細胞工程-第一章-緒論

1、細胞工程第一章 細胞工程簡介細胞工程簡介第一節(jié)第一節(jié) 生物工程生物工程 也稱生物工藝學(xué)，一般稱為生物技術(shù)。也稱生物工藝學(xué)，一般稱為生物技術(shù)。 以生命科學(xué)為基礎(chǔ)，以生命科學(xué)為基礎(chǔ)，利用利用生物體系生物體系和和工程學(xué)工程學(xué)原理原理生產(chǎn)生產(chǎn)生物制品生物制品和和創(chuàng)造新物種創(chuàng)造新物種的一門綜合的一門綜合技術(shù)。技術(shù)。 換言之，就是利用生物有機體（從微生物直換言之，就是利用生物有機體（從微生物直至高等動物）或其組成部分（器官組織細胞）至高等動物）或其組成部分（器官組織細胞）發(fā)展新工藝或制造新產(chǎn)品的一種科學(xué)技術(shù)。發(fā)展新工藝或制造新產(chǎn)品的一種科學(xué)技術(shù)。1. 1.生物工程的發(fā)展歷程生物工程的發(fā)展歷程第一代生物工程

2、第一代生物工程40004000年前年前 釀酒釀酒1674 1674 顯微鏡顯微鏡 列文虎克發(fā)現(xiàn)微生物列文虎克發(fā)現(xiàn)微生物 清康熙十九年清康熙十九年古代的中國是怎么釀酒 蒸煮糧食，蒸煮糧食，是中國人釀酒的第一道程序，糧食拌入酒曲，經(jīng)過是中國人釀酒的第一道程序，糧食拌入酒曲，經(jīng)過蒸煮后，更有利于發(fā)酵，蒸煮后，更有利于發(fā)酵， 在傳統(tǒng)工藝中，半熟的糧食出鍋后，要鋪撒在地面上，這是釀在傳統(tǒng)工藝中，半熟的糧食出鍋后，要鋪撒在地面上，這是釀酒的第二道程序，也就是攪拌、配料、堆積和前期發(fā)酵的過酒的第二道程序，也就是攪拌、配料、堆積和前期發(fā)酵的過程。晾曬糧食的地面有一個專門的名字，程。晾曬糧食的地面有一個專門的名

3、字，叫晾堂叫晾堂。 酒窖，酒窖，內(nèi)壁和底部都用純凈的黃泥土涂抹，窖泥厚度內(nèi)壁和底部都用純凈的黃泥土涂抹，窖泥厚度8厘米到厘米到25厘米不等。厘米不等。 酒窖里進行的是釀酒的第三道程序，對原料進酒窖里進行的是釀酒的第三道程序，對原料進行行后期發(fā)酵。后期發(fā)酵。 經(jīng)過窖池發(fā)酵老熟的酒母，經(jīng)過窖池發(fā)酵老熟的酒母，酒精濃度還很低，需要經(jīng)進一步的酒精濃度還很低，需要經(jīng)進一步的蒸餾和冷凝，才能得到較高酒精濃度的白酒，傳統(tǒng)工藝采用俗蒸餾和冷凝，才能得到較高酒精濃度的白酒，傳統(tǒng)工藝采用俗稱天鍋的蒸餾器來完成。稱天鍋的蒸餾器來完成。 在基座上架著巨大的天鍋，天鍋分上下兩層，下面的鍋里裝在基座上架著巨大的天鍋，天鍋

4、分上下兩層，下面的鍋里裝酒母，上面的鍋里裝冷水，基座上柴火旺盛，蒸煮酒母，含有酒母，上面的鍋里裝冷水，基座上柴火旺盛，蒸煮酒母，含有酒精的氣體被上面的冷水冷卻，凝成液體，從管道流出，酒精的氣體被上面的冷水冷卻，凝成液體，從管道流出，這就這就是蒸餾酒是蒸餾酒。 清朝咸豐年間清朝咸豐年間(18501861) 證實酒精發(fā)酵是由活酵母引起的，其他發(fā)酵產(chǎn)物也是證實酒精發(fā)酵是由活酵母引起的，其他發(fā)酵產(chǎn)物也是由不同微生物的作用而形成。由不同微生物的作用而形成。大多數(shù)是嫌氣發(fā)酵過程的產(chǎn)物，產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)大多數(shù)是嫌氣發(fā)酵過程的產(chǎn)物，產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)比較簡單，屬于初級代謝產(chǎn)物，同時生產(chǎn)過程也構(gòu)比較簡單，屬于初級代謝產(chǎn)

5、物，同時生產(chǎn)過程也比較簡單，對設(shè)備的要求不高，規(guī)模不大。比較簡單，對設(shè)備的要求不高，規(guī)模不大。這期間的現(xiàn)代生物技術(shù)以及產(chǎn)品的特點是運用這期間的現(xiàn)代生物技術(shù)以及產(chǎn)品的特點是運用了了DNADNA重組技術(shù)，產(chǎn)品有：重組技術(shù)，產(chǎn)品有：干擾素，胰島素，生長激素及其相關(guān)因子，淋巴細胞活素，血纖維蛋白溶解劑，疫苗，胸腺素，白蛋白，血因子，促紅細胞生長素，促血小板生長素，降血鈣素，絨帽促性腺激素，抗血友病因子，乙型肝炎疫苗，以及氨基酸，食品加工酶，單細胞蛋白，生物殺蟲劑，生物殺菌劑，生物完全降解塑料等等。等等。其中最具代表性生物技術(shù)產(chǎn)品為其中最具代表性生物技術(shù)產(chǎn)品為轉(zhuǎn)基因生物和轉(zhuǎn)基因生物和克隆動物克隆動物。目

6、前，美國。目前，美國4040以上的農(nóng)田種植了以上的農(nóng)田種植了經(jīng)過基因改良的作物。我國批準(zhǔn)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)基因經(jīng)過基因改良的作物。我國批準(zhǔn)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)基因作物為棉花和番木瓜。作物為棉花和番木瓜。19961996年年7 7月英國成功采月英國成功采用成體體細胞克隆出綿羊多莉更是一項里程碑用成體體細胞克隆出綿羊多莉更是一項里程碑的現(xiàn)代生物工程成果。的現(xiàn)代生物工程成果?，F(xiàn)代生物工程的特點和組成生物工程與生物學(xué)生物工程與生物學(xué), ,化學(xué)等基化學(xué)等基礎(chǔ)理論科學(xué)的區(qū)別顯而易見礎(chǔ)理論科學(xué)的區(qū)別顯而易見, ,后者主要為前者提供某種生后者主要為前者提供某種生物產(chǎn)品的制造的理論支撐。物產(chǎn)品的制造的理論支撐。生物工程操作的對象是有

7、生生物工程操作的對象是有生命的物質(zhì)命的物質(zhì), ,這是與化學(xué)工程等這是與化學(xué)工程等其他工程類學(xué)科最明顯的不其他工程類學(xué)科最明顯的不同。同。202.生物技術(shù)的組成生物技術(shù)的組成發(fā)酵工程發(fā)酵工程酶工程酶工程蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程基因工程基因工程生化工程生化工程細胞工程細胞工程 現(xiàn)代發(fā)酵工程主要指利用微現(xiàn)代發(fā)酵工程主要指利用微生物、生物、包括利用包括利用DNADNA重組技重組技術(shù)改造的微生物在全自動發(fā)術(shù)改造的微生物在全自動發(fā)酵罐或生物反應(yīng)器中生產(chǎn)某酵罐或生物反應(yīng)器中生產(chǎn)某種商品的技術(shù)。種商品的技術(shù)。 現(xiàn)代發(fā)酵工程現(xiàn)代發(fā)酵工程是生物代謝、是生物代謝、微生物生長動力學(xué)、大型發(fā)微生物生長動力學(xué)、大型發(fā)酵罐或生

8、物反應(yīng)器研制、化酵罐或生物反應(yīng)器研制、化工原理等密切結(jié)合和應(yīng)用的工原理等密切結(jié)合和應(yīng)用的結(jié)果。結(jié)果。a.發(fā)酵工程b.酶酶 工工 程程 酶可特定地促成某個化學(xué)反應(yīng)而他們本身卻不參與酶可特定地促成某個化學(xué)反應(yīng)而他們本身卻不參與反應(yīng)，具有反應(yīng)效率高，反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)，具有反應(yīng)效率高，反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)產(chǎn)物污染小，能耗低，反應(yīng)容易控制等特點。污染小，能耗低，反應(yīng)容易控制等特點。 酶工程就是利用酶的催化作用，采用適當(dāng)?shù)纳锓疵腹こ叹褪抢妹傅拇呋饔?，采用適當(dāng)?shù)纳锓磻?yīng)器工業(yè)化地生產(chǎn)人類所需的產(chǎn)品或是達到某一特應(yīng)器工業(yè)化地生產(chǎn)人類所需的產(chǎn)品或是達到某一特殊目的的一門生物工程技術(shù)。殊目的的一門生

9、物工程技術(shù)。 酶工程開發(fā)生產(chǎn)的酶主要酶工程開發(fā)生產(chǎn)的酶主要6大類，氧化還原酶，轉(zhuǎn)移大類，氧化還原酶，轉(zhuǎn)移酶，水解酶，裂解酶，連接酶，異構(gòu)酶。酶，水解酶，裂解酶，連接酶，異構(gòu)酶。蔗糖轉(zhuǎn)葡糖基酶蔗糖轉(zhuǎn)葡糖基酶酶工程的研究和應(yīng)用范圍包括：酶工程的研究和應(yīng)用范圍包括：天然酶的分離純化以及鑒定和生產(chǎn)天然酶的分離純化以及鑒定和生產(chǎn)酶的固定化酶的固定化酶生物反應(yīng)器的研制和應(yīng)用酶生物反應(yīng)器的研制和應(yīng)用基因工程水平上的蛋白質(zhì)改造：基因工程水平上的蛋白質(zhì)改造：通過基因融合或通過基因融合或基因定位誘變等手段改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能；將基因定位誘變等手段改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能；將DNA合成技術(shù)用于蛋白質(zhì)功能片斷多肽基因

10、的合合成技術(shù)用于蛋白質(zhì)功能片斷多肽基因的合成，可創(chuàng)造結(jié)構(gòu)和功能全新的蛋白質(zhì)。成，可創(chuàng)造結(jié)構(gòu)和功能全新的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)修飾：蛋白質(zhì)修飾：對蛋白質(zhì)分子進行化學(xué)修飾，提高對蛋白質(zhì)分子進行化學(xué)修飾，提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性或催化能力，或更適合酶固定化而蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性或催化能力，或更適合酶固定化而用于實踐。還可延長蛋白質(zhì)藥物的生物半衰期，改用于實踐。還可延長蛋白質(zhì)藥物的生物半衰期，改變其免疫原性，提高對蛋白酶的抗性。變其免疫原性，提高對蛋白酶的抗性。c. c.蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程“后基因組時代”將是“蛋白質(zhì)組學(xué)時代”，即從對基因信息的研究轉(zhuǎn)向?qū)Φ鞍踪|(zhì)信息的研究，包括研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能與應(yīng)用及蛋白質(zhì)相互關(guān)系和

11、作用。蛋白質(zhì)工程就是在對蛋白質(zhì)的化學(xué)、晶體學(xué)、動力學(xué)等結(jié)構(gòu)與功能認(rèn)識的基礎(chǔ)上，對蛋白質(zhì)人工改造與合成，最終獲得商業(yè)化的產(chǎn)品?；蚬こ淌歉鶕?jù)分子生物學(xué)和遺傳學(xué)原理，基因工程是根據(jù)分子生物學(xué)和遺傳學(xué)原理，設(shè)計并實施一項把設(shè)計并實施一項把一個生物體中有用的目一個生物體中有用的目的的DNA(DNA(遺傳信息遺傳信息) )轉(zhuǎn)入另一個生物體中轉(zhuǎn)入另一個生物體中，使后者獲得新的需要的遺傳性狀或表達所使后者獲得新的需要的遺傳性狀或表達所需要的產(chǎn)物需要的產(chǎn)物，最終實現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)價值。最終實現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)價值。d.基因工程e.生化工程生化工程生物化學(xué)工程是由生物科學(xué)與化學(xué)工程相結(jié)合生物化學(xué)工程是由生物科學(xué)與化學(xué)

12、工程相結(jié)合的交叉學(xué)科，的交叉學(xué)科，主要研究將生物技術(shù)的實驗室研主要研究將生物技術(shù)的實驗室研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力過程帶有共性的工程技術(shù)究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力過程帶有共性的工程技術(shù)問題，問題，是生物技術(shù)的一個重要組成部分。是生物技術(shù)的一個重要組成部分。早期的生物化學(xué)工程曾經(jīng)為發(fā)酵和酶反應(yīng)過程早期的生物化學(xué)工程曾經(jīng)為發(fā)酵和酶反應(yīng)過程的產(chǎn)品迅速發(fā)展做出杰出貢獻。的產(chǎn)品迅速發(fā)展做出杰出貢獻。20世紀(jì)世紀(jì)80年代后，生物化學(xué)工程則主要轉(zhuǎn)向為年代后，生物化學(xué)工程則主要轉(zhuǎn)向為基因工程，細胞工程等現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的產(chǎn)基因工程，細胞工程等現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化服務(wù)。業(yè)化服務(wù)。今后生物化學(xué)工程重點研究方向大致包括以下今

13、后生物化學(xué)工程重點研究方向大致包括以下4 4個方面：個方面：1 1、新型生物反應(yīng)器系統(tǒng)以及相關(guān)培養(yǎng)和放大技、新型生物反應(yīng)器系統(tǒng)以及相關(guān)培養(yǎng)和放大技術(shù)術(shù), ,工藝的研究與開發(fā)工藝的研究與開發(fā); ;2 2、新型分離方法和設(shè)備的研究開發(fā)、新型分離方法和設(shè)備的研究開發(fā); ; 3 3、描述生物反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型的建立、描述生物反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型的建立; ;4 4、生產(chǎn)過程在線檢測和控制手段的完善、生產(chǎn)過程在線檢測和控制手段的完善. .37第二節(jié)第二節(jié) 細胞工程細胞工程 多核細胞發(fā)現(xiàn)多核細胞發(fā)現(xiàn) 植物學(xué)：植物學(xué)： 1902年德國植物學(xué)家年德國植物學(xué)家 發(fā)現(xiàn)植物細胞全能性。發(fā)現(xiàn)植物細胞全能性。 1934年生

14、長素發(fā)現(xiàn)年生長素發(fā)現(xiàn) 1937年離體培養(yǎng)胡蘿卜組織，并使細胞增殖年離體培養(yǎng)胡蘿卜組織，并使細胞增殖 1960年年 原生質(zhì)體制備原生質(zhì)體制備 1972年體細胞雜種植株年體細胞雜種植株 動物學(xué)動物學(xué) 1907年年 培養(yǎng)蛙胚神經(jīng)組織培養(yǎng)蛙胚神經(jīng)組織 1965年年 動物細胞融合誘導(dǎo)動物細胞融合誘導(dǎo)1. 1.細胞工程的發(fā)展歷史細胞工程的發(fā)展歷史 細胞工程發(fā)展到今天，人們借助于細胞工程技術(shù)細胞工程發(fā)展到今天，人們借助于細胞工程技術(shù)可以把生命像積木那樣組裝起來，進行細胞水平可以把生命像積木那樣組裝起來，進行細胞水平上的生命組合。上的生命組合。 一只老鼠有一只老鼠有3個父親、個父親、4個母親，而且還都是絕對個

15、母親，而且還都是絕對有有“血緣血緣”關(guān)系的。這些聽起來有些令人難以置關(guān)系的。這些聽起來有些令人難以置信，但科學(xué)家已經(jīng)將它變成了現(xiàn)實。這是細胞工信，但科學(xué)家已經(jīng)將它變成了現(xiàn)實。這是細胞工程在動物身上取得的一次成功試驗。程在動物身上取得的一次成功試驗。 1977年英國采用胚胎工程技術(shù)培育出世界首例試年英國采用胚胎工程技術(shù)培育出世界首例試管嬰兒；管嬰兒； 1997年英國利用成年動物體細胞年英國利用成年動物體細胞 克隆出綿羊多莉?？寺〕鼍d羊多莉。 2001年培育出轉(zhuǎn)基因克隆豬。年培育出轉(zhuǎn)基因克隆豬。412 主要研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容對象：對象： 微生物，植物，動物微生物，植物，動物技術(shù)：技術(shù)： 融合，拆

16、合，染色體導(dǎo)入，胚胎融合，拆合，染色體導(dǎo)入，胚胎和細胞核移植和細胞核移植水平：水平：細胞，組織，細胞器，基因細胞，組織，細胞器，基因 動植物細胞與組織培養(yǎng)動植物細胞與組織培養(yǎng)細胞融合細胞融合染色體工程染色體工程胚胎工程胚胎工程細胞遺傳工程細胞遺傳工程 隨著細胞生物學(xué)，分子生物學(xué)，遺傳學(xué)等隨著細胞生物學(xué)，分子生物學(xué)，遺傳學(xué)等學(xué)科發(fā)展核研究的日益深入，細胞工程近年學(xué)科發(fā)展核研究的日益深入，細胞工程近年來得到快速的發(fā)展，以及成為現(xiàn)代生物工程來得到快速的發(fā)展，以及成為現(xiàn)代生物工程的一個重要代表性領(lǐng)域，具體而言，細胞工的一個重要代表性領(lǐng)域，具體而言，細胞工程的一些研究領(lǐng)域包括：程的一些研究領(lǐng)域包括：a.

17、動植物細胞與組織培養(yǎng)動植物細胞與組織培養(yǎng) 該技術(shù)最顯著的價值在于優(yōu)良植物的快速繁育該技術(shù)最顯著的價值在于優(yōu)良植物的快速繁育與代謝產(chǎn)物的大量制備方面。與代謝產(chǎn)物的大量制備方面。 動植物細胞與組織培養(yǎng)可分為三個層次上的培動植物細胞與組織培養(yǎng)可分為三個層次上的培養(yǎng)：養(yǎng)：細胞培養(yǎng)，組織培養(yǎng)和器官培養(yǎng)。細胞培養(yǎng)，組織培養(yǎng)和器官培養(yǎng)。 以工業(yè)生產(chǎn)為目的細胞培養(yǎng)不受氣候季節(jié)限制，以工業(yè)生產(chǎn)為目的細胞培養(yǎng)不受氣候季節(jié)限制，可以大量培養(yǎng)細胞獲得藥物和其他有用物質(zhì)可以大量培養(yǎng)細胞獲得藥物和其他有用物質(zhì)，無論在生物學(xué)基礎(chǔ)研究，還是生產(chǎn)實踐中都發(fā)無論在生物學(xué)基礎(chǔ)研究，還是生產(chǎn)實踐中都發(fā)揮著越來越大的作用。揮著越來越大

18、的作用。45 b. 細胞融合細胞融合采用自然或人工的方法使兩個或幾個不同細胞采用自然或人工的方法使兩個或幾個不同細胞（或原生質(zhì)體）融合為一個細胞，用于產(chǎn)生新的（或原生質(zhì)體）融合為一個細胞，用于產(chǎn)生新的物種或品系及產(chǎn)生單克隆抗體。物種或品系及產(chǎn)生單克隆抗體。46c. 染色體工程染色體工程47 染色體工程是按照人們的需要來添加，削減染色體工程是按照人們的需要來添加，削減或替換生物的染色體的一種技術(shù)?；蛱鎿Q生物的染色體的一種技術(shù)。 染色體工程技術(shù)最大的價值體現(xiàn)在染色體工程技術(shù)最大的價值體現(xiàn)在新品種的新品種的選育選育，主要是，主要是單倍體和多倍體單倍體和多倍體育種方法，育種方法， 四倍體小麥，八倍體小

19、黑麥四倍體小麥，八倍體小黑麥等。等。4951d.d.胚胎工程胚胎工程 這項技術(shù)主要對哺乳動物的胚胎進行某種人為的工這項技術(shù)主要對哺乳動物的胚胎進行某種人為的工程技術(shù)操作獲得人們所需要的成體動物。程技術(shù)操作獲得人們所需要的成體動物。 胚胎工程采用的新技術(shù)包括胚胎工程采用的新技術(shù)包括胚胎分割技術(shù)，胚胎融胚胎分割技術(shù)，胚胎融合技術(shù)，卵核移植技術(shù)，體外受精技術(shù)，胚胎培養(yǎng)，合技術(shù)，卵核移植技術(shù)，體外受精技術(shù)，胚胎培養(yǎng)，胚胎移植，以及性別鑒定技術(shù)，胚胎冷凍技術(shù)等胚胎移植，以及性別鑒定技術(shù)，胚胎冷凍技術(shù)等。 胚胎工程的最成功的應(yīng)用領(lǐng)域體現(xiàn)在胚胎工程的最成功的應(yīng)用領(lǐng)域體現(xiàn)在畜牧業(yè)畜牧業(yè)，主要，主要是胚胎移植技

20、術(shù)進行優(yōu)良品種的是胚胎移植技術(shù)進行優(yōu)良品種的快速繁殖快速繁殖和和胚胎保胚胎保存存。 對于人類，對于人類，試管嬰兒培育技術(shù)試管嬰兒培育技術(shù)也為人類做出了貢獻。也為人類做出了貢獻。e.細胞遺傳工程細胞遺傳工程 主要包括主要包括克隆和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，克隆和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，前者主要是指前者主要是指無無性繁殖性繁殖，如動物克隆是指由一個動物經(jīng)無性繁，如動物克隆是指由一個動物經(jīng)無性繁殖而產(chǎn)生的遺傳性狀完全相同的后代個體。殖而產(chǎn)生的遺傳性狀完全相同的后代個體。 后者是指將后者是指將外源基因整合到生物體內(nèi)外源基因整合到生物體內(nèi)，得到穩(wěn)得到穩(wěn)定表達，并使該基因能穩(wěn)定地遺傳給后代的實定表達，并使該基因能穩(wěn)定地遺傳給后代的實驗技術(shù)驗技術(shù)，是改變物質(zhì)遺傳性狀的有效途徑。，是改變物質(zhì)遺傳性狀的有效途徑。3.細胞工程重要應(yīng)用細胞工程重要應(yīng)用當(dāng)今，細胞工程已經(jīng)稱為生物學(xué)家手中經(jīng)常應(yīng)用的當(dāng)今，細胞工程已經(jīng)稱為生物學(xué)家手中經(jīng)常應(yīng)用的技術(shù)之一。并已經(jīng)成為生物工程的重要組成部分技術(shù)之一。并已經(jīng)成為生物工程的重要組成部分和主導(dǎo)領(lǐng)域之一，涉及面及其廣泛，在許多領(lǐng)域和主導(dǎo)領(lǐng)域之一，涉及面及其廣泛，在許多領(lǐng)域都有非常重要的應(yīng)用價值，并且已經(jīng)取得了