生物技术概论宋思扬楼士林主编科学出版社第1章 生物技术总论1.1 生物技术的含义www.book118.com 生物技术的定义生物技术(biotechnology) ，也称生物工程(bioengineering) ，是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。因此，生物技术是一门新兴的、综合性的学科。微生物工程菌发酵工程基因工程蛋白质或酶蛋白质工程或酶工程产品动、植物个体或细胞细胞工程优良动、植物品系www.book118.com.1 基因工程(gene engineering) 应用人工方法把生物的遗传物质，通常是脱氧核糖核酸(DNA) 分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组DNA 导入某种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品性；有时还使新的遗传信息在新的宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物(多肽或蛋白质)。也称DNA 重组技术。www.book118.com.2 细胞工程(cell engineering) 指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖；或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而改良生物品种和创造新品种；或加速繁育动、植物个体；以获得某种有用的物质的过程。细胞培养细胞融合（细胞杂交技术）细胞重构（如细胞器移植）www.book118.com.3 酶工程(enzyme engineering) 利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能, 或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。www.book118.com.4 发酵工程(fermentation engineering) 利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程，也称微生物工程。www.book118.com 生物技术所涉及的学科现代生物技术是所有自然科学领域中涵盖范围最广的学科之一。它以包括分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫生物学、人体生理学、动物生理学、植物生理学、微生物生理学、生物化学、生物物理学、遗传学等几乎所有生物科学的次级学科为支撑，又结合了诸如化学、化学工程学、数学、微电子技术、计算机科学、信息学等生物学领域之外的尖端基础学科，从而形成一门多学科互相渗透的综合性学科。其中又以生命科学领域的重大理论和技术的突破为基础。生物技术所涉及的行业种类行业种类经营范围疾病治疗用于控制人类疾病的医药产品及技术，包括抗生素、生物药品、基因治疗、干细胞利用等诊断临床检测与诊断，食品、环境与农业检测农业、林业与园艺新的农作物或动物，肥料，生物农药食品扩大食品、饮料及营养素的来源环境废物处理、生物净化、环境治理能源能源的开采、新能源的开发化学品酶、DNA/RNA 及特殊化学品设备由生物技术生产的金属、生物反应器、计算机芯片及生物技术使用的设备等传统生物技术现代生物技术www.book118.com 传统生物技术的产生传统生物技术应该说从史前时代起就一直为人们所开发和利用，以造福人类。在石器时代后期，我国人民就会利用谷物造酒，这是最早的发酵技术。◆古老的酿造技术◆发酵技术理论背景：现代生物技术是以20 世纪70 年代DNA 重组技术的建立为标志的。◆1944 年Avery 等阐明了DNA 是遗传信息的携带者◆1953 年Watson &Crick 发现DNA 双螺旋结构开创分子生物学◆1961 年www.book118.comana & www.book118.comnberg 破译了遗传密码，揭开了DNA 编码的遗传信息是如何传递给蛋白质这一秘密1978 年Genetech 公司和洛衫矶Hope 市医学中心将具有明显医药实用价值的蛋白质胰岛素基因导入到E.coli 中表达成功1980 转基因动物首获成功，美国人得到转人生长激素基因的超级鼠1983 年美国人和比利时人将外源基因引入植物中，并稳定遗传1997 年第一只克隆羊在英国Rosslyn 研究所诞生 www.book118.com 改善农业生产，解决食品短缺提高农作物的产量及品质培育抗逆的作物优良品系，植物种苗的工厂化生产提高粮食品质生物固氮，减少化肥使用量发展畜牧业生产动物的大量快速无性繁殖培育动物的优良品系开发制造贵重的新型药品疾病的预防和诊断基因治疗人类基因组计划解决能源危机生物能源将是最有希望的新能源之一，乙醇、生物柴油等最有希望成为新的替代能源。保护环境人们可以利用微生物净化有毒的化合物，降解石油污染，清除有毒气体和恶臭物质，综合利用废水和废渣，处理有毒金属，达到净化环境、保护环境、废物利用并获得新的产品的目的。制造工业原料利用微生物在生长过程中积累的代谢产物,生产食品工业原料，种类繁多。生产贵重金属利用微生物的浸矿技术对废渣矿、贫矿、尾矿、废矿进行提炼。基因工程对微生物的改造是否会产生某种有致病性的微生物，这些微生物都带有特殊的致病基因，如果它们从实验室逸出并且扩散，有可能造成类似鼠疫那样的可怕疾病的流行。转基因作物及食品的生产和销售，是否对人类和环境造成长期的影响，擅自改变植物基因是否可能引起一些难以预料的危险。第9章 生物技术与人类健康医药卫生领域是现代生物技术应用最广泛、成绩最显著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域。生产常规方法不能生产的药品或制剂。生产灵敏度高、反应专一、实用性强的临床诊断新试剂。提供安全性能好、免疫能力强的新一代疫苗。广义的疫苗是指将病原微生物（如细菌、立克次氏体、病毒等）及其代谢产物，经过人工减毒、灭活或利用基因工程等方法制成的用于预防传染病的自动免疫制剂。其中，由细菌制成的称为菌苗；由病毒、立克次体、螺旋体等制成的称为疫苗。第一代疫苗19 世纪中叶，法国科学家Parsteur 首先发明了减毒疫苗的制备技术。用病原体减毒或弱化制成疫苗，称之为第一代疫苗。特点：以减毒、弱化或灭活的病原体做疫苗。第二代疫苗( 基因工程疫苗) 将病原体的抗原（某种蛋白质）基因克隆在细菌或真核细胞内，利用其生产的病原体抗原作为疫苗。特点：利用病原体的某些抗原成分作为疫苗。第三代疫苗( 核酸疫苗) 将含有编码病原体抗原基因序列的质粒载体直接作为疫苗，经肌肉注射等方法导入体内，通过宿主细胞表达抗原蛋白，诱导宿主产生对该抗原蛋白的免疫应答。特点：用含有病原体抗原基因序列的质粒载体直接作为疫苗。www.book118.com ELISA ：酶联免疫吸附检测技术(enzyme linked immunosorbent assay) 基因工程抗原多克隆抗体与单克隆抗体1978 年Kan 和Dozy 首先应用羊水细胞DNA 限制性片段长度多态性（RFLP ）进行镰状细胞贫血症的产前诊断，开创了DNA 诊断的新技术。30 多年来，DNA 诊断技术飞速发展，建立了多种多样的检测方法，这些检测方法可以用于遗传性疾病、肿瘤、传染性疾病等多种疾病的诊断。PCR: polymerase chain reaction ，即聚合酶链式反应技术，是一项体外扩增特异DNA 片段的技术。特点：灵敏度极高，可以检测极微量的病原体。但如果操作不当很容易产生假阳性反应。可利用PCR 技术诊断的部分传染因子病毒细菌寄生虫单纯性疱疹病毒大肠杆菌衣原体肝炎病毒沙门氏菌锥虫巨细胞病毒耶尔森氏菌丝虫腺病毒分支杆菌疟原虫风疹病毒弯曲菌血吸虫Epstein-Barr 病毒军团菌利什曼原虫轮状病毒博代氏杆菌旋毛虫乳头状瘤病毒弧菌小泰氏梨浆虫人免疫缺陷病毒链球菌弓形虫细小病毒葡萄球菌鼻病毒淋病奈瑟氏菌立克次氏体支原菌限制性片段长度多态性（RFLP ）是指由于碱基的改变导致DNA 上的某一限制性内切核酸酶水解位点增加或减少。当这种DNA 用内切酶水解时，产生的DNA 片段数将相应地增加或减少，并且其DNA 片段的分子质量也发生相应的改变，这种DNA 片段长度的变化就称为限制性片段长度多态性。许多遗传性疾病就是由于DNA 上碱基的改变引起的。如果这种改变正好增加或减少了DNA 限制性内切核酸酶的水解位点,那么就可以用PCR 技术先扩增包括这一突变位置在内的DNA 片段，获得大量的DNA 片段后通过RFLP 方法进行分析。生物芯片主要指通过平面微细加工技术在固体芯片表面构建的微流体分析单元和系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。生物芯片的主要优点采用了平面微细加工技术，可实现大批量生产。通过提高集成度，可降低成本。可组装大量的(104 ～106 种)生物分子探针，获取信息量大，效率高。结合微机械技术，可把生物样品的预处理,基因物质的提取、扩增，以及杂交后的信息检测集成为芯片实验室，制备成微型、全自动化、可用于微量试样检测的高度集成的智能化生物芯片。诊断肿瘤检查肿瘤组织基因表达谱、寻找肿瘤相关基因、肿瘤基因突变的研究。检测病原体将许多代表每种微生物的特殊基因制成一张芯片，判断患者感染病原体的种类。遗传性疾病的诊断1928 年A.Fleming 发现一种被称为点青霉（Penicillium notatum ）的真菌能产生青霉素。迄今人们已经找到了6000 多种不同来源、不同结构、不同作用机制的抗生素，广泛应用的约有100 种。全世界每年抗生素的产量超过10 万吨，产值超过50 亿美元。抗生素使许多疾病特别是细菌引起的传染性疾病得到了有效的控制。抗生素的滥用，已使许多细菌产生了抗药性。人参组织培养生产人参皂甙组织培养方法生产紫草的有效成分——紫草宁。红豆杉细胞培养法及真菌发酵法生产紫杉醇。（尚处于研究阶段）将有治疗意义的蛋白质基因克隆后，导入细菌、酵母等生长旺盛的表达系统中，使这个基因接受表达系统中强的表达元件的控制而大量表达，从而得到可供临床使用的大量药物。安全，不易被病原体污染。成本低、产量高。用传统技术提取5mg 的生长激素释放抑制因子需要50 万头绵羊的脑，而用基因工程技术生产只需9L 细菌发酵液。生产的蛋白质药物的性质更加稳定、活性更高、副作用更低。可以通过基因工程的方法对蛋白质基因的结构加以改造以改变蛋白质结构，使其更稳定。美国十分重视基础研究，立足于创新，因此美国的基因制药一直处于领先水平。美国现有各类生物技术公司2000 多家，其中1300 多家从事医药产品的开发研究，300 多家为上市公司。1997 年美国基因工程药物的销售额为60 亿美元，到2001 年的产值已达200 多亿美元。日本基因工程药物的年销售额也高达几千亿日元。我国基因工程药物数量少、市场规模仍然十分有限。我国已经批准上市的基因工