《海洋生物技術》第一章緒論

海洋生物技術河北農業(yè)大學海洋學院海洋科學系李代宗

TEL-mail:lidaizong@126.comMarineBiotechnology2/3/2023內容提要海洋生物技術，是利用海洋生物或其組成部分，生產有用的生物產品、定向改良海洋生物遺傳特性的綜合性技術。研究內容主要以海洋生物為對象，綜合應用基因工程、細胞操作技術和細胞培養(yǎng)技術等手段，對海洋生物資源進行研究、開發(fā)利用和保護。課程目的和要求通過本課程的學習，使學生從宏觀角度了解整個海洋生物技術科學領域的基本知識、研究內容和研究前沿，力求使學生掌握海洋生物技術的基本技術和方法，了解該學科的最新科研進展，為學生將來能夠在生物工程、海洋生物技術或相關領域從事工作和科研打下堅實的基礎。教材：自編講義參考資料：范曉等，海洋生物技術新進展，海洋出版社，1999王長海等，海洋生物技術研究進展，化學出版社，2005童裳亮，海洋生物技術，海洋出版社，2003現(xiàn)代生物技術,瞿禮嘉主編,高等教育出版社，2004Google&百度（引用圖片）教材和參考書本課程學習目標掌握基因工程操作的基本原理；掌握細胞工程操作的基本原理；掌握并熟悉生物技術在海洋生物中的應用。第一章海洋生物技術概論本章重點提示生物技術的概念、內容生物技術的特點和重要性海洋生物技術的定義及其研究內容

第一節(jié)

現(xiàn)代生物技術概述

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。遺傳密碼蛋白質三維結構基因轉錄線性多肽鏈

（無功能活性）翻譯生命活動的分子基礎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。結構與功能分子生物學、分子遺傳學：20世紀生物學的主流

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80年代誕生了生物技術(Biotechnology)這門新學科。生物技術學科的地位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)一起已成為新產業(yè)革命三大支柱；陽光技術，朝陽產業(yè)，黃金工程，倍受世界各國重視。21世紀是生命科學的世紀，生物技術將成為21世紀高技術革命的核心內容。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)產業(yè)的技術改造和新產業(yè)的形成，對人類社會生活產生深遠的革命性影響；生物技術正迅速走向老百姓日常生活各個方面,將對人類的發(fā)展做出貢獻。

一.生物技術的定義與內涵

生物技術(Biotechnology,BT),

又稱為生物工程（bioengineering),

現(xiàn)統(tǒng)一稱:生物技術。1.生物技術定義傳統(tǒng)定義：應用生物科學及工程學原理，依靠生物體系作為反應器，將物料進行加工改造，獲得人類所需產品的技術?，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，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,產生對人類有用的新產品(或達到某種目的)的綜合性科學技術。2.要點:

①

對象是具遺傳特性的生命類物質:包括病毒、細菌、植物、動物以及人類。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:經人類思維,設計方案、定向修飾、加工制作過程、經過體外環(huán)節(jié)。④

有目的產品:目的產品有三新特征: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)、農業(yè)、醫(yī)療和食品產品。⑤高新技術起重要作用。二.生物技術的產生與發(fā)展

生物技術發(fā)展的兩個階段：

傳統(tǒng)生物技術?，F(xiàn)代生物技術兩個階段。

傳統(tǒng)生物技術

傳統(tǒng)生物技術的發(fā)展（經典+近代）一千多年前,人類用發(fā)酵的方法制備酒、醋、醬及食品等,此階段屬于生物技術的經驗階段。19世紀人們意識地大規(guī)模利用酵母發(fā)酵，并形成產業(yè)。20世紀初，提出生物技術這一概念。1928年，青霉素的發(fā)現(xiàn)使生物技術從單純的食品、飼料制備擴展到抗生素產品，該產業(yè)至今長盛不衰。20世紀50年代和60年代，生物技術擴展到氨基酸發(fā)酵和酶制劑工業(yè)。

傳統(tǒng)生物技術的特點：①主要通過微生物初級發(fā)酵獲得產品，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，也沒有產生新的遺傳性狀。③生產過程簡單，上游主要是微生物的發(fā)酵培養(yǎng)及產品轉化，通過誘變選育良種；下游主要對產品進行純化。④生產周期長，費用高，產量低，效率差。2.現(xiàn)代生物技術

自1953年起，分子遺傳學開始興起并迅速發(fā)展，①DNA轉移和重組工程（基因重組技術）②有性繁殖，轉基因技術

③無性繁殖，克隆技術細胞工程；轉基因藥物；轉基因動植物。

改變生物的遺傳性狀

擴大反應器范圍

特別是DNA重組技術可以：使分離高產量的工程菌變的容易，簡化了生產過程。從發(fā)酵罐擴展到細胞、植物及動物個體等天然生物反應器?，F(xiàn)代生物技術的四大支柱20世紀未，隨著計算生物學、化學生物學與合成生物學的興起，發(fā)展了系統(tǒng)生物技術（systemsbiotechnology），包括生物信息技術、納米生物技術與合成生物技術等。

基因工程核心和關鍵、主導技術

細胞工程基礎

酶工程條件

發(fā)酵工程產品獲得手段

生化工程分離、純化、衍生……三.生物技術的特點(八高一低)高水平：即學科具有先進性，是知識、技術密集型產業(yè),處分子水平、新技術前沿。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、范圍廣。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。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。

高風險：上述原因造成一定風險，加上技術風險帶來高風險。

高效益,

應用性強,有目的產品,易商業(yè)化。

如干擾素的投入雖然高達數(shù)百萬美元,但產值數(shù)年達30億美元,用于治病將產生巨大經濟和社會效益。生物技術在解決人類面臨眾多難題上是沒有任何產業(yè)可比的。

美國生物制藥產品種類及數(shù)量疾病種類產品數(shù)量疾病種類產品數(shù)量感染性疾病39心臟病26神經系統(tǒng)疾病28呼吸系統(tǒng)疾病22艾滋病及相關疾病19自主免疫系統(tǒng)疾病19皮膚病19移植13消化系統(tǒng)疾病11遺傳疾病11血液疾病9糖尿病及并發(fā)癥7不育癥5眼病3生長發(fā)育不良癥3骨質疏松2妊娠預防2腫瘤疾病175

基因工程試劑的高回報堿性成纖維細胞生長因子231元/ug紅細胞生成素1072元/ug白細胞介素-2410元/ug巨細胞粒細胞集落刺激因子1960元/ug胰島素10.2元/mg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。高控性：采用工程學手段，易自動化、程控化及連續(xù)化生產。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。美國生物技術產業(yè)發(fā)展情況

四.生物技術與

諸學科關系

五.生物技術的內容

醫(yī)學生物技術

藥學生物技術

動物生物技術

農業(yè)生物技術

海洋生物技術

微生物生物技術

①上游工程:

是生物技術的實驗室基礎研究階段。②下游工程:

是生物技術的擴大生產,加工應用階段,使產品能達到三化:商品化、工程化、企業(yè)化,是效益階段。生物技術的上、中、下游上游工程：實驗室研究和開發(fā)階段，包括基因、細胞、干細胞、轉基因生物、組織工程等獲得優(yōu)良菌株、細胞系或固定化的菌體等。中游工程：中游加工以生物反應器為中心，優(yōu)化和放大生產工藝。下游工程：從反應液中提取目的產物，加工精制成合格產品。生物技術涉及的具體技術包括:

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

的內容及種類

(十大工程)(一)

基因工程

(Geneengineering)1.對象:

在核酸分子(DNA或RNA)或基因上操作。2.定義:

在體外對DNA進行切割、拼接,使遺傳物質重新組合,經載體轉移到細胞中擴增表達,獲得人類所需產品,或組建新生物類型的技術。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,事實上主要內容相似,不同之處在于所突出的內容有異。

目的基因基因載體重組體分切接轉篩表總體技術路線(二)細胞工程

(cellengineering)

1.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）

(2)狹義（淋巴細胞雜交瘤技術）

骨髓瘤細胞＋淋巴細胞融合(制備單克隆抗體，McAb)。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,雜交細胞的遺傳物質發(fā)生改變,達到改造物種、創(chuàng)建新種的目的。

(3)現(xiàn)代概念:

將廣義的概念延展,

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，獲得有用的產品或達到改良生物品種的技術。

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細胞拆合；④染色體導入及細胞器導入技術；⑤胚胎細胞植入。

3.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，如1978年培育出土豆西紅柿新物種。③動物細胞工程,單克隆抗體制備技術。

4.應用:

單克隆抗體制備成績突出,

診斷、治療。細胞工程授體基因(大腸桿菌)(干擾素基因)受體基因重組基因植入受體細胞核(大腸桿菌，酵母菌)發(fā)酵分離生物藥劑（干擾素、胰島素等）廢液

(三)蛋白質工程

(Proteinengineering)1.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.定義:

在利用X衍射和晶體分析技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,從而改變蛋白質分子形狀及功能,使之具有新遺傳學特性。

(四）抗體工程（Antibodyengineering）1.對象：免疫球蛋白（Ig）基因2.定義：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。如基因工程抗體技術。

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，產生了基因工程抗體技術。基因工程抗體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.抗體工程的內容完整抗體，及抗體的人源化

完整抗體與抗體片段的藥代動力學比較

改造抗體片段的多種特異性

雙功能抗體

抗體庫的構建、展示和篩選

噬菌體展示技術

mRNA-蛋白質復合物庫

細胞表面庫

轉基因鼠

抗體的生產、穩(wěn)定性和表達水平

親和力成熟

骨架替換

臨床應用中和病原體及抗病毒治療細胞內抗體腫瘤治療與細胞補充療法疫苗應用用于未來診斷的生物傳感器和微矩陣技術(五)組織工程

(Tissueengineering)

1.對象：干細胞、組織和器官。

2.定義：

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

(stemcellengineering)干細胞是一類具有自我復制能力的多潛能細胞，在一定條件下，可以分化成多種功能細胞。根據(jù)干細胞所處的發(fā)育階段分為胚胎干細胞和成體干細胞。根據(jù)干細胞的發(fā)育潛能分為三類：全能干細胞、多能干細胞和單能干細胞。干細胞的主要特征：

未分化的早期細胞；具有分化成各種特定細胞的能力；可無限地分裂增值，產生大量后裔;

其子細胞有兩種命運，保持為干細胞或分化為特定細胞。供卵母羊供體細胞羊卵子體細胞體細胞核去核卵子植入受體去核卵中克隆羊多莉外源核卵子植入代育母羊子宮發(fā)育、成長、降生克隆技術

(七)轉基因動物(亦稱:胚胎工程Transgeneticanimal）1.對象:

胚胎早期細胞上實現(xiàn)基因轉移。受體基因（乳腺基因）授體基因(干擾素基因)植入受體受精卵核轉基因受精卵植入受體動物子宮

發(fā)育，降生擁有外源基因的轉基因動物(分泌乳汁含有干擾素)重組基因

2.定義:

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。3.過程:①提取人所需要蛋白質基因、cDNA；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)；④把重組體轉入到受精的卵細胞；⑤植入子宮,使之發(fā)育為個體(每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。

(八)生物醫(yī)學工程

(Biomedicalengineering)

1．對象:

人體

2．定義:

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．內容:

生物材料(人造器官、起搏器的材料)、康復工程、醫(yī)學成像(超聲、CT、核磁)、生物傳感、監(jiān)護系統(tǒng)等。(九)生物制藥／化學制藥工程

(Biochemicalpharmaceuticalengineering)

1．生產對象:

藥物(活性多肽、酶、抗生素等)2．定義

利用現(xiàn)代生物技術,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（利用抗體酶特異結合、特異地進行酶消化來完成）等。

(十)酶工程

(Enzymeengineering)1.對象:

酶分子修飾、生產應用和酶的固定化

2.定義:

在給定的生產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。3.要點:

固定化酶、酶分子修飾和酶反應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。如:底物＋固定化酶—→化學信號—→電信號—→人視覺—→控制反應。

(十一)發(fā)酵工程

(Fermentationengineering)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:

利用微生物的特點（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)生產人類所需物質的技術。

3.要點:

①核心是提高產率。②過程包括:菌種選育、生產、代謝產物的利用。③

所用技術包括大規(guī)模懸浮培養(yǎng),細胞固定化,產物分離提取。

4．應用:

藥物生產(活性多肽、抗生素)、單細胞蛋白生產、環(huán)境保護、微生物冶金技術。

(十二)生化工程

(Biochemistryengineering)

1．對象:①生化反應器(反應環(huán)境與裝置)，②產品的分離提純技術

2.定義:

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、分離、精制出所需產品的技術。

3.內容包括:

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、生產特定生物工程產品。下游工程中關鍵是發(fā)酵工程的生產和利用生化工程對產物進行提純,它們是生物技術產生效益的必要條件。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,任務內容不斷豐富更新。第二節(jié)

海洋生物技術

（MarineBiotechnology）

1.定義：海洋生物技術是運用海洋生物學與工程學的原理和方法，利用海洋生物或生物代謝過程生產有用的生物制品或定向改良海洋生物遺傳特性的綜合性科學技術。一、海洋生物技術的定義和研究內容2.海洋生物技術的研究內容：①開發(fā)、生產和改造海洋生物天然產物，以便用作藥物、食品、新材料；②定向改良海洋動物、植物遺傳特性，為海水養(yǎng)殖業(yè)提供具有生長快、品質高和抗病害的優(yōu)良品種；③培養(yǎng)具有特殊用途的“超級細菌”，用來清除海洋環(huán)境的污染，或者生產具有特定生物治理的物質。主攻方向：

利用生物技術，改良具有重要經濟價值的海水養(yǎng)殖生物遺傳特性（海洋生物遺傳育種）。在對快速生長的轉生長激素基因魚研究上，生長激素促生長作用非常明顯，尤其是鮭科魚類。Due等用由美洲大綿鳚

抗凍蛋白啟動子結合大鱗大馬哈魚生長激素cDNA組成的“全魚”基因轉移到鮭科魚類的胚胎中。1.促進魚類生長二、海洋生物技術的利用和開發(fā)現(xiàn)狀（一）海洋動物世界第一個轉基因魚世界第一個轉基因魚，是把人的一種生長基因轉到魚基因中。這種轉基因魚的個體比一般同類魚要大得多。這項技術１９８５年由中國科學院水生所首次使用。鮭魚轉基因鮭魚轉水母綠和珊瑚蟲紅色螢光蛋白基因斑馬魚在紫外照射下發(fā)出熒光（熒光魚）攜帶水母綠色熒光蛋白的轉基因豬（2006年，東北農業(yè)大學）2.控制繁殖行為單性養(yǎng)殖

方法:激素誘導和溫度誘導。多倍體誘導

方法:在精子已入卵但卵的第二極體排出之前，對卵進行物理（如冷或熱休克、靜水壓等）和化學藥物（如秋水仙素等）的處理，阻止第二極體排放從而誘導產生具有3組染色體的三倍體。3.提高抗病力基因工程疫苗的制備及應用。將弧菌、產氣單胞菌、愛德華氏菌等魚類病原菌制備成全細胞滅活疫苗，并且用從菌體中提取的脂多糖、胞外蛋白等有效抗原，制備出了單克隆抗體等生物工程疫苗并商業(yè)化生產。如Gilmore等1988年將從傳染性造