生物技术生命科学
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10
细菌质粒pUC18
多克隆 位点
11
2.2 重组DNA的一 般操作步骤
• 1、获得目的基因 • 2、构建重组DNA分子 • 3、转化受体细胞 • 4、筛选和鉴定转化子 • 5、培养转化细胞获得
所需的遗传性状或产物
12
（1）获得目的基因
从生物 基因组 中分离
基因组DNA
酶切产物
总
分离 mRN 逆转录cDNA
3
什么是生物工程？
• 生物工程是生物技术的总称，是对生命有机体 在分子水平、细胞水平、组织水平、个体水平 进行不同层次的创造性设计和改造，使之能定 向组建具有特定性状的新物种或新品系，从而 造福人类的现代应用技术。
• 研究生物工程的意义：
– 使人类进入了按照自己的需要人工创造新生物的 伟大时代。
– 世界新技术革命的三大支柱之一（信息、材料、 生物工程），具有相当大的发展潜力。
2
生物工程简史
• 传统发酵酿酒、制酱、制醋技术 • 1860年，Pausteur单一霉菌纯粹培养技术 • 1878年，啤酒酵母单一培养技术 • 1881年，细菌的纯粹培养技术 • 1929年，发现抗菌素“盘尼西林” • 1946年，用细菌生产出氨基酸 • 1952年，用微生物转化荷尔蒙获得成功 • 1953年，Walson和Crick提出了DNA双螺旋结构 • 1972年，Stanford大学构建了第一个重组DNA分子 • 1977年，世界上第一家遗传工程公司在旧金山成立 • 1982年，首例基因工程产品——人胰岛素上市
• 转染：除去蛋白质外壳的病毒核酸感染细 胞或原生质体的过程。
• 转导：用噬菌体做载体，将一个细胞的基 因传递给另一个细胞的过程。
20
基 因 枪 法
21
显 微 注 射
22
农 杆 菌 介 导
23
（4）对转化子的筛选
• 筛选：从大量携带重组体DNA的宿主细胞中 分离出携带目的基因的细胞。
• 筛选方法：
• 重组DNA技术，又称为基因或分子克隆技术， 是基因工程的核心技术。该技术包括了一 系列的分子生物学操作步骤。
6
2.1 理论上的三大发现和技术上的三 大发明导致了基因工程的诞生
• 理论上的三大发现：
– DNA为遗传物质 – DNA双螺旋结构的发现和DNA半保留复制机制 – 遗传密码与中心法则
• 技术上的三大发明：
– 限制性内切酶和连接酶 – 载体 – 逆转录酶
7
限制性内切酶——DNA的“手术刀”
• 限制性内切酶：生物工程中最重要的工具 酶，主要从原核生物中提取；它能识别双 链DNA分子中的特异性核苷酸序列，使它在 特定的位点水解。
• Arber、Smith和Nathans因为在发现限制 性内切酶方面的开创性工作而共同获得了 1978年的诺贝尔奖
降低后又可以复性成为双链。因此，通过 温度变化控制DNA的变性和复性，加入设 计引物，DNA聚合酶、dNTP就可以完成特 定基因的体外复制。
18
（2）构建重组DNA分子
质
酶切位点
粒
外源DNA
酶切
酶切位点 酶切
混合
DNA连接酶
19
（3）将重组DNA引入宿主细胞
• 转化：某一基因型细胞从周围介质中吸收 另一基因型细胞的DNA，而使其基因型和 表型发生相应变化的现象。
RNA
A
人工 合成
化学合成
PC R
13
细胞内总DNA的提取
14
紫外分 光光度 计测定 DNA溶 液的纯 度和浓 度
15
基因文库的构建
16
反转录 人工合
成 cDNA
17
PCR法——同时完成目的基因的寻 找和扩增
• PCR的发明是DNA操作技术的革命 • 美国Mullis教授1988年发明了PCR技术 • 1993年获得诺贝尔奖 • DNA在高温时可以发生变性解链，当温度
200－300美元/病人 28
基因工程技术提高奶酪产量
哺乳小牛 胃
凝乳酶基因 转入
啤酒酵母
凝乳酶 制造奶酪
29
转基因农作物
转基因植物获得新的性状
30
2002年全球转基因作物种植情况
31
32
• 2013年《自然》特刊：转基因作物的事实 与谣传
• 英国国际发展部（UK Department for International Development）首席科学顾 问克里斯多弗·韦蒂（Christopher Whitty） 和同事认为，发达国家对于转基因作物的 负面态度影响了这项技术在发展中国家的 前景 .
第12讲 生物技术
• 第一节 生物技术概述 • 第二节 基因工程 • 第三节 其它生物技术
发光树 1
第一节 生物技术概述
• 生物技术将主导人类历史的第三次技术革命 • 第一次技术革命 工业革命 解放人的双手 • 第二次技术革命 信息技术 扩展人的大脑 • 第三次技术革命 生物技术 改造生命本身
• 生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财 富，将是未来经济发展的新动力。
• 该种酶已经发现和鉴定了200多种
8
EcoRI特异
识别GAATTC
粘性 末端
EcoRI 和T4 连接酶
9
Baidu Nhomakorabea体——运送基因的工具
• 载体是运送目的基因片段进入宿主细胞的 工具，目前最常用的载体包括细菌质粒、 噬菌体、cosmid质粒和YAC载体等。
• 质粒是细菌细胞中自然存在于染色体外可 以自主复制的一段环状DNA分子。进入到 宿主细胞中的一个质粒可以大量增加其拷 贝数。
4
生物工程的内容和特点
• 生物工程的四大体系：
– 基因工程 – 细胞工程 – 蛋白质工程 – 发酵工程
• 生物工程的显著特点：
– 高技术（精细和密集的复杂技术） – 高投入（尤其是前期科研投入高） – 高利润
5
第二节 基因工程
• 基因工程就是将不同生物的外源DNA(基因） 插入到载体分子上，形成“杂种”DNA分子， 导入受体细胞中扩增和表达，从而得到期 望的由这个外源基因所编码的蛋白质。
26
将老鼠的基因转到大肠杆菌中
分子 杂交
培养基中加抗生素 培养 裂解细胞释放DNA
分离扩增目的克隆
27
2.3 基因工程应用
• 基因工程在医学上被用于大量生产过去难以 得到或几乎不可能得到的蛋白质－肽类药物。
1000 磅牛胰 200升发酵液
10g胰岛素
1200升人血 1升发酵液
2－3万美元/病人 干扰素
– 遗传学方法——对于带有抗药性基因的质粒， 可通过检测受体菌是否由敏感状态变成抗药状 态进行筛选.
– 免疫学方法——用特异性抗体检测基因产物从 而筛选阳性克隆的方法
24
Southern
杂交—— 转化子的
分析
25
将老鼠的基因转到大肠杆菌中
抽取 DNA
切下鼠 DNA
切开质粒 DNA
混合、连接
将质粒导入宿主细胞
细菌质粒pUC18
多克隆 位点
11
2.2 重组DNA的一 般操作步骤
• 1、获得目的基因 • 2、构建重组DNA分子 • 3、转化受体细胞 • 4、筛选和鉴定转化子 • 5、培养转化细胞获得
所需的遗传性状或产物
12
（1）获得目的基因
从生物 基因组 中分离
基因组DNA
酶切产物
总
分离 mRN 逆转录cDNA
3
什么是生物工程？
• 生物工程是生物技术的总称，是对生命有机体 在分子水平、细胞水平、组织水平、个体水平 进行不同层次的创造性设计和改造，使之能定 向组建具有特定性状的新物种或新品系，从而 造福人类的现代应用技术。
• 研究生物工程的意义：
– 使人类进入了按照自己的需要人工创造新生物的 伟大时代。
– 世界新技术革命的三大支柱之一（信息、材料、 生物工程），具有相当大的发展潜力。
2
生物工程简史
• 传统发酵酿酒、制酱、制醋技术 • 1860年，Pausteur单一霉菌纯粹培养技术 • 1878年，啤酒酵母单一培养技术 • 1881年，细菌的纯粹培养技术 • 1929年，发现抗菌素“盘尼西林” • 1946年，用细菌生产出氨基酸 • 1952年，用微生物转化荷尔蒙获得成功 • 1953年，Walson和Crick提出了DNA双螺旋结构 • 1972年，Stanford大学构建了第一个重组DNA分子 • 1977年，世界上第一家遗传工程公司在旧金山成立 • 1982年，首例基因工程产品——人胰岛素上市
• 转染：除去蛋白质外壳的病毒核酸感染细 胞或原生质体的过程。
• 转导：用噬菌体做载体，将一个细胞的基 因传递给另一个细胞的过程。
20
基 因 枪 法
21
显 微 注 射
22
农 杆 菌 介 导
23
（4）对转化子的筛选
• 筛选：从大量携带重组体DNA的宿主细胞中 分离出携带目的基因的细胞。
• 筛选方法：
• 重组DNA技术，又称为基因或分子克隆技术， 是基因工程的核心技术。该技术包括了一 系列的分子生物学操作步骤。
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2.1 理论上的三大发现和技术上的三 大发明导致了基因工程的诞生
• 理论上的三大发现：
– DNA为遗传物质 – DNA双螺旋结构的发现和DNA半保留复制机制 – 遗传密码与中心法则
• 技术上的三大发明：
– 限制性内切酶和连接酶 – 载体 – 逆转录酶
7
限制性内切酶——DNA的“手术刀”
• 限制性内切酶：生物工程中最重要的工具 酶，主要从原核生物中提取；它能识别双 链DNA分子中的特异性核苷酸序列，使它在 特定的位点水解。
• Arber、Smith和Nathans因为在发现限制 性内切酶方面的开创性工作而共同获得了 1978年的诺贝尔奖
降低后又可以复性成为双链。因此，通过 温度变化控制DNA的变性和复性，加入设 计引物，DNA聚合酶、dNTP就可以完成特 定基因的体外复制。
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（2）构建重组DNA分子
质
酶切位点
粒
外源DNA
酶切
酶切位点 酶切
混合
DNA连接酶
19
（3）将重组DNA引入宿主细胞
• 转化：某一基因型细胞从周围介质中吸收 另一基因型细胞的DNA，而使其基因型和 表型发生相应变化的现象。
RNA
A
人工 合成
化学合成
PC R
13
细胞内总DNA的提取
14
紫外分 光光度 计测定 DNA溶 液的纯 度和浓 度
15
基因文库的构建
16
反转录 人工合
成 cDNA
17
PCR法——同时完成目的基因的寻 找和扩增
• PCR的发明是DNA操作技术的革命 • 美国Mullis教授1988年发明了PCR技术 • 1993年获得诺贝尔奖 • DNA在高温时可以发生变性解链，当温度
200－300美元/病人 28
基因工程技术提高奶酪产量
哺乳小牛 胃
凝乳酶基因 转入
啤酒酵母
凝乳酶 制造奶酪
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转基因农作物
转基因植物获得新的性状
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2002年全球转基因作物种植情况
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• 2013年《自然》特刊：转基因作物的事实 与谣传
• 英国国际发展部（UK Department for International Development）首席科学顾 问克里斯多弗·韦蒂（Christopher Whitty） 和同事认为，发达国家对于转基因作物的 负面态度影响了这项技术在发展中国家的 前景 .
第12讲 生物技术
• 第一节 生物技术概述 • 第二节 基因工程 • 第三节 其它生物技术
发光树 1
第一节 生物技术概述
• 生物技术将主导人类历史的第三次技术革命 • 第一次技术革命 工业革命 解放人的双手 • 第二次技术革命 信息技术 扩展人的大脑 • 第三次技术革命 生物技术 改造生命本身
• 生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财 富，将是未来经济发展的新动力。
• 该种酶已经发现和鉴定了200多种
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EcoRI特异
识别GAATTC
粘性 末端
EcoRI 和T4 连接酶
9
Baidu Nhomakorabea体——运送基因的工具
• 载体是运送目的基因片段进入宿主细胞的 工具，目前最常用的载体包括细菌质粒、 噬菌体、cosmid质粒和YAC载体等。
• 质粒是细菌细胞中自然存在于染色体外可 以自主复制的一段环状DNA分子。进入到 宿主细胞中的一个质粒可以大量增加其拷 贝数。
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生物工程的内容和特点
• 生物工程的四大体系：
– 基因工程 – 细胞工程 – 蛋白质工程 – 发酵工程
• 生物工程的显著特点：
– 高技术（精细和密集的复杂技术） – 高投入（尤其是前期科研投入高） – 高利润
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第二节 基因工程
• 基因工程就是将不同生物的外源DNA(基因） 插入到载体分子上，形成“杂种”DNA分子， 导入受体细胞中扩增和表达，从而得到期 望的由这个外源基因所编码的蛋白质。
26
将老鼠的基因转到大肠杆菌中
分子 杂交
培养基中加抗生素 培养 裂解细胞释放DNA
分离扩增目的克隆
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2.3 基因工程应用
• 基因工程在医学上被用于大量生产过去难以 得到或几乎不可能得到的蛋白质－肽类药物。
1000 磅牛胰 200升发酵液
10g胰岛素
1200升人血 1升发酵液
2－3万美元/病人 干扰素
– 遗传学方法——对于带有抗药性基因的质粒， 可通过检测受体菌是否由敏感状态变成抗药状 态进行筛选.
– 免疫学方法——用特异性抗体检测基因产物从 而筛选阳性克隆的方法
24
Southern
杂交—— 转化子的
分析
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将老鼠的基因转到大肠杆菌中
抽取 DNA
切下鼠 DNA
切开质粒 DNA
混合、连接
将质粒导入宿主细胞