科技史：第二十八講 生物技術(shù)的誕生與迅猛發(fā)展

科技史第二十八講：生物技術(shù)的誕生與迅猛發(fā)展

◎歷史文化與旅游學(xué)院◎1一.基因工程二.細(xì)胞工程三.蛋白質(zhì)工程四.酶工程五.發(fā)酵工程2教學(xué)目的和要求1.了解基因工程、細(xì)胞工程、蛋白質(zhì)工程、酶工程和發(fā)酵工程的發(fā)展概況。2.重點(diǎn)掌握基因工程技術(shù)的發(fā)展概況及其重要意義。3.深入理解轉(zhuǎn)基因技術(shù)、克隆技術(shù)的發(fā)展過程及其社會后果。3現(xiàn)代生物技術(shù)的含義

以現(xiàn)代生命科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)的工程技術(shù)手段和其他自然學(xué)科的原理，按照預(yù)先的設(shè)計改造生物體，或利用微生物、動物或植物體對原料進(jìn)行加工，為人類生產(chǎn)出所需要的產(chǎn)品或達(dá)到某種目的的技術(shù)。4現(xiàn)代生物技術(shù)的目的1.對生物體進(jìn)行改造，培育出具有優(yōu)良品質(zhì)的動物、植物、微生物新品系。2.利用微生物、動物、植物為反應(yīng)器對原料進(jìn)行加工，生產(chǎn)出人類所需要的產(chǎn)品。3.進(jìn)行疾病的防治、診斷和治療。4.環(huán)境污染的檢測5一、基因工程基因工程的主要原理利用人工方法把生物的遺傳物質(zhì)，通常是脫氧核糖核酸（DNA）分離出來，在體外進(jìn)行切割、拼裝和重組。然后將重組了的DNA導(dǎo)入某種宿主細(xì)胞或個體，從而改變它們的遺傳品性；有的還使新的遺傳信息在新的宿主細(xì)胞或個體中大量表達(dá)，以獲得基因產(chǎn)物。6基因工程誕生的背景(理論上的三大發(fā)現(xiàn))1.40年代發(fā)現(xiàn)了遺傳物質(zhì)—DNA1944、T·Avery肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)2.50年代搞清了遺傳物質(zhì)的分子機(jī)制

1953WatsonandCrick的DNA結(jié)構(gòu)—雙螺旋、半保留復(fù)制,1958年諾貝爾獎3.60年代確立了遺傳信息的傳遞方式

1961美國尼倫堡(Ninenberg)確立遺傳信息以密碼形式傳遞：3=1=1(3個核苷酸=1個密碼子=1個aa)1966年破譯了64個密碼,誕生了“密碼字典”7基因工程的誕生——三個典型試驗(yàn)

1.世界上第一個重組DNA實(shí)驗(yàn):實(shí)現(xiàn)不同來源DNA的重組2.世界上第一個基因工程實(shí)驗(yàn)3.世界上第一個真核基因在原核生物中表達(dá)8基因工程的應(yīng)用1.微生物基因工程常用受體系統(tǒng)：①大腸桿菌②枯草桿菌③酵母菌應(yīng)用實(shí)例：大腸桿菌生產(chǎn)人生長激素大腸桿菌生產(chǎn)人胰島素大腸桿菌生產(chǎn)干擾素92.植物微生物工程重組質(zhì)粒導(dǎo)入植物細(xì)胞直接導(dǎo)入原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化細(xì)胞培養(yǎng)再生轉(zhuǎn)化植株涉及技術(shù)目的基因分離載體構(gòu)建DNA重組原生質(zhì)體制備目的基因?qū)朐|(zhì)體組織培養(yǎng)植株再生轉(zhuǎn)化細(xì)胞篩選表達(dá)產(chǎn)物生化測定DNA分子雜交遺傳學(xué)分析優(yōu)良性狀鑒定目的基因載體質(zhì)粒植物細(xì)胞或組織102.動物微生物工程2.1動物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)2.2動物個體表達(dá)系統(tǒng)(轉(zhuǎn)基因動物)轉(zhuǎn)基因是指借助基因工程技術(shù)，將外源DNA通過生殖細(xì)胞或早期胚胎導(dǎo)入動植物個體的染色體，這一過程稱為轉(zhuǎn)基因（Transgenesis)。

轉(zhuǎn)基因動物：含有轉(zhuǎn)移基因的動物稱為轉(zhuǎn)基因動物（Transgenicanimal)。

11花粉Bt玉米馬利筋帝王蝶幼蟲死亡44%（室內(nèi)）帝王蝶事件動物基因工程的應(yīng)用改良家畜動物品種和優(yōu)良性狀基因動物的生物反應(yīng)器

生產(chǎn)多肽和蛋白質(zhì)藥物12１.基因工程與醫(yī)藥衛(wèi)生我國生產(chǎn)的部分基因

工程疫苗和藥物⑴基因工程藥品的生產(chǎn)

許多藥品的生產(chǎn)是從生物組織中提取的。受材料來源限制產(chǎn)量有限，其價格往往十分昂貴。

微生物生長迅速，容易控制，適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。若將生物合成相應(yīng)藥物成分的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞內(nèi)，讓它們產(chǎn)生相應(yīng)的藥物，不但能解決產(chǎn)量問題，還能大大降低生產(chǎn)成本。成果與發(fā)展前景13

胰島素是治療糖尿病的特效藥，長期以來只能依靠從豬、牛等動物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰島素，其產(chǎn)量之低和價格之高可想而知。

將合成的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，每2000L培養(yǎng)液就能產(chǎn)生100g胰島素！大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)不但解決了這種比黃金還貴的藥品產(chǎn)量問題，還使其價格降低了30%-50%!14

干擾素治療病毒感染簡直是“萬能靈藥”！過去從人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍貴”程度自不用多說。

人造血液、白細(xì)胞介素、乙肝疫苗等通過基因工程實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，均為解除人類的病苦，提高人類的健康水平發(fā)揮了重大的作用。人造血液及其生產(chǎn)15⑵基因診斷與基因治療

運(yùn)用基因工程設(shè)計制造的“DNA探針”檢測肝炎病毒等病毒感染及遺傳缺陷，不但準(zhǔn)確而且迅速。我國研究人員正在制備用于基因治療的基因工程細(xì)胞

通過基因工程給患有遺傳病的人體內(nèi)導(dǎo)入正?；蚩伞耙淮涡浴苯獬∪说募部?。16２.基因工程與農(nóng)牧業(yè)、食品工業(yè)

運(yùn)用基因工程技術(shù)，不但可以培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗性好的農(nóng)作物及畜、禽新品種，還可以培養(yǎng)出具有特殊用途的動、植物。生長快、耐不良環(huán)境、肉質(zhì)好的轉(zhuǎn)基因魚(中國)乳汁中含有人生長激素的轉(zhuǎn)基因牛(阿根廷)17導(dǎo)入貯藏蛋白基因的超級羊和超級小鼠導(dǎo)入人基因具特殊用途的豬和小鼠超級動物特殊動物18基因工程引發(fā)的爭論1.Pusztai事件：1999年英國蘇格蘭Rowett研究所ArpadPusztai用轉(zhuǎn)雪花蓮凝集素（GNA）基因馬鈴薯飼喂大鼠，使大鼠體重和器官重量減輕，免疫系統(tǒng)破壞。2.帝王蝶事件：1999.5美國康乃爾大學(xué)研究組報道，Bt玉米花粉以較高濃度撒在馬利筋葉上，然后讓帝王蝶幼蟲攝食，4天后有44％的幼蟲死亡。3.StarLink玉米事件：蘇云金芽孢桿菌的Cry9C基因轉(zhuǎn)入玉米，即StarLink玉米。1998年，美國環(huán)保署（EPA）批準(zhǔn)只作為家畜飼料和工業(yè)用途。2000年未經(jīng)許可進(jìn)入了食品中，引起了食用該食品的一部分人的過敏反應(yīng)。19二、細(xì)胞工程

是利用細(xì)胞的全能性，在體外條件下，采用組織與細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)對動物、植物細(xì)胞進(jìn)行修飾，為人類提供優(yōu)良品種、產(chǎn)品和保存瀕危物種20細(xì)胞的全能性概念受精卵生殖細(xì)胞體細(xì)胞＞＞細(xì)胞離體、一定的營養(yǎng)物質(zhì)、激素和其他外界條件生物體的細(xì)胞具有使后代細(xì)胞形成完整個體的潛能的特性，叫做細(xì)胞的全能性必要條件原因大小從理論上講，每個細(xì)胞都包含該物種的全部遺傳物質(zhì)（全部基因），所以每個活細(xì)胞都應(yīng)具有全能性。

21細(xì)胞分化細(xì)胞在進(jìn)行分裂產(chǎn)生許多新細(xì)胞的過程中，除了一小部分細(xì)胞保持原來的形狀，具有分裂能力以外，絕大多數(shù)細(xì)胞不僅通過成長增大了體積，而且在形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面都逐漸發(fā)生了變化，形成具有不同形態(tài)、不同功能的細(xì)胞群，這種變化的過程叫做細(xì)胞分化。22生物安全性的影響

現(xiàn)代生物技術(shù)的產(chǎn)生，可以使人、動物、植物、微生物的基因進(jìn)行人為的相互轉(zhuǎn)移，許多生態(tài)學(xué)家和非政府組織強(qiáng)烈警示人們應(yīng)重視和防范轉(zhuǎn)基因技術(shù)的環(huán)境風(fēng)險，認(rèn)為轉(zhuǎn)基因生物大規(guī)模釋放到環(huán)境中，將有可能給生物多樣性和生態(tài)環(huán)境造成無法彌補(bǔ)的生態(tài)災(zāi)難。2000年8月，全世界70多個國家簽署了《“生物多樣性公約”的卡塔赫納生物安全協(xié)定書》23生物技術(shù)發(fā)展帶來的倫理和社會問題

例如：克隆技術(shù)如果應(yīng)用到人身上，會打亂人類社會的倫理綱常；人類基因組計劃可能會威脅到個人隱私；基因工程農(nóng)作物品種的推廣也許會帶來生態(tài)災(zāi)難。DNA雙螺旋模型TheDNA

HelixModel

WatsonandCrick，thebrashduowereimpatientwithauthority,dismissiveofprevailingopinions--andveryeagertowintheracetounravelthecode.Their900-wordpaper,publishedinNature(171：737,1953),concluded,famously,"Ithasnotescapedournoticethatthespecificpairingwehavepostulatedimmediatelysuggestsapossiblecopyingmechanismforthegeneticmaterial."24重組DNA技術(shù)RecombinantDNATechnology

1972P.BergcreatesfirstrecombinantDNAmoleculesinResultsofhisexperiments,representedcrucialstepsinthesubsequentdevelopmentofrecombinantgeneticengineering.In1973H.BoyerandS.N.Cohenreportedtheconstructionoffunctionalorganismsthatcombinedandreplicatedgeneticinformationfromdifferentspecies.TheirexperimentsdramaticallydemonstratedthepotentialimpactofDNArecombinantengineeringonmedicineandpharmacology,industryandagriculture.25單克隆抗體MonoclonalAntibody

G.J.F.KohlerandC.MilsteinwinedTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1984forthediscoveryoftheprincipleforproductionofmonoclonalantibodies.26克隆羊“多莉”的誕生I.Wilmut,etal.Viableoffspringderivedfromfetalandadultmammaliancells.Nature385,810-813,February27,199727干細(xì)胞--1999，世界十大科技突破之首1.G.Vogel.BREAKTHROUGHOFTHEYEAR:CapturingthePromiseofYouth.Science1999.286:2238-22392.In1999,researchersrecognizedtheextraordinarypotentialofstemcells,immaturecellswiththeabilitytobecomedifferentkindsoftissue--andperhapstohealmanykindsofillness28蝴蝶蘭試管苗工廠化生產(chǎn)29微生物培養(yǎng)與發(fā)酵MicrobialCellCultureandFermentation30三、蛋白質(zhì)工程

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)