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20世纪中期以前的生物技术

技术特征—酿造技术：

酿酒、酿醋、制酱、发面、渍菜（酸菜）、制造奶酪等。

里程碑—19世纪中期，法国微生物学家巴斯德发现了发酵现象。

19世纪中期，法国微生物学家巴斯德发现了发酵现象。

20世纪初期，第一次世界大战期间，人们用发酵法生产原料，制造炸药，从此发酵工业开始了。

20世纪40年代，青霉素，抗生素工业开始出现。

20世纪60年代，日本人发明了固定化酶连续使用的新技术，于是使酶制剂、氨基酸、核酸、有机酸发酵工业相继获得了发展。

传统生物技术—直接利用生物功能

现代生物技术—改造生命体，

使生命体出现新的功能

•二、现代生物技术

基因工程为核心：

打破物种之间遗传物质交换的天然屏障，跨越生物远缘不能杂交的鸿沟。

不可思议的“复制”艺术—《侏罗纪公园》

•不可思议的“复制”艺术

1981年，美国加利福尼亚大学柏克莱分校的波纳和海斯两位教授，奇迹般地从一枚琥珀的切片中清楚地看到了生活于4000万年前的一只蚊子的细胞，而这个细胞的所有构造又惊人地完整。

正是这个重大发现，诱发了科学家决心再造恐龙的伟大构想。

根据这一奇想，一个由12位古生物学家、遗传工程学家组成的“失去的DNA联合研究小组”很快诞生了。

按照这个小组的设想，在恐龙繁盛的白垩纪时代，必有一些刚叮过恐龙血的爬虫被树脂胶粘住后经石化作用形成琥珀，这种爬虫的血液无疑含有恐龙的细胞核。

由于每一个细胞都含有复制另一个细胞的遗传信息，所以一旦找到一个属于恐龙的完整细胞核，这个复制就将不是幻想了。

美国一位作家，根据这种设想，写了一部小说《侏罗纪公园》，描写了恐龙的复活，后被改编拍成轰动全球的科幻电影。

现代生物技术的发展简史

1953年，沃森、克里克的论文《核酸的分子结构—DNA结构》发表在两大科学期刊之一《自然》杂志上，这不足1000字的论文改变了世界。

1973年，美国斯坦福大学科恩等完成了第一个重组转化成功的例子。

1977年，美国旧金山建立了世界第一家遗传工程公司。

2003年，由美、英、日、法、德和中国科学家经过13年努力耗资20亿美元共同绘制完成了人类基因组序列图。

近年来，各国还相继开展了后人类基因组计划。

第三节现代生物技术的应用

及发展前景

•四大科学技术支柱

•农业生物技术

改善农业生产、解决食品短缺

传统的绿色农业—动植物资源农业

新兴的白色农业—微生物资源

蓝色农业—海洋生物资源

工厂化农业—人工合成粮食

将共同构成未来农业的模式，并为人类提供品种各异、营养丰富的食品资源。

转基因植物研究

已进入市场的转基因植物

抗除草剂的大豆

抗病毒病的甜椒

抗腐能力强/耐贮性高的番茄

高含量必须氨基酸的马铃薯等

转基因动物研究

已进入实用化阶段转基因动物

转基因的瘦肉型猪

高产奶的奶牛

能从奶中提取药物的转基因羊等

“三色”大农业与工厂化农业

“三色”大农业——传统的绿色农业

新兴的白色农业

新兴蓝色农业

工厂化农业——人工合成粮食

•绿色农业

以太阳光为直接能源，以水、土为主要养料，靠绿色植物光合作用转换能量进行生产的农业。

•白色农业

指微生物资源农业。

每年世界石油产量的2％→→微生物发酵工程→→鱼细胞蛋白质→→供20亿人吃一年。

我国每年5亿吨作物桔杆的20％为原料→→微生物发酵→→获得相当于400亿千克的饲料粮，这相当于我国目前饲料用量的1/3。

•蓝色农业

指海洋生物资源农业，即是以海洋水生生物和浮游生物为资源，进行利用加工的海洋农业。

近海海域自然生长的藻类植物→→加工成人类食物→→年产量相当于目前世界小麦总产量的15倍以上。

如果把海洋藻类植物和浮游生物均纳入人类食物范围，则海洋可养活300亿人。

•未来农业的模式

☐农业工厂化，按人类要求，高水平的控制环境因素，实现规模化、机械化、自动化生产，产生质量稳定、供应稳定、价格稳定、营养丰富的农业产品——未来的人工合成粮食工厂

☐安全的转基因动、植物投放市场；

☐具有营养保健、医疗功效的猪牛羊、蔬菜水果等转基因食品大批走向餐桌。

•我国农业生物技术的应用

☐培养出水稻、小麦、油菜、橡胶等一批作物新品种、新品系、新种质

☐转基因鱼

☐瘦肉型猪基因工程育种

•医学生物技术

提高生命质量，延长人类寿命

医疗生物技术投资比例占生物技术领域的首位

医疗生物技术产品市场占生物技术领域的首位

医学生物技术

\提高生命质量，延长人类寿命

1.应用于开发新型药品

生物工程药品：

重组蛋白质药品、重组疫苗、诊断或治疗用的单克隆抗体。

1977年，美国首先采用大肠杆菌生产了人类第一个基因工程药物——人生长激素释放抑制激素，开辟了药物生产的新纪元。

该激素可抑制生长激素、胰岛素和胰高血糖素的分泌，用来治疗肢端肥大症和急性胰腺炎。

如果用常规方法生产该激素，50万头羊的下丘脑才能生产5mg，而用大肠杆菌生产，只需9L细菌发酵液，其价格降至每克300美元。

•1987年所有上市的基因工程药品产值约5.4亿美元。

到了1993年，10种主要基因工程药品的经销额已接近77亿美元。

到2003年全球基因工程药物产值已达到130亿美元，且每年以20％的速度增长。

•医药行业是我国增长速度最快的行业之一，生物药品也保持高速增长，1990年中国生物技术药品产值为18亿元，1997年则超过30亿元，到2000年已达100亿元。

•近年来，由于生活方式、环境变化及人口老龄化等因素，全球肿瘤、心血管病和遗传性疾病患者大幅增加，中国也不例外，以上疾病已经成为中国患者人数最多的病种，患者人数年增长速度超过10％，由于生物药品在治疗以上疾病方面比传统药品效果更显著，因此对生物药品的需求日益增大，2005年中国生物药品市场规模已达到300亿元。

•这清楚地表明，基因工程药物的产业前景十分光明，21世纪整个医药工业将进行更新换代。

提高生命质量，延长人类寿命

2.用于疾病的预防和诊治

EX:

乙肝疫苗、转基因猪、单克隆抗体

目前在生物制药领域中单克隆抗体占了31％，2010年单克隆抗体药物的销售额已达200亿美元。

3.基因治疗

将外源基因通过载体导人人体内并在体内（器官、组织、细胞等）表达，从而达到治病的目的。

4.人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）

HGP与曼哈顿原子计划、阿波罗登月计划并称为人类科学史上的三大工程。

“我们的子女的子女将不知癌症为何物”

•1986年美国生物学家、诺贝尔奖获得者Dulhecco首先倡议

•1990年10月1日正式启动

•2000年6月26日，人类基因组草图已经基本完成

•2003年4月14日，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划所有目标全部实现

•2003年4月15日我国总理温家宝与美国、英国、日本、法国、德国的政府首脑联合发表声明，祝贺人类基因组序列图绘制成功

•环保生物技术

解决能源危机—石油草

治理环境污染—超级菌

（净化石油污染的能力得到明显的提高、自杀基因）

•海洋生物技术

☐促进海养殖业

近年来，由于全世界的捕捞活动急剧上升，捕捞量已达极限。

因此，海洋养殖业利用生物技术提高产量已具有重要意义。

☐发现生物活性物质

生物种类繁多——高盐、低温和高压环境

海洋生物体内的成分具有抗癌、抗病毒、抗衰老作用。

•目前正处在空前繁荣的发展阶段

植根于五六十年代、

萌发于七十年代、

成长于八九十年代的现代生物技术，

目前正处在空前繁荣的发展阶段。

•生物技术的安全

⏹微生物从实验室逃逸

⏹转基因食品的安全性

⏹克隆技术的危险性

⏹生物武器的阴影

•生物技术对伦理、道德、法律的影响

⏹转基因技术——伦理

⏹动物克隆技术——法律

⏹人类基因组与基因诊断技术——隐私

⏹中国现代生物技术的研究和开发面临的问题

⏹

⏹创新能力不足

⏹资金投入严重不足

⏹机制不完善

⏹ 

低水平的重复

⏹顶尖人才紧缺

◆奋起直追——成为世界性的现代生物技术产业强国

第二章基因工程

什么是基因

英文Gene的音译

遗传物质的功能单位和结构单位

DNA片段

基因工程的诞生

理论上的三大发现——基因工程诞生的理论基础

技术上的三大发现——基因工程诞生的技术基础

理论上的三大发现

——基因工程诞生的理论基础

20世纪40年代发现了生物的遗传物质是DNA

——基因的分子载体是DNA而不是蛋白质，从而明确了遗传的物质基础问题

1934年，美国微生物学家O.T.Avery在美国的一次学术会上首次报道了著名的肺炎球菌转化实验的结果。

间接证实了DNA就是基因。

1.DNA是一条反向平行的互补双链结构

脱氧核糖基和磷酸骨架位于双链外侧；

硷基以氢键互补配对（AT,GC）位于内侧；

硷基平面与长轴垂直；

两条链反向平行，一条链走向5’→→3’，另一条链3’→→5’。

2.DNA是右手螺旋

线性分子，右手螺旋。

直径2nm，螺距3.4nm，一周包含10个硷基对：

每个硷基平面的旋转角度36度。

外观上一个大沟一个小沟。

绝大多数的原核生物的DNA都是共价闭合的环状双螺旋，它们一般盘绕成麻花状的超螺旋高级结构，而真核生物中的DNA是以缠绕在组蛋白上形成核小体方式存在的，然后进一步盘绕形成染色体。

克里克在他的回忆录《狂热的追求—科学发现之我见》中表述了这种激动心情：

“双螺旋确实是一种了不起的分子，也是一个了不起的发现。

现代人的历史约有5万年，文明的历史几乎不到1万年，美国的历史仅仅200多年，可是RNA、DNA都至少存在了几十亿年。

从古至今，双螺旋就一直存在并活跃着，可是我们还是近些年才知道。

当然，值得庆幸的是，我们是地球上最先意识到它的存在的生物。

有关我们发现双螺旋的文章如此之多，我很难再补充什么。

我想说，DNA是由4个字母的语言写成的长长的生命信息，这是生命的语言……”

半保留复制

DNA复制过程中首先两条链间的氢键破裂并且双链解旋和分开，然后以每条链为模板，按碱基互补配对原则，由DNA聚合酶催化四种脱氧核糖核苷酸底物合成新的DNA互补链，这样新形成的两个DNA分子与原来的DNA分子的碱基序列完全相同。

在此过程中，每个子代DNA的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的。

因此称这种复制方式为半保留复制。

20世纪60年代确定了遗传信息的传递方式

——提出了中心法则和操纵子学说，并成功的破译了遗传密码，阐明了遗传信息的流向和表达问题

\

技术上的三大发现

——基因工程诞生的技术基础

限制性核酸内切酶——基因的剪刀

DNA连接酶——基因的针线

基因工程载体的发现

1970年，Smith和wilcox在流感嗜血杆菌中分离并纯化了限制性核酸内切酶HindIII，使DNA分子的切割成为可能。

1972年在旧金山H.W.Boyer实验室又发现了名叫EcoRI的核酸内切酶（大肠杆菌中发现），这种酶每遇到GAATTC序列，就会将双链DNA分子切开形成DNA片段

对基因工程技术的突破的另一发现是DNA连接酶的发现——基因的针线

基因工程载体的发现

基因工程的定义

基因工程geneengineering，又称为基因拼接技术或DNA重组技术，是按着人们的科研或生产需要，在分子水平上，用人工方法提取或合成不同生物的遗传物质（DNA片段），在体外切割、拼接，然后将拼接DNA与载体的遗传物质重新组合，再将其引入到没有该DNA的受体细胞中，进行复制和表达，生产出符合人类需要的产品或创造出生物的新性状，并使之稳定地遗传给下一代。

按照人们的主观意愿把一个生物的个别基因复制出来，加以修饰改造，然后放到另一生物细胞内，定向的改造生物的遗传性状

少数RNA病毒外，几乎所有的基因都存在于DNA结构中，而用于外源基因拼接的载体也都是DNA分子，因此基因工程也称为重组DNA技术。

DNA重组分子大都在受体细胞中复制扩增，故还可将基因工程表征为分子克隆或基因的无性繁殖。

生物工程>

遗传工程>

基因工程>

重组DNA技术

克隆

名词

——是指从一个祖先通过无性繁殖方式产生的后代，或具有相同遗传性状的DNA分子、细胞或个体所组成的特殊的生命群体

动词

——是指从同一祖先生产这类同一的DNA分子群或细胞群或个体群的过程

因此，基因工程也可称为基因克隆或DNA分子克隆。

基因工程的目的

生产出符合人类需要的产品或创造出生物的新性状，并能稳定遗传

基因工程的特征

1、可以任意改造生物的遗传特性，创造出生物的新性状。

2、某一段DNA可在受体细胞内进行复制，为制备大量纯化的DNA片段提供了可能。

第二节基因工程的基本过程

基因工程的基本过程/基因工程技术路线

一、DNA片段的取得——切

目的基因的分离和制备

二、DNA片段和载体的连接——接

重组体DNA

三、外源DNA片段引入受体细胞——转

四、选择基因——选

目的基因

五、目的基因表达——表达

一、目的基因的取得——切

目的基因是指准备导入受体细胞内的，以研究或应用为目的所需要的外源基因。

要从浩瀚的“基因海洋”中获得特定的目的基因，犹如大海捞针，是十分不易的。

1．从基因所在的生物体直接取

比较小的基因组

限制酶对细菌有保护作用，某些入侵噬菌体的DNA被限制性酶切断而不能在细菌中繁殖，“限制”因此而得名。

限制酶不能切开细菌本身的DNA:

-CH3。

2.人工合成目的基因DNA片段

酶促合成法：

目的基因转录成的mRNA为模板→→→单链DNA→→→酶，合成双链DNA。

化学合成法：

已知蛋白质的氨基酸序列→→→mRNA序列→→→结构基因的核苷酸序列→→→化学方法，以单核苷酸为原料合成目的基因。

DNA合成仪。

4.mRNA差异显示法获得目的基因——mRNA反转录成cDNA

mRNA差异显示是1992年由哈佛医学院PengLiang等人建立的。

原理是先用PCR技术扩增所有的mRNA、生成cDNA群体，再用测序凝胶电泳获取所需要的目的基因，然后再次用PCR扩增。

简单的讲，就是从基因的转录产物mRNA来反转录成cDNA作为目的基因。

5.用机械的方法

例如超声波把基因组打成片段。

二、DNA片段和载体的连接——接

基因克隆载体：

能够承载外源基因，并将其带入受体细胞使其得以稳定维持的DNA分子。

具备以下条件：

（1）尽可能多的克隆位点

（2）进入受体细胞，自我复制或同步复制（3）标记基因

（4）安全的

质粒、病毒、噬菌体、粘粒

转化、转导

感受态因子/感受态细胞

直接法

磷酸钙共沉淀法

DEAE-葡聚糖法

显微注射法

脂质体介导法

电穿孔法

基因枪法/微弹轰击法

激光微束穿孔法

超声波处理法

受体介导的基因导入法

病毒/噬菌体载体介导的基因导入法

受体细胞的选择

①安全性高②便于导入③便于筛选④能稳定维持⑤高效表达⑥具有较好的翻译后加工机制

⑦遗传性稳定⑧有较高应用价值

原核细胞——较为理想的受体细胞

①大部分没有纤维素组成的坚硬的细胞壁②没有核③基因组小④多数为单细胞生物

缺陷——

未经修饰的真核生物基因难以表达功能蛋白

真核细胞：

真菌、植物和动物细胞—受体细胞

酵母

①基因结构比较简单②培养简单③外源基因表达产物能分泌到培养基中④安全

植物细胞

体细胞的全能性

有细胞壁，不利于摄取重组DNA分子

水稻、棉花、玉米、马铃薯、烟草和拟南芥等

动物细胞

猪，羊、牛、鱼、鼠、猴等

克隆子：

通常将摄取外源DNA分子并能使该分子在其中稳定维持的受体细胞统称~。

转化子：

用各种转化方法或转导方法获得的克隆子叫做~。

重组子：

含有重组DNA分子的克隆子被称为~。

必须筛选

一）遗传检测法

（一）抗生素平板选择法

（二）抗生素插入失活选择法（三）β-半乳糖苷酶显色选择法

（四）报告基因检测法

二）物理检测法

（一）凝胶电泳检测

（二）内切酶图谱鉴定（三）PCR鉴定（四）DNA测序鉴定（五）R-环检测法

三）核酸杂交筛选法

（一）菌落或噬菌斑原位杂交筛选法

（二）Southern杂交筛选法

四）免疫化学检测法

特定抗体与DNA表达产物（抗原）反应检测出含有目的DNA的转化细胞的方法

重组的DNA分子进入受体细胞后，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达过程。

蛋白凝胶电泳法、免疫检测法

第三节基因工程的应用

一、基因工程在医药卫生领域的应用

1.基因工程用于疫苗生产

弱毒活疫苗：

隐含着感染的危险性

死疫苗：

免疫活性不高

重组亚基疫苗：

效价很高、绝无感染

——只含有病原体的一个或几个抗原成分，不含病原体遗传信息。

2.基因工程用于生产蛋白质类药物

糖尿病——胰岛素

传统：

每1000磅（453g/磅）牛胰脏→→10克

基因工程：

200升发酵液→→10克

3.基因工程用于基因治疗

第一例基因治疗：

ada基因治疗SCID

生殖细胞基因治疗

体细胞基因治疗

反义技术

4.基因工程用于基因诊断

酶谱分析法

探针杂交分析法

以PCR为基础的诊断技术

5.基因工程抗体

二、基因工程在农牧业中的应用

1.转基因植物

1）增加营养价值

2）提高抗逆性能

3）提高光合作用效率

4）生物固氮

5）增加植物次生代谢产物产率

6）培育新品种

2.转基因动物

育种

生物反应器：

一般把目的片段在器官或组织中表达的转基因动物叫动物生物反应器。

动物乳腺/血液/膀胱生物反应器

四、基因工程其他行业中的应用

“吃油”工程菌：

较大分解烃基能力的工程菌

基因探针：

监测水中病毒、细菌的含量

第四节基因工程安全性的问题

双刃剑

转基因食品

一、以转基因生物为直接食品二、以转基因原料加工生产而成的食品

——转基因原料食品

目前暂时未发现转基因食品对人体有害

转基因对人体健康有无危害处于未知状态

转基因食品对人体有害？

“你把一粒种子往地上一扔，它的内部就发生了基因突变！

转基因自有生命以来就一直进行着。

只是自然界的转基因是随机的、漫长的，而现在科学界进行的转基因是有目的性的，转基因技术并不神秘，目前市面上的转基因产品并不可怕。

”

更安全第一，抗虫的玉米不会被虫咬

第二，农药的残留减少

第三，强化了一些营养素

转基因生物的功能可能发生了不可预知的变化

慢性疾病可能有很长的潜伏期

1.有无毒性物质及有无过敏性蛋白2.标记基因的安全性

疑问一：

“昆虫都不吃的，人还能吃吗？

“……一种抗虫蛋白的基因，……昆虫内有受体，……死亡，……人体没有受体，对人体没有作用。

……没有足够的致毒量对人体也是安全的。

疑问二：

“吃了猪肉，就能长出猪耳朵？

” 

“……有一些老百姓说，科学家转了一个叫‘基因’的东西，到植物当中去，这个东西很复杂、很危险。

另外有人说‘吃了转基因东西，会出现基因所表现的性状’……我们吃了那么多猪肉，并没有长出猪耳朵来……” 

疑问三：

“会不会对后代有影响？

“以细胞模型的形式，可以做到10代、20代，甚至50代的细胞，以看转基因的成分对细胞有没有影响。

”

疑问四：

“是不是一些特定人群不适用？

“对转基因食品的过敏性测试一般都预先会在动物身上进行实验……通过批准的转基因食品对于过敏体质的人群是可以放心食用的。

疑问五：

“转基因食品价廉，是否物美？

” 

这些产品之所以价格低，并不是因为其品质劣，而是因为其基因成分的改变使其植株在成长过程中能够抵抗病虫害，减少农药的喷洒，提高了产量。

这样的产品，价格自然会低。

三、基因工程与生态平衡

基因漂散：

基因工程作物中的转基因能通过花粉风扬或虫媒扩散到其他同类作物。

基因污染：

人工组合的基因通过转基因作物或家养动物扩散到其他栽培作物或自然野生物种并成为后者基因的一部分。

传统作物被转基因作物污染，从种植到成品，几乎每一个环节都有可能发生。

在田间发生杂交是原始的污染。

第二次污染则发生在没有清理干净的仓库和运输环节，致使传统作物的种子混杂有基因工程作物的种子。

人的“生殖性”克隆是不合伦理的

——克隆哺乳动物的失败率很高

对人类进行类似的实验是完全不能接受的

动物克隆：

失败率高；

死亡率高；

畸、残率高

复习题

第一章

1.什么是生物技术，它包括哪些基本的内容?

它对人类社会将产生怎么样的影响

2.生物技术的应用包括哪些领域?

1.基因工程研究的理论依据是什么?

2.简述基因工程研究的基本技术路线。

3.简述限制性内切核酸酶和DNA连接酶的作用机制。

4.从cDNA文库和基因组