记，用碱基特异性的化学反应裂解反应裂解DNADNA，通过标定末端与断裂位点之间的距，通过标定末端与断裂位点之间的距离来确定碱基的位置离来确定碱基的位置2022-8-718末端标记末端标记DNADNA：放射性同位素：放射性同位素化学修饰碱基：硫酸二甲酯甲基化学修饰碱基：硫酸二甲酯甲基化化G G；甲酸甲基化；甲酸甲基化A A和和G G；肼水解；肼水解C C和和T T，盐抑，盐抑T T，哌啶切割：链断裂，一组从哌啶切割：链断裂，一组从1 1300bp300bp不等的末端标

16、记分子。不等的末端标记分子。5 5组独立反应：每组特异针对某一组独立反应：每组特异针对某一种或某一类碱基。生成种或某一类碱基。生成5 5组产物，组产物，共同起点（放射性标记末端）到发共同起点（放射性标记末端）到发生化学降解的位点。生化学降解的位点。电泳分离，放射自显影。电泳分离，放射自显影。读出序列：比较读出序列：比较G G、A AG G、C CT T、C C和和ACAC各个泳道，从测序凝胶放射各个泳道，从测序凝胶放射自显影片上读出自显影片上读出DNADNA序列。序列。2022-8-719 MGMG法：刚问世时，重现性更高，化学试剂，易掌握。法：刚问世时，重现性更高，化学试剂，易掌握。Sang

17、erSanger法：单链模板和特异引物，高质量法：单链模板和特异引物，高质量DNADNA聚合酶聚合酶 噬菌体和噬菌粒载体的发展，聚合酶，标记技术，合噬菌体和噬菌粒载体的发展，聚合酶，标记技术，合成引物及测序反应日臻完善，机器人等自动化。成引物及测序反应日臻完善，机器人等自动化。SangerSanger法：简便快速，现今测序的最佳方案。法：简便快速，现今测序的最佳方案。MGMG法应用法应用:基因功能研究。基因功能研究。2022-8-7202022-8-721ATGCCGTAGGCCTAGC TAGGCCTAGCTCGGA ATGCCGTAGGCCTAGCTCGGA基因组基因组DNABAC文库文库

18、根据物理图谱根据物理图谱正确定位的正确定位的BAC 或或contig用于霰弹法测用于霰弹法测序的候选克隆序的候选克隆用于霰弹法测序用于霰弹法测序的亚克隆的亚克隆测序并组装测序并组装完整的基因完整的基因组序列组序列逐步克隆法（逐步克隆法（Clone by Clone）全基因组霰弹法全基因组霰弹法 （Whole Genome Shot-gun)基因组基因组DNA 霰弹法克隆霰弹法克隆测序并进行测序并进行全基因组序全基因组序列组装列组装完整的基因完整的基因组序列组序列2022-8-722毛细管检测：毛细管检测：ABIABI公司的公司的31003100凝胶电泳检测凝胶电泳检测:美国美国LI-CORLI

19、-COR公司的公司的43004300系统系统2022-8-723 3730XL 系列 DNA 分析仪MegaBACE1000 毛细管测序仪2022-8-724 1977：450 bp（样品（样品/人人/周周可读平均长可读平均长度）度）1980：20100bp（荧光标记荧光标记）1985：30250bp 1990:60300bp（PCRPCR引入引入）1995：180500bp 1999:500650bp 2000：5000600bp荧光素标记的终止物荧光素标记的终止物ddNTPddNTP；单向测序长度保证单向测序长度保证700700900bp900bp。1.5kb1.5kb序列，双向反应，一次

20、读通，免去引物合成。序列，双向反应，一次读通，免去引物合成。2022-8-72519941994：3 3亿美元测定一个人类基因组亿美元测定一个人类基因组(1:10)(1:10)19841984：3030亿美元测定一个人类基因组亿美元测定一个人类基因组未来目标：未来目标：1000 1000 美元测定一个人类基因组美元测定一个人类基因组(1:3x10(1:3x106 6)20042004：3 3千万美元测定一个人类基因组千万美元测定一个人类基因组(1:100)(1:100)20062006：150150万美元测定一个人类基因组万美元测定一个人类基因组(1:2000)(1:2000)未来目标：未来目

21、标：100 100 美元测定一个人类基因组美元测定一个人类基因组(1:3x10(1:3x107 7)2022-8-726主要测序方法：主要测序方法：焦磷酸测序技术：焦磷酸测序技术：Roche公司的公司的GS FLX系统（系统（454系统）；系统）；桥扩增测序技术：桥扩增测序技术：Illumina公司的公司的Genome Analyzer系统系统（Solexa系统）；系统）；连接测序技术：连接测序技术：ABI公司的公司的SOLiD系统；系统；2022-8-727主要应用领域：主要应用领域：未知物种基因组的从头测序未知物种基因组的从头测序已知物种的重新测序已知物种的重新测序环境基因组测序环境基因组

22、测序基因转录组和表达调节基因转录组和表达调节sRNA分析分析染色质免疫共沉淀染色质免疫共沉淀SNP等多个领域。等多个领域。2022-8-7281、焦磷酸测序技术焦磷酸测序技术20052005年底，罗氏诊断公司和年底，罗氏诊断公司和454454公司推出了基于焦磷公司推出了基于焦磷酸测序法的超高通量基因组测序系统酸测序法的超高通量基因组测序系统Genome Genome Sequencer 20 System(GS 20)Sequencer 20 System(GS 20)。20072007年推出了通量更大，读长更长，准确性更高的第年推出了通量更大，读长更长，准确性更高的第二代基因组测序系统二代基

23、因组测序系统Genome Sequencer FLX Genome Sequencer FLX System(GS FLX)System(GS FLX)。2022-8-729PPiATP每延伸每延伸1 1个核苷酸，释放个核苷酸，释放出出1 1个焦磷酸个焦磷酸焦磷酸在磺酰化酶作用焦磷酸在磺酰化酶作用下生成下生成ATPATP荧光素酶利用荧光素酶利用ATPATP把无荧把无荧光的分子转化为荧光物光的分子转化为荧光物质，化学发光，监测。质，化学发光，监测。1、焦磷酸测序技术焦磷酸测序技术2022-8-73012345678910110-1AAGCTGThe sequence in this pyrogr

24、am is AGGCAGAGGCAG无需加无需加ddNTPddNTP，随着反应的进行而同步读出序列。，随着反应的进行而同步读出序列。2022-8-731Single imageDNADNA聚合酶聚合酶APSATPPPiLight+OxyluciferinsulfurylaseluciferaseEmulsion Based Clonal Amplification2022-8-732光学光学系统系统计算机计算机系统系统微流体微流体系统系统多道吸口试剂泵、阀CCD照相机pl板2022-8-7332007年年3月月Roche公司收购了公司收购了454公司，推公司，推出了新一代高通量测序仪出了新一代

25、高通量测序仪GS FLX系统。系统。10小时内完成一个测序反应，单反应读长由小时内完成一个测序反应，单反应读长由100bp扩展到扩展到400bp，准确性达，准确性达99产出数据量达产出数据量达1亿碱基对。亿碱基对。每次运行可分析每次运行可分析16个非混合的独立样品。个非混合的独立样品。J.D.Watson的基因组的测序。的基因组的测序。2022-8-734 Illumina公司于公司于2007年推出。年推出。读序原理：可逆性末端终结反应。读序原理：可逆性末端终结反应。在桥扩增过程，四种碱基底物分别在桥扩增过程，四种碱基底物分别标记四种不同荧光，每个碱基末端标记四种不同荧光，每个碱基末端被保护基

26、团封闭。被保护基团封闭。单次反应只能加入一个碱基，经过单次反应只能加入一个碱基，经过扫描，读取该次反应颜色。然后，扫描，读取该次反应颜色。然后，除去该保护基团，以使下一个碱基除去该保护基团，以使下一个碱基的延伸反应继续进行。的延伸反应继续进行。反复多轮反应，按顺序可排出反复多轮反应，按顺序可排出DNA的序列。的序列。2022-8-735 原理：基因组原理：基因组DNA片段化，两端添加接头；片段化，两端添加接头；单链单链DNA片段被固定在特殊芯片上形成单链桥，以芯片片段被固定在特殊芯片上形成单链桥，以芯片引物扩增，形成双链桥。引物扩增，形成双链桥。30多轮扩增，每个单链多轮扩增，每个单链DNA分

27、子扩增形成单克隆分子扩增形成单克隆DNA簇；簇；检测，读出序列。检测，读出序列。2022-8-736单端读序长度已经大于单端读序长度已经大于36 个碱基，双端读序个碱基，双端读序将使测序提高将使测序提高1倍，读序长度达倍，读序长度达236碱基。碱基。读取的准确性在读取的准确性在99以上。以上。每次可平行分析每次可平行分析8个非混合独立样品。个非混合独立样品。单次实验可得到单次实验可得到1530亿碱基的数据。亿碱基的数据。2022-8-737 2007年，年，ABI公司推出新一代高通量基因测序公司推出新一代高通量基因测序仪仪SOLiD系统。系统。2022-8-738 引物与微珠接头序列配对，在连

28、引物与微珠接头序列配对，在连接酶催化下，探针与测序引物发接酶催化下，探针与测序引物发生连接反应。生连接反应。可视化检测连接可视化检测连接产物发光，第产物发光，第5位碱基颜色。位碱基颜色。除去末端，完成除去末端，完成一轮测序。一轮测序。重新开始连接、重新开始连接、成像、切割。成像、切割。2022-8-739ABI，2007年推出四色荧光探针连接年推出四色荧光探针连接反应反应（1）基因组片段与接头连接，构建文）基因组片段与接头连接，构建文库。库。（2）油包水的微反应器中扩增，变性，）油包水的微反应器中扩增，变性，杂交，富集杂交，富集PCR产物。修饰，共价键产物。修饰，共价键结合到样品板上。结合到样

29、品板上。（3）磁珠沉积，并分割成不同的小室。）磁珠沉积，并分割成不同的小室。（4）连接过程中读序，进行拼接和分）连接过程中读序，进行拼接和分析。析。2022-8-740每轮运行可产生超过每轮运行可产生超过40亿碱基对的数据；亿碱基对的数据；准确率能达到准确率能达到99.94；可用于检测基因组序列变异，如可用于检测基因组序列变异，如SNP、基因拷贝、基因拷贝数变化、重复序列、倒位、插入和缺失，特别适数变化、重复序列、倒位、插入和缺失，特别适合个体基因组测序、比较基因组学、基因表达谱合个体基因组测序、比较基因组学、基因表达谱分析、染色质免疫共沉淀位点和蛋白调控因子分析、染色质免疫共沉淀位点和蛋白调

30、控因子-DNA结合部位等研究。结合部位等研究。2022-8-741454SolexaSOLiD读长（读长（bp）300-50036-7225-35准确率准确率999999每轮可产生每轮可产生数据（亿碱数据（亿碱基对）基对）115-3040所属公司所属公司Roche Illumina ABI 2022-8-742l基因重组概念：基因重组概念：l在体外，将不同的基因通过切割、连接，重组在体外，将不同的基因通过切割、连接，重组形成杂合分子。形成杂合分子。l插入到插入到合适的合适的载体分子上，转化到载体分子上，转化到宿主宿主细胞中。细胞中。l随着细胞繁殖，基因得以真实复制随着细胞繁殖，基因得以真实复制

31、扩增和表达扩增和表达。l应用：测序，修饰和改造基因，表达编码产物。应用：测序，修饰和改造基因，表达编码产物。2022-8-743酶切反应酶切反应载体载体目标基因目标基因可连接的末端可连接的末端连接反应连接反应转化转化重组分子重组分子重组子重组子2022-8-744 限制性内切酶催化双链限制性内切酶催化双链DNADNA分子断裂，形成分子断裂，形成相应的片段。相应的片段。反应体系组成：双链反应体系组成：双链DNADNA、限制性内切酶、限制性内切酶、缓冲液组成缓冲液组成 反应条件：一般在反应条件：一般在3737反应反应1 1小时。小时。2022-8-745lDNADNA连接酶催化两条断开的连接酶催化

32、两条断开的DNADNA双链分子，双链分子，形成形成 3,5-3,5-磷酸二酯键，得到重组磷酸二酯键，得到重组DNADNA分子。分子。l反应体系组成：反应体系组成：2 2个个DNADNA片段（具有可连接片段（具有可连接的末端）、连接酶、缓冲液的末端）、连接酶、缓冲液l条件：一般在条件：一般在10102626下，反应下，反应0.5-80.5-8小小时时2022-8-746l转化；将重组转化；将重组DNADNA分子导入到宿主细胞过程。分子导入到宿主细胞过程。lCaCa2+2+诱导转化：重组分子与宿主细胞在诱导转化：重组分子与宿主细胞在CaClCaCl2 2中混合，冰浴中混合，冰浴30min30min

33、，4242热击（热击（90s90s），冷却），冷却3min3min。lPEGPEG介导的原生质体转化，电穿孔转化介导的原生质体转化，电穿孔转化,基因基因枪转化，农杆菌介导的植物转化等。枪转化，农杆菌介导的植物转化等。2022-8-747 宿主细胞经转化后立即进行短时间的培养，宿主细胞经转化后立即进行短时间的培养，使细胞增殖达到一定数目，以利于筛选和使细胞增殖达到一定数目，以利于筛选和鉴定。鉴定。2022-8-748l从混合体系中把期望重组子（只含有目标基从混合体系中把期望重组子（只含有目标基因的重组子）分离出来，去除其他非期望重因的重组子）分离出来，去除其他非期望重组子和非转化细胞。组子和非转

34、化细胞。l载体遗传标记筛选：抗生素抗性筛选，营养载体遗传标记筛选：抗生素抗性筛选，营养缺陷性筛选，缺陷性筛选，互补筛选法，噬菌斑筛选法互补筛选法，噬菌斑筛选法l目标基因序列的检测：目标基因序列的检测：菌落原位杂交，测序菌落原位杂交，测序测定，产物检测。测定，产物检测。2022-8-749反复重组和筛选的循环过程反复重组和筛选的循环过程:l 一组相关基因的随机片段（来自不同种类生物，一组相关基因的随机片段（来自不同种类生物，具有相关功能的基因）具有相关功能的基因）l 无引物无引物PCRPCR方式重新组合，装配新功能重组基因。方式重新组合，装配新功能重组基因。l 酶切这些基因成片段，再一次重组成新

35、组合基因，酶切这些基因成片段，再一次重组成新组合基因，l 重复这一过程，一直到具有高品质的蛋白质产生重复这一过程，一直到具有高品质的蛋白质产生2022-8-7502022-8-751hybrid protoplast-progeny hybrid cell Genome shuffling2022-8-752 7.4.1 概述概述2022-8-753l生物制造（生物制造（Bio-Manufacturing）是基因）是基因技术的具体产品应用和工业规模生产，包括技术的具体产品应用和工业规模生产，包括生物制造的新产品、新工艺、新技术。生物制造的新产品、新工艺、新技术。l三个方面，仿生设计、生物制造工

36、程和生物三个方面，仿生设计、生物制造工程和生物过程加工工程。过程加工工程。l20042004年成立中国机械工程学会生物制造工程年成立中国机械工程学会生物制造工程分会，其应用在医学界和生物界。分会，其应用在医学界和生物界。2022-8-754l 仿生学，借鉴生物某些特殊功能，改善机器设计。仿生学，借鉴生物某些特殊功能，改善机器设计。l 研究生物、模仿生物的各种特征，生物的自组织、研究生物、模仿生物的各种特征，生物的自组织、自生长、遗传等特性和规律，启迪制造，形成新的自生长、遗传等特性和规律，启迪制造，形成新的制造技术原理。制造技术原理。l 仿生原理的应用促进制造技术的变革。仿生原理的应用促进制造

37、技术的变革。l 用思维控制的假肢用思维控制的假肢:大脑与机器融为一体大脑与机器融为一体,智能的手臂智能的手臂 2022-8-755l 4 4个部分组成个部分组成:金属钛制成的心脏本体、一个微型锂电池、一个金属钛制成的心脏本体、一个微型锂电池、一个计算机操纵系统以及外接电池组。计算机操纵系统以及外接电池组。l 微型锂电池和操纵系统植入患者腹腔，提供动力。外接电池组微型锂电池和操纵系统植入患者腹腔，提供动力。外接电池组通过安装在腹部皮肤下能量传输装置对微型锂电池进行充电。通过安装在腹部皮肤下能量传输装置对微型锂电池进行充电。l 美国丹佛无机医药公司制造，重约两磅，大小与葡萄柚相仿美国丹佛无机医药公

38、司制造，重约两磅，大小与葡萄柚相仿.l 美国，每年约有美国，每年约有40004000多人需要心脏移植，但捐赠者只有多人需要心脏移植，但捐赠者只有20002000人人2022-8-756l 生命体的人工制造，制造类生物或生物体。生命体的人工制造，制造类生物或生物体。l 组织器官就是各种功能细胞按特定结构装配成的复杂组织器官就是各种功能细胞按特定结构装配成的复杂机器。按照加工材料的生物学特性分为四个层次。机器。按照加工材料的生物学特性分为四个层次。l 第一层次：非生物相容性的材料，制造组织或器官的第一层次：非生物相容性的材料，制造组织或器官的模型，手术规划、模拟及假肢辅助设计加工。模型，手术规划、

39、模拟及假肢辅助设计加工。l 第二层次：较好的生物相容性但非生物可降解性的材第二层次：较好的生物相容性但非生物可降解性的材料，在体内长期存在，人工器官或植入物。料，在体内长期存在，人工器官或植入物。l 第三层次：良好生物相容性、生物可降解性的材料，第三层次：良好生物相容性、生物可降解性的材料，在人体内分解、吸收并排出，特定形状和结构支架。在人体内分解、吸收并排出，特定形状和结构支架。l 第四层次：细胞为材料，进行转运、定位和三维受控第四层次：细胞为材料，进行转运、定位和三维受控组装，制造人工活性器官。组装，制造人工活性器官。2022-8-757 利用生物体的合成过程和生命机能、活动特利用生物体的

40、合成过程和生命机能、活动特性进行生产制造：性进行生产制造：化合物（食品、药物、化学品、能源、材料）化合物（食品、药物、化学品、能源、材料）小型器械和元件：制备、加工和信号检测。小型器械和元件：制备、加工和信号检测。2022-8-758 目前正处于生物医药技术大规模产业化开始阶段。目前正处于生物医药技术大规模产业化开始阶段。研制中药物超过研制中药物超过22002200种，种，17001700余种进入临床试验。余种进入临床试验。20202020年之后快速发展期，成为世界经济主导产业。年之后快速发展期，成为世界经济主导产业。药品市场中，美、欧、日的份额超过了药品市场中，美、欧、日的份额超过了80%8

41、0%。大跨国公司主导了世界专利药市场，大跨国公司主导了世界专利药市场，2020强企业收入：强企业收入：19941994年占年占50%50%，20022002年到年到66%66%。重磅炸弹药物：重磅炸弹药物：20022002年全球最畅销的年全球最畅销的1010种药物的总种药物的总销售额近销售额近400400亿元，占全球药品销售额的亿元，占全球药品销售额的1/101/102022-8-759 发酵：利用微生物的生长繁殖，得到目标产物。发酵：利用微生物的生长繁殖，得到目标产物。基本过程：基本过程：制备培养基制备培养基(原料原料)，发酵罐中，灭菌。，发酵罐中，灭菌。发酵培养：接种，控制温度、发酵培养：

42、接种，控制温度、pHpH、溶解氧、搅拌、溶解氧、搅拌、通气、培养基成分。通气、培养基成分。微生物生长，同时生产微生物生长，同时生产 产品提炼：进行分离提取，产品提炼：进行分离提取，从发酵液中获得相应产品。从发酵液中获得相应产品。实验室规模：罐实验室规模：罐2-100L2022-8-760工业规模发酵设备：工业规模发酵设备：发酵罐发酵罐100T100T自控室自控室2022-8-761药物：药物：100100多种抗生素，多种抗生素，1010余种氨基酸，余种氨基酸，维生维生素，核苷酸和核苷，激素酶、酶抑制剂，核苷素，核苷酸和核苷，激素酶、酶抑制剂，核苷酸和核苷，免疫调节剂和受体拮抗剂，疫苗。酸和核苷

43、，免疫调节剂和受体拮抗剂，疫苗。大肠杆菌：干扰素，胰岛素，生长素大肠杆菌：干扰素，胰岛素，生长素酵母：乙肝疫苗酵母：乙肝疫苗工业产品：有机溶剂和有机酸，酶制剂，糖工业产品：有机溶剂和有机酸，酶制剂，糖类、单细胞蛋白、生物转化、工业酶类。类、单细胞蛋白、生物转化、工业酶类。食品：饮料、调味品食品：饮料、调味品2022-8-762 昆虫细胞：诊断试剂昆虫细胞：诊断试剂 哺乳动物细胞：干扰素，红细胞生成素，哺乳动物细胞：干扰素，红细胞生成素，集落刺激因子，集落刺激因子，病毒病毒疫苗疫苗 杂交瘤细胞：抗体杂交瘤细胞：抗体 鸡胚细胞：疫苗鸡胚细胞：疫苗 单细胞培养：皮肤移植。单细胞培养：皮肤移植。202

44、2-8-763动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器蛋白质药物蛋白质药物疫苗 在细胞、组织或整体水平上，利用物理、化学在细胞、组织或整体水平上，利用物理、化学或生物学等手段导入外源基因或外源或生物学等手段导入外源基因或外源DNA，从而使受体基因组发生改变的一种方式。从而使受体基因组发生改变的一种方式。将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体的性组中，由于导入基因的表达，引起生物体的性状的可遗传的修饰。状的可遗传的修饰。转基因是通过基因的操作，将一种基因（来源转基因是通过基因的操作，将一种基因（来源于植物、动物、微生物或人

45、工合成物）运送到于植物、动物、微生物或人工合成物）运送到另一种生物上，因而使后者获得新的特征。这另一种生物上，因而使后者获得新的特征。这种技术可突破物种界限，从种技术可突破物种界限，从DNA分子水平上分子水平上有目的地、有效地改造生物。有目的地、有效地改造生物。2022-8-764 为了得到需要的物种，将一种物种的基因为了得到需要的物种，将一种物种的基因植入另外一种物种后获得的新物种植入另外一种物种后获得的新物种+耐寒草莓耐寒草莓=45 极地鱼基因极地鱼基因草莓草莓2022-8-766 （1 1）转基因植物的培育过程：）转基因植物的培育过程：构建植物表达的载体：基因工程技术。构建植物表达的载体

46、：基因工程技术。外源外源DNADNA导入植物：花粉管通道法，导入植物：花粉管通道法，基因枪，农杆菌介导转化基因枪，农杆菌介导转化 筛选与培育：形成植株筛选与培育：形成植株外植体外植体愈伤组织愈伤组织细胞系细胞系植株植株(2)基因枪介导转化法基因枪介导转化法 利用火药爆炸或高压气体利用火药爆炸或高压气体加速（这一加速设备被称加速（这一加速设备被称为基因枪），将包裹了带为基因枪），将包裹了带目的基因的目的基因的DNA溶液的高溶液的高速微弹直接送入完整的植速微弹直接送入完整的植物组织和细胞中，然后通物组织和细胞中，然后通过细胞和组织培养技术，过细胞和组织培养技术，再生出植株，选出其中转再生出植株，选

47、出其中转基因阳性植株即为转基因基因阳性植株即为转基因植株。植株。2022-8-76819831983年首例转基因植物烟草年首例转基因植物烟草120120多种植物获得转基因植株。多种植物获得转基因植株。农户：10.3 million；国家：222022-8-769RCountryArea(mh)Biotech Crops1*USA54.6Soybean,maize,cotton,canola,squash,papaya,alfalfa2*Argentina18.0Soybean,maize,cotton3*Brazil11.5Soybean,cotton4*Canada6.1Canola,mai

48、ze,soybean5*India3.8Cotton6*China3.5Cotton7*Paraguay2.0Soybean8*South Africa1.4Maize,soybean,cotton使用基因：抗虫使用基因：抗虫;抗除草剂抗除草剂2022-8-770美国美国No1加拿大加拿大No4阿根廷阿根廷No2巴西巴西No3中国中国No6印度印度No52022-8-771Golden rice：vitamin A 转基因小麦转基因小麦转基因水稻转基因水稻正常稻正常稻金稻金稻1 1金稻金稻2 转基因技术大事记（转基因技术大事记（1）1981年，第一次年，第一次成功地将外源基因成功地将外源基因导

49、入动物胚胎，创导入动物胚胎，创立了转基因动物技立了转基因动物技术。术。1982年获得转基年获得转基因小鼠。此后相继因小鼠。此后相继培育成功了转基因培育成功了转基因兔、绵羊、猪、鱼、兔、绵羊、猪、鱼、昆虫、牛、鸡、山昆虫、牛、鸡、山羊、大鼠等转基因羊、大鼠等转基因动物。动物。转基因技术大事记（转基因技术大事记（2）1983年世界首例年世界首例转基因植物含有转基因植物含有抗生素药类抗体的抗生素药类抗体的烟草培育成功，标烟草培育成功，标志着人类用转基因志着人类用转基因技术改良农作物的技术改良农作物的开始。开始。转基因技术大事记转基因技术大事记(3)1986年抗病毒棉花试验成功，在美国进入田间试验。年

50、抗病毒棉花试验成功，在美国进入田间试验。1987年抗虫基因、耐除草剂基因和番茄成熟控制基因相年抗虫基因、耐除草剂基因和番茄成熟控制基因相继成功地转入作物。继成功地转入作物。1992年美国建立转基因安全性评估体系。年美国建立转基因安全性评估体系。1993年美国授予第一个转基因作物专利。年美国授予第一个转基因作物专利。1994年美国年美国Calgene公司培育的延熟保鲜的转基因番茄公司培育的延熟保鲜的转基因番茄被批准商品化生产。被批准商品化生产。1995年第一个转基因食品年第一个转基因食品番茄在美国进入超市。番茄在美国进入超市。1996年全球许多国家开始把转基因作物进入商品化生产，年全球许多国家开