Biotechnology-生物工程 PPT课件

近年来，这些生产过程更依赖于先进的技 术，其与世界经济的贡献也与日俱增，远 远大于初期阶段的作用。
acetic 【 ə‘sitɪk 】酸的，醋酸的
acetic acid 乙酸
butanol 【 ‘bjutə,nol 】丁醇
acetone【 ‘æsə,ton 】丙酮 contaminate【 kən‘tæmə,net 】污染、毒害
我们无法确定这些微生物生产过程的出现是源于 偶然还是主观实验，但其进一步不断发展的早期 实例证明了人类能够利用微生物的生命活动来满 足自己的需要。
reliant 【 rɪ‘laɪənt 】依赖、依靠 proportion 【 prə‘porʃən 】比例、比率
humble 【‘hʌmb! 】低下的、卑微的 origin【‘ɔrədʒɪn】起源
其他的微生物过程，如奶酪和酸奶等发酵 乳制品的生产，以及酱油和豆豉等各种东 方食品的生产，都同样有悠久的历史。
Of more rencent introduction is mushroom cultivation which probably dates back many hundreds of years for Japanese shii-ta-ke cultivation and about 300 years for the Agaricus mushroom now widely cultivated throughout the temperate world.
formulate 【‘fɔ:mjuleit 】确切地阐述，
用公式表示
Anton van Leeuwenhoek安东尼·列文虎
克，荷兰博物学家，显微镜创造者
The recognition that these processes were being affected by living organisms, yeasts, was not formulated until the 17th century, by Anton van Leeuwenhoek.

• Biochemical Engineering Journal
/science/journal/1369703X
• Separation and Purification Technology
/science/journal/13835866
• Journal of Membrane Science
/science/journal/03767388
References-SCI journals
• Enzyme and Microbial Technology
/science/journal/01410229
• Journal of Chemical Technology and Biotechnology
/jpages/0268-2575
References-SCI journals
• Separation and Purification Reviews
• P. A. Belter, E. L. Cussler, W. Hu. Bioseparations: Downstream Processing for Biotechnology. New York: John Wiley & Sons, 1988
• D. Forciniti. Industrial Bioseparations: Principles and Practice. Iowa: WileyBlackwell, 2008
考核方式
• 根据课程基本要求，结合平时成绩、课程论文及 笔试（期末考试）三方面进行综合评定。
• 平时成绩20％ • 课程论文20％ • 期末考试60％
主要内容
1. 绪论 2. 下游技术理论基础 3. 发酵液预处理与细胞破碎 4. 沉淀 5. 萃取分离 6. 膜分离 7. 吸附与离子交换 8. 色谱分离 9. 亲和色谱

（分离过程精细，成本高）
Table 3 typical products from fermentation
products Antibiotics Amino acids
Ethanol Organic acids
Enzymes r-DNA protein
in
Concentration g/l 25 100 100 100 20 10
（生物技术的目标就是指利用培养微生物、动物细胞、植 物细胞来生产对人有用的产品。）
By this definition, biotechnology is as old as history, for the earliest known document (4228BC) includes a description of brewing .Bread ; cheese, and yogurt are other early examples of product which depend on biotechnology.
For example: 6steps 90% 53%
Biological products require high quality 生物产品要求高质量：
*purity（纯度） *sanitation（卫生） *biological activity（生物活性）
The recovery plant usually represents a major investment and, consequently the separations cost a substantial fraction of the total cost of the final product.

总结词
细胞工程的主要技术包括细胞培养、细胞繁殖、基因编辑和细胞融合等。
详细描述
细胞培养是细胞工程的基础技术，通过提供适宜的体外环境，使细胞在体外进行生长和繁殖。基因编辑技术如 CRISPR-Cas9等，可以对细胞基因进行精确的编辑和改造，实现定向的遗传改良。细胞融合技术则是将不同种类 的细胞融合在一起，形成杂种细胞，以实现新的细胞特性的获得。
培养基的配制与灭菌
根据微生物的生长需求，配制适合的 培养基，并进行灭菌处理。
发酵条件的控制
通过调节温度、pH、溶氧等发酵条 件，优化微生物的生长和代谢。
产物分离与提取
利用物理、化学或生物分离技术，提 取和纯化发酵产物。
发酵工程的应用实例
酒精发酵
利用酵母菌进行酒精发酵，生 产乙醇。
抗生素生产
通过微生物发酵，生产抗生素 药物。
通过蛋白质工程研究细胞信号转导过程中的蛋白质相互作用和调控机制。
生物材料与组织工程
利用蛋白质工程设计和制备生物材料和组织工程支架，用于再生医学和组织修复。
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细胞工程的应用实例
总结词
细胞工程在医学、农业、工业等领域有着广泛的应用 ，例如药物研发、组织工程、疫苗生产等。
详细描述
在医学领域，细胞工程可以用于药物研发和生产，通过 大规模培养和繁殖特定细胞，可以生产出大量的药物或 疫苗。在农业领域，细胞工程可以用于转基因作物的研 发和生产，以提高作物的抗病性和产量。在工业领域， 细胞工程可以用于生物燃料的研发和生产，利用微生物 细胞生产燃料酒精和生物柴油等可再生能源。此外，细 胞工程还可以用于组织工程领域，通过培养和繁殖人体 细胞，可以用于修复和替换损伤的人体组织器官。
从生物材料中分离和纯化酶，是酶工程的 重要技术之一。常用的方法包括离心、过 滤、沉淀、萃取等。

5.5 酶反应器
5.6 生物传感器
6 生物技术与农业
6.1 植物生物技术
6.2 动物生物技术
7 生物技术与食品
7.1 生物技术与食品加工
7.2 生物技术与食品检测
7.3 遗传工程食品
8 生物技术与人类健康
8.1 生物技术与疫苗
8.2 生物技术与疾病诊断
8.3 生物技术与生物制药
我国政府同样把生物技术列为高新技术之一， 并组织力量追踪和攻关。
当代的生物技术为什么会引起世界各国如此 普遍的关注和重视?
它同国民经济的发展有什么样的关系?
它同理、工、农、医等科技和生产实践的发 展，以及同国计民生又是怎样的关系?
首先，生物技术是解决全球性经济问题的关 键技术，
在迎接人口、资源、能源、食物和环境等五大 危机的挑战中将大显身手。
11 对生物技术发明的保护
12 生物技术的安全性及其影响
1 生物技术总论
学习目的 了解生物技术的含义、特点以及生物技术的发
展史。 了解生物技术的各项技术及其相互关系。 认识生物技术的应用领域及其对人类社会发展
的影响。
人类所面临的食品短缺、健康问题、环境问题 及经济问题的挑战是至关重要的，所以许多国 家都将生物技术确定为增强国力和经济实力的 关键性技术之一。
本书主要讨论现代生物技术。
1．1 生物技术的含义
1．1．1、生物技术的定义
生物技术(biotechnology）， 也称生物工程(bioengineering) 是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程
技术手段和其他基础学科的科学原理，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。
现代生物技术简介

也有些蛋白质只有当pH<2时，才发生变性。
影响蛋白质稳定性的因素
③有机溶剂的影响：
脱水
大多数蛋白质水溶液在加入一定量的有机溶剂后蛋 白质就开始析出沉淀。
影响蛋白质稳定性的因素
④盐的影响： 蛋白质水溶液中加入少量无机盐会增加蛋白质表面
负荷，增强蛋与水的作用从而使蛋白质在水中溶液 度增大，这种现象称为盐溶（salting in)。
1. 氨基酸替换 ---加固或替换一些易降解的氨基酸残基
2.添加稳定剂 ---结合蛋白质疏水部分、增加溶液黏度、
增强蛋白质内核折叠状态
3.蛋白质的干燥 ---冷冻干燥
注射系统
多肽和蛋白类药物的注射剂是最常见剂型
目前临床上应用的蛋白质类药物注射剂： 溶液型注射剂，冻干粉注射剂
非注射给药系统
主要的化学键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键
➢蛋白质的二级结构：高级结构或空间结构 定义:
蛋白质分子中多肽链之间通过氢键作用 形成的折叠结构单元
主要的化学键： 氢键
蛋白质二级结构的主要形式：
•α-螺旋、β-折叠
α-螺旋（α-helix）
β-折叠（β-pleated sheet）
➢蛋白质的三级结构：
多个二级结构单元在整个三维空间的组合和排布， 包括所有氨基酸侧链间的相互作用及空间位置。
➢蛋白质的四级结构：
多个蛋白亚单位在空间上通过非共价作用形成的组 合结构。
三、多肽和蛋白类药物的稳定性
1. 蛋白质的化学不稳定性
蛋白质内通过共价键连接的氨基酸序列的不稳定性， 也包括氨基酸侧链的共价结构的不稳定性。
三、多肽和蛋白类药物的稳定性
2. 蛋白质的物理不稳定性
蛋白的氨基酸序列结构保持稳定的前提下，蛋白质 的高级结构的不稳定性。

酶的稳定性
酶在一定的条件下可以保持 稳定，但在某些条件下可能 会失活。
酶工程的基本技术
01
酶的分离与纯化
通过物理、化学或生物的方法将 酶从原料中分离出来，并进行纯
化，得到高纯度的酶。
03
酶的修饰
通过化学或基因工程技术对酶进 行修饰，以提高其稳定性、改变 其催化特性或降低生产成本。
02
酶的固定化
将游离酶或细胞固定在一定载体 上，使其保持活性并可重复使用
总结词
细胞工程的应用包括制备单克隆抗体、干细胞治疗、 转基因动物和植物的培育等。
详细描述
制备单克隆抗体是细胞工程的重要应用之一，通过杂 交瘤技术将免疫细胞与肿瘤细胞融合，制备出能够产 生单一抗体的杂交瘤细胞。干细胞治疗是利用干细胞 的分化能力，将干细胞移植到病变组织中，以修复和 替代受损的细胞和组织。转基因动物和植物的培育是 通过基因转移技术，将外源基因导入动物或植物的受 精卵中，培育出具有新性状的转基因动物或植物。
资源环境问题
生物工程在生产过程中可能产生环境 污染和资源浪费问题。
如何应对生物工程的挑战
加强伦理道德规范
制定严格的伦理道德规范，确保生物工程技 术的合理应用。
加强技术监管
建立完善的技术监管体系，防止技术误用或 滥用。
完善知识产权制度
制定合理的知识产权制度，保护创新成果， 促进技术转移转化。
推动可持续发展
04
CATALOGUE
酶工程
酶工程的定义与原理
酶工程的定义
酶工程是利用酶的催化性质 ，通过生物技术手段将原料 转化为有用物质的一门技术 。
酶工程的基本原理
酶是一种具有高效催化能力 的蛋白质，能够在温和的条 件下催化化学反应，具有高 度的专一性和选择性。

该技术的基本原理是植物细胞的全能性。珊已得到 广泛的应用。如繁殖名贵优良的农作物品种，培养脱毒 苗等。
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17
细胞工程的应用
• ３、试管婴儿
是指将精子和卵子从人体内取出来，在人工 提供的生活条件下（通常是试管内）进行受精， 并让其发育到一定的阶段形成早期胚胎，再将其 移植到“代理母亲”的子宫内继续发育，直至诞 生。
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23
细胞工程应用例1、多莉羊答案3
⑶白色、多莉羊的全部核 基因来自白色绵羊。
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24
细胞工程应用例1、多莉羊答案4
⑷全能性
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25
细胞工程应用例1、多莉羊答案5
⑸保护濒危物种，繁育优育 品种，医学上克隆器官等。
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26
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27
9
•酶工程的内容
酶的生产、提取和分离纯化
制成酶制剂 直接利用
制成固定化 酶后利用
酶制剂生产
用于治疗疾病 用于加工和生产
一些产品 用于化验诊断和
水质监控 用于生物工程其
他分支领域
酶制剂的应用
应用
糖尿试纸 酶传感器
葡萄糖氧化酶，过氧化氢酶， 无色化合物
固定化酶膜，变化器
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10
发酵和发酵工程的概念
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13
微生物的生长
调整期：体积增大，合成微生物所需要的各 种酶、ATP
及细胞组成成分（初级代谢产物）
对数期：细胞数目以等比数列的形式增加，
获得菌种
稳定期：微生物数量最多，获得次级代谢产
物的时期
衰亡期：细胞出现畸形，多种形态，开始裂

微生物
工程菌
发酵工程基因工程酶 Nhomakorabea酶工程
产品
动植物个体或细胞
细胞工程
优良动植物品种 生物工程主要领域之间相互关系示意图
2。生物工程的特点 生物工程，是20世纪70年代初开始兴起的一门新兴的综合性应用学科 。
[高效性和经济性]： 基因工程应用举例 与医药卫生 （1）生产基因工程药品 ①优点：高质量、 低成本 ②举例：胰岛素、干扰素、乙肝疫苗等60多种 与环境保护 （1）用于环境监测：用DNA探针可检测饮水中病毒的含量 ①方 法：使用一个特定的DNA片段制成探针，与被检测的病毒DNA杂交，从而 把病毒检测出来。 ②特点：快速、灵敏 基因治疗 ①含义：把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾 病的目的。 ②举例：半乳糖血症（病因、研究成果） ③发展前景：许多遗 传病及疑难病症将被人类征服。 细胞工程作为科学研究的一种手段，已经渗入到生物工程的各个方面，成为 必不可少的配套技术。在农林、园艺和医学等领域中，细胞工程正在为人类 做出巨大的贡献。利用细胞工程技术进行作物育种，是迄今人类受益最多的 一个方面。我国在这一领域已达到世界先进水平，以花药单倍体育种途径， 培育出的水稻品种或品系有近百个，小麦有30个左右。其中河南省农科院培 育的小麦新品种，具有抗倒伏、抗锈病、抗白粉病等优良性状。 [清洁和低耗]
现在，则是在以前的基础上对这个基因进行改良或者创造新的基因来完善或加 强生物的某些功能。
总之，有进步性的特点。 1）更加注重实际应用，实际生产决定研究方向，更多的人把精力放在了优良 技术的创造。 2）操作先进化，以往的生物技术往往以酶工程和发酵工程为代 表，获得的都是一些蛋白或者微生物产物，如青霉素的获得。但是现在更加注 重基因工程和细胞工程，从微观去创新。 3）理论基础的多样化，现在学生物 技术，不是掌握微生物学、动物学就可以了，还要有更多的如生化、分子生物 学的基础才行。

DNA Sequencing: Determining the Order of Nucleotides
DNA sequence for gene from cress plant
Arrows show differences in DNA sequences related to inherited breast cancer
restriction enzyme
Each bacterial cell carries a different recombinant plasmid
Tools for Producing Recombinant DNA
Probe: sequence of DNA that is complementary to the gene of interest; Used to locate a copy of the gene by hybridization
AGCTTAGCGAT TCGAATCGCTA
Denature DNA by heating Add Probe Probe Binds to gene
AGCTTAGCGAT AATCGC TCGAATCGCTA
Using the Probe to Find the Gene of Interest
Applications of Biotechnology Transgenic Bacteria
Use of the Restriction Enzyme Bam H1
5’— G G A T C C — 3’ 3’— C C T A G G — 5’ Results in
sticky end
5’— G 3’— C C T A G
sticky end

二、生化工程的研究进展 20世纪初, 微生物产品有所发展,但主要属于初 级代谢产物, 厌气发酵, 设备也相对简单（乳酸， 乙醇，丙酮）。 • 20世纪40年代初抗生素工业的兴起，标志着 发酵工业进入了一个新阶段。特点是好气发酵, 产物结构复杂,次级代谢物, 培养液含量低,无菌 条件高.反映生物和化工相交叉的学科--生化工 程诞生（青霉素案例）
•
生物工程则是（biotechnology，又称生物技术）是应用生物体 （包括微生物，动物细胞，植物细胞）或其组成部分（细胞器 和酶），在最适条件下，生产有价值的产物，或进行有益的过 程技术。以生命科学为基础。
现代生物技术包括基因工程，细胞工程，酶工程，生化工程， 蛋白质工程和发酵工程
2019 1
•
三、生化工程的定义 • 研究“利用生物催化剂(酶或细胞)从事生物技 术产品的生产过程”的工程科学。 • 将工程原理应用于设计、开发和分析生物过程 的科学。 • 生物反应工程是化学工程与生物技术的交叉学 科。是应用化学工程的原理与方法将生物技术的 实验室成果进行工业开发的一门学科。
目前生物化工的发展速度显然不能适应生物技术产业化的 飞速发展。生物化工面临着改造传统产业和发展生物高技 术产业的双重任务。加强生物技术的研究开发，大力发展 生物化工不仅是化学工业自身发展的需要，也是生物技术 产业化的保证。
2019
-
18

四、生化工程的主要内容 酶反应动力学


生化反应动力学
2019 24
六、生化工程常见的工业微生物
1、细菌（bacteria）分布广，数量多，与人的关系密切。按 其形态分为球菌、杆菌和螺旋菌。其中发酵工业中常用的 为杆菌。包括醋酸杆菌属（Acetobacter）, 乳酸杆菌属 （Lactobacillus）, 芽孢杆菌属（Bacillus）, 如枯草 芽孢杆菌（Bacillus subtilis）可生产α-淀粉酶和蛋白 酶和5’-核苷酸酶等。梭菌属（Clostridium）如丙酮-丁 醇的梭状芽孢杆菌（Clostridium acetobutylium）。 大肠杆菌（Escherichia coli）：判断食品被动物排泄物污 染的可能，公共卫生的重要指标。在工业上利用大肠杆菌 的谷氨酸脱羧酶进行谷氨酸定量分析。利用大肠杆菌制取 天冬氨酸、苏氨酸和缬氨酸。医药方面用大肠杆菌制造治 疗白血病的天冬酰氨酶，基因工程菌。产氨短杆菌 （Brevibacterium ammoniagenes）：短杆菌属，为氨基 2019 25 酸、核苷酸和酶法生产辅酶 A的菌种。

紫草色素的成功提取生产，可作为天然
的食品添加剂，抗菌化妆品……但紫草
资源短缺：我国已把用细胞发酵工程生
产紫草素作为国家重点发展项目。
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4
紫草
(Lithospermum erythrorhizon) 色 素(shikonin)的成 功提取生产，可 作为天然的食品 添加剂，抗菌化 妆品……。
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1
1、生物工程技术在品种改良中的应用。
（1）细胞技术：
理论依据：“全能性”，把植物体的某 个器官，甚至单个细胞分离出来后单独 培养都能分化再生出完整植株，
“变异频率”比传统的用物理、化学方 法要高， 实现“短、平、快”育种，常 规育种比较“慢”。
目前已育成投产的：玉米和烟草抗除草 剂的种子，我国在作物育种细胞技术方 面处于世界领先行列，已有明显效益的 有以下几种：
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③细胞融合：远缘杂交育种。
④脱除植物病毒：
植物病毒是一类重要植物病害，其特点： 在植物营养器官中是系统分布的，许多 用无性繁殖的植物一旦感染病毒后，就 会世世代代传下去，对产量影响极大， 如土豆、山芋、大蒜、百合等块根，越 来越小，以及草莓果实变小，都与感染 病毒有关，但种子带毒的种类不多，植 物生长点是没病毒的。
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因此：生物技术专家用显微手术从感毒 的植株上把茎尖剪下，组掊后再生植株 成为“脱毒苗”，经脱毒处理的土豆、 草莓、大蒜、百合、甘蔗等作物的产量 都可成倍增加，脱毒技术对园艺花卉的 作用更奇妙，兰花、菊花、香石竹等名 贵花卉脱毒后，花大色艳，提高竞争力。
部分脱毒花卉介绍：
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国内外生物技术专家已成功在数十种植 物上完成了上百项试验。许多转基因植物 已经育成。