0生物技术概论

★★★Terms need to remember : 生物技术
是以现代生命科学理论为基础，利用生物体及 其细胞的、亚细胞的和分子的组成部分，结合工
程学、信息学等手段开展研究及制造产品，或改
造动物、植物、微生物等，并使其具有所期望的
品质、特性，从而为社会提供商品和服务的综合
性技术体系。
生物技术有时也称生物工程, 主要包含六个研究领域：★★★ 发酵工程 生化反应工程 酶工程 细胞工程 基因工程 蛋白质工程
工程技术
生命科学
现代生物技术
其他相关学科
现代生物技术
• 1953年，Watson和Crick发
现DNA双螺旋分子结构。
现代生物技术
• 1973年， Boyer和Cohn实现了 DNA体外重组。
•
“基因克隆”策略。
现代生物技术的发展
人文科学 心 理 学 物理学 生 物 物 理 学 生 植 物 生 理 学 化 学 生 物 化 学 物 动 物人 生体 理及 学 药 理 学 医 学 病 理 学 数 学 生 物 数 学 学 生 物 工 程 学 生 物 材 料 生 物 传 感 器 生 物 能 源 生 物 信 息 学 天文学 宇 宙 生 物 学 计算机科学 人 工 智 能 学
即应用自然科学及工程学原理，依靠微生物、动物体、植物
体作为生物反应器，将原料加工以提供产品来为社会服务的 技术。 • 美国政府技术顾问委员会(OAT) 的定义：应用生物或来自生 物体的物质制造或改进一种商品的技术，其还包括改良有重
要经济价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术。
生物学
生物 生物 化学 生物 工程 技术 化学 化学 工程学 工程
生物芯片又称DNA芯片或基因芯片，它们是DNA杂交探针技
1996年底，美国 Affymetrix 结合照相平板印刷、计算机、半 导体、寡核苷酸合成、荧光标记、核酸探针分子杂交和激光 共聚扫描等高新技术，研制创造了世界第一块DNA芯片。
核酸(DNA)分子杂交★★★
是定性或定量检测特百度文库DNA和RNA的有力工具
人类的染色体组
已完成测序工作的生物
2002年4月 Science以封面文 章的形式发表中 国科学家《水稻 (籼稻)基因组的 工作框架序列图》 这一科学专论。
转 基 因 抗 虫 棉
转基因棉花
转基因抗虫番茄
转 基 因 小 鼠
从转基因羊的羊奶中提取 出治疗心脏病的药物tPA
基因治疗
1990年9月14日美国第一例临床基 因治疗申请获得批准： 国立卫生研究院NIH，重组DNA 顾问委员会RAC。
工人正在向被石油污染的海滩喷洒营养液，促使吃石油的
细菌长起来。
1980s以来，世界著名大学如MIT等，纷纷 把生物类课程列为全校必修课. 1995年以后，国内重点大学陆续把生物类 课程列为全校非生物类专业大学生的限选或
必修课程。
这是因为人们意识到，21世纪
将是生命科学的世纪，面向21 世纪的大学生应有生命科学基 础，而不应该成为“生物盲”。
生物技术制药
• Drug Discovery
生物技术制药
• 产业过程
基础研究 从事新药发现的 生物技术公司 体外实验、动物 模型的建立及动 物模型的体内实 验 制药公司
提供新药研发的 方法、策略和目 标基因、蛋白或 其他代谢产物
临床实验，通过 相关管理部门的 审查，市场营销
生物技术制药
• Drug R&D (新药开发)
粮 食
联合国粮农组
织水稻研究所(菲,
马尼拉)。 绿色革命 研究人员培育的“超级水稻”在产量和蛋白质
含量两方面均优于寻常品种。
资 源
矿物能源(石油、煤)
必将枯竭,生物能源已在开
发之中。
很多不起眼的生物,很
可能就是药物、材料等的 宝贵资源。 图为墨西哥荒原中的 仙人掌类植物。
防辐射、降压、血凝等作用
工业革命
19世纪：解放双手
从传统生物学到现代生命科学
——生命科学能够迎接21世纪的挑战 生物学经历了三个发展阶段：
描述生物学阶段 (19世纪中叶以前) 实验生物学阶段(19世纪中到20世纪中) 创造生物学阶段 (20世纪中叶以后)
(1) 描述生物学阶段(19世纪中叶以前)
主要从外部形态特征观察、描述、记载各种类 型生物，寻找他们之间的异同和进化脉络。 达尔文 《物种起源》(1859)
• 细胞是生物的基本组成单位(病毒除外)
• 新陈代谢、生长和运动是生命的基本功能 物理运动→化学运动→生命运动
生命通过繁殖而延续,
DNA是生物遗传的基本
物质。
漂亮的模特
遗传学家
“中心法则”
• 生物具有个体发育和系统进化的历史
生物对外界可产生应激反应，对环境有适应性
生命(生物体)的基本特征
DNA分子杂交的基础是，具有互补碱基序列的DNA 分子，可以通过碱基对之间形成氢键等，形成稳定的双 链区。在进行DNA分子杂交前，先要将两种生物的DNA 分子从细胞中提取出来，再通过加热或提高pH的方法， 将双链DNA分子分离成为单链，这个过程称为变性。然
后，将两种生物的DNA单链放在一起杂交，其中一种生
传统生物技术
■ 传统生物技术主要是通过微生物的初级发酵生产商品。
上游处理过程
发酵和转化
下游处理过程
传统生物技术
■ 传统生物技术仅能修饰微生物已有的遗传特性， 并不能赋予其新的遗传特性，因而传统生物技术 局限在化学工程和微生物工程领域。
生物技术的定义
■ DNA重组技术的发展改变了生物技术的本质，现代生物 技术应运而生。
物的DNA单链事先用同位素进行标记。如果两种生物 DNA分子之间存在互补的部分，就能形成双链区。由于
同位素被检出的灵敏度高，即使两种生物DNA分子之间
形成百万分之一的双链区，也能够被检出。
DNA分子杂交的意义
分类学上不同物种的DNA分子之间可以进行分子杂交，但 是，远缘物种的DNA分子之间进行杂交分子的可能性远比近缘 物种的要小得多。例如，细菌与真核细胞DNA分子之间形成杂 交分子的可能性很小；不同细菌的 DNA分子之间杂交时，能形 成某些互补片段；人的DNA分子与小鼠的 DNA分子之间杂交时， 只有少量的人DNA单链和小鼠DNA单链能形成杂交分子，而且 只是部分碱基配对。但是，人与鼠之间的DNA 杂交分子的形成， 比人与酵母之间DNA杂交分子的形成要容易。在生物进化过程 中，DNA中的碱基序列也发生了变化。两种生物的DNA单链之 间互补程度越高，通过分子杂交形成双螺旋片段的程度也就越 高，二者的亲缘关系就越近；反之，亲缘关系就越远。所以， 可以通过DNA分子杂交技术来鉴定物种之间亲缘关系的远近。
生物工程系列课件
Corresponding E-mail: wangx@gzu.edu.cn
Biotechnology: A short Course
生物技术概论
主讲：王啸
制作：吴远根、王啸
课程简介
课程内容：本课程结合《生命科学导论》和《生 物技术概论》重点讲解生命基础知识、基因工程、 细胞工程、酶工程及发酵工程的基本原理和基本 技术以及生物技术在农业、食品、医药、能源、 环境保护等领域中的应用。
(2) 实验生物学阶段(19世纪中到20世纪中)
利用各种仪器工具，通过实验过程，探索生 命活动的内在规律。
巴斯德在实验室里
“自生说”是一个古老的学说，认为一切生物是自然发生的。到 了17世纪，虽然由于研究植物和动物的生长发育和生活循环，使“自
生说”逐渐削弱，但是由于技术问题，如何证实微生物不是自然发生
教学大纲
教学任务与目的：现代生物技术是建立在生物化学、
微生物学、细胞生物学、基因工程、发酵工程等理论及
实验的基础上，其主要任务是全面、系统地了解和掌握
现代生物技术的基本理论、基本概念、基本方法和技能， 了解生物技术领域的最新进展。通过本课程的学习，使 学生了解和掌握现代生物技术的基本内容和研究方法， 并能运用所学知识分析和解决实际问题 。
适用对象与层次：生物类专业本科学生。
当今人类社会面临最重大的问题和挑战∶
• 人口膨胀； • 粮食短缺； • 疾病危害； • 环境污染； • 能源危机； • 资源匮乏； • 生态平衡破坏；
• 生物物种大量消亡。
解决人类生存与发展所面临的一系列重大问题，在很大程度上将依赖于 生命科学的发展。生命科学对人类经济、科技、政治和社会发展的作用是 全方位的。
腐败，因为弯曲的瓶颈阻挡了外面空气中微生物直达有机物浸液内，
一旦将瓶颈打断，瓶内浸液中才有了微生物，有机质发生腐败。巴斯 德的实验彻底否定了“自生说”，并从此建立了病原学说，推动了微
生物学的发展。
曲颈瓶实验
(3)创造生物学阶段(20世纪中叶以后) 分子生物学和基因工程的发展使人们 有可能“创造”新的物种。
亲子鉴定
• Identification of paternity and maternity.
MY Father ???
遗传改造
• Genetic-modified species.
Half Angel/Half Devil
SPECIES
生物芯片技术

生物芯片技术的一般原理
术与半导体工业技术相结合的结晶。该技术系指将大量探针 分子固定于支持物上后与带荧光标记的DNA样品分子进行杂 交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分 子的数量和序列信息。
生物芯片之所以成为全世界科学家孜孜
以求的目标的原因——
▲ 一个指甲大的地方就能建个实验室，医生可以一次同
时测出多种病原微生物，在极短的时间内知道病人被哪 种微生物感染，迅速医治；想知道胎儿是否患有遗传病， 只要取少量羊水或几滴父母血液，同时鉴别的遗传病达 数十种甚至数千种！ ▲ 这个缩微实验室名叫“生物芯片”。
沃 生 和 克 里 克 在 讨 论 双 螺 旋 模 型 DNA
第 一 例 基 因 工 程 实 验
含有荧光水母基因的小猪
悠游的奇幻精灵——水母
美国密苏里大学最近通过克隆技术 培育出四只含有荧光水母基因的小猪。 左为荧光小猪，右为正常小猪
生物技术的定义
• 1982年，国际合作与发展组织(ICDO)对生物技术进行了定义：
的仍然是一个难题，这不仅是“自生说”的一个顽固阵地，同时也是 人们正确认识微生物生命活动的一大屏障。 巴斯德在前人工作的基础上，进行了许多试验，其中著名的曲颈 瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物，它们引起有机质的 腐败。巴斯德自制了一个具有细长而弯曲的颈的玻瓶，其中盛有有机 物水浸液，经加热灭菌后，瓶内可一直保持无菌状态，有机物不发生
重症联合免疫缺陷病 ：
SCID患者(severe combined immunodeficiency)：缺乏腺苷酸脱 氨酶，ada基因缺失。
将正常基因转入患者(4岁的女孩) 淋巴细胞，再将改造细胞送回患者体 内。
重症联合免疫缺陷的基因治疗
腺苷脱氨酶基因治疗(1990)
Ashanti de Silva, Now 13, was the first patient to be treated with gene therapy.
植 育 昆 物 种 虫 病 理 学 学 学 农 学
工 程 学
人类基因组计划(HGP)
染色体
DNA 30亿对核苷酸
基因
功能？
1990年启动，共计六个国家16个基因组中心参与 中国承担3号染色体约3000万bp的测序，约占整个计 划的1%。
“读出” “读懂”
碱基测序(2000年6月) 基因的功能
农业基因组计划
核酸杂交的基础：
碱基对之间非共价键(主要是氢键)的形成即出现稳定 的双链区 。
杂交分子的形成并不要求两条单链的碱基顺序完全互补， 所以不同来源的核酸单链只要彼此之间有一定程度的互补顺序 (即某种程度的同源性)就可以形成杂交双链。分子杂交可在 DNA与DNA、RNA与RNA或RNA与DNA的二条单链之间进行。 由于DNA一般都以双链形式存在，因此在进行分子杂交时，应 先将双链DNA分子解聚成为单链，这一过程称为变性，一般通 过加热或提高pH值来实现。使单链聚合双链的过程称为退火或 复性。用分子杂交进行定性或定量分析的最有效方法是将一种 核酸单链用同位素或非同位素标记成为探针，再与另一种核酸 单链进行分子杂交。
1、细胞是生物的基本组成单位(病毒除外) 2、新陈代谢、生长和运动是生命的基本功能
3、生命通过繁殖而延续，DNA是生物遗传的基本物质
4、生物具有个体发育和系统进化的历史
5、生物对外界可产生应激反应和自我调节，对环境具有适应性
人类文明发展的三次技术革命：
生物技术革命
21世纪：创造生命 ！
信息革命
20世纪：解放大脑
一个 20 米直径
的水池年产 4 吨藻类, 加工后可得相当于 3000 升柴油的燃料。 一英亩三角大戟 可生产相当于 50 吨石 油的燃料。 图为生长在淡水和海水中的一种硅藻
环 境
这是最早一份
关于环境对生物种
群影响的研究。
工业化前英国乡村有很多白色蛾子停在布满淡色 苔藓的树皮上，不易被鸟发现； 工业化后，黑色蛾子逐渐取而代之，因为黑烟污 染了环境，黑色蛾子更易藏身。