现代生物技术概论 Modern Biotechnology

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1 现代生物技术概论 Modern Biotechnology
乔海晅 生物医学工程系

2 什么是生物技术？ 生物技术=生物工程 以现代生命科学为基础,应用工程学原理，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，为人类生产出产品或达到某种目的。 现代生物工程： 发酵工程 酶工程 细胞工程 基因工程

3 现代生物技术的产生 传统生物技术 古代，人们就会利用微生物发酵法来制醋、做酱、醇酒等，但古代人并不知道微生物的存在，更不懂得什么是发酵，他们对微生物利用完全靠着多年来摸索出来的经验。 19世纪中期，法国微生物学家巴斯德发现了发酵现象，这可以说是生物工程的一个里程碑。

4 微生物发酵 丰富多彩的酒文化 远古人类发现，吃剩的米粥数日后变成 了醇香可口的饮料—人类最早发明的酒

5 现代生物工程 1953年Watson和Crick发现了DNA双螺旋结构奠定了现代分子生物学的基础。
20世纪40年代发现了青霉素，抗生素工业开始出现。 1953年Watson和Crick发现了DNA双螺旋结构奠定了现代分子生物学的基础。 20世纪70年代后，基因重组技术，杂交瘤技术促进了生物技术的发展。绵羊“多莉”——细胞工程。

6 ◆创建基因工程技术的两位大师

7 什么是基因工程?

8 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” 我们回顾一下近代史上的三次技术革命。

9 生命科学直观影响的相关领域 生命科学 农林牧渔（农业生物技术） 环境保护（环境生物技术） 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） 在前面对生命科学的理论学习中，我们了解了生命科学与其它学科的渗透与影响，生命科学最直观的影响主要表现在：医药、农林、环保三方面

10 人类面临与生命科学相关的六大问题 环境污染 资源枯竭 生态破坏 能源危机 气候反常 人口爆炸
这些问题如何解决？传统的工业技术在解决人类自身面临的困境前显得苍白无力。“解铃还需系铃人”，人为的问题需要生命体——人类自己去克服。

11 生物技术的应用 人类基因组计划（HGP） 生物技术与医药 生物技术与农业 生物技术与工业 生物技术与食品 生物能源 生物技术与环境
下面，我们从一下几方面看看生物技术的应用状况

12 现代生物技术 与人基因组计划

13 我究竟是从哪里来的呢?

14 母亲养育我们

15 人类基因组研究 Human Genomic Project ——揭开生命的奥秘
人类的遗传信息以核苷酸顺序的形式贮存在DNA分子中，它们以功能单位(基因)在染色体上占据一定的位置 基因组就是细胞内遗传信息的携带者——DNA的总体。 人类基因组包含着决定人类生、老、病、死以及精神、行为等活动的全部遗传信息。 前面，关于HGP的情况（诞生、意义、影响）已经介绍了很多。这一节，我们主要了解HGP研究的主要内容、 HGP 的基因组是怎样完成的。人类基因组研究使人类更了解、关爱自己 由32亿个碱基对(3～4万个蛋白编码基因）组成的人类基因组，蕴藏着生命的奥秘

16 HGP简介 人类基因组计划 曼哈顿计划 阿波罗计划 1990年正式启动。
美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一价值达30亿美元的人类基因组计划。 计划旨在为30多亿个碱基对构成的人类基因组作图、精确测序，基因鉴定和功能分析，破译人类全部遗传信息 曼哈顿计划 阿波罗计划 一个碱基＝1美元！二000年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成 20世纪科学史上3个里程碑

17 20世纪人类科技发展史上的三大创举 90年代人类基因组计划 60年代人类首次登上月球 40年代第一颗原子弹爆炸

18 2000年是基因组之年，完成了人类基因组的工作框架图，完成了一系列模式生物和微生物的基因组序列分析。

19 二000年六月二十六日克林顿宣布 人类基因组草图绘制完成

20 HGP的意义 了解生命的起源与进化 解码生命，认识自身 认识疾病产生的机制，掌握生老病死规律 认识种属之间和个体之间存在差异的起因
五种“模式生物” 基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠 解码生命，认识自身 了解生命体生长发育的规律 认识疾病产生的机制，掌握生老病死规律 疾病的诊断和治疗 人类9号染色体与鼠2号；人17号与小鼠11号染色体，几乎全部基因都可以在小鼠上找到！

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22 人类基因组 计划与伦理

23 基因有没有好坏之分? ◆当我们说某个基因引起疾病时，称它为“致病基因”或“有害基因”。 ◆在非洲，许多人患有镰形细胞症，这是基因引起的。但非洲又有致命的恶性疟疾，带有可引起镰形细胞症基因的携带者却比不带有该基因的健康人更能抵御恶性疟疾。 ◆这样，“致病基因”在此时变成了“御病基因”。

24 ◆ 人们在谈论“自私的基因”、“侵略基因”，“精神分裂基因”、“嗜赌基因”、“嗜酒基因”、“同性恋基因”
◆美国哲学家Nozick R(1990)想象未来的基因超级市场可提供未来父母购买他们想要孩子所具有性状(如性别和眼睛颜色)编码的基因。

25 生物技术在医药卫生领域的应用 生物制药（基因工程制药） 基因诊断（Gene Diagnosis ）
基因治疗（and Gene Therapy） 干细胞工程

26 生物医药行业的特点 高技术 高投入 高利润 高风险 产品来源于实验室 科学家往往就是公司的领导人
尤其是前期科研投入,生物药品平均1～3亿美元 长周期：一个新的生物药品需要6～8年时间 高利润 美Amgen公司，开发上市的EPO（促红细胞生成素）、细胞集落因子（G-SCF）到1997年的销售额达20亿美元 高风险 全世界不超过100家生物技术公司有自己的产品;其中真正盈利的公司很少。 产品潜在安全风险 高技术（精细和密集的技术） 产品来源于实验室 科学家往往就是公司的领导人 高投入 尤其是前期科研投入,生物药品平均1～3亿美元 长周期：一个新的生物药品需要6～8年时间 高利润 美Amgen公司，开发上市的EPO、细胞集落因子（G-SCF）到1997年的销售额达20亿美元 高风险 全世界不超过100家生物技术公司有自己的产品;其中真正盈利的公司很少。 政策风险 产品潜在安全风险

27 基因工程制药 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。 　生物技术药物：利用生物机体、组织、细胞，生产制造或从中分离得到的具有预防、治疗和诊断功能的药品， 　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。

28 国内生物医药的发展 ——起步晚，起点低，但发展迅速 1989年我国批准了第一个在我国生产的基因工程药物--重组人干扰素α
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。 全国共有生物技术企业约500家，从业人员超过5万人，其中涉及医药生物技术的企业有300多家，涉及农业生物技术的企业200多家

29 　　干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！过去从人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍贵”程度自不用多说。
　　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

30 　　胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、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。
　　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%!

31 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1388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TAG WAS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。

32 传统与基因诊断的比较 传统的诊断 基因诊断 望 问 听 触——经验 应用分子生物学方法：如PCR技术或PCR与分子杂交标记
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

33 基 因 治 疗 应用DNA重组技术，将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病,以达到治疗的目的。

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35 个体识别 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 多数疾病是环境和遗传共同作用的结果，其中对健康不利的遗传所对应的，是与疾病发生相关的易感基因。如果通过检测，能预知某个人在什么时候、会发生哪些疾病，就可以想办法绕过这个“地雷”，维护身体健康。因此进行基因检测是很有意义的。 基因检测本是为了维护身体健康，可有人做了基因检测，发现自己没有肺癌的易感基因，反而更有了抽烟的借口，这是让研究者意想不到的。江苏某基因检测公司推出一个全套检测项目，总费用10700元，可查出60多种病，大多是心脏病、高血压、糖尿病等常见病，并提供说明书，做出健康建议，整个过程约需要15天。 Jeffreys和DNA指纹 1985年Jeffreys应用RFLP进行亲子鉴定,创建DNA指纹分析方法

36 ↓DNA破案 ↑亲子鉴定

37 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

38 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。

39 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需。 遗传病

40 TransCyte皮肤替代物 美国FDA（食品与药品监督管理局）批准美国加利福尼亚州一家公司生产的商品名为TransCyte的皮肤替代物进入市场。它由取自皮肤真皮或表皮层的细胞在一个生物可降解的聚合物上生长而成。TransCyte 能作为创口的临时覆盖物，可用于2 度或3 度烧伤的病人。

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42 生物技术在农业科学方面的应用 改善农业生产、解决食品短缺 生物技术可以让世界丰衣足食 植入牵牛花基因，西红柿能防癌了

43 生物技术与粮食 提高产量、品质 哪种大米更有益身体健康？ 普通大米实际上不是“健康食品”。
生物技术与粮食 提高产量、品质 哪种大米更有益身体健康？ 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

44 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基因，它生产的蛋白质有助于人的肠道吸收铁

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46 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１８元钱１斤。
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１８元钱１斤。

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48 美国加州的文特利亚(Ventria)公司资助一位秘鲁科学家将人的基因转入水稻；
◆将人的两种基因转入水稻后，水稻能够合成人的两种蛋白：乳铁传铁蛋白和盐酸溶菌酶，吃了这种转基因稻米可以防治儿童腹泻。

49 转基因鲑鱼(上)与同年龄的野生鲑鱼(下)

50 生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国) 乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)
　　运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。 生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国) 乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)

51 帝王蝶事件 花粉 Bt玉米 马利筋 帝王蝶幼虫死亡44%（室内）

52 What happened about our food？

53 转基因食品的问题： 消费者朱燕翎的视角 我是一个3岁宝宝的母亲 我惊讶的发现曾经很信任的雀巢产品中含有转基因成分
我亲自飞往瑞士雀巢总部要求他们尊重中国消费者，停止使用转基因原料 我对雀巢公司提起诉讼 “我一个人的声音太微弱了，中国消费者需要更大的声音。” ——朱燕翎

54 转基因作物的问题： 农民帕西·施梅瑟尔的视角
我是一个72岁的加拿大农民，种了50多年的油菜 我的常规油菜田受到了邻近油菜田的基因污染而长出了转基因油菜 我被孟山都公司起诉“侵犯专利权” 我为了应对诉讼而几乎倾家荡产 “在农民的权利和生物技术公司的权利之间，天平已经倒向了后者。” ----Percy Schmeiser

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56 转基因植物现状及趋势 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。 由单个质量性状基因向多基因数量性状转变。 植物反应器生产稀有蛋白

57 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 在抗逆境育种上的应用为克服干旱、盐碱等提供新思路
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。

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59 遭到玉米螟侵害和真菌感染的普通玉米(左)与Bt玉米(右)

60 转基因抗虫作物

61 花卉基因工程 花色工程 花卉香味工程 花卉保鲜 花卉抗性基因工程 通过合成酶的引入，增强单萜的合成
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

62 “转基因荧光猪” 不含胆固醇的转基因小鼠 荧光斑马鱼 荧光热带鱼

63 首只转基因猴降生 转基因幼猴和母亲

64 克隆技术及其应用 治疗性克隆 动物模型 器官移植 濒危动物 转基因动物乳腺生物反应器 基础研究 遗传育种 克 隆 生产蛋白质药物

65 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。

66 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：α2抗胰蛋白酶、抗凝血因子Ⅸ、 TPA 、蛋白质C 、凝血因子Ⅷ、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）

67 动物乳腺生物反应器

68 如荷兰的GenPharm公司用转基因牛生产乳铁蛋白，预计每年从牛奶生产出来营养奶粉的销售额是50亿美元。

69 生物技术与农药 综合防治 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 特点
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

70 生物技术在食品领域的应用 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。 〔油料生产 的转基因技术、酶促酷交换、油脂生物水解、微生物油脂)、 以及食品卫生检测(酶联免疫吸附测定(ELISA )、聚合 酶链式反应(PCR)、DNA探针)中的应用现状，以及生 物技术应用的前景展望。 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

71 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 食品保鲜：乳酸菌肽防腐 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

72 生物技术在能源开发上的应用 能源分 生物能源是从太阳能转化而来的 我国拥有丰富的生物质资源
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

73 （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。

74 （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。
（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。

75 （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 另外一个途径就是使用以植物油为燃料的新型柴油机，就像一个世纪前Rudolf Diesel设计的一些内燃机一样。据能源部2000年2月份的一份报告《生物柴油机：清洁、绿色的柴油燃料》(Biodiesel: Clean, Green Diesel Fuel)，以大豆、柳叶稷、玉米、和其它作物为燃料的生物柴油的颗粒物质排放量比常规柴油机要少55%以上。

76 （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。

77 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

78 生物技术在环境科学方面的应用 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

79 1、环境污染监控技术 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

80 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。

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82 生物技术的风险

83 科学是一把双刃剑 基因克隆与细 胞克隆的风险

84 人能复制吗?

85 本章小结 1. 基因工程 2. 细胞工程 3. 蛋白质工程 4. 酶工程 5. 发酵工程

86 人类基因组计划 医药生物技术 农业生物技术、食品、能源 环境生物技术