现代生物技术的主要内容与成就

主要转基因作物占转基因作物总面积百分比： 大豆 61％ 玉米 23％ 棉花 11％ 油菜 5％
转基因作物占各自作物种植总面积百分比： 大豆 55％ 棉花 21％ 油菜 16％ 玉米 11％
转基因作物所携带的基因: 抗除草剂、抗虫及抗病
转基因动物
第一例转基因动物
转 大 鼠 生 长 素 基 因 的 小 鼠 （
微生物处理石油污染
现代生物技术有助于环境问题的最终解决
生物技术花卉与环境美化
1.1.1 传统生物技术 指利用自然界已有的生物或生物机能为人类服务 。
年代 公元前6000年 公元前4000年 公元前2000年 公元前221年 公元10世纪
传统生物技术产品追溯
事件 啤酒制作，苏美尔人和巴比伦人 面包制作 酒器，中国龙山文化 制酱、酿醋、制作豆腐，中国天花的活疫苗 酱油、泡菜、奶酒、干酪制作以及面团发酵、粪 便和秸秆沤制等
初期生物技术产品
年代
事件
1857年
Pasteur首先证实酒精发酵由酵母菌引起
1897年
Buchner发现磨碎的酵母也能使糖发酵成酒 精，并将具有发酵能力的物称酶
19 世 纪 末 到 20 嫌气发酵：丙酮、丁醇、乳酸、酒精、面包 世纪30年代 酵母、柠檬酸、淀粉酶、蛋白酶
近代生物技术产品
大多为好气发酵，规ຫໍສະໝຸດ 大，技术要求高。主要产品包括 抗生素、氨基酸、有机酸、酶制剂等。
5’NNNNNG 3’NNNNNCTTAAp
pAATTCNNNNNN3' GNNNNNN5’
EcoRⅠ的识别序列和酶切切口（粘端）
目的基因与载体的连接
磷酸二酯键的形成（5’-P + 3’-OH)
DNA连接酶 DNA连接酶 DNA连接酶
重组体克隆的筛选与鉴定
连接 转化
目的基因 基因载体 连接酶
重组DNA分子 空载体 DNA分子
40 mg。
胰岛素：治疗糖尿病的特效药
传统方法：从猪、牛等动物的胰腺（占体重的1/500-1000）中提取， 100Kg 胰腺只能提取4-5g 的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。
现代生物技术：将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，2000L 培养液就能产 生 100g 胰岛素！
转基因农作物
1983年, 第一个问世的转基因植物
2.1.2 在生物技术中的地位
基因工程在生物技术中站住龙头地位，是其他生物技 术进步的源泉。转基因生物有着广泛的应用：药物、农作 物、动物、观赏动植物、微生物、基因治疗、环保、能源 等等。
2.1.3 基本原理
绝大部分生物的遗传物质是DNA，或遗传时需要经过 DNA
2.1.3 基本原理
遗传密码的通用性
胰岛素是治疗糖尿病的特效药，从 100公斤动物的胰腺（占体重的1/1000） 中只能提取4-5克的胰岛素，价格昂贵
将胰岛素基因导入大肠杆菌， 每2000L培养液就能产生100 克 胰岛素！使其价格大为降低
现代生物技术有助于疾病问题的最终解决
人类生长激素缺乏症
重组人生长激素生产已经成功
现代生物技术有助于环境污染问题的最终解决
宿主细胞
筛选
含抗生素的 培养基
2.1.6 应用
制造稀少珍贵的蛋白质药物
1982年，美国食品与药物管理局批准首例重组人胰岛素投 放市场，标志着基因工程产品进入商业化阶段
人生长激素、表皮生长因子、肿瘤坏死因子、α-干扰素、 纤维素酶、抗血友病因子、促红细胞生成素、尿激酶原、 白细胞介素-2、集落刺激因子、乙肝疫苗等等
现代生物技术的
主要内容与成就
内容提要
1 现代生物技术革命 2 现代生物技术的主要内容 3 生物技术的主要成就
1 现代生物技术革命
第一次技术革命 工业革命 第二次技术革命 信息技术 第三次技术革命 生物技术
解放人的双手 扩展人的大脑 改造生命本身
生物技术将是未来经济发展的新动力
人类社会面临的重大问题和挑战
抗除草剂溴苯腈的转基因烟草
转基因农作物
第一个被批准商业化的转基因植物
延长货架期的转基因西红柿
转基因农作物
抗除草剂的大豆和玉米
转基因农作物
转Bt基因的抗冲棉
Bacillus thuringiensis toxin genes
转基因农作物
转Bt基因的水稻抗卷叶螟
转基因农作物
Tomato plants infected with tobacco mosaic virus (which attacks tomato plants as well as tobacco). The plants in the back row carry an introduced gene conferring resistance to the virus. The resistant
1.1.2 现代生物技术 指按照人们的意愿和需要，通过改变基因，改良甚至创造
出新物种或具有新机能的物种，并利用它们或其产品作为或构 建新型生物反应器，进行物料加工，生产诸如粮菜果、医药、 工业原料、能源等产品。
生物技术的依据是生物体的各种机能，即在生长、发育与 繁殖过程中进行物质合成、降解和转化的能力。
生物技术产业是当今世界主要国家的支柱产业，是高新 技术革命的核心内容，广泛应用于医药卫生、农林牧渔、 轻工食品、化工、能源、环保等领域，将促进传统产业的 技术改造和新兴产业的形成，在解决人口、资源、能源、 食物和环境等问题中大有作为。
2 现代生物技术的主要内容
基因工程 Genetic engineering 细胞工程 Cell engineering 发酵工程 Fermentation engineering 酶工程 Enzyme engineering 蛋白质工程 Protein engineering
生长快、耐不良环境、肉 乳汁中含有人生长激素的转
质好的转基因鱼(中国)
基因牛(阿根廷)
2.2 细 胞工程
• 细胞工程就是在细胞水平上利用生物、改良生物和创造 新生物的技术。
• 根据细胞的类型，细胞工程又分为植物细胞工程和动物 细胞工程两大类 。
• 根据操作内容可分为动植物细胞和组织培养、细胞核移 植、动物胚胎分割、细胞融合等 。
plants produced three times as much fruit as the sensitive plants (front row) and the same as control plants.
转基因农作物
转鱼抗寒基因的 番茄
转基因农作物
转基因甜椒
甜椒易感病毒。左 为我国培育的转基 因抗病毒甜椒。
工业应用：基因工程药物、疫苗、发酵菌种
产品 人生长激素释放抑制素(SRM) 人胰岛素 人生长激素（HGH） 人α-干扰素（IFN） 乙肝疫苗（HBsAgV） 人白细胞介素 人促红细胞生成素（EPO） 人粒细胞集落刺激因子(G-CSF) 人组织纤溶酶原激活剂（t-PA）
研发时间 1977 1978 1979 1980 1983 1984
转基因农作物 转黄瓜抗青枯病基因的甜椒
转基因农作物
转基因油菜
油菜是人们食用油的主要来源之一。一 般油菜籽的含油量约为40％左右。通过转基 因技术，培育出来的油菜籽，可以大大地提 高它的出油率。而且油的纯度质量更好。
转基因农作物 转基因玉米
抗虫害的玉米
玉米是主要粮食之一，又可以提炼油脂，也可以用作食 品和工业的原料以及作饲料，浑身是宝。人们称它是含金的 植物。如今培育出转基因玉米，品质更好，产量更高。
多克隆位点
polylinker
复制起始点 ori
筛选标记！
Amp
载体的基本组件
限制性内切核酸酶
在特异位点上切割DNA分子，识别序列呈回文对称。
EcoRⅠ的识别序列
5’- GAATTC-3’ 3’- CTTAAG -5’
限制性内切核酸酶在特异位点上切割DNA分子
5’NNNNNNNGAATTCNNNNNNNN3’ 3’NNNNNNNCTTAAGNNNNNNNN5’
转基因农作物
转基因蔬菜
转基因植物
转基因林木
转基因果树
转基因花卉
转基因草类
转基因农作物生产概况
自1986年入市以来, 全球面积从开始的280万公顷, 到 2004年的8100万公顷，99%产自生物技术作物大国.
美国59%、阿根廷20%、巴西6%、加拿大6%、中国5%。 美国:玉米、棉花和大豆；阿根廷：玉米和大豆；加拿大： 玉米、大豆和油菜；巴西：大豆；中国：棉花。
2.1.3 基本原理
中心法则的通用性
基因工程如何“施工”？
• 不同种类生物的生物特性不同，其基因工程在操作 上和具体技术上必然有所差异。
• 但技术核心都是DNA的重组技术，又称为分子克隆 或基因克隆（gene cloning），即利用一系列的 DNA限制性内切酶、连接酶等分子手术工具，在某 种生物DNA链上切下某个目标基因或特殊的DNA 片段，然后根据设计要求，将其接合到受体生物的 DNA链上。
此外还有：克隆动物与胚胎工程技术、基因诊断 与基因治疗技术、生物材料技术、生 物能源技术、生物降解技术、生物芯 片技术、生态工程技术等
2.1 基因工程
2.1.1 概念
在基因的水平上改造生物的技术体系，是指在体外对生 物DNA进行剪切、加工、连接，使不同亲本的DNA分子 重新组合，并把它引入受体细胞中表达出具有新遗传特性 生物的过程。
生物技术可促进相关问题的解决吗？
现代生物技术有助于粮食问题的最终解决
袁隆平－－世界杂交水稻之父
利用现代生物育种技术使水稻产量从200公斤/亩提高到1000 公斤/亩，获首届国家最高科学技术奖
现代生物技术有助于粮食问题的最终解决
转生长激素基因的 三文鱼
普通三文鱼
现代生物技术有助于疾病问题的最终解决
转基因农作物
转基因小麦
从植物体中分离出 合成赖氨酸的基因，转 入小麦,所产面粉赖氨酸 含量高，更适合烤面包。
转基因农作物
基因工程兰花
台湾的兰花经基因重组技术而延长 开花时间。
转基因农作物
利用基因重组技术培育新颜色的海芋
转基因农作物
转 基 因 牵 牛 花
我国科学 工作者，用 转基因技术， 可以转变矮 牵牛花的花 色，使矮牵 牛花的花色 更加丰富多 彩。
2.2.1 动物细胞培养
利用动物细胞工程生产一些药品，如 红细胞生成素、抗血友病因子、组 织纤溶酶原激活物（tPA）等等
2.2.2 单细胞藻类培养
一些单细胞低等生物如单细胞 藻类的大规模培养成为细胞工
）
1981
含绿色荧光蛋白 的发光水母
水母绿色荧光蛋白转基因 水母绿色荧光蛋白转基
兔“Alba”(法国,2000)
因鼠(美国,2001)
水母绿色荧光蛋白转基因猪(中国,2006)
转基因动物
转基因无毛老鼠
转基因无毛鸡等家禽
转基因动物
转基因动物
➢ 利用乳腺生物反应器生产有用 蛋白
转基因动物
转基因动物
1943年前，表面培养法生产青霉素，发酵效价40U／mL， 纯度20％，回收率30％; 1943年，采用机械通风发酵罐进行 深层发酵，效价200U／mL，纯度60％，回收率75％。
不久，其他抗生素如链霉素、新霉素相继问世。 1950年代，氨基酸发酵工业迅猛发展。 1960年代，酶制剂和有机酸工业发展迅速。
国家 日本 美国 美国 美国 美国 美国 日本
用途 巨人症 糖尿病 侏儒症 病毒 乙肝 肿瘤 贫血 白血病 血栓症
上市时间
1982 1985 1985 1986 1989 1988 1991 1987
国家
欧洲 美国 欧洲 欧洲 欧洲 欧洲 美国 美国
干扰素：抗病毒、抗肿瘤
传统方法：从人血液中的白细胞内提取每 300L 血液才能提取 1mg。 现代生物技术：将干扰素基因转移到大肠杆菌中每 1L 培养液可提取 20-
基因工程通常包括的步骤
• 第一步：获得目的基因
• 第二步：在限制性内切酶和连 接酶作用下与克隆载体相连接， 形成新的重组DNA分子。
• 第三步：用重组DNA分子转 化受体细胞，使之进入受体细 胞并在其中复制和遗传。
• 第四步：筛选和鉴定获得外源 基因的受体细胞。
• 第五步：通过对转基因细胞或 生物体进行发酵、细胞培养、 养殖或栽培等，最终获得所需 遗传性状或产物。
基 因 克 隆 操 作
外源基因在宿主细胞中的表达
重组DNA 目的基因 的mRNA 表达蛋白质
大肠杆菌（ E.coli）受体细胞
2.1.5 基因工程需要的材料
目的基因：有无毒害？ 载体：选择标记的安全性？抗生素、除草剂抗性、其他 宿主：有无病原、毒害和生态危害？ 剪切与连接工具: 限制性核酸内切酶和DNA连接酶 转基因的设备: 基因枪、电转仪等