生物技术总论+生物技术与人类健康

• 细胞培养 • 细胞融合（细胞杂交技术） • 细胞重构（如细胞器移植）
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1.1.2.3 酶工程(enzyme engineering) • 利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能, 或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工 艺过程来生产人类所需产品的一项技术。它包 括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的 修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。
生物技术导论 Biotechnology
农学院 罗洪发 lohofa@sina.com
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高新技术
现代生物技术 计算机微电子技术 新材料 新能源 航天技术
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• 生物技术被世界各国视为一项高新技术， 被广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工、 食品、化工和能源等领域，促进传统产业 的技术改造和新兴产业的形成，对人类社 会生活将产生深远的、革命性的影响。 • 传统生物技术和现代生物技术两部分。
和重组。然后将重组DNA导入某种宿主细胞或个
体，从而改变它们的遗传品性；有时还使新的遗 传信息在新的宿主细胞或个体中大量表达，以获
得基因产物(多肽或蛋白质)。也称DNA重组技术。
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1.1.2.2 细胞工程(cell engineering)
• 指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、
繁殖；或人为地使细胞某些生物学特性按人们 的意愿发生改变，从而改良生物品种和创造新 品种；或加速繁育动、植物个体；以获得某种 有用的物质的过程。
六、基因治疗与遗传强化
七、优生学 八、克隆人与干细胞 九、可持续发展与生物恐怖事件 十、对我们自身的理解和挑战
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遗传信息储存于细胞核染色体的DNA中， DNA分子由两条很长的螺旋形状的相互结合的 “链”所构成。每根链的基本组成单位是氨基 酸，（脱氧核糖核苷酸）。核苷酸由碱基、戊 糖（脱氧核糖）和磷酸三部分组成。按碱基成 分的不同，核苷酸分为四种，即A（腺嘌呤）、 G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）和T（胸腺嘧啶） （RNA时为U），由碱基A-T，G-C形成氢键， 相互配对，两条DNA链便可粘连在一起形成双 螺旋结构。
• 最活跃的应用领域：生物医药
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1.1 生物技术的含义
• 1.1.1 生物技术的定义
生物技术(biotechnology)，也称生物工程 (bioengineering)， 是指人们以现代生命科学为基 础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的
工程技术手段，按照预先的设计改造生物体或加
工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种 目的。因此，生物技术是一门新兴的、综合性的 学科。
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一、分子生物技术发展简史
生物技术是最古老的技术，我们祖先最早的制 酱、酿酒、造醋等。50年代以来分子生物技术飞速发 展。1953年春，Watson和Crick在《自然》杂志上发 表了一篇九百字的散文诗，诗中描绘了精巧的螺旋状 的DNA结构，并对其功能进行了推想。人和生物体的 最基本生命单位是细胞，细胞的形态、功能与构成细 胞的蛋白质密切相关。20种结构不同的氨基酸按其组 成和排列顺序的不同构成成千上万种大小不等、功能 不同的蛋白质。这些蛋白质的构成由细胞内遗传信息 所决定。
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遗传信息由DNA传给蛋白质的基 本法则，即中心法则，在细胞核内是以 RNA一条链为模板合成DNA，把遗传 信息转录于RNA 上（所谓基因转录过 程）。然后在胞质中进行蛋白质合成 （基因翻译）。生命的一切活动必须依 靠蛋白质的参与才能完成。 由此， Watson和Crick获得了诺贝尔奖。
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DNA结构的提出改变了整个生物学，一切都变得 和以前不同了。 DNA是一部庞大而古老的手稿（蓝图 或资讯分子）。四十亿年来，作为遗传物质的它一直 在指挥著生命的交响乐。它是地球上几乎所有生物的 结构和功能的基础，也是奇妙的生物多样性的基础。 它是我们馈赠给後代子孙的遗传物质，是储有生命之 歌的磁带。在现代超技术世界中，也没有什么能与我 们的DNA螺旋中所编码的信息量相提并论。
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1.1.2 生物技术的种类及其相互关系 微生物 基因工程 工程菌 发酵工程 产品
蛋白质或酶
蛋白质工程或酶工程
பைடு நூலகம்
动、植物个体或细胞
细胞工程
优良动、植物品系
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1.1.2.1 基因工程(gene engineering)
• 应用人工方法把生物的遗传物质，通常是脱氧核
糖核酸(DNA)分离出来，在体外进行切割、拼接
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人体染色体DNA（人体基因组）总长度为30亿碱基对 （bp）。人体各组织的每一个细胞核内都带有相同的基因组， 即23对染色体的全部DNA。也就是说携带了人体基因的全部 遗传信息。不同种细胞的形态与功能是通过细胞内基因表达 的调控作用控制着基因表达成相应的蛋白质。各种刺激对细 胞内基因表达影响是通过信号传递的过程来完成。使用大肠 杆菌（E.coli）质粒或多聚酶链反应（PCR）这样的分子复印 方法可让我们得到某一特殊序列的数百万个拷贝。
• 是指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学科的基础
知识，通过对基因的人工定向改造等手段，对 蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人 类需要的新型蛋白质。
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1.1.3 生物技术所涉及的学科
• 现代生物技术是所有自然科学领域中涵盖范围 最广的学科之一。它以包括分子生物学、细胞 生物学、微生物学、免疫生物学、人体生理学、 动物生理学、植物生理学、微生物生理学、生 物化学、生物物理学、遗传学等几乎所有生物 科学的次级学科为支撑，又结合了诸如化学、 化学工程学、数学、微电子技术、计算机科学、 信息学等生物学领域之外的尖端基础学科，从 而形成一门多学科互相渗透的综合性学科。其 中又以生命科学领域的重大理论和技术的突破 为基础。
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1.1.1.2 独特的优点
• • ——生产原料简单。生物在进行合成代谢时，大都以随手可得的物质（如空 气、水、植物和矿物质等）为原料，以阳光等为能源，不仅原料成本低，而 且取之不尽。 ——安全、可靠性高。典型的生物化学反应都是在酶的催化作用下进行的， 要求输入的能量少，反应条件缓和，工艺和设备简单，操作安全性好。生物 系统在合成物质时，先把脱氧核糖核酸遗传信息转录给核糖核酸，然后以核 糖核酸为模板进行合成。该过程虽然很复杂，但出错机率极小，且无副产品。 更重要的是，生物系统能自动发现并纠正错误，进行自动化合成生产，生产 可靠性高。 ——产品具有特殊的活性。生物分子通常具有复杂的精细结构，这种结构往 往会赋予生物分子特殊的活性，即所谓“生物特异功能”，例如准确、敏感 的识别能力，高效的搜索能力，牢固的粘结性能等等。在用基因技术对其控 制基因进行改良后，这些性能还将大大增强。 ——系统结构紧凑。生物系统中的信息码、模块、制造组装机构都是在分子 水平以完美方式自组装起来的。这就使生物系统（如眼球、大脑等）比类似 功能的人造电子、光学或机械系统要紧凑得多。如果能运用生物耦合技术把 一些生物系统与设计的装置耦合起来，或者利用纳米生物技术、自组装技术 将它们制造出来，那么设备的尺寸就可能减少很多。 ——有利于提高或扩展人类的能力。运用生物医学可提高人类对疾病的治疗 效果和抗病能力；通过人脑与设备的耦合可扩展人类的能力，减小人机界面 的操作难度。
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从 1953年开始，有关DNA的知识和资讯就象 录影机卡在了快进键上一样，一直在加速呈现於我 们面前。二十世纪六十年代，Crick等科学家破译遗 传密码，mRNA链上每三个核苷酸的顺序组成一种 氨基酸的密码，四种核苷酸排列成不同序列的三联 密码体时，总共能产生64种不同的密码，他们编码 20种氨基酸。这些发现证实所有生物都使用一套相 同的化学机制、“字母”和“语法”。核苷酸分子 是字母，每个基因由遗传字母拼写而成。
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1.1.2.4 发酵工程(fermentation engineering) • 利用微生物生长速度快、 生长条件简单以及代 谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代 化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生 产出人类所需的产品称为发酵工程，也称微生 物工程。
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1.1.2.5 蛋白质工程（protein engineering）
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前言
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自然科学和社会科学自人类诞生一刻起 就不断碰撞、融合。每一次科学的进步都需 要经历与伦理、法律甚至宗教的冲击。我们 作为自然科学阵营的一份子面对挑战，应该 端正科学态度，确定价值选择，确定研究目 标，不说能为科学事业添砖加瓦，也应为社 会、为时代、为我们的医学事业奉献自己的 光和热。
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一、分子生物技术发展简史 二、基因技术的伦理顾虑 三、谁来管理基因（人类独特权及人鼠专利） 四、遗传诊断和歧视 五、基因工程药物和食品
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• 苏远志教授: 利用生物程序、生物细胞或其 代谢物质来制造产品及改进人类生活素质 的科学技术 • 马越：对生物有机体在分子、细胞或个体 水平上通过一定的技术手段进行设计操作， 以改良物种质量和生命大分子特性或生产 特殊用途产品为目标的技术体系。
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• 这门技术内涵十分丰富它涉及到： • 对生物的遗传基因进行改造或重组，并使重组基因在细胞内表达，产 生人类需要的新物质的基因技术（如“克隆技术”）； • 从简单普通的原料出发，设计最佳路线，选择适当的酶，合成所需功 能产品的生物分子工程技术； • 利用生物细胞大量加工、制造产品的生物生产技术（如发酵）； • 将生物分子与电子、光学或机械系统连接起来，并把生物分子捕获的 信息放大、传递，转换成为光、电或机械信息的生物耦合技术； • 在纳米（即百万分之一毫米）尺度上研究生物大分子精细结构及其与 功能的关系。并对其结构进行改造利用它们组装分子设备的纳米生物 技术； • 模拟生物或生物系统、组织、器官功能结构的仿生技术等等。
DNA双螺旋模型的发现，中心法则的提出，遗传密码的 破译，基因表达调控及信号传递机制的研究，表明基因设计 的时代已经来临。
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国内外科学家们已经同时宣布，原定于2003年6月完成的 人类基因测序已经提前到2001年6月，人类基因图谱绘制已经 完成。人体内8-10万个基因被全部定位。人类基因组计划被 认为是人类最伟大的认识自身的科学探索之一，是当代自然 科学的一次伟大探索工程，被喻为人类生命科学史上一次伟 大的登月行为。现代生物技术已经成为人类彻底认识和改造 自然界，克服自身所面临的人口膨胀、粮食短缺、环境污染、 疾病危害、能源和资源匮乏、生态平衡破坏及生物物种消亡 等一系列重大问题的可靠手段和工具，现代生物技术将是21 世纪的重要支柱产业。
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二十世纪七十年代，体外重组DNA与淋巴细胞杂交，这 两大技术的诞生，宣告了传统生物技术进入现代生物技术的 新时代。现代生物技术的基础是DNA的体外重组技术，应用 此技术创建的生物技术工程称为基因工程（或遗传）。 世界上最早的基因工程产品是用DNA重组技术，用大肠 杆菌生产的医用蛋白质药物。DNA重组技术就是指用分子生 物学方法分离具有遗传信息的DNA片段(基因），经过试管 中剪切重组，使之与适宜的载体DNA（质粒）（载体DNA 是一种在大肠杆菌中自主复制繁衍的环状DNA分子）连接建 成DNA重组体，将重组体转入特定的宿主细胞（大肠杆菌） 进行复制，传代使外来基因获得高效表达。
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生物技术所涉及的行业种类 行业种类
疾病治疗
经营范围
用于控制人类疾病的医药产品及技术，包括抗生素、生物药 品、基因治疗、干细胞利用等
诊断
农业、林业与园艺 食品 环境 能源 化学品 设备 技
临床检测与诊断，食品、环境与农业检测
新的农作物或动物，肥料，生物农药 扩大食品、饮料及营养素的来源 废物处理、生物净化、环境治理 能源的开采、新能源的开发 酶、DNA/RNA及特殊化学品 由生物技术生产的金属、生物反应器、计 算机芯片及生物 术使用的设备等
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DNA可以被特异地切割(利用限制性内切酶这种 分子剪刀似的东西)、移动和拼接，我们可以将一种生 物体的DNA拼接到另一种生物体的DNA上。而实际 上现代生物技术包括基因工程，细胞工程，酶工程和 发酵工程后来还发展出蛋白质工程，然而其核心是基 因工程。生物体内每种蛋白质都有其自身特定的遗传 信息，它们被储存于染色体DNA链中。携带某特定蛋 白质完整遗传密码的那段DNA片段称为基因，人体总 共有大约10万个基因，分别定位于23对染色体上。