生物工程概論課件

生物工程概論張彥婷鄭州大學生命科學學院zhangyt@生物工程概論張彥婷1教材：《生物工程概論》，陶興無主編，化學工業(yè)出版社課時安排：48學時，16周教學大綱：考試方式：

平時成績：30%

期末（論文）：70%課程簡介第一章~第三章第四章~第八章第九章~第十四章非核心核心非核心講授講授講授+學生參與教材：《生物工程概論》，陶興無主編，化學工業(yè)出版社課程簡介第2生物工程生物工程生物科學

生物工程是運用現(xiàn)代生物科學的理論與方法，按照人類的需要改造和設計生物的結構和功能，以便更經濟、更有效、更大規(guī)模地生產人類所需要的物質和產品的技術。工程學生物工程概論生物工程生物工程生物生物工程是運用現(xiàn)代生物科3生物技術與生物工程BiotechnologyandBioengineering生物技術側重于利用生物學方法解決生物體本身的問題(更類似于生命科學研究-基礎生物學研究)生物工程則側重于利用工程學方法解決生物學問題（更強調突出的應用屬性-生物學和工程學等理論技術的結合加以應用）生物工程概論生物技術與生物工程生物工程概論4生物工程與人類的生活食物短缺疾病危險能源危機資源枯竭環(huán)境污染人類面臨的問題生物工程概論生物工程與人類的生活食物短缺疾病危險能源危機資源枯竭環(huán)境污染5生物工程的特點高效益高智力高投入高競爭高風險高勢能可帶來高額利潤具有創(chuàng)造性和突破性

前期研究和開發(fā)需要大量的資金投入時效性競爭非常激烈激烈的競爭帶來高風險對社會各方面影響極大生物工程的內容生物工程高效益高智力高投入高競爭高風險高勢能可帶來高額利潤具6第一章緒論生物工程的發(fā)展簡史生物工程的內容第一章緒論7我國漢代釀酒作坊（上圖）公元前2300年，埃及人釀造啤酒（左圖）

朦朧階段（9000年前-1676年）有考古證據(jù)證明在公元7000年前，我們的祖先就開始釀酒作為飲品。其他以微生物發(fā)酵為基礎的生產，如發(fā)酵乳制品（包括乳酪、酸奶等）和各種東方食品如醬油、印尼豆酵餅等同樣有著古老的淵源我國漢代釀酒作坊（上圖）公元前2300年，埃及人釀造啤酒朦8初步發(fā)展（1676-1861年）EdwardJenner首創(chuàng)接種牛痘預防天花，是免疫學發(fā)展的代表，但當時解釋不了其機制。列文虎克發(fā)明顯微鏡初步發(fā)展（1676-1861年）EdwardJenner9奠定階段（1861-1897年）“工業(yè)微生物學之父”“生物工程之父”

杰出貢獻徹底否定了“自然發(fā)生學說”；證實細菌能利用糖和銨合成蛋白質；證實了發(fā)酵是由細菌引起的；在免疫學上提出預防接種;提出巴氏消毒法等等……世界上第一次發(fā)明了細菌照相法；第一次發(fā)現(xiàn)證明了炭疽熱的病原細菌——炭疽桿菌；第一次提出純培養(yǎng)技術并設計多種培養(yǎng)基；第一次發(fā)明了蒸汽殺菌法提出科赫法則等等……羅伯特·科赫奠定階段（1861-1897年）“工業(yè)微生物學之父”杰出10發(fā)展期（1897年-1953年）Buchner（生物化學奠基人）Fleming1897年1928年1944年無細胞酵母菌“酒化酶”推翻巴斯德胚種學說

發(fā)現(xiàn)青霉素對細菌的抑制作用,青霉素發(fā)現(xiàn)推動微生物工業(yè)化培養(yǎng)技術猛進肺炎球菌轉化實驗，確定DNA是遺傳物質標志著分子生物學的形成生物工程發(fā)展的里程碑：進入生化水平研究階段Avery發(fā)展期（1897年-1953年）BuchnerFleming11成熟期（分子生物學水平研究階段1953年~至今）

Watson和Crick（分子生物學奠基人）美國生物學家沃森（Watson）和英國晶體結構分析家克里克（Crick）合作，提出DNA結構的雙螺旋模型，并在1962年與英國學者維爾金斯（WilkinsM.H.F.）共獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎?；蚬こ痰陌l(fā)展工程菌的構建更促進了生物工程發(fā)展推動生命科學的發(fā)展促進許多重大理論問題的突破人類基因組計劃20世紀70年代成熟期（分子生物學水平研究階段1953年~至今）

Watso12第一章緒論生物工程的發(fā)展簡史生物工程的內容第一章緒論13生物工程的五大體系基因工程（遺傳工程）Geneticengineering細胞工程Cellengineering酶工程Enzymeengineering發(fā)酵工程（微生物工程）Fermentationengineering蛋白質工程Proteinengineering生物工程的內容生物工程的五大體系基因工程（遺傳工程）Geneticeng14發(fā)酵工程

Fermentationengineering定義

是工程學與微生物學的結合；利用微生物的特性，通過現(xiàn)代化工程技術，生產有用物質或直接將其應用于工業(yè)化生產的一門技術.

包括菌種選育、菌種生產、代謝產物發(fā)酵和分離以及微生物機能的利用等.代表機構：中科院微生物所&過控所，華東理工，華南理工，江南大學，等生物工程的五大體系發(fā)酵工程

Fermentationengineer15發(fā)酵工程現(xiàn)代啤酒的發(fā)酵生產工藝發(fā)酵工程現(xiàn)代啤酒的發(fā)酵生產工藝16分批補料發(fā)酵生產乳酸，使得乳酸的發(fā)酵水平達200g/L，光學純度達97.4%可滿足聚乳酸的生產需要；純培養(yǎng)厭氧分批補料發(fā)酵技術生物工程的五大體系分批補料發(fā)酵生產乳酸，純培養(yǎng)厭氧分批生物工程的五大體系17生物高分子材料生產建成一條我國第一，世界第二的年產5000t綠色可降解環(huán)保型聚乳酸樹脂工業(yè)示范線，收率達到理論收率的90%，分子量大于10萬。綠色可降解環(huán)保型聚乳酸樹脂具有環(huán)境友好型的優(yōu)勢，并能夠勝任大部分合成塑料；

生物工程的五大體系生物高分子材料生產建成一條我國第一，綠色可降解環(huán)保型聚生物工18對現(xiàn)有500t/a秸稈乙醇中式生產線技術改造生物法生產大宗化學用品具有很強的潛力和很大的利潤，更具有經濟環(huán)保的優(yōu)良性質。

目前生物法生產乙烯新增產值5.76億，新增利潤7654萬元乙烯的生物煉制技術的成熟促使一系列大宗化學用品的生物法的發(fā)展。生物燃料生物工程的五大體系對現(xiàn)有500t/a秸稈乙醇生物法生產大宗化學用品具有很強的潛19我國是世界上肥料消費量第一的大國，化肥對我國糧食的貢獻占50%以上；我國肥料資源十分匱乏，例如：再過20年中高品位磷礦開采殆盡；化肥肥效易下降且會造成大量氮、磷污染地下水。生物肥料提供氮素，轉化難溶磷鉀，促進作物生長；生物肥料環(huán)境友好。生物肥料關鍵技術突破：生物肥料高效菌種資源庫的不斷充實；突破秸稈快速腐熟技術；高密度發(fā)酵工業(yè)；生物肥料高效載體研究的突破。生物肥料生物工程的五大體系我國是世界上肥料消費量第一的大國，化肥對我國糧食的貢獻占5020細胞工程cellengineering定義

將一種生物細胞中攜帶全套遺傳信息的基因或染色體全部轉入另一種生物細胞，從而改變細胞的遺傳性，改造生物的性狀和功能。

它包括細胞融合、細胞器移植、染色體工程、細胞和組培技術等.代表：中科院，農科院，華東理工，江南大學，農業(yè)大學，藥科大學，等生物工程的五大體系細胞工程cellengineering定義

將一種21細胞工程--應用細胞生物學和分子生物學方法，在細胞水平進行的遺傳操作。廣義的細胞工程包括利用離體培養(yǎng)細胞的特性，生產有價值的生物品，或快速繁殖珍貴的植株。當前細胞工程所涉及的主要技術領域有細胞培養(yǎng)、細胞融合、細胞拆合、染色體操作及基因轉移等方面。通過細胞工程可以生產有用的生物產品或培養(yǎng)有價值的生物個體，并可以產生新的物種或品系。生物工程的五大體系細胞工程--應用細胞生物學和分子生物學方法，在細胞水平進22通過生物學、化學或物理學的方法，使兩個不同種類的體細胞融合在一起，從而產生具有兩個親本遺傳性狀的新細胞.A

童魚——世界上第一條沒有父母的魚“鯽鯉核質雜交魚”BDolly羊的誕生體細胞雜交/細胞融合技術

Cellfusion生物工程的五大體系通過生物學、化學或物理學的方法，使兩個不同種類的體細胞融合在23組織培養(yǎng)/快速無性繁殖利用植物組織、植物細胞的全能性(totipotent)，進行快速無性繁殖。優(yōu)點可固定雜種優(yōu)勢免除制種環(huán)節(jié)對珍貴植物的引種生產具有特別意義舉例組織培養(yǎng)法再生蘭花；人工種子植物組織與細胞培養(yǎng)

Planttissue&cellculture生物工程的五大體系組織培養(yǎng)/快速無性繁殖植物組織與細胞培養(yǎng)

Planttis24組織培養(yǎng)Tissueculture葉肉組織愈傷組織新植株生物工程的五大體系組織培養(yǎng)Tissueculture葉肉組織愈傷組織新植株25快速無性繁殖

Rapidasexualreproduction單個細胞營養(yǎng)培養(yǎng)基克隆植株生物工程的五大體系快速無性繁殖

Rapidasexualreproduct26植物組織與細胞培養(yǎng)次生代謝產物生成Secondarymetabolites

從培養(yǎng)的植物細胞中提取所需的代謝產物。優(yōu)點

比栽培原料作物更易控制最佳生產條件培養(yǎng)物為無菌、無蟲材料，能保證產品質量工藝操作較為簡單，可減少勞動費用，提高生產力生物工程的五大體系植物組織與細胞培養(yǎng)次生代謝產物生成Secondaryme27組織工程皮膚獲得產品注冊證書防鈣化生物瓣膜獲得國家生產批號生物工程的五大體系組織工程皮膚獲得產品注冊證書防鈣化生物瓣膜獲得國家生產批號生28基因工程Geneticengineering定義

將不同生物的外源DNA(基因）插入到載體分子上，形成“雜種”DNA分子，導入受體細胞中擴增和表達，獲得目的產物或新功能.代表機構：

幾乎每個生物工程與技術學科的大學與研究所基因工程已經成為生物工程與技術學科的基本工具生物工程的五大體系基因工程Geneticengineering定義

將不29分子生物學研究基因工程的用途生物工程的五大體系基因工程的用途生物工程的五大體系30改造生物，創(chuàng)造對人類有用的新品系、新物種基因工程用途發(fā)光樹生物工程的五大體系改造生物，創(chuàng)造對人類有用的新品系、新物種基因工程用途發(fā)光樹生31我國建立了水稻高效規(guī)?；霓D基因技術的體系，形成年轉化5000個基因的技術能力，并已經對上千個基因進行了轉化和功能分析，構建了面向全國的開放平臺。我國轉基因水稻涉及抗蟲、抗病、抗逆、品質、養(yǎng)分高效利用和高產等，在國際頂級學術刊物上發(fā)表數(shù)篇重要科技論文。轉基因植物生物工程的五大體系我國建立了水稻高效規(guī)模化的轉基因技術的體系，形成年轉化50032利用修飾豌豆胰蛋白酶抑制劑基因SCK，研制出的抗蟲水稻及其配制的雜交稻組合Ⅱ優(yōu)科豐6號對二化螟、三化螟和稻縱卷葉螟等鱗翅目害蟲的抗蟲效率不低于95%，且表現(xiàn)明顯的增產效果。研制了“華恢1號”和“Bt汕優(yōu)63”高抗多種蟲害，在整個水稻種植季節(jié)中可以基本不打農藥，較非抗蟲水稻增產6%~12%。我國人口眾多，水稻是主要的糧食，而水稻病蟲害是未來糧食安全問題的重大隱患。生物工程的五大體系利用修飾豌豆胰蛋白酶抑制劑基因SCK，研制出研制了“華恢1號33抗藍耳?。ㄘi繁殖與呼吸綜合癥PRRS）轉基因豬轉基因動物生物工程的五大體系抗藍耳?。ㄘi繁殖與呼吸綜合癥PRRS）轉基因豬轉基因動物生物34抗CD20單克隆抗體是治療B淋巴細胞瘤的特效藥，價格昂貴，一個療程需要1.6萬美元。世界首批抗CD20單克隆抗體轉基因牛中國農業(yè)大學培養(yǎng)的轉基因牛產抗CD20單克隆抗體達到2g/L,能夠大大降低藥物價格，為此類癌癥患者帶來福音。生物工程的五大體系抗CD20單克隆抗體是治療B淋巴細胞瘤的特效藥，價格昂貴，一351、現(xiàn)代農業(yè)成果：固氮基因、抗蟲棉、轉基因作物等2、現(xiàn)代生物醫(yī)藥:基因工程產品生長激素，人胰島素，干擾素，etal3、現(xiàn)代醫(yī)學：疾病診斷(分子診斷與基因治療)

疑難雜癥的發(fā)病機制與預防研究4、現(xiàn)代工業(yè)成果：生物能源（能源植物改良，能源產油微藻，生物放氫等）綠色化學品：生物表面活性劑化工中間體：微生物發(fā)酵產長鏈二元酸、多元醇等

乳鏈菌肽（NisinZ）：生物防腐劑等等基因工程的成果生物工程的五大體系1、現(xiàn)代農業(yè)成果：固氮基因、抗蟲棉、轉基因作物等基因工程的36酶工程Enzymeengineering定義:利用酶的特異催化功能，將一種物質轉化為另一種物質的技術.

酶制劑在工業(yè)上的大規(guī)模應用，主要由酶的生產、酶的分離純化、酶的固定化和生物反應器四個部分組成。

代表機構：中科院各相關研究所、清華大學、北京大學生物工程的五大體系酶工程Enzymeengineering定義37酶分子的改造與修飾通過這種改造來改變酶的物化性質及其生物活性，甚至賦予新的功能，提高其在不良環(huán)境中的穩(wěn)定性，擴大酶的應用范圍。

酶抑制劑的開發(fā)研究所謂酶抑制劑是指能引起酶分子活力下降甚至完全喪失的物質.酶工程研究的兩個熱點