生物技術(shù)前沿結(jié)課論文

1、生物技術(shù)前沿結(jié)課論文班級: 姓名: 學號:摘要：生物技術(shù)和生命科學將成為21世紀引發(fā)新科技gm的重耍推動力量。 關(guān)鍵字：靶標發(fā)現(xiàn)技術(shù)新一代工業(yè)生物技術(shù)生物芯片生物柴油 干細胞國務院發(fā)布的國家屮長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)(以下簡 稱綱要)中提出了五項生物技術(shù)作為未來15年我國前沿技術(shù)的重點研究領(lǐng)域。 這五項生物前沿技術(shù)分別是：一、靶標發(fā)現(xiàn)技術(shù)。靶標的發(fā)現(xiàn)對發(fā)展創(chuàng)新藥物、生物診斷和生物治療技術(shù)具冇 重要意義。重點研究生理和病理過程中關(guān)鍵基因功能及其調(diào)控網(wǎng)絡的規(guī)?；R 別，突破疾病相關(guān)基因的功能識別、表達調(diào)控及靶標篩查和確證技術(shù)，“從基因 到藥物”的新藥創(chuàng)制技術(shù)。二、動植物品

2、種與藥物分了設(shè)計技術(shù)。動植物品種與藥物分了設(shè)計是基于生物大 分子三維結(jié)構(gòu)的分子對接、分子模擬以及分子設(shè)計技術(shù)。重點研究蛋白質(zhì)與細胞 動態(tài)過程生物信息分析、整合、模擬技術(shù)，動植物品種與藥物虛擬設(shè)計技術(shù)，動 植物詁種生長與藥物代謝工程模擬技術(shù)，計算機輔助組合化合物庫設(shè)計、合成和 篩選等技術(shù)。三、基因操作和蛋口質(zhì)工程技術(shù)?；虿僮骷夹g(shù)是基因資源利用的關(guān)鍵技術(shù)。蛋 白質(zhì)工程是高效利用基因產(chǎn)物的重要途徑。重點研究基因的高效表達及其調(diào)控技 術(shù)、染色體結(jié)構(gòu)與定位整合技術(shù)、編碼蛋口基因的人工設(shè)計與改造技術(shù)、蛋口質(zhì) 肽鏈的修飾及改構(gòu)技術(shù)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析技術(shù)、蛋白質(zhì)規(guī)?；蛛x純化技術(shù)。四、基于干細胞的人體組織工程

3、技術(shù)。干細胞技術(shù)可在體外培養(yǎng)干細胞，定向 誘導分化為各種組織細胞供臨床所需，也可在體外構(gòu)建出人體器官，用于替代與 修復性治療。重點研究治療性克隆技術(shù)，干細胞體外建系和定向誘導技術(shù)，人體 結(jié)構(gòu)組織體外構(gòu)建與規(guī)模化牛產(chǎn)技術(shù)，人體多細胞復雜結(jié)構(gòu)組織構(gòu)建與缺損修復 技術(shù)和生物制造技術(shù)。五、新一代工業(yè)生物技術(shù)。生物催化和生物轉(zhuǎn)化是新一代工業(yè)生物技術(shù)的主體。 重點研究功能菌株大規(guī)模篩選技術(shù)，生物催化劑定向改造技術(shù)，規(guī)?；I(yè)生產(chǎn) 的生物催化技術(shù)系統(tǒng)，清潔轉(zhuǎn)化介質(zhì)創(chuàng)制技術(shù)及工業(yè)化成套轉(zhuǎn)化技術(shù)。有關(guān)專家指出，基因組學和蛋白質(zhì)組學研究正在引領(lǐng)生物技術(shù)向系統(tǒng)化研究方 向發(fā)展，基因組序列測定與基因結(jié)構(gòu)分析已轉(zhuǎn)向功能

4、基因組研究以及功能基因的 發(fā)現(xiàn)和應用；藥物及動植物品種的分了定向設(shè)計與構(gòu)建已成為種質(zhì)和藥物研究的 重要方向；生物芯片、干細胞和組織工程等前沿技術(shù)研究與應用，孕育著診斷、 治療及再牛醫(yī)學的重大突破。我國必須在功能基因組、蛋口質(zhì)組、干細胞與治療 性克隆、組織工程、生物催化與轉(zhuǎn)化技術(shù)等方面取得關(guān)鍵性突破。生物芯片細胞芯片技術(shù)是以活細胞作為研究對象的一種生物芯片技術(shù)。它是適應后基因 組時代人類對生命科學探索的要求而產(chǎn)生的。作為細胞研究領(lǐng)域的一種新技 術(shù)，其既保持傳統(tǒng)的細胞研究方法的優(yōu)點如原位檢測等，又滿足了高通量獲取活 細胞信息等方面的要求。本文中扼要介紹細胞芯片的概念以及幾種已報道的細胞 芯片，并對

5、細胞免疫芯片進行了簡述。生物芯片技術(shù)系指先將大量探針分子固定于支持物上，然后與標記的樣品分子 進行雜交,通過檢測每個探針分子的雜交信號強度進而獲取樣站分子的數(shù)量和序 列信息，以實現(xiàn)對細胞、蛋口質(zhì)、基因及其他生物組分的準確、快速、大信息 量的檢測。細胞作為生物冇機體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，其生物學功能容量巨大。 利用牛物芯片技術(shù)研究細胞，在細胞的代謝機制、細胞內(nèi)生物電化學信號識別傳 導機制、細胞內(nèi)各種復合組件控制以及細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定等方面，都具有其它傳 統(tǒng)方法無法比擬的優(yōu)越性。目前,細胞芯片在國內(nèi)外已冇報道，-般指的是充分運 用顯微技術(shù)或納米技術(shù),利用一系列幾何學、力學、 電磁學等原理，在芯片上

6、完成對細胞的捕獲、固定、平衡、運輸、刺激及培養(yǎng)等精確控制，并通過微型 化的化學分析方法，實現(xiàn)對細胞樣品的高通量、多參數(shù)、連續(xù)原位信號檢測和細 胞組分的理化分析等研究口的。新型的細胞芯片應滿足以下3個方面的功能: 在芯片上實現(xiàn)對細胞的精確控制與運輸；在芯片上完成對細胞的特征化修 飾;在芯片上實現(xiàn)細胞與內(nèi)外環(huán)境的交流和聯(lián)系。基于細胞芯片的研究分析是一種具有較高通量的技術(shù)，以細胞作為實驗平臺的 細胞芯片至少具有以下3個方面的特點：在芯片上實現(xiàn)對活細胞的原位監(jiān) 測，可以多參數(shù)高通量的直接獲得與細胞相關(guān)的人量功能信息（即關(guān)于細胞對各 種刺激的應答信息），這是細胞芯片最重耍的特點;通過活細胞分析，獲得細胞

7、 相關(guān)的分析信息（主要是關(guān)于各種刺激物的數(shù)量、質(zhì)量等相關(guān)方而的信息）： 利用顯微技術(shù)和納米技術(shù)能精確的控制細胞內(nèi)的生物化學環(huán)境，以細胞作為化學 反應的納米反應器,便于詳細的研究揭示細胞內(nèi)一系列過程和原理的木質(zhì)。細胞芯片是近年來發(fā)展起來的一種檢測細胞的新技術(shù)，它是對基因芯片和蛋白 質(zhì)芯片技術(shù)的重要補充。隨著生物芯片技術(shù)和生物信息學的不斷進展，細胞芯片 的制作技術(shù)將越來越成熟。細胞芯片技術(shù)通過應用免疫細胞化學、原位分子雜 交等原理對細胞基因、蛋白表達水平進行定位檢測等研究，已經(jīng)在基因檢 測、基因表達、組分多態(tài)性分析、藥物開發(fā)篩選和疾病診斷等諸多領(lǐng)域顯示出 重耍的作用，在白血病等腫瘤的輔助診斷和預后

8、判斷方面也有著重要的應用價 值?？梢灶A見，細胞芯片技術(shù)作為一種新興的生命科學領(lǐng)域屮細胞水平的研究手 段和傳統(tǒng)的研究細胞的方法相結(jié)合，將廣泛的應用于生命科學研究及其實踐的各 個領(lǐng)域。生物柴油目前世界每年新車產(chǎn)量大約5 000萬輛，全世界汽車保冇量大約7.5億輛（含 摩托車）。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽油和柴油的用量隨汽車保有量的增加而 增加，同吋也帶來了汽車尾氣污染等問題。近20年來，雖然在改善油品燃燒過 程、尾氣凈化等方面都取得了很大進展，但仍然不能滿足要求。為了改善汽車的 運行性能和降低汽車尾氣中害物質(zhì)的排放量，美國、歐洲和日木汽車工業(yè)協(xié)會 1998年6月4日捉出了汽車燃料質(zhì)量國際統(tǒng)一標準即

9、”世界燃油規(guī)范”111類標準。 ii類標準在目前基礎(chǔ)上，提出了芳坯含量的限制，對硫含量、十六烷值等提出了 更高的標準，iii類標準則在各項指標上比ii類標準都有更嚴格的規(guī)定。煉油企業(yè)為了向市場提供清潔油品使燃燒柴油尾氣排放達到標準要求，需耍采 取以下三種措施：一是耍冇性能優(yōu)異的深度加氫脫硫催化劑，以脫除難以加氫脫 硫的4, 6二甲基苯并曝吩等芳香基硫化合物；二是要有抗硫的貴金屬芳坯飽和 催化劑，能使芳坯加氫飽和在較低壓力下進行，以節(jié)省投資；三是要有提高t六 烷值的工藝。而生物柴油以其優(yōu)異的環(huán)保性能可很容易達到”世界燃油規(guī)范”的柴 油ii、iii類標準要求。眾所周知，柴油分子是由15個左右的碳鏈

10、組成的，研究 發(fā)現(xiàn)植物油分子則一般乂 1418個碳鏈組成，與柴油分子中碳數(shù)相近。因此生 物柴油就是一種用油彩籽等可再生植物油加工制取的新型燃料。按化學成分分 析，生物柴油燃料是一種高脂酸甲烷，它是通過以不飽和油酸c18為主要成分 的甘油脂分解而獲得的。與常規(guī)柴油相比，生物柴油下述貝有無法比擬的性能。（1）具冇優(yōu)良的環(huán)保特性。主要表現(xiàn)在由于生物柴油屮硫含量低，使得二氧 化硫和硫化物的排放低，可減少約30% （有催化劑時為70%）；生物柴油中不含 對環(huán)境會造成污染的芳香族烷坯，因而廢氣對人體損害低于柴油。檢測表明，與 普通柴油相比，使用生物柴油口j降低90%的空氣毒性，降低94%的患礙率；出 于生

11、物柴油含氧量高，使其燃燒時排煙少，一氧化碳的排放與柴油相比減少約 10% （有催化劑時為95%）；生物柴油的生物降解性高。（2）具有較好的低溫發(fā)動機啟動性能。無添加劑冷濾點達-20°co （3）具 有較好的潤滑性能。使噴油泵、發(fā)動機缸體和連桿的磨損率低，使用壽命長。（4）具冇較好的安全性能。曲于閃點高，生物柴油不屬于危險品。因此，在 運輸、儲存、使用方血的有是顯而易見的。（5）具冇良好的燃料性能。十六烷值高，使其燃燒性好于柴油，燃燒殘留 物呈微酸性使催化劑和發(fā)動機機油的使用壽命加長。（6）具有可再聲性能。作為可再生能源，與石油儲量不同其通過農(nóng)業(yè)和生 物科學家的努力，可供應量不會枯竭。

12、生物柴油的優(yōu)良性能使得采用生物柴油的發(fā)動機廢氣排放指標不僅滿足目 前的歐洲ii號標準，茯至滿足隨后即將在歐洲頒布實施的更加嚴格的歐洲iii號排 放標準。而且由于生物柴油燃燒時排放的二氧化碳遠低于該植物生長過程中所吸 收的二氧化碳，從而改善由于二氧化碳的排放而導致的全球變暖這一有害于人類 的重大環(huán)境問題。因而生物柴油是一種真正的綠色柴油。冃而生物柴油主要是用化學法生產(chǎn)，即用動物和植物油脂和甲醇或乙醇等低碳 醇在酸或者堿性催化劑和高溫（230250°c）下進行傳酯化反應，生成相應的脂 肪酸甲酯或乙酯，在經(jīng)洗滌干燥即得生物柴油。甲醇或乙醇在生產(chǎn)過程中可循環(huán) 使用，生產(chǎn)設(shè)備與一般制油設(shè)備相同

13、，生產(chǎn)過程屮可產(chǎn)生10%左右的副產(chǎn)品甘油。目前生物柴油的主要問題是成本高，據(jù)統(tǒng)計，生物柴油制備成本的75%是原料 成木。因此采用廉價原料及提高轉(zhuǎn)化從而降低成本是生物柴油能否實用化的關(guān) 鍵。美國已開始通過基因工程方法研究高油含量的植物。h本釆用工業(yè)廢油和廢 煎炸油。歐洲是在不適合種植糧食的土地上種植富油脂的農(nóng)作物。但化學法合成生物柴油有以下缺點：工藝復雜、醇必須過量，后續(xù)工藝必須 冇相應的醇回收裝置，能耗高；色澤深，由于脂肪中不飽和脂肪酸在高溫下容易 變質(zhì)；酯化產(chǎn)物難于回收，成木高；生產(chǎn)過程有廢堿液排放。為解決上述問題，人們開始研究用生物酶法合成生物柴油，即用動物油脂和 低碳醇通過脂肪酶進行轉(zhuǎn)酯

14、化反應，制備和應的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法合成生 物柴油具有條件溫和，醇用量小、無污染排放的優(yōu)點。但口前主要問題有：對甲 醇及乙醇的轉(zhuǎn)化率低，一般僅為40%60%,由于目前脂肪酶對長鏈脂肪醇的酯 化或轉(zhuǎn)酯化有效，而對短鏈脂肪醇如甲醇或乙醇等轉(zhuǎn)化率低。而且短鏈醇對酶有 一定毒性，酶的使用壽命短。副產(chǎn)物tt油和水難于回收，不但對產(chǎn)物形成抑制， 而且1?油讀固定化酶有毒性，使固定化酶使用壽命短。生產(chǎn)和推廣應用生物柴油的優(yōu)越性是顯而易見的：（1）原料易得且價廉。用油 菜籽和甲醇為生產(chǎn)原料，可以從根木上擺脫對石油制取燃油的依賴。（2）有利于 土壤優(yōu)化。種植油菜可與其他作物輪種，改善土壤狀況，調(diào)整平衡土壤養(yǎng)

15、分，挖 掘土壤增產(chǎn)潛力。（3）副產(chǎn)品具有經(jīng)濟價值。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廿油、油酸、卵 磷脂等一些副產(chǎn)詁市場前景較好。（4）環(huán)保效益顯著。生物查燃燒吋不排放二氧 化硫，排出的有害氣體比石油柴油減少70%左右，且可獲得充分降解，冇利于生 態(tài)環(huán)境保護。此外生物柴油由于競爭力不斷提高、政府的扶持和世界范圍內(nèi)汽車 車型柴油化的趨勢加快而前景更加廣闊。參考文獻：1. andersson ii, van den berg a. microtechnologies andnanotechnologies for singlecel1 analysisj. curr opin biotechnol, 2004, 15(1): 44-49.2. peng xy(larry), li pci! a threedimensional flow control concept for singlecell experiment s on a microchip:cell selection, cell retention, cell culture, cell balancing, and cell sean ningj. anal ch