细胞工程笔记

细胞工程笔记

第一章绪论

一、细胞工程在现代生物技术中的地位

生物技术的概念：“New” Biotechnology—the use of cellular and biomolecular processes to solve problems or make useful products. (CB. Feldbaum,2004)

现代生物技术的的主要领域

发酵工程：利用微生物的特定性状，通过现代工程技术，在生物反应器中生产有用物质的术。如：当前的食品、医用和农用抗生素绝大部分是发酵产品，此外还包括氨基酸、工业用酶，日常生活中的味精、维生素B2等。

酶工程：利用酶的催化作用，采用适当的生物反应器工业化的生产人类所需的产品或是达到某一特殊目的的一门生物工程技术。如：α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶三酶连续作用于淀粉，就可以代替蔗糖生产出高果糖浆；蛋白酶用于皮革脱毛、脱胶和洗涤剂工业等；日常生活中的加酶洗衣粉，嫩肉粉等。

基因工程：根据人们的意愿对不同生物的遗传基因进行切割、拼接或重新组合，再转入生物体内产生出人们所期望的产物，或创造出具有新遗传性状的生物类型的一门技术，又称重组DNA技术。如：单克隆抗体、疫苗、基因治疗药物、干扰素、生长因子等药物。

蛋白质工程：利用生物技术手段对蛋白质的DNA编码序列进行有目的的改造并分离、纯化蛋白质，从而获取自然界没有的、具有优良性质或适用于工业生产条件的全新蛋白质的技术。又称“第二代基因工程”。如：提高葡萄糖异构酶热稳定性、速效胰岛素、嵌合抗体、治癌酶的改造等。

生物化学工程：应用化学工程的原理和方法，研究解决生物反应过程中的基础理论及工程技术问题。如：新型生物反应器系统及相关培养和放大技术、工艺的研究与开发，新型分离方法和设备的研究开发，描述生物反应过程的数学模型的建立，生产过程在线检测和控制手段的完善等。

细胞工程地位：细胞工程是现代生物技术的桥梁和纽带

二、细胞工程学的概念及研究范畴

1、概念和分类概念：以生物细胞、组织或器官为研究对象，运用生命科学理论，以及工程学原理与技术，有目的的利用和改造生物遗传特性或生物学特性，以获得特定的细胞、组织产品或新型物种的一门综合性科学技术。

根据研究对象不同，可分为植物细胞工程和动物细胞工程

2、细胞工程学的研究领域

原生质体培养（protoplast culture）

组织、器官或细胞培养（tissue, organ or cell culture）

植物胚胎培养(embryo culture)

染色体工程（chromosome engineering ）

转基因动植物（transgenetic animal and plant）

动物胚胎移植、胚胎培养和试管动物（embryo transfer, embryo culture, tube animal）

克隆动物（cloned animal）

3、细胞工程学的研究任务

细胞、组织或器官的形态发生规律；

研究离体培养条件下，细胞、组织或器官所需营养条件和环境条件；

细胞融合方法和机理；

植物材料的快速大量繁殖方法；

种质资源的离体保存机理和方法；

动物胚胎移植、胚胎体外生产及动物克隆技术等；

再生个体的遗传和变异；

改良生物品种，创造新的生物种类，为人类造福。

三、细胞工程学发展历史

一）植物细胞工程发展史

19世纪末和20世纪初

探索期（1859-1929）、成熟期（1930-1959）和迅速发展期（1960年至今）

理论基础：

生物细胞的全能型(totipotency）：个体或组织、器官已经分化的细胞在适宜的培养条件下具有再生成完整个体的遗传潜能。

1、探索期

1902 年Gottlich Haberlandt （德.哈泊兰德）根据细胞理论提出植物可以不断分割至单个细胞，在适当的条件下单细胞具有发育成完整植株的能力。

cell theory

All life forms are made from one or more cells.

The cell is the smallest form of life.

Cells only arise from pre-existing cells.

“如果具有与有机体内一样的条件时，每个细胞应该可以独立生活和发展”(《细胞学》Schwann,1839) ——这一论点成为组织培养研究的思想基础。

随后，许多科学家从事组织培养研究。

1904年，德国植物胚胎学家Hanning（汉宁）用萝卜和辣根的胚进行离体培养，提早长成了小植株。

常规：幼胚→（成熟）种子→（发芽）植株

组织培养：幼胚→（培养）植株

首次获得植物器官（胚）离体培养成功。

1922年，Kotte（德，科特）和Robbins（美，罗宾斯）对豌豆、玉米、棉花等的茎尖、根尖进行了离体培养，发现了培养的分生组织能进行有限的生长。

首次植物组织培养。

1925年，Laibach（德，莱巴赫）进行亚麻种间杂种幼胚培养，成功得到了杂种植物。

证明了胚培养在植物远缘杂交中利用的可能性。

2..成熟期

White 、Gautheret 、Nobecourt等科学家被誉为植物组织培养的奠基人。

40年代末开始，从脱分化细胞组织培养进入探讨器官再分化的研究。

细胞（组织、器官）→【脱分化】愈伤组织（分生细胞）→【再分化】不定芽、根（双极性胚状体）→植株

1957年Skoog（美，史库克）和Miller（米勒）提出了植物激素控制器官形成的概念，首次证实IAA/BA的比例是组织培养中控制根和芽形成的重要条件。

1958年Steward（英，斯图尔德）和Reinert（德，雷那特）从胡萝卜根的悬浮细胞中成功从单个细胞诱导出成熟的体细胞胚，首次证实了细胞全能性学说。

3、迅速发展期

1）原生质体培养和细胞融合

1971年，T akebe（日，塔克伯）等从烟草原生质体得到再生植株，首次获得原生质体植株再生成功。

1972年，Carlson（美，卡尔森）等通过两个烟草物种之间原生质体的融合，获得了第一个体细胞杂种植株。

1978年，Melchers（梅尔彻斯）进行了马铃薯和番茄的融合实验，获得了第一个属间杂种植株。

2）微繁技术

1960年，Morel（法，莫里尔）提出了利用茎尖离体快速无性繁殖兰花的方法，在此基础上，国际上建立了兰花工业，取得了巨大的经济效益和社会效益。

3）花药培养技术

1973年，Nitch采用花药预培养的方法，首次获得了烟草花粉植株。

4）次生代谢产物生产

1959年，Tulecke和Nickell首先进行了较大规模细胞培养，在一个20L的植物细胞封闭式悬浮培养系统中，成功培养了银杏、冬青等细胞。

20世纪80年代植物细胞工程技术开始大规模应用于植物遗传改良和快速繁殖，在人工种子、种质资源的保存和细胞培养次生代谢物质也进行了研究和开发。1985 年首批转基因植物（抗虫/抗病毒）开始进行田间试验，1986年美国EPA批准了转基因烟草的释放。

1994年美国FDA批准了第一个转基因食品FlavrSavrTM西红柿。

二）动物细胞工程发展史

1、培养技术

1907年，Harrison首先培养了蛙胚神经管细胞，并观察到有新的神经细胞生成。这标志着动物细胞培养的开始。

1911年，Carrel发现了鸡胚浸出液对于培养细胞的生长促进作用，并首次把无菌技术引入组织培养技术中。

1914年，Thomson建立了器官培养技术。

1940年，1951年，Earle和Gey分别建立了C3H小鼠结缔组织细胞系的L系和人体细胞系—人体宫颈癌Hela细胞系。

2、细胞融合技术

1958年，Okada发现紫外灭活仙台病毒可引起艾氏腹水瘤细胞彼此融合。1965年，Harris诱导不同动物体细胞融合获得成功并培养存活。

1964年，Lifflefield根据亲本细胞的酶缺陷型，利用HAT选择性培养基使亲本细胞死亡而只留下异型融合细胞，并能不断增殖，从此形成了细胞融合到杂种细胞选择、培养的一整套技术。

1975年，免疫学家Kohler和Milstein利用仙台病毒诱导绵羊红细胞免疫的小鼠脾