探究青霉素的发现和生产的历程

探究青霉素的发现和生产的历程
一、课题分析
1．教学目标
（１）通过探究青霉素的发现历程，体验科学探究的方法和科学家科学探索的精神。

（２）举例说明生物工程技术药物和疫苗的生产原理。

2．背景描述
青霉素是抗菌素的一种，是从青霉菌培养液中提制的药物，是第一种能够治疗人类疾病的抗生素。

青霉素是在1928年由英国细菌学家弗莱明发现的。

但在当时未引起人们的重视，1935年，英国牛津大学生物化学家钱恩和物理学家弗罗里重新发现了它，经过努力，终于使其抗菌力提高了几千倍，并证明了其功效。

1942年，通过发酵工程等生物工程技术手段，青霉素被大规模生产并应用于临床，许多曾经严重危害人类的疾病，例如曾是不治之症的猩红热、化脓性咽喉炎、白喉、梅毒、淋病、以及各种结核病、败血病、肺炎、伤寒等，都受到了有效的抑制。

可以毫不夸张地说，青霉素的发现开辟了全世界现代医疗革命的新阶段。

青霉素的偶然发现是人类取得的一个了不起的成就。

为表彰弗莱明等人对人类作出的杰出贡献，1945年的诺贝尔医学奖授予了弗莱明、弗洛里和钱恩三人。

生物工程主要包括基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程。

随着生物学的快速发展，生物工程技术在医药卫生领域的应用非常广泛。

例如：利用基因工程方法制造胰岛素、干扰素、白细胞介素等等；抗生素、维生素、动物激素等可以利用发酵工程大量生产；许多有重要价值的蛋白质生物制品，如病毒疫苗、单克隆抗体等，都可以借助动物细胞的大规模培养来生产；一些酶制剂如溶菌酶，尿激酶等可以用做药品，治疗多种疾病。

二、教学建议
在科学过程中，科学家所做的第一步通常是对现象的观察。

在观察的基础上建立假说或有意义的猜测，用以解释观察到的现象。

通过演绎推理形成预见，用以检验假说，设计实验检验预见。

最后，将实验的结果与假说相比较，看二者是否一致；如果一致，假说就变成一个工作模型，接受进一步的检验。

在本课题中，通过对青霉素的发现历程的探究，引导学生沿着科学的逻辑思维路线，从提供的设问和实验中去假设、分析和得出结论，从而体验科学探究的方法和科学家科学探索的精神，这是本课题的教学重点。

在活动实施过程中，教师应鼓励学生，注意保护学生勇于探究的精神和自信心，给每个学生以尽可能多的机会来提出自己的想法、见解、问题。

当然也要注意维持良好的课堂秩序。

本课题通过青霉素的生产使用来说明生物工程技术药物的生产原理，是建立在学生对生物工程技术已有了全面了解的基础上。

对此，教师只需展示资料，进行引导，可以让学生自
己归纳总结。

三、探究活动
第一步骤弗莱明发现青霉素的探索过程
1928年的一天，英国细菌学家弗莱明在他的一间简陋的实验室里研究导致人体发热的葡萄球菌。

由于盖子没有盖好，他发觉培养细菌用的琼脂上附了一层青霉菌。

这是从楼上的一位研究青霉菌的学者的窗口飘落进来的。

使弗莱明感到惊讶的是，在青霉菌周围出现了一个透明圈，圈内没有细菌。

这个偶然的发现深深吸引了他。

（1）为什么出现这种现象？
学生分析讨论，提出假设。

弗莱明立即决定，把青霉菌放进培养基中培养。

几天后，青霉菌明显繁殖起来。

于是，他进行了试验：用一根线蘸上溶了水的葡萄球菌，放到青霉菌的培养器中，几小时后，葡萄状球菌全部死亡。

由此，你推测弗莱明的结论是。

接着，他分别把带有白喉菌、肺炎菌、链状球菌、炭疽菌的线放进去，这些细菌也很快死亡。

但是放入带有伤寒菌和大肠杆菌等的线，这几种细菌照样繁殖。

根据以上实验，推测弗莱明得出的结论。

（2）为什么青霉菌能杀灭很多细菌？
学生分析讨论，提出假设。

弗莱明把青霉菌放在培养液中培养后，把滤去青霉菌后的培养液加入培养细菌的培养皿中，观察这些培养液对细菌生长的影响。

结果：这种培养液阻止了细菌的生长和繁殖。

由此，你推测弗莱明得出的结论是。

（3）那时流行着许多传染病，如猩红热、白喉、脑膜炎、淋病、梅毒等，这些疾病严重地威胁着人们的生命。

这种物质能否用于人体？
小资料：早在1911年，里查特·威斯特林在斯德哥尔摩大学答辩的博士论文中记载过特异青霉，经鉴定证明那就是弗莱明发现的青霉产生菌。

遗憾的是，威斯特林并没有进行更深入的研究，从而没有发现它的抗菌作用。

请学生想一想：为什么威斯特林和弗莱明经历相同的偶然发现，却产生了不同的结果
让学生分析，弗莱明的假设是什么，实验的结果与假设是否一致？
想一想：这个实验还有什么缺陷？，该如何改进？
让学生分析，弗莱明的假设是什么，实验的结果与假设是否一致？
学生分析讨论，提出设想。

弗莱明把青霉菌培养液注射进了兔子的血管，然后观察它们的反应，结果发现兔子安然无恙，没有任何异常反应。

实验说明了什么。

与此同时，弗莱明还做了一个实验，把青霉菌培养液加
水稀释，先是一倍、两倍……最后以八百倍水稀释，结果它对葡萄状球菌和肺炎菌的杀灭能力仍然存在。

实验能说明什么。

（4）这种物质是什么？
佛莱明在后来的实验中终于分离出了这种物质，并命名为青霉素，即盘尼西林。

1929年，弗莱明发表了学术论文，报告了他的发现，但当时未引起重视。

而且青霉素的提纯问题也还没有解决，因此，弗莱明只好暂时停止了对青霉素的培养和研究工作。

资料：1935年，英国牛津大学生物化学家钱恩和物理学家弗罗里对弗莱明的发现很感兴趣。

钱恩负责青霉菌的培养和青霉素的分离、提纯和强化，使其抗菌力提高了几千倍，弗莱明里负责对动物观察试验。

至此，青霉素的功效得到了证明。

第二步骤请你阅读
资料１：经过在人体上进行的多次实验，钱恩等人对青霉素的特性、用法和提取都积累了宝贵的经验。

问题是青霉素的供应量太少了，单靠实验室提取，只能满足少数病人的需要，还常常要从患者的尿液中回收再用。

这种情况怎能满足所有病人的需要呢？为了把人类从各种疾病和传染病的威胁中彻底解救出来，必须在工业上大规模生产青霉素。

直到1942年，青霉素的大规模生产才有可能。

因为：第一，人们发现了一种来源广泛又非常便宜的营养液。

第二，人们在皮奥里亚的一家杂货店里腐烂的罗马甜瓜中，找到了一种叫做金菌青霉素的霉菌。

这种霉菌生产速度很快。

让学生分析，弗莱明做这两项试验有什么意义？
小资料：为了表彰这一造福人类的贡献，弗莱明、钱恩、弗罗里于1945年共同获得诺贝尔医学和生理学奖。

利用这个菌种，科学家们又培养出一种产量更高的霉菌突变
种。

第三，人们找到了一种更为有效的培养方法——发明了一种有两层楼高的巨大的容罐，里面装上2万5千加仑营养汤，用像飞机的螺旋桨一样大的搅棒在罐中不停地搅拌，使纯净的空气源源不断地通过容器内的营养汤。

这样，霉菌就不仅仅生长在营养汤的表面，而且也可以在全部营养汤内部生长。

有了这三个方面的突破，青霉素的产量一下子提高了。

资料２：1974年，科恩又把具有抗青霉素基因的金黄色葡萄球菌的质粒和大肠杆菌的质粒“组装”成杂合质粒放入大肠体内。

结果这种大肠杆菌也获得了对青霉素的抗药性。

资料３：在临床上大量使用青霉素后产生了耐药菌，其原因是细菌产生了破坏青霉素的β-内酰胺环使其失活的青霉素酶。

1956年，Abraham和Chain利用大肠杆菌的酰胺酶把青霉素G裂解成为6-APA。

Beecham公司以6-APA为母核，在C-6位缩合了不同基团，制备了很多新青霉素，其中甲氧苯青霉素对青霉素耐药菌敏感，首先用于临床。

步骤三讨论与交流
讨论生物工程技术药物和疫苗对人类的影响？
小资料：这种野生的青霉菌分泌的青霉素很少，产量只有20单位／ｍｌ。

后来，人们对青霉菌多次进行Ｘ射线、紫外线照射以及综合处理，培育成了青霉素产量很高的菌株，产量可达到50000～60000单位/ml。

想一想，这种育种方式被称为什么？
请学生想一想：为什么需要加入纯净的空气？除此以外,还需要控制那些条件?
资料１、２、３中关于青霉素的试验应用了那种生物工程技术？
请学生通过举例说明。

四、讨论与思考
1．通过对青霉素的发现历程的探究对你有什么启示？
简析：
科学是一个发展的过程，科学研究需要仔细的观察、科学的思维、合理的实验设计、以及坚持不懈的努力，否则是难以奏效的。

讨论：
在含有青霉菌的培养液中细菌不能生长，为什么出现这种现象？
（1）作为上述问题的假设中，下列选项中最为恰当的是（Ｄ）
A.
青霉菌能产生有利于人类的物质
B.青霉菌污染了细菌生长的培养基
C.青霉菌可能吞噬了细菌
D.青霉菌可能产生了不利于细菌繁殖的物质
弗莱明把青霉菌放在培养液中培养后，把滤去青霉菌后的培养液加入培养细菌的培养皿中，观察这些培养液对细菌生长的影响。

结果：这种培养液阻止了细菌的生长和繁殖。

（2）为了证明青霉素确实是由青霉菌产生的而不是培养液和培养基中的其他物质产生的，则应设计对照实验，其对照组的实验方法是把等量的没有接触过青霉菌的培养液加入培养细菌的培养皿中，在相同条件下观察对细菌生长的影响。

（3）若对照组实验结果为细菌正常生长，则充分证明青霉素确实能产生可阻止细菌繁殖的物质。

２．当前药物的生产主要应用了哪些生物工程技术？
简析：
生物工程主要包括基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程。

随着生物学的快速发展，生物工程技术在医药卫生领域的应用非常广泛。

例如：利用基因工程方法制造胰岛素、干扰素、白细胞介素等等；抗生素、维生素、动物激素等可以利用发酵工程大量生产；许多有重要价值的蛋白质生物制品，如病毒疫苗、单克隆抗体等，都可以借助动物细胞的大规模培养来生产；一些酶制剂如溶菌酶，尿激酶等可以用做药品，治疗多种疾病。

讨论：
（１）资料１、２、３中关于青霉素的试验应用了哪些生物工程技术？
资料１、２、３中分别应用了发酵工程、基因工程和酶工程。

（２）除了在自然界寻找产量高的菌种，还有可以用人工诱变方法育种？
（３）在青霉素的发酵过程中为什么需要加入纯净的空气？除此以外,还需要控制那些条件?
为了防止杂菌的污染和青霉菌是需氧型的。

还需要控制温度、ＰＨ、等。

五、深化拓展
拓展：
讨论未来药物是什么样？
提示：学生在课外搜索资料，然后在课堂进行讨论和交流，从而了解生物工程药物生产原理和展望未来。

六、文献链接
1．青霉素如何实现工业化生产。

青霉素生产的历史可以作为抗菌素生产工业的典型事例。

青霉素和其它抗菌素一样在产生的过程中需要大量的氧气。

最初的生产方法是使用一个小容器装入1—2厘米厚的原料(液体培养基)，青霉菌在液体表面生长繁殖，分泌青霉素在液体内。

由于液层薄，青霉菌很容易得到氧气不必搅拌和通入空气，但是这种方法需要很多小容器和很大的培养室，后来人们想办法将小容器串连起来，使培养液在菌层下面流动进行更新。

还有人将青霉菌接种在许多小木片上，培养液在木片间流动，或者将菌接种在绳子上，并使绳子在培养液中巡回转动。

这些办法的目的都是要解决通气问题，但终因操作不便、产量不高和容易染杂菌而失败。

在本世纪40年代初期，兴起了青霉素的液体深层培养法。

该方法是将青霉接种在液体内，不断搅拌，同时通入无菌空气，使青霉在培养液内均匀生长并分泌青霉素。

工业生产采用了类似化学工业的设备——反应罐，加以改进而成发酵罐。

培养原料配比设计甚为复杂，曾经试验的如甘油、麦粉、玉米淀粉、乳糖、葡萄糖、麦麸、乳清水解酪素、玉米浆、硝酸铵和硝酸钠等。

此外还对磷、硫、铁、钾、镁、锌、铜等金属对产生青霉素的影响作了试验。

通入空气的无菌化要求，创立了至今发酵工业使用的空气净化系统。

由于青霉素发酵供气量大，对空气的无菌状态要求极高，而发酵过程又是纯种培养过程，因此培养基的灭菌，管道的设计、无菌状态的维持，都需要有绝对的保证。

随着发酵成功，进而又提出青霉的提炼问题，也就是如何从发酵后的液体内，取得单纯的青霉素，从而促进人们研究了青霉素的萃取、分离、浓缩和结晶等所谓发酵产品的提取工艺。

（摘自郑铁曾《生机勃勃的发酵工程》1986年7月第1版第5页）
2．生产抗胰蛋白酶的转基因绵羊
1992年，英国爱丁堡大学的一个研究组发表了一篇报告，宣布他们已经生产了6头转基因绵羊，这些绵羊可以在奶中生产一种抗胰蛋白酶的成分，产量最低为1克／升，最高量为35克／升。

“抗胰蛋白酶”可以药用，专治遗传性功能紊乱疾病，世界上每2000人中就有一人受此疾病的折磨。

抗胰蛋白酶是人体血浆中的糖蛋白，具有抑制胰蛋白酶的作用，人体一旦缺乏它，就会产生如肝功能衰竭、肺气肿等多种疾病。

（摘自王敬东《生物工程探秘》2000年9月第1版第56页）。