a生物工程前沿技术 ppt课件

生物工程
前沿与热点
罗静
上海技术物理所 2004.10.24
生物工程的历史 ——学科雏形
微生物发酵 丰 富 多 彩 的 酒 文 化
❖ 远古人类发现，吃剩的米粥数日后变成 了醇香可口的饮料—人类最早发明的酒
( Edward Jenner,1749~1823 )首创 用牛痘预防天花，是免疫学的发 展，开创了预防医学的先河。
❖ 2000年4月6日，美国Celera遗传信息公司 宣布，该公司已破译出一名实验者的完整 遗传密码。
❖ 2000年5月，科学家聚集美国冷泉港，宣 布人类基因组草图的完成。
6国科学家组成的国家人类基因组 中心主要研究比例
❖ 美国：WASH＆MIT等7家研究中心，贡献率为54％。
❖ 英国：SANGER一家研究中心，贡献率为33％。
❖ 例如：小剂量纯化的造血干细胞足可使患者骨 髓再生，可以避免肿瘤病人进行自体骨髓移植 时所致的瘤细胞（尤其是白血病细胞）污染。
克隆技术的发展
克隆技术
❖克隆来源与英语“clone”或 “cloning”的音译，曾译为无 性生殖或无性繁殖，即由同一个 祖先细胞分裂而形成的纯细胞系 ，这个细胞系每个细胞的基因彼 此是相同的。
它包括体细胞融合、核移植、细胞器摄 取和染色体片段的重组等。
细胞工程
操作水平：细胞整体水平或细胞器水平 目的：定向改变遗传物质或获得细胞产品。
2、细胞工程的理论基础——细胞全能性 依据——生物体的每一个干细胞都包含有 该物种所特有的全套遗传物质。
3、主要技术 植物 细胞 工程 技术
动物 细胞 工程 技术
按发育状态
•胚胎干细胞 •成体干细胞
干细胞的用途
❖ 治疗遗传性疾病和恶性肿瘤。 ❖ 以干细胞为种子培育成某些组织和器
官，用于移植医学。 ❖ 抗衰老，延年益寿。
去核胚胎干细胞
组装胚胎干细胞
核移植
组织干细胞
体 外 诱 导 培 养
干细胞工程
各种组织器官
干细胞治疗的进展
❖ 科学家们认识到干细胞可能成为一种“拯救生 命”的有效的疾病治疗手段。
❖ 日本：RIKEN等两家研究中心，贡献率为7％。
❖ 法国：GENOSCOPE研究中心，贡献率为2.8％。
❖ 德国：IMB等3家研究中心，贡献率为2.2％。
❖ 中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究
❖
中心等三家，贡献率为1％。
二000年六月二十六日克林顿宣布 人类基因组草图绘制完成
人类基因组研究结论
❖ 克隆羊的诞生，预示着动物将成为 人类的药物制造厂。
从一个6岁母绵羊普通的组织 细胞（体细胞）中提取遗传物质， 和一个无DNA遗传物质但具有活性 的另一只母绵羊的卵细胞进行电击融 合，然后将结合后的新细胞经试管分 裂。形成胚胎后再移植到第三只母绵 羊子宫内生长。然后产出与第一只绵 羊一样的羊。
❖人类基因组包括分布于人46条染色体的 30,000-35,000个基因。
❖人类基因组计划最终目的是测定基因组的全 部序列，弄清整个基因组的的结构、功能及其 表达产物，彻底了解人类生命活动本质。
人类基因组计划的意义
❖ 这一计划的科学意义重大，可与产生原子 弹的曼哈顿工程和人类登月阿波罗飞行任 务相媲美，是当前国际生物学、医学领域 内一项引人注目的工程，是人类自然科学 史上最重大的研究项目之一，将推动整个 生命科学的发展。
1. 基因数量少得惊人 2. 人类基因组中存在“热点”和大片
“荒漠” 3. 三分之一为“垃圾”DNA 4. 种族歧视毫无根据 5. 男性基因突变比例更高
人类基因组计划1%测序中国实验室
后基因组时代序幕拉开
哈佛大学科学家麦克贝斯说，人 类基因组图谱并没有告诉我们所有基 因的“身份”以及它们所编码的蛋白 质。人体内真正发挥作用的是蛋白质， 蛋白质扮演着构筑生命大厦的“砖块” 角色，其中可能藏着开发疾病诊断方 法和新药的“钥匙”。
1676年荷兰人 A.Leeuwenhoek用自磨镜片，创 造了一架原始显微镜，生物工 程进入微观形态学发展阶段。
现代生物工程
Modern Bioengineering
分类——按研究内容划分
酶工程
基因工程
生物 工程
细胞工程
发酵工程
基因工程
1、基因工程的概念
基因工程是分子遗传学和工Байду номын сангаас技术结合的 产物。是现代生物技术的核心，它能按人类需 要，把遗传物质DNA分子从生物体中分离出 来，进行剪切、组合、拼装，合成新的DNA分 子。再将新的DNA分子植入某种生物细胞中， 使遗传信息在新的宿主细胞或个体中得到表 达。以达到定向改造或重建新物种的目的。
基因工程
操作水平：DNA分子水平 目的：定向改变遗传物质或获得基因产物。
2、基因工程的理论基础
1）物质基础——脱氧核苷酸 2）结构基础——规则的双螺旋结构 3）中心法则，共用一套遗传密码
细胞工程
1、细胞工程的概念
利用细胞融合技术把含有不同遗传物质 的细胞合成杂种细胞。并使之分裂生长成为 杂种生物。
人类基因组计划的启动
❖ 1985年，美国能源部提出，要将共包含约 3×109碱基对的人类基因组全部碱基序列 分析清楚；
❖ 1986年，美国宣布启动“人类基因组计划 （Human Genome Project, HGP）”。
人类基因组计划的发展
❖ 1999年12月1日，首条人类染色体完成测 序，人类第22号染色体DNA全序列测定宣 布完成。
发酵工程
1、发酵工程的概念 发酵工程是利用微生物的某些特定功
能，通过技术手段使之生产人类需要的代 谢物。以高效率的进行物质转化。
发酵工程包括：用微生物发酵生产产 品，如酿酒。用微生物分解有害物质; 细菌 选矿和细菌冶金等等！
发酵工程
目的——定向地改造菌种,大量生产微生物 菌体或代谢产物
2、发酵工程的技术要点
Chromosome 染色体 Karyotype 染色体组型
基因(Gene)
❖ 基 因 （ gene ） 是 1909 年 丹 麦 生 物 学 家 W.Johannsen根据希腊文“给予生命”之 意创造的。
❖ 一个基因就是能够编码一个蛋白质分子 的一个DNA或一个RNA片段
生物学进入基 因组 (Genome)时代
植物体细胞杂交 植物组织培养 动物细胞融合 动物细胞培养 单克隆抗体技术 核移植 胚胎移植
异种 植物 细胞
异种 动物 细胞
植物体细 动物细
胞杂交
胞融合
杂种细胞
植物组 织培养
动物细 胞培养
转基因 动物细 植物 胞群
体细 胞细 胞核
去核 卵细 体外 胞 受精
核移植 重组细胞 受精卵
早期胚胎 胚胎移植 克隆动物 试管婴儿
菌种的选育 ——诱变育种、基因工程、 细胞工程
环境条件控制——营养、PH、温度、溶氧等
3、流程
改造物种
发酵工程
（酶工程） 商品生产
常规菌(或常规细胞株) ①遗传工程 ② 细胞工程
“工程菌”（或“工程细胞 株”）③ 微生物工程
④ 酶工程 ⑤ 生物反应器工程
经济效益 大量产品 社会效益
生态效益
酶工程
干细胞研究与发展前景
长期以来，人类一直在研究和寻找能治 愈各种疾病、抗衰老甚至长生不老的方法。 随着现代科学技术的发展，尤其是干细胞的 研究，人类的这些幻想正在逐步变成现实。 1998年，美国《科学》杂志将干细胞的研究 成果列在十大科学进展的首位。
细胞是机体组成的基本单位
细胞
细胞群
组织
机体
干细胞的定义
酶工程是利用酶的特异催化功 能，在常温长压下将一种物质转化 为另一种物质，以获得高纯度的适 用之物。
该技术包括各种酶的开发和生 产。酶的分离和纯化技术等。
酶工程用于食品工业很有效。 啤酒、酱油、葡萄糖等都可用酶工 程生产。
现代生物工程热点
人类基因组计划（HGP） 干细胞研究与发展前景 克隆技术的发展
人类基因组计划
Human Genome Project
染色体（Chromosome）
❖由于细胞中的DNA大部分在染色体 上，所以说遗传物质的主要载体是 染色体。染色体的化学成分主要是 蛋白质和DNA，其中 DNA含量稳定， 是主要的遗传物质。
❖各种生物的染色体有一定的数目、形 状和大小，人染色体有46条。
干细胞（Stem cell）即起源细胞。在细 胞的分化过程中，细胞往往由于高度化分而 完全失去了再分裂的能力，最终衰老死亡。 机体在发展适应过程中为了弥补这一不足， 保留了一部分未分化的原始细胞。
因此，干细胞是一类具有自我更新和分 化潜能的细胞。
干细胞的分类
按分化潜能
❖ 全能干细胞
❖ 多能干细胞
❖ 单能干细胞
生物工程的个体应用
个体应用
❖ 转基因树的应用前景
❖ “金米”的故事
❖ 生物技术可以让世界丰衣足食
❖ 植入牵牛花基因，西红柿能防癌了
❖ 梦幻之畜――转基因动物 ❖ ……
留给我们的思考
1、生态灾难 转基因生物大规模释放到环境中，可能会 有基因扩散、生长失控、危害其他生物、 物种异化和产生病毒等。
2、未来的阴影 转基因活生物体及其产品作为食品，可能 对人体产生某些毒理作用和过敏反应。例 如，转入的生长激素类基因就有可能对人 体生长发育产生重大影响。由于人体内生 物化学变化的复杂性，有些影响还需要经 过长时间才能表现和监测出来。
谢 谢!
克隆技术的发展
❖第一个发展时期——微生物克隆。 ❖第二个发展时期——生物技术克隆。 ❖第三个发展时期——动物克隆。
克隆羊多利（Dolly）的诞生
❖ 1997年12月，英国Roslin研究所克 隆羊多利（Dolly）的诞生揭示一个 全新概念：由成年机体的一个体细 胞核，可以复制一个基因完全相同 的新生命个体。