生物技术总论 生物技术与人类健康

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生物技术所涉及的行业种类
行业种类
经营范围
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疾病治疗
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
临床检测与诊断，食品、环境与农业检测
农业、林业与园艺 新的农作物或动物，肥料，生物农药
食品
扩大食品、饮料及营养素的来源
环境
废物处理、生物净化、环境治理
能源
能源的开采、新能源的开发
美国工业化生物技术研究与发展基金分布图
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1.3.3 解决能源危机、治理环境污染
解决能源危机 生物能源将是最有希望的新能源之一，乙醇、
生物柴油等最有希望成为新的替代能源。 保护环境 人们可以利用微生物净化有毒的化合物，降解
石油污染，清除有毒气体和恶臭物质，综合利用废 水和废渣，处理有毒金属，达到净化环境、保护环 境、废物利用并获得新的产品的目的。
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第一代疫苗 19世纪中叶，法国科学家Parsteur首先发
明了减毒疫苗的制备技术。用病原体减毒或 弱化制成疫苗，称之为第一代疫苗。
特点：以减毒、弱化或灭活的病原体做 疫苗。
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第二代疫苗 (基因工程疫苗 ) 将病原体的抗原（某种蛋白质）基因克
隆在细菌或真核细胞内，利用其生产的病原 体抗原作为疫苗。
•产前诊断：胎儿出生前所进行的诊断。由于目前大多 数遗传病无有效的治疗方法，因此产前诊断对于降 低遗传病的发生率，提高人口素质具有重要的意义。
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利用PCR诊断传染病
可利用PCR技术诊断的部分传染因子
病毒
细菌
寄生虫
单纯性疱疹病毒 肝炎病毒 巨细胞病毒 腺病毒 风疹病毒 Epstein-Barr病毒 轮状病毒 乳头状瘤病毒 人免疫缺陷病毒 细小病毒 鼻病毒
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现代生物技术的诞生
1973年加州大学的Cohen等实现了细菌间 遗传物质的人工重组，转入一个抗药基因， 使大肠杆菌获得了抗药性，第一例DNA 重组技术成功。
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现代生物技术的诞生
1978年Genetech公司和洛衫矶Hope市医学中心将 具有明显医药实用价值的蛋白质胰岛素基因导入 到E.coli 中表达成功
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9.2.2.1 DNA探针杂交技术
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9.2.2.2 PCR技术
PCR: polymerase chain reaction， 即聚 合酶链式反应技术，是一项体外扩增特异 DNA片段的技术。
特点：灵敏度极高，可以检测极微量 的病原体。但如果操作不当很容易产生假 阳性反应。
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95℃预变性5min
生产常规方法不能生产的药品或制剂。 生产灵敏度高、反应专一、实用性强的
临床诊断新试剂。 提供安全性能好、免疫能力强的新一代
疫苗。
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9.1 生物技术与疫苗
9.1.1 疫苗概说 广义的疫苗是指将病原微生物（如细菌、立
克次氏体、病毒等）及其代谢产物，经过人 工减毒、灭活或利用基因工程等方法制成的 用于预防传染病的自动免疫制剂。其中，由 细菌制成的称为菌苗；由病毒、立克次体、 螺旋体等制成的称为疫苗。
特点：利用病原体 的某些抗原成分 作为疫苗。
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第三代疫苗 (核酸疫苗 ) 将含有编码病原体抗原基因序列的质
粒载体直接作为疫苗，经肌肉注射等方法 导入体内，通过宿主细胞表达抗原蛋白， 诱导宿主产生对该抗原蛋白的免疫应答。
特点：用含有病原体抗原基因序列的 质粒载体直接作为疫苗。
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9.2 生物技术与疾病诊断
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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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1.3.4 制造工业原料、生产贵重金属
制造工业原料
利用微生物在生长过程中积累的代谢产物, 生产食品工业原料，种类繁多。
生产贵重金属
利用微生物的浸矿技术对废渣矿、贫矿、 尾矿、废矿进行提炼。
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1.3.5 生物技术的安全及其对伦理、道德、 法律的影响
基因工程对微生物的改造是否会产生某种有致 病性的微生物，这些微生物都带有特殊的致病 基因，如果它们从实验室逸出并且扩散，有可 能造成类似鼠疫那样的可怕疾病的流行。 转基因作物及食品的生产和销售，是否对人类 和环境造成长期的影响，擅自改变植物基因是 否可能引起一些难以预料的危险。
生物技术概论
宋思扬 楼士林 主编 科学出版社
生物化学系 陈汉春
chenhanchun@mail.csu.edu.cn
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第1章 生物技术总论
学习目的 了解生物技术的含义、特点以及生物技术
的发展史。掌握生物技术的各项技术及其相互 关系。认识生物技术的应用领域及其对人类社 会发展的影响。
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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。
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理论背景：
现代生物技术是以20世纪70年代DNA 重组技术的建立 为标志的。 ◆ 1944 年Avery 等阐明了DNA是遗传信息的携带者 ◆ 1953年Watson &Crick发现DNA双螺旋结构 开 创分子生物学 ◆ 1961年H.G.Khorana & M.W.Nirenberg破译了遗传 密码，揭开了DNA 编码的遗传信息是如何传递给 蛋白质这一秘密
变性
95˚C
延伸 72˚C
退火
Tm-5˚C
25~35个循环后
72℃延伸10min
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利用PCR诊断遗传病
遗传病的诊断包括：
•临症诊断（symptomatic diagnosis）：是指 遗传病出现临床症状后所进行的诊断。
•症状前诊断（presymptomatic diagnosis）：是指 临床症状出现前所进行的诊断。
培育抗逆的作物优良品系，植物种苗的工厂化 生产
提高粮食品质 生物固氮，减少化肥使用量
发展畜牧业生产
动物的大量快速无性繁殖 培育动物的优良品系
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1.3.2 提高生命质量，延长人类寿命
开发制造贵重的新型药品 疾病的预防和诊断 基因治疗 人类基因组计划
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过去10年美国生物技术产品销售（百万美元）
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分子克隆技术在人类的应用可能造成巨大的社会 问题，并对人类自身的进化产生影响；而应用 在其他生物上同样具有危险性，因为所创造出 的新物种有可能具有极强的破坏力而引发一场 浩劫。 生物技术的发展将不可避免地推动生物武器的研 制与发展，使笼罩在人类头上的生存阴影越来 越大。 动物克隆技术的建立，如果被某些人用来制造克 隆人、超人，将可能破坏整个人类社会的和平。
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） 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。
9.2.1 ELISA：酶联免疫吸附检测技术
(enzyme linked immunosorbent assay)
基因工程抗原 多克隆抗体与单克隆抗体
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9.2.2 DNA诊断技术
1978年Kan和Dozy首先应用羊水细胞 DNA限制性片段长度多态性（RFLP）进行 镰状细胞贫血症的产前诊断，开创了DNA诊 断的新技术。30多年来，DNA诊断技术飞速 发展，建立了多种多样的检测方法，这些检 测方法可以用于遗传性疾病、肿瘤、传染性 疾病等多种疾病的诊断。
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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。
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。
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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
领域
1998年 2003年 2008年 增长率%
人类疾病治疗 9120 16100 27000 11
人类疾病诊断 2100 3100 4300
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农业
420 1000 2300 19
特制品
390 900 2000 18
非医疗检验 270 400
600 8
合计
12300 2150 36200 11
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健康（69％） 农业（植物） 农业（动物） 化学/食品 其他 能源/环境
大肠杆菌 沙门氏菌 耶尔森氏菌 分支杆菌 弯曲菌 军团菌 博代氏杆菌 弧菌 链球菌 葡萄球菌 淋病奈瑟氏菌 立克次氏体 支原菌
衣原体 锥虫 丝虫 疟原虫 血吸虫 利什曼原虫 旋毛虫 小泰氏梨浆虫 弓形虫
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9.2.2.3 PCR-RFLP技术
限制性片段长度多态性（RFLP）是指由于 碱基的改变导致DNA上的某一限制性内切核酸 酶水解位点增加或减少。当这种DNA用内切酶 水解时，产生的DNA片段数将相应地增加或减 少，并且其DNA片段的分子质量也发生相应的 改变，这种DNA片段长度的变化就称为限制性 片段长度多态性。
1980转基因动物首获成功，美国人得到转人生长 激素基因的超级鼠
1983年美国人和比利时人将外源基因引入植物中， 并稳定遗传
1997年第一只克隆羊在英国Rosslyn研究所诞生
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1.3生物技术对经济社会发展的影响
生物技术的发展将越来越深刻地影响 着世界经济、军事和社会发展的进程。
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1.3.1 改善农业生产，解决食品短缺 提高农作物的产量及品质
生物技术不完全是一门新兴学科，它包括 传统生物技术和现代生物技术两部分。
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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。
化学品
酶、DNA/RNA及特殊化学品
设备
由生物技术生产的金属、生物反应器、计 算机芯片及生物技
术使用的设备等
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1.2 生物技术发展简史
传统生物技术 现代生物技术
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1.2.1 传统生物技术的产生 传统生物技术应该说从史前时代起就
一直为人们所开发和利用，以造福人类。 在石器时代后期，我国人民就会利用谷物 造酒，这是最早的发酵技术。 ◆ 古老的酿造技术 ◆ 发酵技术
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第9章 生物技术与人类健康
学习目的
认识医学领域是现代生物技术应用最广泛、成 绩最显著、发展最迅速的领域。了解生物技术对疫 苗生产、疾病诊断、生物制药等领域的影响；了解 生物技术对人类健康、延长人类寿命、提高生活质 量所具有的不可估量的作用。
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医药卫生领域是现代生物技术应用最广 泛、成绩最显著、发展最迅速、潜力也 最大的一个领域。
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1.1.2 生物技术的种类及其相互关系 微生物 工程菌 发酵工程
基因工程 蛋白质或酶 蛋白质工程或酶工程 产品
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 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。