生物技术及应用.ppt

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1、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及做成制剂，从而成为蛋白类药或疫苗。,二、基因工程制药,1976年第一家基因工程技术开发药物的公司建立；1982年第一个基因工程药物重组人胰岛素正式生产，推向市场2002年全球生物技术公司总数已达4284家，美国占34。2004年基因重组生物技术药物的年销售额已经突破400亿美元；。2005年市场上的生物技术药物达到200种左右，而在研的药物为600种。全世界已有2.5亿人使用生物技术药物和疫苗。,国外生物医药的发展,生物技术与医药卫生,1989年我国批准了第一个

2、在我国生产的基因工程药物-重组人干扰素1b近年来我国生物制药业销售收入以平均超过20%的速度增长。,国内生物医药的发展 起步晚，起点低，但发展迅速,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，其价格往往十分昂贵。如胰岛素长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取。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！相当于1000Kg猪胰脏中提取的量。,基因工程药品的生产,生物技术与医药卫生,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。,动物乳腺生物反应器生产药用蛋白质,技

3、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）的反应器体系。,生物技术与医药卫生,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）,血液、尿腺、乳腺、禽卵、昆虫,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-

4、抗胰蛋白酶;美GTC-人凝血酶原III)等,生物技术与医药卫生,治疗用转基因牛研究的时间与资金要求,生物技术药物与化学药物和中药将形成三足鼎立的局面,生物技术与医药卫生,生物技术疫苗,生物技术疫苗DNA疫苗基因缺失苗亚单位疫苗活载体疫苗基因工程重组疫苗：禽流感病毒（H5N2疫苗，应用反向遗传操作技术，将在鸡胚中增殖效价高的弱毒PB2基因，与其它血清型基因片段通过构建感染性克隆产生新的疫苗病毒,二、基因诊断（Gene Diagnosis）,G到T一个碱基的改变，决定了一个人的命运小皓珩出生23个月就出现皮疹、便血等病状，患上了罕见的原发性免疫缺陷病。DNA序列分析，证实了小皓珩WAS蛋白基因的1

5、388位核苷酸由G突变为T，使编码谷氨酸的密码GAG突变为终止密码TAGWAS蛋白突变为无功能的WAS蛋白，导致患儿血小板减少，淋巴细胞形态和功能异常 希望：WAS目前已经可以用骨髓移植或干细胞移植根治,通过从患者体内提取样本(DNA)用基因检测方法来判断患者是否有基因异常或携带病原微生物的方法，就是基因诊断。,生物技术与医药卫生,传统与基因诊断的比较,传统的诊断望 问 听 触经验化验/检验微生物、免疫学、生物化学、病理学等对细胞、组织、酶、代谢物等检测影像学X线、B超、CT、核磁共振、内窥镜等特殊检查肌电/脑电/心电、骨密度等,基因诊断应用分子生物学方法：如PCR技术或PCR与分子杂交标记主

6、要应用于先天遗传性疾患（苯丙酮尿症、血红蛋白病）后天基因突变引起的疾病（肿瘤、糖尿病）病原生物的侵入（流感、肝炎、艾滋病）个体识别、法医物证,生物技术与医药卫生,感染性疾病检测,利用PCR技术或PCR与分子杂交标记相结合，可以快速准确地检测出病原性物质乙型肝炎病毒丙型肝炎病毒结核杆菌和疟原虫的分型,公安司法系统罪犯及受害人的身份识别及亲子鉴定部队 伤亡士兵的身份识别；印尼海啸中死难人员身份识别保安 个人DNA身份证，用于人员识别,1985年Jeffreys应用RFLP进行亲子鉴定,创建DNA指纹分析方法,Jeffreys和DNA指纹,个体识别,三 基因治疗（Gene Therapy）,目前，基

7、因疗法的对象基因病、肿瘤、心血管病、糖尿病、血友病、严重贫血、关节炎、爱滋病等15种以上疑难顽症基因治疗人类遗传性疾病,仍在探索阶段,基因治疗是将正常的外源基因导入靶细胞中以弥补靶细胞所缺失或突变的基因、或抑制异常表达的基因,生物技术与医药卫生,基因治疗的策略,原位修复(基因修复）对有缺陷的基因在原来位置上进行修复，使该基因恢复正常基因替代疗法治疗策略是切除发生缺陷的基因，再转入有功能的正常基因增强将目的基因导入靶细胞，目的基因的表达产物可以补偿缺陷细胞的功能基因抑制导入外源基因以抑制原有的基因，目的在于阻断有害基因的表达,生物技术与医药卫生,基因治疗掀起了一场临床医学革命,基因治疗的基本方式

8、,体细胞介导的基因治疗 回体法 ex vivo体内直接转基因 体内法 in vivo,生物技术与医药卫生,基因治疗的应用,转入功能基因（单基因遗传病）血友病B 薛京伦等用逆转录病毒载体将IX因子的cDNA至血友病B患者的皮肤成纤维细胞中，再回植患者皮下，患者凝血因子IX的表达明显增高，症状得到改善重症综合性免疫缺乏症（SCID）,重症综合性免疫缺乏症（SCID）,腺苷脱氨酶（ADA）缺乏症是常染色体隐性遗传的致死性疾病，患者由于ADA缺乏导致脱苷腺氨酸增多，改变了甲基化能力，致使淋巴细胞受损，从而导致免疫缺陷,生物技术与医药卫生,1990年，首次将ADA转基因T淋巴细胞注射到人体骨髓组织（患有

9、腺苷脱氨酶（ADA）缺乏症的4岁儿童），治疗SCID,转基因治疗的问题与危险性,有效的目的基因过少；安全性:导入的基因缺乏调控手段；有效性和稳定性：缺少高效和导向的载体系统；目前人们多重视分子水平的研究而忽略了整体研究，对整体宏观水平缺乏了解。,1999年9月17日，美国Arizona州18岁的青年格尔辛格在宾夕法尼亚大学人类基因治疗研究所接受基因治疗4天后不幸死亡，成为基因治疗实施以来第1个直接死于这种试验的病人。,生物技术与医药卫生,四 创建遗传病的动物模型,意义研究癌症基因的致病机理；癌症基因表达的调控过程；新药物疗效研究基因治疗的良好材料 目前已建立了人类的动脉粥样硬化、镰刀形红细胞贫

10、血、初老期痴呆症、自身免疫病、淋巴组织生成、真皮炎及前列腺癌等遗传病的动物模型,生物技术与医药卫生,在猴子的未受精卵中加入附加基因（如老年性痴呆病的基因、帕金森病基因等），并利用它成功培育出健康活泼的小猴“安迪”。加快针对这类疾病疫苗的开发研究。,通过研究“基因敲除”的小鼠将帮助研究人类的癌症、糖尿病和高血压等慢性疾病与遗传的关系。,生物技术与医药卫生,五 干细胞工程,干细胞是指尚未发育成熟的细胞，它具有再生为各种组织器官的潜能，可称其为种子细胞。是一类具有自我更新和分化潜能的细胞具有多能性，甚至全能性,干细胞的类型,全能干细胞它具有形成完整个体的分化潜能胚胎干细胞多能干细胞具有分化出多种细胞

11、组织的潜能，失去了发育成完整个体的能力专能干细胞只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化,Microinjection Manipulation Facility,生物技术与医药卫生,胚胎干细胞具有发育成所有细胞、组织和器官的能力,生物技术与医药卫生,生物技术与医药卫生,具体应用举例,骨髓移植造血干细胞造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源，主要存在于骨髓、脐带血中造血干细胞的移植是治疗血液系统疾病、先天性遗传疾病以及多发性和转移性恶性肿瘤疾病的有效方法。,脐血干细胞库,新生儿脐血主要直接用于血液病和免疫功能不全的临床治疗 局限性脐血采集量有限，其中所含的核细胞数较少，不能满足成人患者移植所

12、需。遗传病,第四节 生物技术在农业科学方面的应用,农业科技革命,20世纪初开始的农业科技革命达尔文、孟德尔（19世纪下半叶）：育种技术（30）李比希、缪勒（20世纪30年代）：化肥和农药（50）水利、灌溉（20）以育种技术和农业化学技术为主导的第一次农业科技革命，建立了现代农业。20世纪下半叶，2个重大的科学事件，拉开了新的农业科技革命的序幕DNA双螺旋结构的发现、DNA重组成功：分子生物学、生物技术计算机、信息技术：覆盖面广、渗透性极强其它现代技术航空航天、自动控制、新型材料、先进制造等,生物技术引发的生物育种,细胞和胚胎工程育种、分子标记技术、转基因技术等已趋成熟，在动植物育种中得到应用高

13、产、稳定、优质、抗虫、抗病、除草剂、固氮酶基因等如：抗除草剂大豆、抗黄矮病小麦、抗病毒马铃薯、耐贮运番茄动物品质改良、提高动物快速生长能力或抗病能力；功能性食品：可饲性疫苗、富含VE的不饱和油料等,生物技术与农业科学,转基因植物,用携带外源基因的农杆菌Ti质粒转化植物材料，使外源DNA与植物染色体DNA整合，通过进一步组织培养，转化的植物材料分化成愈伤组织，最后发育成具有新性状的完整植株转基因植物,生物技术与农业科学,有35个科120多种转基因植物，一些重要的农作物获得商品化的转基因品种种植面积迅猛发展发展趋势采用的基因正在从抗除草剂、抗菌素、抗病虫害基因到抗逆境、高品质方向发展。由单个质量性

14、状基因向多基因数量性状转变。植物反应器生产稀有蛋白,转基因植物现状及趋势,生物技术与农业科学,1、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？,转基因水稻“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的

15、基因，它生产的蛋白质有助于人的肠道吸收铁低过敏性转基因水稻低蛋白转基因水稻,哪种大米更有益身体健康？,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。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。,生物技术与农业科学,2、抗性基因工程育种,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

16、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。,生物技术与农业科学,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。,我国现已有18个国产抗虫棉品种通过了审定，目前种植的转基因品种中约有一半是国产品种。在全国各棉区正在大面积推广。,1990年，美国利用生物技术，合成苏云金芽孢杆菌（B.t）杀虫基因，导入棉花获得抗虫转基因棉花。

17、,抗植物虫害的基因有多种，日前经常使用的主要有三种：Bt基因从植物中分离出的昆虫的蛋白酶抑制剂，其中应用最广泛的是豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI)植物凝集素基因(lectin gene),生物技术与农业科学,3、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,生物技术与农业科学,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

18、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,星条、网状：共抑制法、反义RNA 技术,黄色：直接导入外源结构基因,花卉基因转移结果常无法获得预期效果由于育成蓝色月季需要同时具备三个条件，即翠雀素的合成、黄酮醇共染剂和较高的PH值，其中关键是改变植物细胞液泡液的PH值,生物技术与农业科学,运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动物,4、在畜牧业中的应用,生物技术与农业科学,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、

19、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。使用鱼类自身的基因元件构建转基因鱼，可以解决基因表达强度问题和推广转基因鱼的环境和伦理道德问题。自1984年以来先后进行了泥鳅、鲤鱼、鲫鱼等的转基因研究。,5、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,生物技术与农业科学,农业领域的拓展,拓展领域向食品轻工领域发展：酶工程、L-乳酸发酵工程向能源：燃料：石油（黑金）作物（绿金）向材料环保：全淀粉乳酸聚合

20、塑料、生物全降解塑料生物农药及生物防治技术发展趋势生物资源创新工程专业、区域、企业、市场化传统农业“高投入、低产出”“低投入、高产出”投身生命科学,生物技术与农业科学,第六节 生物技术在食品领域的应用(p181),主要应用在食品生物资源的改造、提高食品品质和改善食品风味、油脂生产以及食品卫生检测等。不是仅仅解决粮食问题，更重要的是，满足人们 对食物感官舒适、营养 丰富、功能全面的完美 要求。,食品级壳聚糖：用于功能性食品，保健品，胶粘剂，人体补铁剂，可降解性食品包装袋等,一、应用现状,主要技术基因工程细胞工程酶工程应用领域发酵工程食品添加剂:用生物法代替化学合成，要大力开发功能性食品添加剂等。

21、,生物技术与食品业,二、在食品加工过程的应用,工程菌改良食品微生物的生产性能 改变合成途径，改善风味 氨基酸生产 生产食品酶制剂，提高活性、稳定性（淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶等，添加酶类进行食品组分的改性）食品保鲜：乳酸菌肽防腐,生物技术与食品业,三、农副产品深加工和综合利用,玉米等深加工 作为新型糖源、变性淀粉、玉米油、发酵酒精、环状糊精以及工业用材料提供优质充足的原料 肉、奶、水产品加工 植物纤维素资源,生物技术与食品业,在食品检测中的应用食源性病原菌快速检测转基因食品检测我国农业转基因生物安全管理2004年10月，我国制定农业转基因生物安全管理条例一般应经过中间试验、环境释放和生产性试验,

22、四、生物技术与食品安全性检测,生物技术与食品业,第七节 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

23、高甲烷含量等技术问题。,生物技术与能源,（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。,生物制氢产业化示范基地业已初具规模,生物技术与能源,（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

24、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。,生物技术与能源,微生物与生物能源,微生物将在生物能源领域扮演重要的角色，生物能源的制备离不开微生物利用生物技术尤其是基因工程改良相关微生物，势必能够提高生物能源的开发利用。（一）燃料乙醇发酵微生物（二）产氢细菌,生物技术与能源,第八节 生物技术在环境科学方面的应用（p192）,一、什么是环境生物技术 是生物技术在环境治理和 环境保护中的应用而衍生 出的一门新学科和新技术。二、生物技术在环境保护中的应用生物传感器为代表

25、的环境污染监控技术工业和生活污染物的微生物降解技术生态环境生物防治和生物修复技术环境友好可再生材料和能源的生物合成技术等,生物传感器利用固定化生物层与目标污染物之间的专一性作用进行检测。根据所用敏感物质可将生物传感器分为 生物催化和免疫(酶、微生物等)利用核酸做探针的DNA 传感器,生物技术与环境,1、环境污染监控技术,水污染监测,在水质评价过程中最常用、最重要的指标之一是生化需氧量(BOD)常规BOD测定方法是:在(20 1)培养5d,分别测定样品培养前后的溶解氧,二者之差即为5d 的生化需氧量,并以BOD5 表示生物传感器测定BOD 只涉及到初始氧化速率,两者之间的相关性可以通过对标准溶液

26、的测定获得,将测定时间缩短到1h以内。,生物技术与环境,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。,生物技术与环境,生物技术与环境,2、环境污染治理：生物降解：基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解油（烷烃类）、有机农药等多种污染环境的物质。,生物技术与环境,空气污染治理技术,二氧化硫排放，酸雨污染严重生物技术解决方法：微生物脱去煤中的硫无机硫脱除：利用微生物的氧化作用将黄铁矿氧化分解成铁离子和硫酸，硫酸溶于水后将其从煤炭中排除的脱疏方法微生物降解DBT（煤中有机硫）4s途径：由亚枫(sufoxide)枫(sulfone)磺酸盐(sulfoMte)硫酸盐(sMlfaM

27、)，在这一途径中，微生物只将DBT分子中的S特异性地氧化成H2SO4，而不引起碳的损失,生物技术与环境,3、生态环境生物防治和生物修复技术,生物修复是指利用生物的代谢活动减少环境(包括土壤、地表及地下水或海洋)中有毒有害化合物的工程技术系统应用土壤植物和微生物修复,生物技术与环境,4、环境友好可再生生物材料和能源开发技术,生物技术与环境,生物降解塑料“天然产品聚交酯”微生物在不平衡生长（如氮或磷不足）条件下，以颗粒状态在细胞内储存各种生物高分子聚合物统称为聚羟基脂肪酸酯,本章小结,人类基因组计划克隆技术医药生物技术农业生物技术、食品、能源环境生物技术,第六章 生物技术的应用,思考题：,1、什么是人类基因组计划？（164）2、“多莉”有什么特殊的？简述多莉诞生的细胞工程操作过程。（169170）3、花卉色素有几种？特征如何？（178）4、生物能源有几种形式？（188190）5、微生物在生物能源上的作用是什么？（190191）6、什么是环境生物技术？有何作用？（192198）,第六章 生物技术的应用,