现代生物技术应用ppt课件.ppt

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1、现代生物技术应用,21世纪是生物技术的世纪,未来学家说：21世纪是生物技术的世纪；科学家预言：21世纪世界即将在生物技术上取得重大突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保护上有所突破；经济学家则认为：21世纪20年代，生物经济将由目前的形成阶段进入成长阶段，即工业生产与商业开发阶段。,医药卫生（医药生物技术）生命科学 农林牧渔（农业生物技术）环境保护（环境生物技术）,生命科学直观影响的相关领域,生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点,二十世纪后叶，分子生物学领域一系列突破性成就，使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的变化；近50年生命科学的发展

2、超过了此前500年的总和建立在实验室研究基础上的生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财富。,生物技术将是未来经济发展的新动力,第一次技术革命工业革命解放人的双手第二次技术革命信息技术扩展人的大脑第三次技术革命生物技术改造生命本身“生命产业是一个朝阳、永恒的产业”,什么是生物技术？,生物技术=生物工程 应用自然科学及工程学原理，以微生物体、动物体、植物体或其组成部分作为生物反应器将物料进行加工，以提供产品来为社会服务的技术。现代生物工程：发酵工程 酶工程 细胞工程 基因工程,生物技术在医药卫生领域的应用,基因工程药品的生产,许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往

3、十分昂贵。微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。,基本方法是：将目的基因用DNA重组的方法连接在载体上，然后将载体导入靶细胞，使目的基因在靶细胞中得到表达，最后将表达的目的蛋白质提纯并做成制剂，即为蛋白类药或疫苗。,基因工程制药,基因工程胰岛素,胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。,胰岛素分子结构,将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！大

4、规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了30%-50%!,胰岛素生产车间,基因工程干扰素,干扰素是治疗病毒感染的辅助药物。过去从人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍贵”程度自不用多说。,干扰素生产车间,干扰素分子结构,基因工程人干扰素-2b（安达芬）是我国第一个全国产化基因工程人干扰素-2b，具有抗病毒，抑制肿瘤细胞增生，调节人体免疫功能的作用，广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗，是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。,生长激素,1985年，美国的FDA批准了第一代重组人生长激素上市。第一代重组人生长激素在大肠杆菌中表达，蛋白

5、质的N端比天然的人生长激素多了一个甲硫氨酸。目前生产和使用的是第二代生物工程生长激素。第二代生物工程生长激素是以分泌蛋白的形式表达的，信号肽在分泌的过程中被自动切除而产生与天然蛋白完全一致的序列。,生长激素：是由动物脑垂体前叶分泌的一种能促进生长的蛋白类激素。,其它基因工程药物,人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。,人造血液及其生产,基因诊断,运用基因工程技术，设计制造“DNA探针”检测肝炎病毒等病毒性流行病及某些严重遗传疾病，不但准确而且迅速。,我国研究人员正在制备用于基因治疗的基因工程细胞,基因治疗,许多遗传性

6、疾病是因为病人的DNA发生了改变，通过基因工程技术，给患有遗传病的人体内导入正常基因可“一次性”解除病人的疾苦。,SCID的基因工程治疗,重症联合免疫缺陷（SCID）患者缺乏正常的人体免疫功能，只要稍被细菌或者病毒感染，就会发病死亡。这个病的机理是细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶（简称ADA）的基因（ada）发生了突变。可以通过基因工程的方法治疗。,SCID患者生存在无菌环境中,生物反应器,将外源基因在动、植物体内表达并生产出我们所需的营养（蛋白）或工业用原材料的动植物基因改良（操作）的个体称为生物反应器。,技术原理与操作主要是依据转基因技术动物生物反应器：是指利用动物作为载体（平台）的反

7、应器体系。,动物生物反应器乳腺生物反应器:使外源基因在哺乳动物的乳腺组织（上皮细胞）中进行特异表达我们需要的蛋白产物；血液生物反应器细胞生物反应器已生产的药物：2抗胰蛋白酶、抗凝血因子、TPA、蛋白质C、凝血因子、白细胞介素22等,从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA（组织型纤溶酶原激活物）,目前已制作成功并产生重大社会、经济效益（应）的乳腺生物反应器（动物）有:转基因牛(荷兰Phraming公司-人乳铁蛋白、EPO)转基因羊（山羊、绵羊）(英PPL公司-抗胰蛋白酶;美GTC-人凝血酶原III)等,转基因牛,乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷),长期以来，人类一直在研究和寻找能治

8、愈各种疾病、抗衰老甚至长生不老的方法。随着现代科学技术的发展，尤其是干细胞的研究，人类的这些幻想正在逐步变成现实。1998年，美国科学杂志将干细胞的研究成果列在十大科学进展的首位。,干细胞工程,干细胞（Stem cell）即起源细胞。在细胞的分化过程中，细胞往往由于高度化分而完全失去了再分裂的能力，最终衰老死亡。机体在发展适应过程中为了弥补这一不足，保留了一部分未分化的原始细胞。因此，干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。,干细胞的分类,全能干细胞多能干细胞单能干细胞,按分化潜能,按发育状态,胚胎干细胞成体干细胞,干细胞的用途,治疗遗传性疾病和恶性肿瘤。以干细胞为种子培育成某些组织和器官，

9、用于移植医学。抗衰老，延年益寿。,干细胞工程,医药生技动物模型,資料來源：麻省理工學院Dr.Jay Vacanti,动物细胞培养,干细胞治疗的进展,科学家们认识到干细胞可能成为一种“拯救生命”的有效的疾病治疗手段。例如：小剂量纯化的造血干细胞足可使患者骨髓再生，可以避免肿瘤病人进行自体骨髓移植时所致的瘤细胞（尤其是白血病细胞）污染。例如：成熟的神经系统中存在的干细胞，在某些因素诱导作用下，可增殖和定向分化，给神经退行性疾病（如帕金森氏病）、骨髓损伤患者带来新的希望。,生物技术在农牧业、食品工业的应用,转基因动物,转基因动物：是指人类按照自己的意愿有目的、有计划、有根据、有预见地将外源基因导入动

10、物细胞内，通过与染色体基因组进行稳定的整合，将生物性状传递给后代动物。,转基因动物的应用,利用转基因动物改良动物品种,转基因动物作为生物反应器,转基因动物筛选药物,中国科学院水生生物研究所朱作言首次用人的生长激素基因(hGH)构建了转基因鱼，制作的主要目的是提高生长速度、增加抗逆性以及为发育生物学和插入突变提供研究的材料。自1984年以来先后进行了泥鳅、鲤鱼、鲫鱼等的转基因研究。,受到转基因巨型小鼠获得成功的鼓舞,科学家又在培育生长迅速、营养品质优良的转基因家畜、家禽方面,不断取得辉煌成就.同时,科学家还把转基因动物变成生物反应器,转基因鱼,生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国),转基因

11、鲑鱼,世界上首例转基因灵长类动物转基因猴“安迪”在猴子的未受精卵中加入附加基因。,2000年，法国科学家利用基因技术“制造”出了一只可以发出绿色荧光的兔子“Alba”。应用了受精卵显微注射技术，从水母身上采集了荧光蛋白，基因改良后，使它的发光率比原先提高了两倍，再将该基因植入到了兔子的受精卵中，由此培养出了会发光的兔子Alba。在普遍光线下，它看上去与其它同类没有区别，但是在较暗的光线下，它的身体就会放射出奇异的绿光来。,转基因荧光鼠,观赏荧光鱼,能发荧光的热带斑马鱼,普通热带斑马鱼是不发荧光的,抗病、抗虫、抗逆作物,基因工程为培育抗病虫的作物提供了新的手段目前，已经获得的转基因抗虫农作物包括

12、烟草、番茄、马铃薯、棉花、玉米等在抗逆境育种上的应用为克服干旱、盐碱等提供新思路美国斯坦福大学把仙人掌基因导入小麦、大豆等作物，育成抗旱、抗逆的新品种。我国已克隆了耐盐碱相关基因，通过遗传转化已获得了耐盐烟草、水稻、西红柿、草莓等。,转基因抗虫棉,我国是世界上最大的棉花生产国和消费国，约占世界产棉总量的25%以上。自90年代以来，由于棉铃虫在我国大部分棉区持续性大发生或暴发，给我国棉花生产带来了巨大的威胁，棉农谈虫色变，面积、单产、总产一直处于低谷的徘徊阶段。,目前,科学家已经培育出了大批具有抗虫、抗病、抗除草剂、抗逆等全新性状的农作物.,同时具有高产、稳产和抗逆性等优良品质的农作物新品种.,

13、抗虫害的玉米,美国1997年引种80万公顷抗虫转基因棉；中国河北引种4700公顷，1998年又引 种2万公顷抗虫转基因棉；美国孟三都公司种植了320万公顷转 基因大豆，140万公顷转基因玉米，4000公顷转基因土豆；美国引进转基因昆虫来吞食危害农作 物的食肉螨。,转黄瓜抗青枯病基因的甜椒,抗CMV病毒转基因甜椒,转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯,抗除草剂作物,不会引起过敏的转基因大豆,普通棉花 转兔毛基因棉花,抗除草剂大豆,预防乙肝不用打针，只要吃几个西红柿就行。这可不是玩笑，中国农科院生物技术研究中心经过十年研究，培育出的抗乙肝西红柿顺利通过前三个阶段的测试，明年有望上市。抗乙肝西红柿与普通西红柿

14、口感一样酸中带甜，不但可以直接食用，还可以榨成汁或炒菜吃，对人体没有任何毒副作用。据该项目负责人刘德虎研究员介绍，食用抗乙肝西红柿，虽不能治愈乙肝，但一年只吃几个，就完全能代替注射乙肝疫苗。抗乙肝西红柿属于转基因食品，就是将乙肝疫苗植入西红柿内，经多代繁殖，使转入的基因稳定化。这种西红柿上市后将论个出售，每个售价大概在元左右,吃西红柿能防乙肝?,Improved nutritional content and delayed ripening are transgenic traits of interest in tomatoes.Source:USDA,Canola is a major

15、oilseed crop.Transgenic research has focused on improving the nutritional quality of canola oil by enhancing the Vitamin E content or by modifying the balance of fatty acids.,Nicotine-free tobacco is now being grown for a projected introduction of nicotine-free cigarettes,Decaffeinated coffee is now

16、 made by treating coffee beans to remove the caffeine.Other methods are criticized for removing some of the desirable,flavor-producing components along with the undesirable caffeine.,Papaya is a tropical fruit rich in Vitamins A and C,but susceptible to a number of serious pests and diseases.The tra

17、nsgenic variety UH Rainbow,resistant to the papaya ringspot virus,is currently in production in Hawaii.,Food crops engineered to produce edible vaccines against infectious diseases would make vaccination more readily available to children around the world.,White mold(Sclerotinia)is a serious problem

18、 for sunflower producers in some areas.Resistance to this disease would expand the area in which sunflowers can be grown and might improve yields in areas of current cultivation.A commercially available cultivar is not expected before 2005.,中国杂交水稻之父袁隆平,超级杂交稻 2005年5月13日，位于三亚市田独镇新村田洋的中国超级杂交稻第一块“百亩片试种示

19、范田”正式通过了海南省级验收。经由全国多位农业专家共同检测，这批超级杂交稻的亩产高达833.23公斤。,生物技术与粮食 提高产量、品质,普通大米实际上不是“健康食品”。大米中含有一种叫做肌醇六磷酸的小分子，它能与铁紧紧地结合，使得小肠难以吸收食物中的铁；以大米为主食的人，易患铁缺乏症而导致贫血,哪种大米更有益身体健康？,转基因“金大米”：转入胡萝卜素合成相关基因提高大米中维生素A前体的含量，以减少亚洲人普遍存在的维生素A缺乏症解决铁吸收的问题，往“金大米”中再转入三种基因：一种是来自真菌的酶基因，这种酶能够把肌醇六磷酸降解掉；一种是来自菜豆的铁蛋白基因，铁蛋白能够储存铁；还有一种是来自印度香米

20、的基因，它生产的蛋白质有助于人的肠道吸收铁,Swiss researchers have produced rice capable of synthesizing beta-carotene,the precursor of Vitamin A(Ye et al.,2000).This rice variety is now being crossed into adapted varieties,with field tests possible in a year or two.,功能稻米 基尔米：拥有降血压、改善睡眠、减肥美容等功能的大米，售价最高的一种达元钱斤。,基因一旦被改动，一方

21、面可能引起生物体内一系列未知的结构与功能的变化；另一方面，转基因操作对生物体的影响会通过遗传传递。,转基因技术的安全性问题,外源基因引入后，是否会影响其他重要的调节基因，甚至会激活原癌基因？转基因技术广泛应用是否会导致难以消灭的新病原物出现是否会造成生态学灾难？人类摄食大量转基因食品是否会影响人类及其后代的健康,转基因生物回归大自然的风险“种”已经延续了30多亿年的进化历史，目前面临着被人类改变的危险。基因重组打破了物种之间的界限，打乱了自然进化历程，改变了生态系统结构，这对人类来说是福还是祸？,花卉基因工程,花色工程花卉香味工程通过合成酶的引入，增强单萜的合成花卉保鲜通过导入反义ACC合成酶

22、基因及反义ACC氧化酶基因可阻止乙烯生化合成，延长花期和鲜切花寿命 花卉抗性基因工程,圆个缤纷的梦花色工程,花色素主要由类黄酮、类胡萝卜素、生物碱三类物质决定 影响花色的因子还有共色作用、液泡的酸碱值及细胞的形状等,基因工程改变花色的途径,通过引入外源基因来补充某些品种缺乏合成某些颜色的能力利用反义RNA和共抑制技术抑制基因的活性，造成无色底物的积累，使花的颜色变浅或变成无色,蝴蝶兰试管苗工厂化生产,巧克力型香水文心兰不仅外貌独特，闻起来还有一股浓郁的巧克力味，并且还能够让人们在大饱眼福的同时大饱口福。,彩色马蹄莲,改变花色的转基因矮牵牛花,转查尔酮合酶矮牵牛花-查尔酮合酶是植物花色素苷等类黄

23、酮化合物生物合成途径中的一个关键酶,而这些类黄酮化合物在花瓣中的含量可以改变花的颜色,蓝色玫瑰一直是人类美丽的梦想基因工程正在将它变为现实,生物技术与农药,绿色农药包括微生物杀虫剂、微生物杀菌剂、农畜抗菌素、植物源农药等植物源生物水剂农药（松脂酸钠和茶皂素的复合制剂、苦楝油）生物农药菌种资源（苏云金杆菌）特点环保，良好的环境相容性先天弱势：药效慢、击倒慢、适应力差综合防治,生物技术在能源开发上的应用,能源分不可再生能源：煤、天然气和石油（包括核能）等化石原料可再生能源：太阳能、风能、地热能、生物能、海洋能和水能 生物能源是从太阳能转化而来的绿色植物就是光能转换器和能源之源，碳水化合物是光能储藏

24、库。我国拥有丰富的生物质资源 每年7亿多吨作物桔秆、2亿多万吨林地废弃物、25亿多吨畜禽粪便及大量有机废弃物.,生物能源制煤气：柴草桔杆气化炉,（一）沼气,沼气是微生物发酵秸秆、禽畜粪等有机物产生的混合气体，主要成分是可燃的甲烷。生产沼气的设备简单，方法简易，适合在农村推广使用。目前，沼气的规模化生产需要解决的是设备及提高甲烷含量等技术问题。,（二）氢气,氢气的燃烧产物只有水，因此氢气是最清洁的能源。可利用生物质通过微生物发酵得到，这一过程被称为生物制氢。实现生物制氢的产业化，还有许多技术和经济问题需要解决。,（三）生物柴油,利用生物酶将植物油或其它油脂分解后得到的液体燃料，作为柴油的替代品更

25、加环保欧洲、美国已专门种植油料作物用来生产生物柴油一些微生物也能合成油脂，可以为克服生物柴油的原料问题,（四）燃料乙醇,目前世界上生产规模最大的生物能源燃料乙醇是以玉米等为原料，经过粉碎、液化、糖化、发酵、蒸馏、脱水等一系列精密工艺流程而制成的，在汽油中混配10%的燃料乙醇即成为乙醇汽油,排放的尾气更清洁。我国的燃料乙醇生产已形成规模，主要是以玉米为原料，同时正在积极开发甜高粱、薯类、秸秆等其他原料生产乙醇，目前产量居世界第三。,生物技术在环境保护中的应用,环境监测：基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。,1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来,利用基因工

26、程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。,环境污染治理：基因工程构建的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。,通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。,PCR（polymerase chain reaction)是Mullis于1986年发明的一项体外快速大量扩增DNA片段的方法（获1994年诺贝尔奖）。基本原理就是在体外模拟体内DNA复制的过程，在反应系统中加入欲被扩增的DNA片段，作为模板；人工合成的寡聚核苷酸，作为引物；耐热的DNA聚合酶（Taq）以及四种核苷酸三磷酸。DNA片段将2n（为反应周期数）的倍数增加。,生物技术与法医学,PCR技术在法医学中应用,科学“能予我们以真实的益处；同时还能给我们找到许多最温暖、最纯洁的乐趣，以补偿生命场中种种不能避免的苦恼。”选自动物哲学 绪论Lamark.J.B(1744-1829),