基因工程课程

生物技术的应用领域
医药： 生物制药；基因治疗；人工器官 农业和畜牧业

转基因植物：抗病虫害新品种、抗逆新品种、 高品质新品种 转基因动物：生产有用蛋白质和高品质的畜产品 生物反应器：利用动植物细胞或组织作为生物反应器，直接生产有用 蛋白质

轻工来自百度文库食品
新型食品；营养食品；保健食品；轻工用酶
环境
First field tests
Rotting resistant tomato approved by FDA
Delay-ripening tomato Commercialized in the US
GM maize approved by EU
植物转基因育种的发展优势
1、扩大了作物育种的基因库
有性杂交
基因操作 gene manipulation
重组DNA技术
recombinant DNA technique 体细胞融合
发酵工程
农业工程
克隆（clone）
蛋白质工程的概念
在基因工程技术对编码蛋白质的基因的了解 基础上，对蛋白质的氨基酸序列、结构和功能进 行分析，进而通过对蛋白质的结构、氨基酸序列 和翻译后的修饰等手段改变甚至创造出新的和更 有效的蛋白质。
基因工程(gene engineering)常和以下名称混用




遗传工程(genetic engineering); 基因克隆(gene cloning); 分子克隆(molecular cloning); 基因操作(gene manipulation); 重组DNA技术(recombination DNA technique)
基因治疗人数情况
基因治疗个案
人数
5000 4000 3000 2000 1000 0 1994 1996 2000 年份
生物技术产业化—农业领域




已有35个科120多种植物获得转基因植物，一些重要的农 作物获得商品化的转基因品种。 种植面积迅猛发展。 采用的基因正在从抗除草剂、抗菌素、抗病虫害基因到抗 逆境、高品质方向发展。 由单个质量性状基因向多基因数量性状转变。 植物反应器生产稀有蛋白。
A 重组DNA技术的基本定义 B 基因工程的基本定义 C 重组DNA技术与基因工程的基本用途 D 基因工程的基本形式
基因工程原理
Gene engineering or genetic engineering
Gene: A hereditary unit that occupies a specific location on a chromosome and determines a particular characteristic in an organism. Genes exist in a number of different forms and can undergo mutation. Engineering: The application of scientific and mathematical principles to practical ends such as the design, manufacture, and operation of efficient and economical structures, machines, processes, and systems.

酶工程的主要内容

酶的分离纯化 酶与细胞的固定化技术及反应器 酶制剂的发酵生产 酶分子化学修饰、遗传突变及结构改造 酶抑制剂与激活剂开发与研究 人工设计与合成模拟酶及酶分子
发酵工程概念
发酵工程属于生物技术的下游技术，是工 业化大规模培养细胞、生产生物制品的一种技 术。 传统的发酵工程主要用于微生物。现代生 物技术还包括动物、植物细胞和工程菌的发酵 培养。
生物制药产业化特点




高技术：高层次人才，高新技术手段，多学科渗透 高投入：在国外，一个生物药品平均要投入1~3亿美元， 并随着开发难度的增大,有逐步增高的趋势 长周期：国际上，一个新的生物药品需要6~8年时间 高风险: 一个新药品的开发，经过一系列的程序-研发、中 试、动物实验、I~III期临床实验，上市和严格的药政监督 管理。每一步都可能失败，而前功尽弃 高回报: 开发成功一个新的生物药品, 回报很高。如美国 Amgen公司，首次开发上市的EPO、G-SCF到1997年的 销售额分别接近和达到20亿美元


基因工程的兴起
1977年，激素抑制素的发酵生产成功。Itakara等，化学合成的激素抑制素基因和大
肠杆菌-半乳糖（苷）激酶基因插入到PBR322中得到重组质粒，并通过大肠杆菌生产出 含有激素抑制素的嵌合型蛋白，经溴化氰处理后释放出了有生物活性的激素抑制素。首次 实现了真核基因的原核表达。用价值几美元的9升培养液生产出50毫克的生物活性物质， 这相当于50万头羊脑的提取量。
培养以及基因产物的分离纯化过程。
与基因工程相关的几个概念
生物工程 biological engineering 遗传工程 genetic engineering 基因工程 gene engineering
酶工程
诱变育种
细胞工程
分子克隆 molecular cloning 基因克隆 gene cloning
基因工程试剂的高回报


碱性成纤维细胞生长因子
红细胞生成素
231元/ug
1072元/ug


白细胞介素-2
410元/ug
巨细胞粒细胞集落刺激因子 1960元/ug

胰岛素
10.2元/mg
美国生物技术产业发展情况
美国生物技术产业发展情况
产值（亿美元）
500 400 300 200 100 0 1980 1991 1996 1997 2000
1978年， Goeddel等，人胰岛素的发酵生产成功。 1979年， Goeddel等，又在大肠杆菌中成功表达了人生长激素基因。 1980年， Nagata等， 遗传工程菌生产干扰素获得成功。 1981年， 用遗传工程菌生产的生物制剂包括动物口蹄疫疫苗、乙型肝炎 病毒表面抗原及核心抗原、牛生长激素等。 1982年， 重组DNA技术生产的药物-人胰岛素进入商品化生产。 1983年， 基因工程生产狂犬病疫苗取得突破型进展。
大规模生产生物活性物质
天然细胞 分离工程 分 离 工 程 酶 天然细胞 基因工程 蛋白质工程 途径工程 工程细胞 发酵工程 细胞工程 生物活性物质
酶工程
基因工程技术及其应用
供 体细 胞
目 的基 因
载体 重 组D N A分 子
受 体细 胞 转 化细 胞
转基因动物 转基因植物 冶 金 、 环 保 基因治疗 多肽药物 (畜 牧 业 、 渔 业 (农 业 、 林 业 轻 工 、 食 品 基因诊断 疫苗、抗体 生 物 反 应 器) 生 物 反 应 器)
第三代基因工程 代谢信息途径的修饰重构 途径工程
第四代基因工程 基因组或染色体的转移
基因组工程
基因工程研究的基本步骤
1、从生物体中分离得到目的基因（或DNA片段） 2、在体外，将目的基因插入能自我复制的载体中得到 重组DNA分子。
3、将重组DNA分子导入受体细胞中，并进行繁殖。
4、选择得到含有重组DNA分子的细胞克隆，并进行大量 繁殖，从而使得目的基因得到扩增。 5、进一步对获得的目的基因进行研究和利用。比如， 序列分析、表达载体构建、原核表达以及转基因研究
转基因育种打破了常规育种的物种界限，来源于动植物和微生物的有用基因都 可以导入作物，培育成具有某些特殊性状的新型作物品种。
2、提高了作物育种的效率
作物转基因育种不仅大大缩短育种年限，而且可成功地改良某些单一性状却不 影响改良品种的原有优良特性。
3、减轻了农业生产对环境的污染
转基因抗虫棉花的大面积种植和推广，不仅可以减少化学杀虫剂对棉农及天敌 的伤害，而且可以大幅度降低用于购买农药和虫害防治的费用。另外，随着高 效固氮转基因作物及高效吸收土壤中磷元素等营养元素的转基因作物不断问世 和推广，农用化肥的利用率将极大地提高，这对减少农田污染具有重要意义。
年份
美国生物制药产品种类及数量（PHRAM）
疾病种类 产品数量 疾病种类
39 28 19 19 11 9 5 3 2
产品数量
26 22 19 13 11 7 3 2 175
感染性疾病 神经系统疾病 艾滋病及相关疾病 皮肤病 消化系统疾病 血液疾病 不育症 生长发育不良症 妊娠预防
心脏病 呼吸系统疾病 自主免疫系统疾病 移植 遗传疾病 糖尿病及并发症 眼病 骨质疏松 肿瘤疾病
蛋白质工程主要内容

主要目标 蛋白质氨基酸序列的分析 蛋白质晶体结构分析 蛋白质功能预测和分析 蛋白质组分析
酶工程的概念

是酶学与工程学的相互渗透和结合所发展起来以酶为研究对象，改 造并应用酶的特异催化功能。目标就是通过工程化技术大规模生产 和转化相应原料成为有用物质的技术。 传统的酶工程主要是指天然酶制剂在工业上的大规模生产与应用。 随着科学的发展，尤其是基因工程技术的日趋完善，为酶工程赋予 了新的内容，特别是利用DNA操作技术，修饰改造酶分子的结构或 活性位点、酶与底物作用位点，重组酶的生产，模拟酶的人工设计 与合成等成为新的内容。
发酵工程技术

发酵对象：
传统微生物发酵、基因工程菌发酵、动物细胞培养、植 物细胞培养

发酵类型：
液体发酵、固体发酵、固定化培养、流式发酵
发酵技术设备
1 基因工程的基本概念
D 基因工程的基本形式
第一代基因工程 蛋白多肽基因的高效表达 经典基因工程 第二代基因工程 蛋白编码基因的定向诱变 蛋白质工程
植物基因工程的发展迅速
First transgenic plant First Bt corn plants Herbicide resistant, insect resistant plants commercialized
‘83 ‘84 ‘85 ‘86 ‘87 ‘88 ‘89 ‘90 ‘91 ‘92 ‘93 ‘94 ‘95 ‘96 ‘97 ‘98 ‘99 ‘00 ‘01 ‘02
克隆(clone): 作名词时指含有某目的DNA片段的重 组DNA分子或含有该重组分子的无性繁殖系. 作动词时是指基因的分离与重组过程。

1 基因工程的基本概念
A 重组DNA技术的基本定义
重组DNA技术是指将一种生物体（供体）的基因与
载体在体外进行拼接重组，然后转入另一种生物体（受
体）内，使之按照人们的意愿稳定遗传并表达出新产物
江西农业大学 生物科学与工程学院
基因工程
徐 波
基因工程
1 基因工程的基本概念 2 基因工程的基本原理 3 基因工程所需的基本条件 4 基因工程的操作过程 5 目的基因的克隆与基因文库的构建 6 大肠杆菌基因工程 7 酵母基因工程 8 哺乳动物基因工程 9 高等植物基因工程 １０ 生物芯片
1 基因工程的基本概念
转基因植物
转基因动物 作为生物发 生器
基因本身也是一个产业

Rockfeller 大学将人肥胖基因出售0.2亿美元（1995年 3月）
Amgen公司将FKBP神经免疫因子配体转让达3.29亿美 元（1997年） Millennium公司以4.65亿美元向Bayer公司转让225种 基因的开发权（1998年9月）
或新性状的DNA体外操作程序，也称为分子克隆技术。
因此，供体、受体、载体是重组DNA技术的三大基
本元件。
1 基因工程的基本概念
B 基因工程的基本定义
基因工程是指重组DNA技术的产业化设计与应用，
包括上游技术和下游技术两大组成部分。上游技术指的
是基因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组DNA技
术）；而下游技术则涉及到基因工程菌或细胞的大规模
和利用等。
基因工程的基本流程
基因和载体 连接
基因分 离酶切
载体酶切
重组克隆的选择
导入细菌
导入 植物 细胞
序列分析和基因 表达等研究
重组质粒繁殖
1 基因工程的基本概念
C 重组DNA技术与基因工程的基本用途
分离、扩增、鉴定、研究、整理生物信息资源 大规模生产生物活性物质 设计、构建生物的新性状甚至新物种
污染治理；废物利用；污染物生物降解
生物技术产业化
生物技术产业：利用细胞和生物分子进行药品、农产品生产 开发和环境治理的产业，该产业技术由医药生物技术、农 业生物技术和环境生物技术共同组成 医药生物技术重点攻克癌症、艾滋病、老年痴呆症、帕金 森病、心脏病、糖尿病等危害人类的顽疾 农业生物技术着眼于提高农产品的产量和质量。 环境生物技术重点用于清除危险废弃物