现代分子生物学进展(1)
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现代物理学研究方法 → 分子生物学研究锦上添花
X-射线晶体学全息分析技术 核磁共振技术 扫描隧道电子显微镜 分子激发显微镜
物理世界
鸿沟打破
生命世界
3.2 分子生物学形成的新热点及领域 转基因生物
1. 结构生物学（Structural Biology）
生物大分子的高级三维结构与功能的统一 生物大分子之间的互作 → 基因的社会学
现代分子生物学进展(1)
2020/11/23
现代分子生物学进展(1)
1. 20世纪生命科学的面貌 2. 分子生物学的基本概念 3. 21世纪分子生物学展望 4. 21世纪—生命科学世纪
1. 二十世纪生命科学的面貌
1.1 Mendel遗传理论的发展
1900年Mendel遗传理论的确认与证实
绿色革命
分子生物学研究的三大主要领域
生物大分子的结构与功能 生物大分子之间的互作
DNA-protein Hormone-receptor Enzyme-substrate
基狭义因的分分子子生生物物学学
基因的概念 基因的结构 基因的表达 基因的重组 基因的交换
结构生物学
应用分子ຫໍສະໝຸດ Baidu物学
基因工程 细胞工程 酶工程 微生物工程 蛋白质工程
高级结构
生物大分子之间的互作
Crick： ….我本人的思想是基于两个基本 原理，我称之为: 序列假说（sequence hypothesis） 和中心法则（central dogma )…
序列假说：核酸片段的特异性完全由其碱基序列所决定，而且 这种序列是某一蛋白质的氨基酸序列的密码。
中心法则：信息一旦进入蛋白质，它就不可能再输出
1969
Max Delbruck (63y) Alfred Hershey (61y)
Phage group Phage infection cycle DNA as genetic material
Howard Temin (41y)
David Baltimore (37y)
H. 特明
D. 巴尔摩
数、理、化相关学科 渗透 交叉 生物学实验技术
生物学
个性
共性
近代生物学
微观生物学
(分子生物学为核心)
宏观生物学
(生态学为核心)
细胞水平
分子水平
生物多样性 资源保护与
研究
利用
结构生物学，发育生物学， 神经生物学等新兴学科发展
人类生态环境的保护 工农业生产持续发展
1.3 分子生物学的延伸
分子生物学
分子结构生物学 分子发育生物学 分子神经生物学 分子育种学 分子肿瘤学
个分体子
染亚色分体子
结基构因域
结D构NA单元 dN原t 子
功能
结构
结构生物学
生物与非生物间的界限消失了！？
现象 调控
信号传递
基因表达
生物学应改为核酸化学蛋白质化学！？
整体论
蛋白质
基因
基因克隆，拼结
基因组 组装婴儿！？
21世纪
细胞中的遗传与变异 细胞分化与个体发育
后基因组学 发育生物学
1.2 现代生物学的发展
这是GTC公司的养殖场，工作人员从转基因山羊身上挤 出了羊奶。在貌似平凡的羊奶中，含有价值不菲的药用 蛋白质
农高园蝴蝶兰培育中心
2. 分子生物学的基本概念
DNA Double Helix model
1953 Watson & Crick
基因的两个基本属性 形成
基因的自我复制 基因控制性状的表达
以DNA, protein为核心 ；以生物化学为基础
生物系统的共性 某一生物的个性
广义的分子生物学
在分子生物学的研究领域共同遵循 三大基本原则
分子生物学的三大原则 ★ 构成生物大分子的单体是相同的
共同的核酸语言 共同的蛋白质语言 ★ 生物遗传信息的表达的中心法则相同
DNA
RNA
polpyrpoetpeitnides
protein
character
★ 生物大分子单体的排列(核苷酸，氨基酸) 个性
分子生物学发展的三大支撑学科之二 遗传因子假说
Genetics
1864 年 Mendel
Molecular Genetics
Gene structure Gene duplication Gene expression Gene recombination Gene mutation
分子生物学发展的 三大支撑学科之三 (1936年 Sumner) Enzyme → Protein Biochemistry
Reverse transcription
1975
1980诺贝尔化学奖 Walter Gilbert (沃尔特.吉尔伯特) Mechanism of protein synthesis Isolation of Lac. Operon repressor
Paul Berg (保罗. 伯格) DNA + SV40 →
一种流行说法： 目前,数学领域1％是未知的； 物理学领域10％是未知的； 化学领域30％是未知的； 生命科学领域70％是未知的。
挑战与机遇并存;发 挥你们的聪明才智!
现代分子生物学进展(1)
理论物理学研究前沿的拓展：
生物大分子基本粒子的深层结构 复杂生命现象有序的进化规律 物质运动最高形式（脑结构）的工作原理
1993 Roberts & Sharp
R.J.罗伯茨. P.A.夏普
→ Splitting gene
1994 Gilman & Rodball
A. 吉尔曼. M.罗德贝尔
→ G-protein as a signal
molecular in cell
1995 Lewis & Nusslein-Volhard
Jacques Monod (55y) J.L.莫诺 (French)
Lac. Operon Theory Concept of mRNA
R. Holley R.霍利
1968（美国人）
H.G. Khorana M. Nirenberg
H.G.霍拉纳
M.W.尼伦伯格
Robert Holley(46y)
分子
细胞中的定位 整体论
4. 分子神经生物学(Molecular Neurobiology)
神经基质 神经通道
大分子克隆 一级结构分析
思维 感情
科学解释
信息传递
三维结构重建
记忆
脑科学 + 计算机
智能革命
将一切生物学问题还原到DNA 水平的同时 人类必将用整体的，
综合的观点去思考生物学
Maddox J. (Nature main editor )
以牛顿力学为基础的决定论思维方式的改变：
生命的复杂形式为非线性的 分析式思维 → 整体式思维 生命是大分子物质整体活动的表现 不是若干组成部分性质的累积
有关事实和流行说法
《自然》杂志的21个编辑, 14个负责生物学有关内容;
90年代中期以来, 美国生产力提高2/3归可因于生物技术;
欧美国家中, 理科学习成绩最好的学生都选择学习生命 科学或者医学；各领域的科学家要想拿到科研经费，都 力图将自己的研究课题与生命科学交叉或者挂钩;
Newton牛顿 “宇宙是一个整体” Elinstein爱因斯坦 “The theory of relativity”
却将世界一分为二 “两种科学，两种世界”
非生命科学 物理世界
有序
无序
热力学二定律
物理学观点解释?
生命的物质基础 自然科学的统一
生命科学 生物世界
低级
高级
生物进化
活的有机体
• 无论高级或低级均由生物分子按一定层次形成 一定高度的有序的系统
tRNAphe cloverleaf structure
H. Gobind Khorana(46y) How to synthesize triplet RNA
Marshall Nirenberg(41y) Genetic coden
M. Delbruck M.德尔布吕克
A. Hershey A. 赫尔
Is molecular biology yet a science ?
Nature 1992 (335): 201
现在有那么一群叫做分子生物学家的人， 他们的文章无视整体的植物与动物， 也很 少言及生理学。对于这些人来说， 实验资 料大部分来自所谓凝胶电泳----
5. 化学生物学 (Chemical biology) 化学生物学是自90年代中期以来的新兴研究领域. 由东 部 哈 佛 大 学 的 Schreiber 博 士 和 西 部 Scripps 研 究 所 的 Schultz博士分别在美国东西海岸引领这个领域。
分子细胞生物学 分子免疫学 分子病毒学 分子生理学 分子考古学
分子遗传学 分子数量遗传学 分子生态学 分子进化学 化学生物学……
分子生物学渗透到生物学几乎所有学科! 分子生物学成为现代生命科学的共同语言!
1.4 分子生物学与经济发展
分子生物学理论的突破 生物技术的有效应用 新旧技术的有机结合
人口与粮食 能源与资源 健康与疾病
生物遗→传杂理优论利(孟用德尔、摩尔根) 矿质营→养化理肥论施（用李比希） 有机合→成农理药论使（用缪勒）
农业生产的发展 人类对生命现象的认识
1940s-----1990s
基因的证实 中心法则的补充 基因的克隆 生物个体的克隆
抗生素
医学，药学 的发展
人类对生命现象的认识
20世纪
还原论
生命科学的飞跃
• 不断地与外界发生物质的交换，是一个远离平 衡态的开放的耗散结构(dissipative structure)
• 能精确地自我复制并发生遗传与变异
1940’s 以后 在对宇宙，生命世界的探索中
物理学的新思潮形成:
非线性, 非平衡动力学系统理论 耗散结构（dissipative structure） 混沌论 (chaos)
DNA polymerase I
1962
James Watson (34y)
Francis Crick (46y)
Maurice Wilkins (46y)
M.威尔金斯
DNA Double Helix model
富兰克林 X射线衍射照片
1965
Francois Jacob (44y) F.雅各布
(Nature 杂志增设 Natural developing biology分册)
2. 分子发育生物学(Molecular Developing Biology)
基因表达，基因互作
器官发生 胚胎形成
个体发育
3. 分子细胞生物学 (Molecular Cell Biology)
还原论
个体
细胞分化
细胞
分子生物学发展的三大支撑学科之一
1847年Schleiden(斯雷登) & Schwann (施澳恩)
• 生物体由细胞组成 • 所有组织的最基本单元----形状相似，高度分化的细胞 • 细胞的发生与形成是生物界普遍和永久的规律
Cytology
Molecular Cell biology
细胞的化学组成，细胞器的结构，细胞骨架， 生物大分子在细胞中的定位及功能
Beadle & Tatum
G.W.比德乐、E.L.塔特姆
One gene--one enzyme
1959
Severo Ochoa (54y)
S.奥乔亚
Rich phosphate bonds
of ATP --- Energy
Arthur Kornberg (41y)
A.科恩伯格
DNA replication Isolation
F. Sanger received two Nobel prizes
→ Protein sequencing and DNA sequencing
3. 21 世 纪 分 子 生 物 展 望
3.1 自然科学历史舞台 角色将发生重大变化
物理学
生物学
引导自然科学向物质运动最高层次突破的带头学科
从19世纪末 物理学(自然科学的基本学科)
Recombination DNA
基因工程学的奠基人
1983. Barbara McClintock (86y) B. 麦克林托克（美国人）
DNA transposable elememt
1984 Kohler & Milstein
G.克勒. C.米尔斯坦
→ Monocloning antibody
E.刘易斯. E.F.维绍斯--C.福尔哈德
→ Control gene of body
developing in Drosophila
1997 S.B.普鲁西纳 → Prion（朊蛋白）
1998 R.佛契哥特，F. 慕拉德和 L. 格纳洛 → NO cell message
2002 S.布雷内, H.R. 霍维茨, J. 苏尔斯顿 → Apoptosis (凋亡) 线虫
Nucleic Acid Chemistry Protein Chemistry
近半个世纪以来 分子生物学中重大突破与成就者
Nobel Prize
生物学发展的里程碑与主要内容
1958 Joshua Lederberg (33y)
J.莱德伯格（美国人）
Phage transduction转染
Joshua Lederberg
X-射线晶体学全息分析技术 核磁共振技术 扫描隧道电子显微镜 分子激发显微镜
物理世界
鸿沟打破
生命世界
3.2 分子生物学形成的新热点及领域 转基因生物
1. 结构生物学（Structural Biology）
生物大分子的高级三维结构与功能的统一 生物大分子之间的互作 → 基因的社会学
现代分子生物学进展(1)
2020/11/23
现代分子生物学进展(1)
1. 20世纪生命科学的面貌 2. 分子生物学的基本概念 3. 21世纪分子生物学展望 4. 21世纪—生命科学世纪
1. 二十世纪生命科学的面貌
1.1 Mendel遗传理论的发展
1900年Mendel遗传理论的确认与证实
绿色革命
分子生物学研究的三大主要领域
生物大分子的结构与功能 生物大分子之间的互作
DNA-protein Hormone-receptor Enzyme-substrate
基狭义因的分分子子生生物物学学
基因的概念 基因的结构 基因的表达 基因的重组 基因的交换
结构生物学
应用分子ຫໍສະໝຸດ Baidu物学
基因工程 细胞工程 酶工程 微生物工程 蛋白质工程
高级结构
生物大分子之间的互作
Crick： ….我本人的思想是基于两个基本 原理，我称之为: 序列假说（sequence hypothesis） 和中心法则（central dogma )…
序列假说：核酸片段的特异性完全由其碱基序列所决定，而且 这种序列是某一蛋白质的氨基酸序列的密码。
中心法则：信息一旦进入蛋白质，它就不可能再输出
1969
Max Delbruck (63y) Alfred Hershey (61y)
Phage group Phage infection cycle DNA as genetic material
Howard Temin (41y)
David Baltimore (37y)
H. 特明
D. 巴尔摩
数、理、化相关学科 渗透 交叉 生物学实验技术
生物学
个性
共性
近代生物学
微观生物学
(分子生物学为核心)
宏观生物学
(生态学为核心)
细胞水平
分子水平
生物多样性 资源保护与
研究
利用
结构生物学，发育生物学， 神经生物学等新兴学科发展
人类生态环境的保护 工农业生产持续发展
1.3 分子生物学的延伸
分子生物学
分子结构生物学 分子发育生物学 分子神经生物学 分子育种学 分子肿瘤学
个分体子
染亚色分体子
结基构因域
结D构NA单元 dN原t 子
功能
结构
结构生物学
生物与非生物间的界限消失了！？
现象 调控
信号传递
基因表达
生物学应改为核酸化学蛋白质化学！？
整体论
蛋白质
基因
基因克隆，拼结
基因组 组装婴儿！？
21世纪
细胞中的遗传与变异 细胞分化与个体发育
后基因组学 发育生物学
1.2 现代生物学的发展
这是GTC公司的养殖场，工作人员从转基因山羊身上挤 出了羊奶。在貌似平凡的羊奶中，含有价值不菲的药用 蛋白质
农高园蝴蝶兰培育中心
2. 分子生物学的基本概念
DNA Double Helix model
1953 Watson & Crick
基因的两个基本属性 形成
基因的自我复制 基因控制性状的表达
以DNA, protein为核心 ；以生物化学为基础
生物系统的共性 某一生物的个性
广义的分子生物学
在分子生物学的研究领域共同遵循 三大基本原则
分子生物学的三大原则 ★ 构成生物大分子的单体是相同的
共同的核酸语言 共同的蛋白质语言 ★ 生物遗传信息的表达的中心法则相同
DNA
RNA
polpyrpoetpeitnides
protein
character
★ 生物大分子单体的排列(核苷酸，氨基酸) 个性
分子生物学发展的三大支撑学科之二 遗传因子假说
Genetics
1864 年 Mendel
Molecular Genetics
Gene structure Gene duplication Gene expression Gene recombination Gene mutation
分子生物学发展的 三大支撑学科之三 (1936年 Sumner) Enzyme → Protein Biochemistry
Reverse transcription
1975
1980诺贝尔化学奖 Walter Gilbert (沃尔特.吉尔伯特) Mechanism of protein synthesis Isolation of Lac. Operon repressor
Paul Berg (保罗. 伯格) DNA + SV40 →
一种流行说法： 目前,数学领域1％是未知的； 物理学领域10％是未知的； 化学领域30％是未知的； 生命科学领域70％是未知的。
挑战与机遇并存;发 挥你们的聪明才智!
现代分子生物学进展(1)
理论物理学研究前沿的拓展：
生物大分子基本粒子的深层结构 复杂生命现象有序的进化规律 物质运动最高形式（脑结构）的工作原理
1993 Roberts & Sharp
R.J.罗伯茨. P.A.夏普
→ Splitting gene
1994 Gilman & Rodball
A. 吉尔曼. M.罗德贝尔
→ G-protein as a signal
molecular in cell
1995 Lewis & Nusslein-Volhard
Jacques Monod (55y) J.L.莫诺 (French)
Lac. Operon Theory Concept of mRNA
R. Holley R.霍利
1968（美国人）
H.G. Khorana M. Nirenberg
H.G.霍拉纳
M.W.尼伦伯格
Robert Holley(46y)
分子
细胞中的定位 整体论
4. 分子神经生物学(Molecular Neurobiology)
神经基质 神经通道
大分子克隆 一级结构分析
思维 感情
科学解释
信息传递
三维结构重建
记忆
脑科学 + 计算机
智能革命
将一切生物学问题还原到DNA 水平的同时 人类必将用整体的，
综合的观点去思考生物学
Maddox J. (Nature main editor )
以牛顿力学为基础的决定论思维方式的改变：
生命的复杂形式为非线性的 分析式思维 → 整体式思维 生命是大分子物质整体活动的表现 不是若干组成部分性质的累积
有关事实和流行说法
《自然》杂志的21个编辑, 14个负责生物学有关内容;
90年代中期以来, 美国生产力提高2/3归可因于生物技术;
欧美国家中, 理科学习成绩最好的学生都选择学习生命 科学或者医学；各领域的科学家要想拿到科研经费，都 力图将自己的研究课题与生命科学交叉或者挂钩;
Newton牛顿 “宇宙是一个整体” Elinstein爱因斯坦 “The theory of relativity”
却将世界一分为二 “两种科学，两种世界”
非生命科学 物理世界
有序
无序
热力学二定律
物理学观点解释?
生命的物质基础 自然科学的统一
生命科学 生物世界
低级
高级
生物进化
活的有机体
• 无论高级或低级均由生物分子按一定层次形成 一定高度的有序的系统
tRNAphe cloverleaf structure
H. Gobind Khorana(46y) How to synthesize triplet RNA
Marshall Nirenberg(41y) Genetic coden
M. Delbruck M.德尔布吕克
A. Hershey A. 赫尔
Is molecular biology yet a science ?
Nature 1992 (335): 201
现在有那么一群叫做分子生物学家的人， 他们的文章无视整体的植物与动物， 也很 少言及生理学。对于这些人来说， 实验资 料大部分来自所谓凝胶电泳----
5. 化学生物学 (Chemical biology) 化学生物学是自90年代中期以来的新兴研究领域. 由东 部 哈 佛 大 学 的 Schreiber 博 士 和 西 部 Scripps 研 究 所 的 Schultz博士分别在美国东西海岸引领这个领域。
分子细胞生物学 分子免疫学 分子病毒学 分子生理学 分子考古学
分子遗传学 分子数量遗传学 分子生态学 分子进化学 化学生物学……
分子生物学渗透到生物学几乎所有学科! 分子生物学成为现代生命科学的共同语言!
1.4 分子生物学与经济发展
分子生物学理论的突破 生物技术的有效应用 新旧技术的有机结合
人口与粮食 能源与资源 健康与疾病
生物遗→传杂理优论利(孟用德尔、摩尔根) 矿质营→养化理肥论施（用李比希） 有机合→成农理药论使（用缪勒）
农业生产的发展 人类对生命现象的认识
1940s-----1990s
基因的证实 中心法则的补充 基因的克隆 生物个体的克隆
抗生素
医学，药学 的发展
人类对生命现象的认识
20世纪
还原论
生命科学的飞跃
• 不断地与外界发生物质的交换，是一个远离平 衡态的开放的耗散结构(dissipative structure)
• 能精确地自我复制并发生遗传与变异
1940’s 以后 在对宇宙，生命世界的探索中
物理学的新思潮形成:
非线性, 非平衡动力学系统理论 耗散结构（dissipative structure） 混沌论 (chaos)
DNA polymerase I
1962
James Watson (34y)
Francis Crick (46y)
Maurice Wilkins (46y)
M.威尔金斯
DNA Double Helix model
富兰克林 X射线衍射照片
1965
Francois Jacob (44y) F.雅各布
(Nature 杂志增设 Natural developing biology分册)
2. 分子发育生物学(Molecular Developing Biology)
基因表达，基因互作
器官发生 胚胎形成
个体发育
3. 分子细胞生物学 (Molecular Cell Biology)
还原论
个体
细胞分化
细胞
分子生物学发展的三大支撑学科之一
1847年Schleiden(斯雷登) & Schwann (施澳恩)
• 生物体由细胞组成 • 所有组织的最基本单元----形状相似，高度分化的细胞 • 细胞的发生与形成是生物界普遍和永久的规律
Cytology
Molecular Cell biology
细胞的化学组成，细胞器的结构，细胞骨架， 生物大分子在细胞中的定位及功能
Beadle & Tatum
G.W.比德乐、E.L.塔特姆
One gene--one enzyme
1959
Severo Ochoa (54y)
S.奥乔亚
Rich phosphate bonds
of ATP --- Energy
Arthur Kornberg (41y)
A.科恩伯格
DNA replication Isolation
F. Sanger received two Nobel prizes
→ Protein sequencing and DNA sequencing
3. 21 世 纪 分 子 生 物 展 望
3.1 自然科学历史舞台 角色将发生重大变化
物理学
生物学
引导自然科学向物质运动最高层次突破的带头学科
从19世纪末 物理学(自然科学的基本学科)
Recombination DNA
基因工程学的奠基人
1983. Barbara McClintock (86y) B. 麦克林托克（美国人）
DNA transposable elememt
1984 Kohler & Milstein
G.克勒. C.米尔斯坦
→ Monocloning antibody
E.刘易斯. E.F.维绍斯--C.福尔哈德
→ Control gene of body
developing in Drosophila
1997 S.B.普鲁西纳 → Prion（朊蛋白）
1998 R.佛契哥特，F. 慕拉德和 L. 格纳洛 → NO cell message
2002 S.布雷内, H.R. 霍维茨, J. 苏尔斯顿 → Apoptosis (凋亡) 线虫
Nucleic Acid Chemistry Protein Chemistry
近半个世纪以来 分子生物学中重大突破与成就者
Nobel Prize
生物学发展的里程碑与主要内容
1958 Joshua Lederberg (33y)
J.莱德伯格（美国人）
Phage transduction转染
Joshua Lederberg