现代生物技术(精)

第一章现代生物技术革命
医学遗传学发展到现代医学分子遗传学与先进技术的发展密切相关, 特别两项生物技术: 细胞融合技术和DNA重组技术所起的作用十分重要。

19世纪:细胞是生命的基本单位。

细胞学说:细胞是动植物结构和功能的基本单位,一切生命现象都是以细胞为基础表达的。

分子生物学、分子遗传学:20世纪生物学的主流
以核酸和蛋白质为中心的生物大分子是生命现象的共同物质基础,细胞和有机体所有生命活动都是以这些生物大分子及其复合物的结构、运动和相互作用来实现的。

人类对自然界的要求认识—利用—再造—改造—创造
随着反向生物学的问世, 在20世纪八十年代诞生了生物技术(Biotechnology这门新学科。

生物技术学科的地位
生物技术是世界新技术革命的主角之一, 生物技术与新材料、信息技术(包括微电子、计算机一起已成为新产业革命三大支柱;阳光技术,朝阳产业,黄金工程,倍受世界各国重视。

21世纪是生物生命世纪,生物技术将成为21世纪高技术革命的核心内容。

生物技术的重要性
有助于解决全球的重大难题:资源(能源、人口、粮食、生态环境、健康与疾病和战争与灾害;促进传统产业的技术改造和新产业的形成,对人类社会生活产生深远
的革命性影响;生物技术这一新生事物正迅速走向老百性日常生活各个方面, 将对人类的发展做出贡献。

重点掌握
1、生物技术的概念、内容
2、生物技术的特点和重要性
3、学习生物技术的意义在于创新
4、结合专业选择自己所需的生物技术
第一节生物技术的概念和内容
一、生物技术的定义及内涵
生物技术(Biotechnology, BT, 亦称为生物工程(bioengineering, 现统一称: 生物技术。

1、定义:“生物技术”这个词最初是由一位匈牙利工程师Karl · Ereky于1917年提出的。

当时,他提出的生物技术这一名词的涵义是:
“用甜菜作为饲料进行大规模养猪,即利用生物将原材料转变为产品”。

国际上沿用1982年的概念
生物技术是指应用生物科学及工程学原理,依靠生物体系作反应器,将物料进行加工改造,获得人类所需产品的技术。

现代生物技术定义:
以现代生命科学为基础, 把生物体系与工程学技术有机结合在一起,按照预先的设计,定向地在不同水平上改造生物遗传性状或加工生物原料, 产生对人类有用的新产品(或达到某种目的之综合性科学技术。

2、概念要点:
(1对象是具遗传特性有生命物质:包括病毒、细菌、植物、动物、直到人类。

(2生物体系多个不同水平研究: 从大分子 (DNA、RNA、蛋白质、酶、亚细胞、细胞、组织、器官到整个机体。

(3应用工程学原理: 经人类思维, 设计方案、定向修饰、加工制作过程、经过体外环节。

(4有目的产品: 目的产品有三新特征: 新遗传功能新遗传性状、新物种要有合乎人类所需的工业
‘农业、医疗和食品产品。

(5高新技术起重要作用。

3、生物技术的主要内容包括五个方面或领域
(1细胞工程(2基因工程(3酶工程(4发酵工程(5蛋白质工程
4、根据研究对象不同,生物技术又可分为:
(1植物生物技术(2动物生物技术(3微生物生物技术
二、生物技术的产生与发展
生物技术的发展分为两个阶段:生物技术是既古老又现代的应用技术。

按照它的发展历程,大致可以分为三个阶段:
1、传统生物技术
2、近代生物技术
3、现代生物技术
生命科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传统生物技术发展
石器时代后期(距今8000多年前我国制曲酿酒,最早的发酵技术。

公元前6000年古巴比伦开始啤酒发酵。

公元前4000年埃及人制作面包。

公元前2500年春秋战国时代中国制造酱油和醋。

公元十世纪宋朝中国预防天花活疫苗。

1676年荷兰人列文虎克发明显微镜首次观察微生物。

1885年,巴斯德首先证实发酵有微生物引起并建立微生物纯种培养技术。

20世纪20年代工业大规模纯种培养技术发酵生产丙酮和丁醇。

1897年德国人布切尼无细胞的酵母菌压榨汁中的酒化酶对葡萄糖进行酒精发酵成功开创微生物生化研究新时代
(一传统生物技术和近代生物技术的发展
实际上生物技术的发展和应用可以追溯到l000多年以前,而人类有意识地利用酵母进行大规模发酵生产是在19世纪。

当时人类用发方法制备酒、醋、酱及食品等,此时主要是生物技术的经验阶段。

并形成产业。

1、传统生物技术阶段
在20世纪30年代之前时期,主要是通过微生物的初级发酵来生产食品,是以发酵产品为主干的工业微生物技术体系。

产品如乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等微生物的初级代谢产物。

(1主要包括以下三个步骤:
第一步:上游处理过程。

第二步:发酵和转化。

第三步:下游处理过程。

(2步骤第一步:上游处理过程------粗材料进行加工过程,作为微生物的营养和能量来源;
第二步:发酵和转化------ 发酵指的是目的微生物的大量生长。

发酵过程必须在一个大的生物反应器内进行,反应器容积通常大于l00L。

可连续生产某一个目的产品,比如抗生素氨基酸或蛋白质等;
第三步:下游处理过程-----所需目的产物的纯化过程,人们既可以从细胞的培养液个纯化,也可以直接从细胞中纯化。

1929年英国人弗莱明发现青霉素,二战期间得到广泛应用。

工业上开始采用大规模发酵产生抗生素酶制剂和其他化工原料是近代生物技术建立和全胜时期。

20世纪60年代随着遗传学的建立和应用产生了遗传育种学,细胞学广泛应用产生了细胞工程发酵工程取得辉煌成就,被誉为第一次绿色革命
2、近代生物技术阶段
1928年,Flemming爵士发现了青霉素,从此生物技术产品中增加了一大类新的产品即抗生素。

也使生物技术从单纯的食品、饲料制备扩展到抗生素产品,该产业至今长盛不衰。

20世纪30年代到70年代这一时期抗生素工业、氨基酸发酵和酶制剂工程相继得到发展,更为突出的是植物组织培养技术日臻完善。

(二生物技术研究的主要目标
生物技术研究的主要目标是(1最大限度地提高这3个步骤的整体效率;(2同时寻找一些可以用来制备食品、食品添加剂和药物的微生物。

从20世纪60—70年代起,生物技术的研究主要集中在上游处理过程、生物反应器的设计和下游的纯化过程方面,这些研究使得下面四个方面都有了很大的发展。

①在发酵过程的监测;②生物反应体系的检测技术和;③有效地大量培养微生物的技术及;④相关仪器。

二生物技术研究的主要目标
在利用微生物生产商品的整个过程中,生物转化这个环节是条件最难优化的一个环节。

通常用于大规模生产的培养条件往往不是自然条件下微生物的最佳生长条件。

因此,人们一般都通过化学突变、化学诱变或者紫外线照射来产生突变体,从而改良菌种,提高产量;传统的诱导突变和选择的方法在生物技术生产中获得了较大的成功。

多种抗生素的大量生产就是这种方法的成功例证。

但是,传统生物技术仍然的有其一定局限性。

(三传统和近代生物技术的特点(局限性
(1主要通过微生物初级发酵获得产品,仅仅局限在微生物发酵和化学工程领域。

(2没有改变微生物的遗传物质,也没有出现新的微生物遗传性状。

(3生产过程简单,上游主要是培养大量的微生物、对材料进行加工即进行发酵和转化,通过诱变选育良种,下游主要对产品进行纯化。

(4生产周期长,费用高,产量低,效率差。

(四现代生物技术的产生
在1953年Watson和Crick发现DNA双螺旋结构的基础上,1973年DNA重组技术的诞生意味着现代生物技术阶段的开始。

而源于近代生物技术的细胞工程,在现代生物技术阶段有了突破性发展。

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年艾弗里等人通过实验证明DNA是遗传物质。

2、DNA重组技术
1973年,美国加利福尼亚大学旧金山分校的Herber Boyer教授和斯坦福大学的Stanley Cohen 教授共同完成了一项著名的实验----DNA重组实验,这是人类历史上第一次有目的的基因重组的尝试,并获得成功。

这是人类历史上第一次有目的的基因重组的尝试。

虽然这两位科学家在这次实验中没有涉及到任何有用的基因,但是他们还是敏感地意识到了这一实验的重大意义,并据此提出了“基因克隆”的策略。

特别是DNA重组技术可以
1、改变生物的遗传性状, 使分离高产量的工程菌变的容易,简化了生产过程;
2、扩大了反应器范围,从发酵罐发展到细胞、植物及动物个体天然生物反应器。

3、 DNA重组技术对生物技术产生的影响
(1DNA重组技术使得生物技术过程中生物转化环节的优化过程变得更为有效它所提供的方法不仅可以分离到那些高产量的微生物菌株,还可以人工制造高产量的菌株,原核生物细胞和真核细胞都可以作为生物工厂来生产胰岛素、干扰素、生长激素、病毒抗原等大量外源蛋白;DNA重组技术还可以简化许多有用化合物和大分子的生产过程。

(2植物和动物也可以作为天然的生物反应器,用来生产新的或改造过的基因产物
3DNA重组技术大大简化了新药的开发和检测系统。

DNA重组技术在很大程度上得益于分子生物学、细菌遗传学和核酸酶学等领域的发展;反过来DNA重组技术的逐步成熟和发展对生命科学的许多其它领域都产生了革命性的影响,这些领域包括生物行为学、发育生物学、分子进化、细胞生物学和遗传学等,从而使得生命科学日新月异,其进展一日千里,成为20世纪以来发展最快的学科之一。

(4而受DNA重组技术的影响最为深刻的生物技术领域,迅速完成了从传统生物技术向现代生物技术的飞跃转变,从原来的一项鲜为人知的传统产业一跃而成为代表着21世纪的发展方向、具有远大发
展前景的新兴学科和产业。

基因工程与人类生活及经济发展关系密切
是20世纪末和21世纪初发展最为迅速的高新技术之一,使发酵、食品、轻工等传统工业发生了深刻的革命,为解决人类的人口膨胀、食物短缺、能量匮乏、疾病防治和环境污染等问题带来了新的希望;将对人类生活和健康、经济发展、社会进步产生巨大的影响
20世纪80年代,现代生物技术的发展日新月异,一跃成为代表21世纪新技术的发展方向,并成为具有广阔应用前景的新兴学科与产业。

传统生物技术已被现代生物技术所取代,当前生物技术一词实质上已成为现代生物技术的简称。

三. 生物技术的特点 (八高一低
1、高水平:学科具有先进性,是知识、技术密集型产业,处分子水平、新技术前沿。

2、高综合:跨学科专业, 位多学科发展的交叉点上,涉及的行业多、范围广。

3、高投入:与其他技术比较, 在资金、人员、设备、试剂及研发上投资大。

4、高竞争:各国、各行业、个单位之间,在技术、时效性,知识及人才上竞争激烈。

5、高风险:上述原因造成一定风险,加上技术风险带来高风险。

6、高效益:应用性强, 有目的产品, 最易商业化。

7、高智力:具有创新性和突破性, 可按人类需要定向改变和创造生物的遗传特性,要求在人才、计划、设计、工艺和产品上都要与众不同。

从认识、利用、再造阶段上升到改造和创造阶段。

8、高控性:采用工程学手段,易自动化、程控化及连续化生产。

9、低污染:生物技术以生物资源为对象, 生物资源具有再生性, 是再生资源。

具有不受限制、污染小、周期短的优点。

五、生物技术的内容
(1医学生物技术(2药学生物技术(3动物生物技术(4农业生物技术(5海洋生物技术(6微生物生物技术
注: 上述十项工程是国家科委规定统计的上报内容,注意下述三个概念:
⏹上游工程:是生物技术的实验室研究阶段,应用基础研究,产生新产品的源泉。

⏹中游工程:中游加工以生物反应器为中心,优化和放大生产工艺。

⏹下游工程:是生物技术的扩大生产,加工应用阶段使新产品能达到三化:商品化、工程
化、企业化,是效益阶段
遗传工程 (原来的一种笼统概念,现已不用:其基本含义是指对不同来源的物质,人工体外操作,重新组合,定向改建,获得具有新遗传性状的新物品之技术。

对象包括:细胞、亚细胞、染色体、核酸分子、基因等, 包括大部分上游工程。

生物技术涉及的具体技
DNA 重组技术,细胞培养及融合技术,抗体制备技术,干细胞培养及定向分化,显微注射技术,动物饲养技术,转基因技术,胚胎克隆,细胞及酶的固定化技术,发酵技术,
生物反应器,蛋白质分离纯化,生物大分子合成及纯化,生物大分子修饰,生物物理、生物信息及其他相关领域技术。

六、生物技术诸工程的内容及种类 ( 十大工程
(一基因工程(Gene engineering
1、对象: 在核酸分子 (DNA或RNA 或基因上操作。

2、定义--基因工程:基因工程是指在体外对DNA进行切割、拼接,使遗传物质重新组合,经载体转移到细胞中扩增表达,获得人类所需产品,或组建新生物类型的技术。

文献上常见到DNA重组、分子克隆、基因克隆、遗传工程等名词与基因工程混用, 事实上主要内容相似, 不同之处在于所突出的内容有异。

(二细胞工程(cell engineering
1、对象:细胞
在细胞水平上实现基因转移或改变生物学性状。

2、定义:
(1广义细胞融合技术:在特定的条件下 (环境、融合技术, 使不同的细胞融合,获得具有来自双亲代基因的杂交细胞, 杂交细胞的遣传物质发生改变,达到改造物种,创建新种之目的。

(2狭义淋巴细胞杂交瘤技术:骨髓瘤细胞+淋巴细胞融合(制备 McAb。

(3现代概念:把广义的概念扩展,细胞工程指在体外条件对细胞进行培养、繁殖,按人们的意愿改变细胞某些生物学特性,获得有用的产品或达到改良生物品种的技术。

3、细胞工程包括
(1细胞融合技术(2工程细胞移植, 即有目的地改造细胞遗传特性后, 植入机体。

(3细胞折合,(4染色体导入及细胞器导入技术,(5胚胎细胞植入。

4、分类
(1微生物细胞工程, 如原生质体融合, 试管菌。

(2植物细胞工程,1978年培育出土豆西红柿新物种。

(3动物细胞工程, McAb。

5、应用以McAb制备成绩突出、诊断、治疗
(三蛋白质工程(Protein engineering
1、对象基因序列——DNA分子中改造, 最终导致蛋白分子氨基酸序列改变。

2、蛋白质工程定义
用X衍射和晶体分析术了解蛋白质三维空间结构和功能关系基础上,借用计算机和分子设计辅助技术,在DNA分子水平上操作更换或改变其序列,达到改变蛋白质分子氨基酸序列,实现人为改变蛋白质分子形状及功能,使之具有新遗传学特性。

3、核心蛋白质空间结构, DNA重组,人工定向改造蛋白质功能域构象,使得功能改变。

这被称为是生物技术发展的第二浪,如通过增加或减少人工二硫键、置换氨基酸等修饰技术,提高或改变活性多肽 (激素、酶、细胞因子的稳定性
(四抗体工程(Antibody engineering
1、对象:Ig 基因
2、定义抗体工程是指通过对抗体分子结构和功能关系的研究,有计划地对抗体基因序列进行改造,改善抗体的某些功能的技术。

在80年代初,抗体基因结构和功能的研究成果与重组DNA技术相结合,产生了基因工程抗体技术。

基因工程抗体即将
抗体的基因按不同需要进行加工、改造和重新装配,然后导入适当的受体细胞中进行表达的抗体分子。

3、抗体工程的内容
(1完整抗体,及抗体的人源化(2完整抗体与抗体片段的药代动力学比较(3改造抗体片段的多种特异性(4mRNA-蛋白质复合物库(5抗体库的构建、展示和筛选(6抗体的生产、稳定性和表达水平(7噬菌体展示技术亲和力成熟(8双功能抗体(10细胞表面库(9转基因鼠(11骨架替换
4、临床应用
(1中和病原体及抗病毒治疗(2细胞内抗体(3肿瘤治疗与细胞补充疗法(4疫苗应用(5用于未来诊断的生物传感器和微矩阵技术
(五组织工程(Tissue engineering
1、对象:干细胞、组织和器官。

2、定义:组织工程就是运用工程学和生命科学原理和方法,在了解正常和病理学组织结构与功能关系和生长机理的基础上,研制生物学组织器官替代品,通过移植,达到重建、恢复、维持和改进组织功能学科。

3、要点:(1依据正常组织结构、功能设计方案;(2选择种子细胞培养;
（3）选择细胞外基质、生物支架材料；（4）体外构建三维结构替代品；（5）植入机体，替代病理组织。

4、应用：组织器官移植。

(六干细胞工程 (stem cell engineering 1、干细胞干细胞是具有无限期产生各种分化细胞能力的细胞。

它是各种干细胞的统称。

通常认为干细胞有几个主要特征（1）未分化的早期细胞；（2）具有分化成各种特定细胞的能力；（3）可无限地分裂增值，产生大量后裔; （4）其子细胞有两种命运，保持为干细胞或分化为特定细胞。

(七转基因动物(亦称: 胚胎工程 Transgenetic animal） 1、对象：胚胎早期细胞上实现基因转移。

2、定义: 胚胎工程是指把新的遗传信息 (DNA 序列用特定技术导入胚胎早期受精卵,
经发育后, 外源遗传信息分布到所有体细胞生殖细胞中去, 这种使动物带有新遗传信息的基因转移技术称胚胎工程。

所得动物称转基因动物 (Transgenetic animals，或基因工程动物。

3、过程:（1）提取人所需要蛋白质基因、cDNA；（2）基因重组 (cDNA＋控制基因＋载体；（3）分离、培养人工受精的卵细胞(如牛；把重组体转入到受精的卵细胞；植入子宫 ,使之发育为个体(每（4）（5）一个体细胞均含有新的基因（6）活化植入新基因，使之表达（如在乳腺中表达；（7）提取目的基因表达产物,进行验证(定性、定量；（8）进行安全性及临床试验 4、要点: （1）必须有外源新基因转移, （2）在早期生殖细胞整合, （3）发育成新个体中有外源基因正常表达, （4）可遗传后代。

5、应用: （1）肿瘤发生、传染病的动物模型, （2）新品种:新物种研究, （3）药物生产、动物乳汁中分泌有 tPA, IX 因子, （4）免疫机制研究。

(八生物医学工程 ( Biomedical engineering 1、对象: 人体 2、定义: 生物医学工程是指从工程学角度研究人体结构、功能及生命现象, 为防治疾病提供新技术、新方法、新仪器和新材料的科学。

3、内容:（1）生物材料( 人造器官、起搏器的材料（2）康复工程（3）医学成像( 超声、CT、核磁（4）
生物传感（5）监护系统等。

(九生物制药／化学制药工程 (Biochemical pharmaceutical engineering 1、生产对象: 药物( 活性多肽、酶、抗生素等 2、定义(待确定: 生物制药／化学制药工程是指利用现代生物技术, 以生物反应器（微生物、动物细胞、植物及动物个体），大规模地制备高纯度的药物。

如基因工程药物、同份异构体的拆分（利用 Abzyme 特异结合、特异地进行酶消化来完成）等。

（十）酶工程 (Enzyme engineering 1、对象:酶分子修饰、生产应用和酶的固定化 2、定义:酶工程是指在给定的生产工艺和生物反应器中, 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提高酶的转化率, 把对应的原料高效地转化成所需有用的物质之技术。

3、要点: 固定化酶、酶分子改造技术和酶反映器的设计是当前酶工程的重点。

近年把酶电极生物传感器也归到酶工程范围内。

如: 底物＋固定化酶—→化学信号—→电信号—→人视觉—→控制反应。

（十一）发酵工程 (Fermentation engineering 1、对象：微生物, 在常规发酵工艺上发展而成。

有时也称微生物工程。

2、定义:发酵工程是指利用微生物特定性状（生长快、培养简单和代谢过程特殊等）, 通过现代化工程技术, 快速、连续生产
人类所需物质的技术。

3、要点: ①核心是提高产率, ②过程包括: 菌种选育、生产、代谢产物的利用。

③所用技术包括大规模悬浮培养,细胞固定化, 产物分离提取。

4、应用: 药物生产( 活性多肽、抗生素、单细胞蛋白生产、环境保护、微生物冶金技术。

(十二生化工程(Biochemistry engineering 1、对象: ①生化反应器(反应环境与装置，②产品的分离提纯技术。

2、定义(待确定:生化工程是指为活细胞和酶提供适宜反应环境, 能大规模自动化生产、分离、精制出所需产品的技术。

3、内容包括: 生物反应器的设计、传感器的制造、电泳、离心、层折、免疫层析等。

这是下游工程的关键一环。

注：1、十二大工程相互联系, 相辅相成。

上游中, 基因工程是基础、核心, 通过它才能真正按人的意向通过设计、改造、生产特定生物工程产品。

下游工程中关键是发酵工程的生产和利用生化工程对产物进行提纯, 它们是生物技术产生效益的必要条件。

其他工程相互配合,共同组成生物技术体系。

2、生物技术发展迅速, 任务内容不断丰富更新，应密切关注。

第二节生物技术的意义及应用生物技术的应用领域很广，可把生物技术分为：医学生物技术、植物生物技术、动物生物技术、食品生物技术、环境生物技术和军事生物技术等。

生物技术应用的意义巨大，主要有以下几个方面。

一、战略意义 1、理论上: 生命学科飞跃, 步入按需改造和创造新生物时代，革命性变化。

2、新技术革命的重要支柱, 具巨大潜在力量, 不亚于原子裂变和半导体的问世。

3、为解决人类面临的重大问题提供新途径, 带来了希望 (国外称之为六大危机:（1）人口问题: A）节育: 药、疫苗，B）优生: 遗传病基因治疗。

（2）粮食问题：绿色革命,高产、优质、抗病新品种，单细胞蛋白, 农药、肥料。

（3）能源、资源问题：生物电池、光合菌、乙醇生产、石油采集菌、生物冶炼。

（4）环境污染：石油、污水, 有害金属污染, 特嗜菌的构建。

（5）医疗保健：抗衰老、防治心血管病、疟疾、传染病、遗传病。

（6）战争等灾害：生物战剂、生物恐怖。

二、巨大经济效益, 明显社会效益（几个实例）1、美国生物技术产值达 500 亿美元以上，单是药物达 100 亿美元。

估计到 2008 年，美国生物技术产品销售达 362 亿美元以上。

1980´年代起, 生物技术长盛不衰， 2、公司林立，美国达 2 000 多家。

3、各国政府投资逐年增加，科研人员大量投入 (美国数十万人。

三、生物技术为人类新医疗保健开辟新纪元 1、。