現(xiàn)代生物技術

1、第一章現(xiàn)代生物技術革命醫(yī)學遺傳學發(fā)展到現(xiàn)代醫(yī)學分子遺傳學與先進技術的發(fā)展密切相關, 特別兩項生物技術: 細胞融合技術和DNA重組技術所起的作用十分重要。19世紀:細胞是生命的基本單位。細胞學說:細胞是動植物結構和功能的基本單位,一切生命現(xiàn)象都是以細胞為基礎表達的。分子生物學、分子遺傳學:20世紀生物學的主流以核酸和蛋白質為中心的生物大分子是生命現(xiàn)象的共同物質基礎,細胞和有機體所有生命活動都是以這些生物大分子及其復合物的結構、運動和相互作用來實現(xiàn)的。人類對自然界的要求認識利用再造改造創(chuàng)造隨著反向生物學的問世, 在20世紀八十年代誕生了生物技術(Biotechnology這門新學科。生物技術學科的

2、地位生物技術是世界新技術革命的主角之一, 生物技術與新材料、信息技術(包括微電子、計算機一起已成為新產(chǎn)業(yè)革命三大支柱;陽光技術,朝陽產(chǎn)業(yè),黃金工程,倍受世界各國重視。 21世紀是生物生命世紀,生物技術將成為21世紀高技術革命的核心內(nèi)容。生物技術的重要性有助于解決全球的重大難題:資源(能源、人口、糧食、生態(tài)環(huán)境、健康與疾病和戰(zhàn)爭與災害;促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術改造和新產(chǎn)業(yè)的形成,對人類社會生活產(chǎn)生深遠的革命性影響;生物技術這一新生事物正迅速走向老百性日常生活各個方面, 將對人類的發(fā)展做出貢獻。重點掌握1、生物技術的概念、內(nèi)容2、生物技術的特點和重要性3、學習生物技術的意義在于創(chuàng)新4、結合專業(yè)選擇自己所

3、需的生物技術第一節(jié)生物技術的概念和內(nèi)容一、生物技術的定義及內(nèi)涵生物技術(Biotechnology, BT, 亦稱為生物工程(bioengineering, 現(xiàn)統(tǒng)一稱: 生物技術。1、定義:“生物技術”這個詞最初是由一位匈牙利工程師Karl · Ereky于1917年提出的。當時,他提出的生物技術這一名詞的涵義是:“用甜菜作為飼料進行大規(guī)模養(yǎng)豬,即利用生物將原材料轉變?yōu)楫a(chǎn)品”。國際上沿用1982年的概念生物技術是指應用生物科學及工程學原理,依靠生物體系作反應器,將物料進行加工改造,獲得人類所需產(chǎn)品的技術?，F(xiàn)代生物技術定義:以現(xiàn)代生命科學為基礎, 把生物體系與工程學技術有機結合在一起,

4、按照預先的設計,定向地在不同水平上改造生物遺傳性狀或加工生物原料, 產(chǎn)生對人類有用的新產(chǎn)品(或達到某種目的之綜合性科學技術。2、概念要點:(1對象是具遺傳特性有生命物質:包括病毒、細菌、植物、動物、直到人類。(2生物體系多個不同水平研究: 從大分子 (DNA、RNA、蛋白質、酶、亞細胞、細胞、組織、器官到整個機體。(3應用工程學原理: 經(jīng)人類思維, 設計方案、定向修飾、加工制作過程、經(jīng)過體外環(huán)節(jié)。(4有目的產(chǎn)品: 目的產(chǎn)品有三新特征: 新遺傳功能新遺傳性狀、新物種要有合乎人類所需的工業(yè)農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和食品產(chǎn)品。(5高新技術起重要作用。3、生物技術的主要內(nèi)容包括五個方面或領域(1細胞工程(2基因工程

5、(3酶工程(4發(fā)酵工程(5蛋白質工程4、根據(jù)研究對象不同,生物技術又可分為:(1植物生物技術(2動物生物技術(3微生物生物技術二、生物技術的產(chǎn)生與發(fā)展生物技術的發(fā)展分為兩個階段:生物技術是既古老又現(xiàn)代的應用技術。按照它的發(fā)展歷程,大致可以分為三個階段:1、傳統(tǒng)生物技術2、近代生物技術3、現(xiàn)代生物技術生命科學經(jīng)歷了三個發(fā)展階段:描述生物學階段(19世紀中葉以前實驗生物學階段(19世紀中到20世紀中創(chuàng)造生物學階段(20世紀中葉以后1傳統(tǒng)生物技術發(fā)展石器時代后期(距今8000多年前我國制曲釀酒,最早的發(fā)酵技術。公元前6000年古巴比倫開始啤酒發(fā)酵。公元前4000年埃及人制作面包。公元前2500年春秋

6、戰(zhàn)國時代中國制造醬油和醋。公元十世紀宋朝中國預防天花活疫苗。1676年荷蘭人列文虎克發(fā)明顯微鏡首次觀察微生物。1885年,巴斯德首先證實發(fā)酵有微生物引起并建立微生物純種培養(yǎng)技術。20世紀20年代工業(yè)大規(guī)模純種培養(yǎng)技術發(fā)酵生產(chǎn)丙酮和丁醇。1897年德國人布切尼無細胞的酵母菌壓榨汁中的酒化酶對葡萄糖進行酒精發(fā)酵成功開創(chuàng)微生物生化研究新時代(一傳統(tǒng)生物技術和近代生物技術的發(fā)展實際上生物技術的發(fā)展和應用可以追溯到l000多年以前,而人類有意識地利用酵母進行大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)是在19世紀。當時人類用發(fā)方法制備酒、醋、醬及食品等,此時主要是生物技術的經(jīng)驗階段。并形成產(chǎn)業(yè)。1、傳統(tǒng)生物技術階段在20世紀30年代

7、之前時期,主要是通過微生物的初級發(fā)酵來生產(chǎn)食品,是以發(fā)酵產(chǎn)品為主干的工業(yè)微生物技術體系。產(chǎn)品如乳酸、酒精、面包酵母、檸檬酸和蛋白酶等微生物的初級代謝產(chǎn)物。(1主要包括以下三個步驟:第一步:上游處理過程。第二步:發(fā)酵和轉化。第三步:下游處理過程。(2步驟第一步:上游處理過程-粗材料進行加工過程,作為微生物的營養(yǎng)和能量來源;第二步:發(fā)酵和轉化- 發(fā)酵指的是目的微生物的大量生長。發(fā)酵過程必須在一個大的生物反應器內(nèi)進行,反應器容積通常大于l00L。可連續(xù)生產(chǎn)某一個目的產(chǎn)品,比如抗生素氨基酸或蛋白質等;第三步:下游處理過程-所需目的產(chǎn)物的純化過程,人們既可以從細胞的培養(yǎng)液個純化,也可以直接從細胞中純化。

8、1929年英國人弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素,二戰(zhàn)期間得到廣泛應用。工業(yè)上開始采用大規(guī)模發(fā)酵產(chǎn)生抗生素酶制劑和其他化工原料是近代生物技術建立和全勝時期。20世紀60年代隨著遺傳學的建立和應用產(chǎn)生了遺傳育種學,細胞學廣泛應用產(chǎn)生了細胞工程發(fā)酵工程取得輝煌成就,被譽為第一次綠色革命2、近代生物技術階段1928年,Flemming爵士發(fā)現(xiàn)了青霉素,從此生物技術產(chǎn)品中增加了一大類新的產(chǎn)品即抗生素。也使生物技術從單純的食品、飼料制備擴展到抗生素產(chǎn)品,該產(chǎn)業(yè)至今長盛不衰。20世紀30年代到70年代這一時期抗生素工業(yè)、氨基酸發(fā)酵和酶制劑工程相繼得到發(fā)展,更為突出的是植物組織培養(yǎng)技術日臻完善。(二生物技術研究的主要目標生

9、物技術研究的主要目標是(1最大限度地提高這3個步驟的整體效率;(2同時尋找一些可以用來制備食品、食品添加劑和藥物的微生物。從20世紀6070年代起,生物技術的研究主要集中在上游處理過程、生物反應器的設計和下游的純化過程方面,這些研究使得下面四個方面都有了很大的發(fā)展。在發(fā)酵過程的監(jiān)測;生物反應體系的檢測技術和;有效地大量培養(yǎng)微生物的技術及;相關儀器。二生物技術研究的主要目標在利用微生物生產(chǎn)商品的整個過程中,生物轉化這個環(huán)節(jié)是條件最難優(yōu)化的一個環(huán)節(jié)。通常用于大規(guī)模生產(chǎn)的培養(yǎng)條件往往不是自然條件下微生物的最佳生長條件。因此,人們一般都通過化學突變、化學誘變或者紫外線照射來產(chǎn)生突變體,從而改良菌種,提

10、高產(chǎn)量;傳統(tǒng)的誘導突變和選擇的方法在生物技術生產(chǎn)中獲得了較大的成功。多種抗生素的大量生產(chǎn)就是這種方法的成功例證。但是,傳統(tǒng)生物技術仍然的有其一定局限性。(三傳統(tǒng)和近代生物技術的特點(局限性(1主要通過微生物初級發(fā)酵獲得產(chǎn)品,僅僅局限在微生物發(fā)酵和化學工程領域。(2沒有改變微生物的遺傳物質,也沒有出現(xiàn)新的微生物遺傳性狀。(3生產(chǎn)過程簡單,上游主要是培養(yǎng)大量的微生物、對材料進行加工即進行發(fā)酵和轉化,通過誘變選育良種,下游主要對產(chǎn)品進行純化。(4生產(chǎn)周期長,費用高,產(chǎn)量低,效率差。(四現(xiàn)代生物技術的產(chǎn)生在1953年Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結構的基礎上,1973年DNA重組技術的誕生意

11、味著現(xiàn)代生物技術階段的開始。而源于近代生物技術的細胞工程,在現(xiàn)代生物技術階段有了突破性發(fā)展?，F(xiàn)代生物技術是以20世紀70年代DNA重組技術的建立為標志的。1944年艾弗里等人通過實驗證明DNA是遺傳物質。2、DNA重組技術1973年,美國加利福尼亞大學舊金山分校的Herber Boyer教授和斯坦福大學的Stanley Cohen 教授共同完成了一項著名的實驗-DNA重組實驗,這是人類歷史上第一次有目的的基因重組的嘗試,并獲得成功。這是人類歷史上第一次有目的的基因重組的嘗試。雖然這兩位科學家在這次實驗中沒有涉及到任何有用的基因,但是他們還是敏感地意識到了這一實驗的重大意義,并據(jù)此提出了“基因克

12、隆”的策略。特別是DNA重組技術可以1、改變生物的遺傳性狀, 使分離高產(chǎn)量的工程菌變的容易,簡化了生產(chǎn)過程;2、擴大了反應器范圍,從發(fā)酵罐發(fā)展到細胞、植物及動物個體天然生物反應器。3、 DNA重組技術對生物技術產(chǎn)生的影響(1DNA重組技術使得生物技術過程中生物轉化環(huán)節(jié)的優(yōu)化過程變得更為有效它所提供的方法不僅可以分離到那些高產(chǎn)量的微生物菌株,還可以人工制造高產(chǎn)量的菌株,原核生物細胞和真核細胞都可以作為生物工廠來生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長激素、病毒抗原等大量外源蛋白;DNA重組技術還可以簡化許多有用化合物和大分子的生產(chǎn)過程。(2植物和動物也可以作為天然的生物反應器,用來生產(chǎn)新的或改造過的基因產(chǎn)物3D

13、NA重組技術大大簡化了新藥的開發(fā)和檢測系統(tǒng)。DNA重組技術在很大程度上得益于分子生物學、細菌遺傳學和核酸酶學等領域的發(fā)展;反過來DNA重組技術的逐步成熟和發(fā)展對生命科學的許多其它領域都產(chǎn)生了革命性的影響,這些領域包括生物行為學、發(fā)育生物學、分子進化、細胞生物學和遺傳學等,從而使得生命科學日新月異,其進展一日千里,成為20世紀以來發(fā)展最快的學科之一。(4而受DNA重組技術的影響最為深刻的生物技術領域,迅速完成了從傳統(tǒng)生物技術向現(xiàn)代生物技術的飛躍轉變,從原來的一項鮮為人知的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)一躍而成為代表著21世紀的發(fā)展方向、具有遠大發(fā)展前景的新興學科和產(chǎn)業(yè)?；蚬こ膛c人類生活及經(jīng)濟發(fā)展關系密切是20世紀末

14、和21世紀初發(fā)展最為迅速的高新技術之一,使發(fā)酵、食品、輕工等傳統(tǒng)工業(yè)發(fā)生了深刻的革命,為解決人類的人口膨脹、食物短缺、能量匱乏、疾病防治和環(huán)境污染等問題帶來了新的希望;將對人類生活和健康、經(jīng)濟發(fā)展、社會進步產(chǎn)生巨大的影響20世紀80年代,現(xiàn)代生物技術的發(fā)展日新月異,一躍成為代表21世紀新技術的發(fā)展方向,并成為具有廣闊應用前景的新興學科與產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)生物技術已被現(xiàn)代生物技術所取代,當前生物技術一詞實質上已成為現(xiàn)代生物技術的簡稱。三. 生物技術的特點 (八高一低1、高水平:學科具有先進性,是知識、技術密集型產(chǎn)業(yè),處分子水平、新技術前沿。2、高綜合:跨學科專業(yè), 位多學科發(fā)展的交叉點上,涉及的行業(yè)多、

15、范圍廣。3、高投入:與其他技術比較, 在資金、人員、設備、試劑及研發(fā)上投資大。4、高競爭:各國、各行業(yè)、個單位之間,在技術、時效性,知識及人才上競爭激烈。5、高風險:上述原因造成一定風險,加上技術風險帶來高風險。6、高效益:應用性強, 有目的產(chǎn)品, 最易商業(yè)化。7、高智力:具有創(chuàng)新性和突破性, 可按人類需要定向改變和創(chuàng)造生物的遺傳特性,要求在人才、計劃、設計、工藝和產(chǎn)品上都要與眾不同。從認識、利用、再造階段上升到改造和創(chuàng)造階段。8、高控性:采用工程學手段,易自動化、程控化及連續(xù)化生產(chǎn)。9、低污染:生物技術以生物資源為對象, 生物資源具有再生性, 是再生資源。具有不受限制、污染小、周期短的優(yōu)點。

16、五、生物技術的內(nèi)容(1醫(yī)學生物技術(2藥學生物技術(3動物生物技術(4農(nóng)業(yè)生物技術(5海洋生物技術(6微生物生物技術注: 上述十項工程是國家科委規(guī)定統(tǒng)計的上報內(nèi)容,注意下述三個概念:上游工程:是生物技術的實驗室研究階段,應用基礎研究,產(chǎn)生新產(chǎn)品的源泉。中游工程:中游加工以生物反應器為中心,優(yōu)化和放大生產(chǎn)工藝。下游工程:是生物技術的擴大生產(chǎn),加工應用階段使新產(chǎn)品能達到三化:商品化、工程化、企業(yè)化,是效益階段遺傳工程 (原來的一種籠統(tǒng)概念,現(xiàn)已不用:其基本含義是指對不同來源的物質,人工體外操作,重新組合,定向改建,獲得具有新遺傳性狀的新物品之技術。對象包括:細胞、亞細胞、染色體、核酸分子、基因等,

17、 包括大部分上游工程。生物技術涉及的具體技DNA 重組技術,細胞培養(yǎng)及融合技術,抗體制備技術,干細胞培養(yǎng)及定向分化,顯微注射技術,動物飼養(yǎng)技術,轉基因技術,胚胎克隆,細胞及酶的固定化技術,發(fā)酵技術,生物反應器,蛋白質分離純化,生物大分子合成及純化,生物大分子修飾,生物物理、生物信息及其他相關領域技術。六、生物技術諸工程的內(nèi)容及種類 ( 十大工程 (一 基因工程(Gene engineering1、對象: 在核酸分子 (DNA或RNA 或基因上操作。2、定義-基因工程:基因工程是指在體外對DNA進行切割、拼接,使遺傳物質重新組合,經(jīng)載體轉移到細胞中擴增表達,獲得人類所需產(chǎn)品,或組建新生物類型的技

18、術。文獻上常見到DNA重組、分子克隆、基因克隆、遺傳工程等名詞與基因工程混用, 事實上主要內(nèi)容相似, 不同之處在于所突出的內(nèi)容有異。(二細胞工程(cell engineering1、對象:細胞在細胞水平上實現(xiàn)基因轉移或改變生物學性狀。2、定義:(1廣義細胞融合技術:在特定的條件下 (環(huán)境、融合技術, 使不同的細胞融合,獲得具有來自雙親代基因的雜交細胞, 雜交細胞的遣傳物質發(fā)生改變,達到改造物種,創(chuàng)建新種之目的。(2狹義淋巴細胞雜交瘤技術:骨髓瘤細胞+淋巴細胞融合(制備 McAb。(3現(xiàn)代概念:把廣義的概念擴展,細胞工程指在體外條件對細胞進行培養(yǎng)、繁殖,按人們的意愿改變細胞某些生物學特性,獲得有

19、用的產(chǎn)品或達到改良生物品種的技術。3、細胞工程包括(1細胞融合技術(2工程細胞移植, 即有目的地改造細胞遺傳特性后, 植入機體。(3細胞折合,(4染色體導入及細胞器導入技術,(5胚胎細胞植入。4、分類(1微生物細胞工程, 如原生質體融合, 試管菌。(2植物細胞工程,1978年培育出土豆西紅柿新物種。(3動物細胞工程, McAb。5、應用以McAb制備成績突出、診斷、治療(三 蛋白質工程(Protein engineering1、對象基因序列DNA分子中改造, 最終導致蛋白分子氨基酸序列改變。2、蛋白質工程定義用X衍射和晶體分析術了解蛋白質三維空間結構和功能關系基礎上,借用計算機和分子設計輔助技

20、術,在DNA分子水平上操作更換或改變其序列,達到改變蛋白質分子氨基酸序列,實現(xiàn)人為改變蛋白質分子形狀及功能,使之具有新遺傳學特性。3、核心蛋白質空間結構, DNA重組,人工定向改造蛋白質功能域構象,使得功能改變。這被稱為是生物技術發(fā)展的第二浪,如通過增加或減少人工二硫鍵、置換氨基酸等修飾技術,提高或改變活性多肽 (激素、酶、細胞因子 的穩(wěn)定性(四抗體工程(Antibody engineering 1、對象:Ig 基因2、定義抗體工程是指通過對抗體分子結構和功能關系的研究,有計劃地對抗體基因序列進行改造,改善抗體的某些功能的技術。在80年代初,抗體基因結構和功能的研究成果與重組DNA技術相結合,

21、產(chǎn)生了基因工程抗體技術?；蚬こ炭贵w即將抗體的基因按不同需要進行加工、改造和重新裝配,然后導入適當?shù)氖荏w細胞中進行表達的抗體分子。3、抗體工程的內(nèi)容(1完整抗體,及抗體的人源化(2完整抗體與抗體片段的藥代動力學比較(3改造抗體片段的多種特異性(4mRNA-蛋白質復合物庫(5抗體庫的構建、展示和篩選(6抗體的生產(chǎn)、穩(wěn)定性和表達水平(7噬菌體展示技術親和力成熟(8雙功能抗體(10細胞表面庫(9轉基因鼠(11骨架替換4、臨床應用(1中和病原體及抗病毒治療(2細胞內(nèi)抗體(3腫瘤治療與細胞補充療法(4疫苗應用(5用于未來診斷的生物傳感器和微矩陣技術(五 組織工程(Tissue engineering1、

22、對象:干細胞、組織和器官。2、定義:組織工程就是運用工程學和生命科學原理和方法,在了解正常和病理學組織結構與功能關系和生長機理的基礎上,研制生物學組織器官替代品,通過移植,達到重建、恢復、維持和改進組織功能學科。3、要點:(1依據(jù)正常組織結構、功能設計方案;(2選擇種子細胞培養(yǎng);（3） 選擇細胞外基質、生物支架材料； （4） 體外構建三維結構替代品； （5） 植入機體，替代病理組織。 4、應用：組織器官移植。 (六干細胞工程 (stem cell engineering 1、干細胞 干細胞是具有無限期產(chǎn)生各種分化細胞能力的細胞。它是各種干細胞的統(tǒng)稱。通常認為干 細胞有幾個主要特征 （1）未分化

23、的早期細胞； （2）具有分化成各種特定細胞的能力； （3）可無限地分裂增值，產(chǎn)生大量后裔; （4）其子細胞有兩種命運，保持為干細胞或分化為特定細胞。 (七 轉基因動物(亦稱: 胚胎工程 Transgenetic animal） 1、對象：胚胎早期細胞上實現(xiàn)基因轉移。 2、定義: 胚胎工程是指把新的遺傳信息 (DNA 序列 用特定技術導入胚胎早期受精卵, 經(jīng)發(fā)育后, 外 源遺傳信息分布到所有體細胞生殖細胞中去, 這種使動物帶有新遺傳信息的基因轉移技術稱胚胎工程。 所得動物稱轉基因動物 (Transgenetic animals， 或基因工程動物。 3、 過程:（1）提取人所需要蛋白質基因、cDN

24、A； （2）基因重組 (cDNA控制基因載體； （3） 分 離、 培養(yǎng)人工受精的卵細胞(如牛； 把重組體轉入到受精的卵細胞； 植入子宮 ,使之發(fā)育為個體(每 （4） （5） 一個體細胞均含有新的基因（6）活化植入新基因，使之表達 （如在乳腺中表達； （7） 提取目的基因表 達產(chǎn)物,進行驗證(定性、定量； （8） 進行安全性及臨床試驗 4、要點: （1）必須有外源新基因轉移, （2）在早期生殖細胞整合, （3）發(fā)育成新個體中有外源基 因正常表達, （4）可遺傳后代。 5、應用: （1）腫瘤發(fā)生、傳染病的動物模型, （2）新品種:新物種研究, （3）藥物生產(chǎn)、動物乳汁 中分泌有 tPA, IX 因

25、子, （4） 免疫機制研究。 (八 生物醫(yī)學工程 ( Biomedical engineering 1、對象: 人體 2、定義: 生物醫(yī)學工程是指從工程學角度研究人體結構、功能及生命現(xiàn)象, 為防治疾病提供新技術、新方 法、新儀器和新材料的科學。 3、內(nèi)容:（1）生物材料( 人造器官、起搏器的材料（2）康復工程（3）醫(yī)學成像( 超聲、CT、核磁（4） 生物傳感（5）監(jiān)護系統(tǒng)等。 (九 生物制藥化學制藥工程 (Biochemical pharmaceutical engineering 1、生產(chǎn)對象: 藥物( 活性多肽、酶、抗生素等 2、定義 (待確定: 生物制藥化學制藥工程是指利用現(xiàn)代生物技術,

26、 以生物反應器（微生物、動物 細胞、植物及動物個體） ，大規(guī)模地制備高純度的藥物。如基因工程藥物、同份異構體的拆分（利用 Abzyme 特異結合、特異地進行酶消化來完成）等。 （十） 酶工程 (Enzyme engineering 1、對象:酶分子修飾、生產(chǎn)應用和酶的固定化 2、定義:酶工程是指在給定的生產(chǎn)工藝和生物反應器中, 利用酶、細胞器或細胞所具有的特異催化功能， 或對酶進行修飾改造提高酶的轉化率, 把對應的原料高效地轉化成所需有用的物質之技術。 3、要點: 固定化酶、酶分子改造技術和酶反映器的設計是當前酶工程的重點。 近年把 酶電極生物傳感器也歸到酶工程范圍內(nèi)。如: 底物固定化酶化學信

27、號電信號人視覺控 制反應。 （十一）發(fā)酵工程 (Fermentation engineering 1、對象：微生物, 在常規(guī)發(fā)酵工藝上發(fā)展而成。有時也稱微生物工程。 2、定義:發(fā)酵工程是指利用微生物特定性狀（生長快、培養(yǎng)簡單和代謝過程特殊等）, 通過現(xiàn)代化工程技 術, 快速、連續(xù)生產(chǎn)人類所需物質的技術。 3、要點: 核心是提高產(chǎn)率, 過程包括: 菌種選育、生產(chǎn)、代謝產(chǎn)物的利用。 所用技術包括大規(guī)模懸浮培養(yǎng),細胞固定化, 產(chǎn)物分離提取。 4、應用: 藥物生產(chǎn)( 活性多肽、抗生素、單細胞蛋白生產(chǎn)、環(huán)境保護、微生物冶金技術。 (十二 生化工程(Biochemistry engineering 1、

28、對象: 生化反應器(反應環(huán)境與裝置， 產(chǎn)品的分離提純技術。 2、定義(待確定:生化工程是指為活細胞和酶提供適宜反應環(huán)境, 能大規(guī)模自動化生產(chǎn)、分離、精制出所 需產(chǎn)品的技術。 3、內(nèi)容包括: 生物反應器的設計、傳感器的制造、電泳、離心、層折、免疫層析等。這是下游工程的關 鍵一環(huán)。 注：1、十二大工程相互聯(lián)系, 相輔相成。上游中, 基因工程是基礎、核心, 通過它才能真正按人的意向通 過設計、改造、生產(chǎn)特定生物工程產(chǎn)品。下游工程中關鍵是發(fā)酵工程的生產(chǎn)和利用生化工程對產(chǎn)物進行提 純, 它們是生物技術產(chǎn)生效益的必要條件。其他工程相互配合,共同組成生物技術體系。 2、生物技術發(fā)展迅速, 任務內(nèi)容不斷豐富更

29、新，應密切關注。 第二節(jié) 生物技術的意義及應用 生物技術的應用領域很廣，可把生物技術分為： 醫(yī)學生物技術、植物生物技術、動物生物技術、食品 生物技術、環(huán)境生物技術和軍事生物技術等。生物技術應用的意義巨大，主要有以下幾個方面。 一、戰(zhàn)略意義 1、理論上: 生命學科飛躍, 步入按需改造和創(chuàng)造新生物時代，革命性變化。2、新技術 革命的重要支柱, 具巨大潛在力量, 不亞于原子裂變 和半導體的問世。3、 為解決人類面臨的重大問 題提供新途徑, 帶來了希望 (國外稱之為六大危機:（1）人口問題: A）節(jié)育: 藥、疫苗， B）優(yōu)生: 遺傳病基因治療。 （2） 糧食問題： 綠色革命,高產(chǎn)、優(yōu)質、抗病新品種 ，

30、單細胞蛋白, 農(nóng)藥、肥料。 （3） 能源、資源問題：生物電池、光合菌、乙醇生產(chǎn)、石油采集菌、生物冶煉。 （4）環(huán)境污染：石油、污水, 有 害金屬污染, 特嗜菌的構建。 （5）醫(yī)療保?。嚎顾ダ?、防治心血管病、瘧疾、傳染病、遺傳病。 （6）戰(zhàn)爭 等災害：生物戰(zhàn)劑、生物恐怖。 二、巨大經(jīng)濟效益, 明顯社會效益（幾個實例）1、美國生物技術產(chǎn)值達 500 億美元以上，單是藥物達 100 億美元。 估計到 2008 年， 美國生物技術產(chǎn)品銷售達 362 億美元以上。 1980´年代起, 生物技術長盛不衰， 2、 公司林立，美國達 2 000 多家。3、各國政府投資逐年增加，科研人員大量投入 (美

31、國數(shù)十萬人。 三、生物技術為人類新醫(yī)療保健開辟新紀元 1、是探索生命奧秘, 解開眾多遺傳之謎的工具。如中心法則的補充與生命起源的 RNA 假說, 通過產(chǎn)物表達 和蛋白功能分析, 發(fā)現(xiàn)與證實疾病基因(糖尿病的基因。 又如對癌癥發(fā)病機理研究, 除外因外, 還有內(nèi)因, （1）癌基因， （2）抗癌基因等。 2. 疾病診斷分子水平的診斷向更特異、敏感、快速、簡單、穩(wěn)定方向發(fā)展。如:（1）McAb 運用: ELISA、 IFA、ELA、RIA、蛋白質免疫診斷。 （2）核酸水平本質上診斷: REA、RFLP、核酸雜交、PCR。 （3）新儀器: 生 物傳感器、成像系統(tǒng)、 監(jiān)護康復系統(tǒng)等。 3、基因治療 從基因

32、水平上對疾病基因進行修復、替代。如基因工程構建病毒載體導入正?；蛑委熛忍?遺傳病。 4、疾病預防（1） 基因工程疫苗、多價疫苗, 安全、價低、易大量制。 （2）抗獨特型抗體疫苗, （3）多肽疫苗(表達。 四、為醫(yī)藥工業(yè)帶來革命新藥的設計與生產(chǎn) 1、大量生產(chǎn)生化藥物如基因工程生產(chǎn)的生長激素釋放抑制激素：9 升發(fā)酵液可得 50mg 純化產(chǎn)品，這和 從 50 萬頭羊腦組織中的提取物相當。 轉基因動物生產(chǎn) tPA 一個動物一個工廠， 放牧, 擠奶， 提取便可。 目前不包括抗生素在內(nèi)，研究基因工程藥物達 500 種，如許多活性多肽、激素、酶、細胞因子，尤其是后 者目前是熱門,研究 30 種,生產(chǎn)已有

33、19 種。 2、改造、促進抗生素工業(yè)除固定化酶、細胞技術, 包括對 酶的更新。例如: 基因工程可生產(chǎn)強有力的新?；? 可大量制備新抗生素(如頭孢毒素等。 3、 “生物導彈”藥物: McAb毒素蛋白、抗癌藥、 TNF、酶等。 Abzyme、特異結合酶切分解。 受體藥物“愛國者導 彈”: CD4 受體HIV 等。 4、超級藥物 人工設計、合成分子藥物:（1） 反義核酸、基因封條、阻止轉錄、翻譯,（2） 酶性 RNA (Ribozyme 切掉有害基因。 5、酶制劑基因工程 如: tPA(組織纖維蛋白溶酶原激活因子, 鏈激酶等。 五其他領域應用(簡略 1、農(nóng)業(yè) 第一次綠色革命是選育高產(chǎn)優(yōu)質良種，第二

34、次綠色革命則是利用農(nóng)業(yè)生物技術，通過改造和 創(chuàng)造，有目的獲得新良種、新產(chǎn)品。如具有“五抗” (抗病，抗蟲, 抗鹽堿，抗倒伏, 抗腐爛 新品種。 土豆西紅柿的產(chǎn)生，生物固氮、生物殺蟲除草劑研制、快速生長劑的開發(fā)等。 2、畜牧 良種、基因動物疫苗預防疾病，高科技飼料。 第三節(jié) 現(xiàn)代生物技術的商業(yè)化 （一） 現(xiàn)代生物技術商業(yè)化的前景 生物技術研究的最終目標是生產(chǎn)商業(yè)產(chǎn)品，因此，與很多科學研究不同，現(xiàn)代生物技術在某種程 度上是由經(jīng)濟的發(fā)展所推動的，商業(yè)投資不僅在支撐著現(xiàn)代生物技術的研究，而且對于商業(yè)回報的預期也 使人們在現(xiàn)代生物技術發(fā)展的早期階段積極地對它進行投資。 （二）現(xiàn)代生物技術商業(yè)化的特點 1

35、、 屬于典型的技術密集型產(chǎn)業(yè) 2、 市場迅速擴張 3、 世界各國均投入了巨額資金 4、 現(xiàn)代生物技術產(chǎn) 品不斷增加 5、 經(jīng)營現(xiàn)代生物技術產(chǎn)品的公司競爭激烈 6、 各生物技術公司的研究目標日趨集中，生產(chǎn)的 產(chǎn)品更加專一 7、 醫(yī)學生物技術產(chǎn)業(yè)化進程最快 三、人們對現(xiàn)代生物技術關心的問題 1、那些經(jīng)過基因工程改造的生物體是否會對其他的生物體或環(huán)境造成危害 2、使用和開發(fā)基因工程生物是 否會降低自然界的遺傳多樣性； 3、人是否也可以成為基因工程操作的對象； 4、基因診斷的程序會不會 侵犯個人隱私權； 5、那些經(jīng)過基因工程改造過的生物體可不可以變成私人擁有的財產(chǎn)； 6、對現(xiàn)代生物 技術的經(jīng)濟資助是否

36、會影響或限制其他重要技術的發(fā)展；7、強調(diào)商業(yè)的成功是不是意味著現(xiàn)代生物技術的 利益將只對富人有用而窮人卻用不起； 8、農(nóng)業(yè)生物技術是否會徹底改變傳統(tǒng)的耕作方式； 9、用現(xiàn)代生 物技術生產(chǎn)的藥物進行治療是否會壓抑同樣有效的傳統(tǒng)治療方式； 10、現(xiàn)代生物技術專利的申請是否會阻 止科學家之間自由的思想的交流，從而影響生物技術的發(fā)展。 第四節(jié) 現(xiàn)代生物技術與中國 雖然中國目前的現(xiàn)代生物技術研究和開發(fā)水平與發(fā)達國家相比仍有一定的差距， 但自 1986 年中國政府 開始實施生物技術領域“863”計劃以來，這一領域已經(jīng)取得了舉世矚目的成就。目前中國的生物技術水平 在亞洲地區(qū)已名列前茅，特別是中國的醫(yī)藥生物技術在過去的 10 幾年中取得了一系列突破性進展。 一、中國現(xiàn)代生物技術的應用成果 1、醫(yī)藥方面 （1） 現(xiàn)已投產(chǎn)生產(chǎn)了新型乙肝病毒表面抗原凝集診斷試劑， 丙肝病毒抗酶聯(lián)免疫試劑盒， 血糖酶試劑盒(糖 尿病、尿酸酶試劑盒(腎病、谷丙轉氨酶試劑盒(肝炎、谷草轉氨酶試劑盒(心肌梗塞、甘油三酯酶試劑 盒(心血管病等多種診斷試劑，并形成了中國自己的新型診斷試劑工業(yè)。 （2）在現(xiàn)代生物技術生產(chǎn)藥物方面，中國已成功生產(chǎn)了重組乙肝疫苗，人干擾素、人紅細胞生成素，堿性 成纖維細胞生長因子(bFGF、鏈激酶(RSK等多種藥物(表 1-4，而且在某些領域已經(jīng)