生物技术概论

培育动物的优良品系
利用转基因技术将动物优
良品质相关的基因转移到 动物体内，使动物获得新 的品质。 第一例转基因动物是1983 年美国科学家将大鼠的生 长激素基因导入小鼠受精 卵，移植到雌鼠体内，所 生小鼠的生长速度比普通 小鼠快50%，并可遗传给 下一代。

我国科学家在转基因动物研究方面也从事 了大量工作，先后培育了生长激素转基因 猪、抗猪瘟病转基因猪和生长激素转基因 鱼（红鲤、泥鳅、镜鱼和鲫鱼）等。
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开发制造奇特而又贵重的新型产品
抗生素是人们熟悉、应用广泛的生物技术药物，
第8章 生物技术概论
赵静宜
Phone: 86981136 Email: jyzhao@upc.edu.cn
生物技术被誉为21世纪高技术革命的核心内 容，生物技术产业将是21世纪的支柱产业。许多 国家都将生物技术确定为增长国力和经济实力的 关键性技术之一。 我国早在1986年初制订的《高技术研究发展 计划纲要》中就将生物技术列于航天技术、信息 技术、激光技术、自动化技术、新能源技术和新 材料技术等高技术的首位，并组织力量追踪攻关。

1996年全世界转基因植物种植为250万公顷， 2005年已近1亿公顷。2010年全世界转基 因植物的交易额将近280亿美元。 我国转基因植物种植面积在13个国家中居 第四位，国产转基因抗虫棉在2001年就种 植了60万公顷，可以减少农药使用量70% －80%。

现在我国已培育成功包括水稻、棉花、小 麦、油菜、甘蔗、橡胶等50多种植物种类 和120多个功能基因。 我国科学家最突出的成就是袁隆平院士等 培育成功的杂交水稻。

时期 第一代产品
名称
采用技术
附加值 低、中
啤酒、苹果酒，发酵 自然发酵 面包、醋等
第二代产品
初涉物理、化学、 抗生素、单细胞蛋白 遗传、分析、细胞 中、高 质、酶、乙醇、丙酮、 杂交、物理化学、 维生素、氨基酸等 诱变育种 涉及工、农、医、信 息和基础生物学的各 基因工程、细胞工 高、很 程 高 个方面如：基因药品、 DNA芯片、生物导弹
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

生物技术作为高新技术领域的重要组成成 分，具有“六高”的基本特征： 高效益 高智力 高投入 高竞争 高风险 高势能
生物技术的应用领域非常广泛，包括8个种类：
疾病治疗 诊断 农业、林业与园艺 食品 能源 环境 化学品 设备


1944年Avery等阐明了DNA是遗传信息的携带者。
1953年，Watson和Crick DNA 提出来DNA的双螺 旋结构模型，阐明了DNA的半保留复制模式，开 辟了分子生物学研究的新纪元。
1961年H.G. Khorana和M.W. Nirenberg破 译了遗传密码，揭开了DNA编码的遗传信 息传递给蛋白质的秘密。 1971年，Berg首先实现了DNA体外重组技 术，标志着基因工程技术的开始。
通过基因工程技术对生物进行基因转移，使
生物体获得新的优良品性，称之为转基因技 术（Genetically Modified Technology）。 通过转基因技术获得的生物体称为转基因生 物（Genetically Modified Corn） 。
转基因植物已有种类：马铃薯、油菜、烟 草、玉米、水稻、番茄、甜菜、棉花、大 豆、苜蓿等。全世界的种植面积比例为： 大豆46%，棉花20%，油菜11%，玉米7%。 转基因性能包括：抗除草剂、抗病毒、抗 盐碱、抗旱、抗虫、抗病、作物品质改良 等。
传统生物技术的产生


我国人民在仰韶时期（公元前5000 年~公元前4000 年）， 就利用小口尖底瓮保温发酵酿制谷芽酒，并在该容器内澄 清、饮用。 到了大汶口时期（公元前4300年~公元前2400年），酿酒 有了较大发展，饮酒之风很盛行，出土了数量较多的大件 酿酒发酵窖器——大口尖底陶尊及多姿多彩的酒具，表明 了酒已具有礼仪功能。

酶工程（enzyme engineering）是利用酶、细 胞器或细胞所具有的特异催化功能或通过对酶进 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。

发酵工程(fermentation engineering)是利用微 生物生长速度快、生长条件简单及代谢过程特 殊等特点，在合适的条件下，通过现代化工技 术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类 所需的产品，也称微生物工程。
先进的工程技术手段 基因工程、细胞工程、酶工 程、发酵工程、蛋白质工程 等技术 改造生物体 获得优良品质的动物、植物或微生 物品系 加工生物原料 淀粉、纤维素等生物生长利用的 有机物和一些无机化学品
所需产品
粮食、医药、食品、化工原料、能 源和金属等产品
达到某种目的 疾病的预防、诊断与治疗、食品 的检验、环境污染的检测和治理 等
微生物发酵
1676年荷兰人A. Leeuwenhoek 用自磨镜片，创造了一架原始 显微镜，首先观察到了微生物。
1796年英国医生E. Jenner首创 用牛痘预防天花，开创了预防 医学的先河。
19世纪60年代，法国科 学家L. Pasteur，证明发酵 是由微生物引起，并首先建 立了微生物的纯种培养技术， 为发酵技术的发展提供了理 论基础。
Fra Baidu bibliotek

植物种苗的工厂化生产
利用细胞工程技术对优良品质进行大量的快速
无性繁殖，实现工业化生产，该项技术称为植 物的微繁殖技术。
利用植物微繁殖技术可培育出不带病毒的脱毒苗。
植物的根尖或茎尖分生细胞常常是不带毒的，取 用这种细胞进行无菌培养繁殖，得到的小苗减少 了病毒感染的可能性。

提高粮食品质

行业种类
疾病治疗 诊断 食品 环境 能源 化学品 设备
经营范围
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 临床检测与诊断，食品、环境与农业检测 扩大食品、饮料及营养素的来源 废物处理、生物净化、环境治理 能源的开采、新能源的开发 酶、DNA/RNA及特殊化学品 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
生物技术的种类
根据生物技术操作的对象及操作技术 的不同，主要包括5项技术： 基因工程 细胞工程 发酵工程 酶工程 蛋白质工程


基因工程(gene engineering)是通过体外DNA重 组创造新生物并给予特殊功能的技术，也称DNA 重组技术。

细胞工程（cell engineering）是指以细胞为基本 单位，在体外条件下进行培养繁殖；或人为使细 胞的某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从 而改造生物品种或创造新品种；或加快繁育动植 物个体；或获得某种有用的物质的过程。

蛋白质工程（protein engineering）是在基因 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、改造和 拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质的技术。

上述五项技术彼此不是各自独立的，而是互相 联系、互相渗透的，其中基因工程技术是核心。
培育品质好、营养价值高的作物新品系
利用转基因技术培育的番茄可延缓成熟变软，
避免运输中的破损。 菜豆储藏蛋白基因已转移至向日葵中，使向日 葵种子带有菜豆储藏蛋白。现在还试图将该基 因转移到水稻中，培育含高蛋白的水稻新品系。

生物固氮，减少化肥使用量
使用化肥，如尿素、硫酸铵作为氮肥的主要来
药研发兴起，优点：不污染环境，对人和动植 物安全，不伤害害虫天敌。 苏云金杆菌（Bt）杀虫剂是目前市场上应用最 多的生物农药，占90％，我国的Bt杀虫剂只占 市场的2％，棉铃虫病毒杀虫剂占0.2%，农用 抗生素占9％。
发展畜牧业生产

动物的大量快速无性繁殖
1997年之前，只能证实高
等动物的胚胎2细胞到64细 胞团具有全能性，可进行分 割培养，即所谓的胚胎分割 技术。 1997年2月，英国Roslin研 究所在Nature刊登了利用 绵羊乳腺细胞无性繁殖的多 莉羊。
公元前221年，我国人民就能制作豆腐、酱 和醋，并一直沿用至今。 公元10世纪，我国就有了预防天花的活疫 苗；到了明代，已经广泛种植痘苗预防天 花。 16世纪，我国医生已经知道被疯狗咬伤可 传播狂犬病。

在西方 公元前6000年前，苏美尔人和巴比伦人开 始发酵啤酒。 公元前4000年前，埃及人开始制作面包。
8.1 什么是生物技术
生物技术（biotechnology），有时也称 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。
生物技术涉及的学科
我国著名专家李 国豪院士有一个很 好的比喻：科学是 树根，技术是树干 和大的树枝，众多 的树叶就是工程 。
生物技术需要的科学知 识： 生物科学的次级学科
分子生物学、细胞生
物学、微生物学、免 疫学、生物化学、生 物物理学、遗传学等
非生物科学
化学、数学、计算机
科学、信息学等
现代化高精尖仪器
第三代产品
生物技术对社会发展的影响
墨西哥蜀桼
现代玉米
生物技术对社会发展的影响
改善农业生产，解决食品短缺 提高生命质量，延长人类寿命 解决能源危机，治理环境污染 制造工业原料，生产贵金属 生物技术的安全及其对伦理、道德、法 律的影响

改善农业生产，解决食品短缺
培育抗逆的作物优良品系
提高生命质量，延长人类寿命

医药生物技术是生物技术领 域中最活跃、产业发展最迅 速、效益最显著的领域。其 投资比例和产品市场均占生 物技术领域的首位。
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20世纪20年代，工业生产中开始采 用大规模的纯种培养技术发酵化工原料 丙酮和丁醇。

1928年，弗莱明（A. Fleming）发现青 霉素，抗生素的工业化。20世纪50年代， 在青霉素大规模发酵生产的带动下，发 酵工业和酶制剂工业大量涌现。
现代生物技术的发展
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。


我国培育的两系杂交水稻平均亩产达800 kg 以上，累计推广面积已达1000万亩，创造 产值10多亿元。

西方世界称，杂交稻是“东方魔稻”，不 仅在很大程度上解决了中国人的吃饭问题， 而且也被认为是解决世界性饥饿问题的法 宝。国际上甚至把杂交水稻当作中国继四 大发明之后的第五大发明，誉为“第二次 绿色革命”。
源，危害：土地板结和肥力下降，环境污染。 生物固氮是将有固氮能力的细菌的固氮基因转 移到作物根际周围的微生物体内，进行生物固 氮。我国已成功构建了12株水稻根际粪产碱菌 的耐胺工程菌，可节约化肥1/5，平均增产5－ 12.5%。

生物农药，生产绿色食品
化学农药的毒副作用及对环境的危害，生物农
利用基因工程、发酵工程和细胞工程不段提高 抗生素的产量。
农业、林业与园艺 新的农作物活动为，肥料，生物农药
8.2 生物技术发展简史



生物技术包括传统生物技术和现代生物技术 现代生物技术是从传统生物技术发展而来的 传统生物技术与现代生物技术的区别
传统生物技术：利用现有的生物类型或生物机
能为人类服务。 现代生物技术：按照人们的意愿和需要创造全 新的生物类型和生物机能。