第六章生物技术的应用.pptx

第六章生物技术的应用人类面临与生命科学相关得六大问题人类面临与生命科学相关得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以绿色环保和可持续发展为特征生物科学成为当今世界自然科学得热点和重点生物科学成为当今世界自然科学得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得地位发生了革命性得变化;近50年生命科学得发展超过了此前500年得总和建立在实验室研究基础上得生物技术得发展为人类带来了巨大得利益和财富。生物技术将就是未来经济发展得新动生物技术将就是未来经济发展得新动力力第一次技术革命工业革命解放人得双手第二次技术革命信息技术扩展人得大脑第三次技术革命生物技术改造生命本身“生命产业就是一个朝阳、永恒得产业”生物技术得应用与评价生物技术得应用与评价q人类基因组计划人类基因组计划(HGP)(HGP)q动物克隆技术动物克隆技术q生物技术与医药生物技术与医药q生物技术与农业生物技术与农业q生物技术与工业生物技术与工业q生物技术与食品生物技术与食品q生物能源生物能源q生物技术与环境生物技术与环境第一节第一节 人类基因组研究人类基因组研究 Human Genomic Project 揭开生命得奥秘揭开生命得奥秘u人类得遗传信息以核苷酸顺序得形式贮存在DNA分子中,她们以功能单位(基因)在染色体上占据一定得位置u基因组就就是细胞内遗传信息得携带者DNA得总体。u人类基因组包含着决定人类生、老、病、死以及精神、行为等活动得全部遗传信息。人类基因组计划人类基因组计划HGPHGP简介简介n人类基因组计划n1990年正式启动。n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30亿美元得人类基因组计划。n计划旨在为30多亿个碱基对构成得人类基因组作图、精确测序,基因鉴定和功能分析,破译人类全部遗传信息 n曼哈顿计划n阿波罗计划20世纪科学史上3个里程碑9大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流HGPHGP得意义得意义了解生命得起源与进化认识种属之间和个体之间存在差异得起因五种“模式生物”基因组得研究: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得规律认识疾病产生得机制,掌握生老病死规律疾病得诊断和治疗人类单倍体基因组人类单倍体基因组n含 32亿碱基对(bp)得DNA序列n编码序列约占3%,非编码序列约占97%。n包括约34万个基因,分布于22条常染色体和 X、Y性染色体。人类基因组计划人类基因组计划人类基因组研究得技术原理人类基因组研究得技术原理一、人类基因组研究方案及技术一、人类基因组研究方案及技术人类基因组计划人类基因组计划n遗传图谱遗传图谱(连锁图谱连锁图谱,linkage map),linkage map)n通过家谱分析和测量不同性状一起遗传通过家谱分析和测量不同性状一起遗传(即连锁即连锁)得频率得频率,将基因或其她将基因或其她DNADNA顺序标定在染色体上构建连锁图顺序标定在染色体上构建连锁图n单位单位:厘摩厘摩(cM,(cM,即每次减数分裂得重组频率为即每次减数分裂得重组频率为1%);Mb1%);Mb水平得标记水平得标记n作用作用n确定基因或确定基因或DNADNA片断在染色体得定位片断在染色体得定位n各基因或各基因或DNADNA片断得相对距离片断得相对距离n方法方法:家系分析家系分析n1 12222染色体染色体:8:8个家系个家系 134 134个个体个个体nX X染色体染色体:12:12家系家系,170 170个个体个个体1 1 遗传图谱遗传图谱 -孟德尔得孟德尔得“新生新生”人类基因组计划人类基因组计划2 2 物理图谱物理图谱 -路标与路轨路标与路轨n就是通过对就是通过对DNADNA得化学测度得化学测度而绘制得而绘制得,反映得就是反映得就是DNADNA序序列上两点之间得实际距离列上两点之间得实际距离n目得目得:把有关基因得遗传信把有关基因得遗传信息及其在每条染色体上得相息及其在每条染色体上得相对位置线性而系统地排列出对位置线性而系统地排列出来。来。n以碱基对得数目为衡量单位以碱基对得数目为衡量单位,精度在精度在100kb100kb水平水平人类基因组计划人类基因组计划第第21号染色体得物理图谱号染色体得物理图谱3 3 大片段外源大片段外源DNADNA克隆体系克隆体系人类基因组计划人类基因组计划酵母人工染色体酵母人工染色体(YAC)YAC)克克隆体系得构建隆体系得构建重叠群组建重叠群组建(步移法步移法)4 DNA 4 DNA序列测定序列测定 序列图谱序列图谱-重中之重重中之重nDNADNA序列分析技术就是序列分析技术就是一个包括制备一个包括制备DNADNA片段片段化及碱基分析、化及碱基分析、DNADNA信信息翻译得多阶段得过息翻译得多阶段得过程程n通过测序得到基因组通过测序得到基因组得序列图谱得序列图谱 人类基因组计划人类基因组计划大规模基因组测序大规模基因组测序 Megabace 测序仪测序仪3700 测序仪测序仪人类基因组计划人类基因组计划运用计算机软件进行序列拼接运用计算机软件进行序列拼接人类基因组计划人类基因组计划现在现在,您能否设计较理您能否设计较理想得人基因组计划？想得人基因组计划？人类基因组测序完成人类基因组测序完成2003年4月14日,美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯柯林斯博士在华盛顿宣布基因组测序图已由美、英、日、德、法、中六国经13年努力完成5 5、基因得确定与分析基因得确定与分析 基因转录图谱基因转录图谱-生命得乐谱生命得乐谱断裂基因人类基因组计划人类基因组计划转录图谱就是在识别基因组所包含得蛋白质编码序列得基础上绘制得有关基因序列、位置及表达模式等信息得图谱。确定特定基因得方法确定特定基因得方法n通过通过DNADNA全序列分析确定基因全序列分析确定基因n根据人类基因组根据人类基因组DNADNA测序测序,利用计算机分析利用计算机分析,找出找出ORFORFn功能克隆功能克隆n根据基因得功能根据基因得功能,分离并测定基因结构分离并测定基因结构 n定位克隆定位克隆:已知基因染色体定位然后进行得克隆已知基因染色体定位然后进行得克隆n已完成几十个疾病基因得克隆分离已完成几十个疾病基因得克隆分离n鉴定基因鉴定基因n据基因编码蛋白质得氨基酸序列分析蛋白质得类型、功据基因编码蛋白质得氨基酸序列分析蛋白质得类型、功能能人类基因组计划人类基因组计划我国对人类基因组计划得贡献我国对人类基因组计划得贡献n1994年,我国HGP在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明得倡导下启动n最初由国家自然科学基金会和863高科技计划得支持下,先后启动了“中华民族基因组中若干位点基因结构得研究”和“重大疾病相关基因得定位、克隆、结构和功能研究”;n1998年在上海成立了南方基因中心;n1999年在北京成立了北方人类基因组中心;n1999年7月在国际人类基因组注册,得到完成人类3号染色体短臂上一个约30Mb区域得测序任务,该区域约占人类整个基因组得1。n1999年11月12日:科技部、中科院、“863”计划生物领域专家委员会讨论决定“863”计划出资3000万元,中科院出资1000万元人类基因组计划人类基因组计划国际人类基因组测序任务分配情况国际人类基因组测序任务分配情况人类基因组计划人类基因组计划遗传病基因克隆重大突破遗传病基因克隆重大突破夏家辉教授实验室1998年克隆了高频耳聋疾病基因2001年上海和北京科学家发现遗传性乳光牙本质II型基因人类基因组计划人类基因组计划后基因组时代后基因组时代n结构基因组学向功能基因组学转变结构基因组学向功能基因组学转变n研究基因表达、调控研究基因表达、调控,以及在生长发以及在生长发育、疾病发生、药物反应等方面得作育、疾病发生、药物反应等方面得作用用n研究上研究上:n系统研究系统研究:不就是针对单个基因或蛋不就是针对单个基因或蛋白白,而就是对一个细胞或个体内整个而就是对一个细胞或个体内整个基因或蛋白质得研究基因或蛋白质得研究;n组学研究组学研究:功能基因组、结构基因组、功能基因组、结构基因组、蛋白质组学蛋白质组学n技术上技术上:高通量基因、蛋白筛选与鉴高通量基因、蛋白筛选与鉴定定,基因敲除动物等基因敲除动物等n在基因得功能与利用上有望突破在基因得功能与利用上有望突破第二节第二节 克隆技术与克隆技术与“多莉多莉”克隆,就是Clone得译音,意为生物体通过细胞进行得无性繁殖形成得基因型完全相同得后代个体组成得种群,简称为无性繁殖。从细胞到个体从细胞到个体n细胞分化细胞分化:在个体发在个体发育中育中,细胞后代在形细胞后代在形态结构和功能上发生态结构和功能上发生差异得过程。差异得过程。n细胞全能性细胞全能性:细胞具细胞具有形成完整个体得潜有形成完整个体得潜能称细胞全能性。能称细胞全能性。克隆技术克隆技术n植物植物n分化成熟得植物细胞体,仍有可能发育成完整植株。n动物动物n随着分化得演进,分化成熟细胞逐渐丧失其分化潜能,不能发育成为完整得动物个体。n实验证明,囊胚阶段得细胞乃至成熟得体细胞,保持着全套基因组得细胞核仍具有全能性可能发育成完整个体。n细胞质中有着决定细胞分化全能性得物质,称为分化决定子。决定动物细胞全能性得关键在于细胞质。植物体细胞具有全能性克隆技术克隆技术“多莉多莉”羊实验得设计和实施羊实验得设计和实施 细胞工程材料细胞工程材料多莉羊与生母多莉羊与生母,1997n芬兰道塞特绵羊芬兰道塞特绵羊:n提供细胞核提供细胞核n苏格兰黑面母绵羊苏格兰黑面母绵羊2 2只只:n提供卵细胞提供卵细胞n子宫子宫:胚胎得发育环境胚胎得发育环境 多莉得生母多莉得生母实 验 过 程细胞核受体 黑面母绵羊细胞核供体6岁道塞特母绵羊培养于0、5%胎牛血清培养基中,使从生长周期中出来停顿于G。3436h取出核注射促性腺激素释激素经 28-33 h 排卵乳腺细胞克隆技术克隆技术移入苏格兰黑面母羊子宫分裂成长至桑椹期或囊胚期克隆技术克隆技术多莉羊与寄母多莉羊与寄母,19971998年,美国夏威夷大学得Yanagimachi等成功地用卵丘细胞进行了小鼠得克隆、克隆再克隆按供体细胞得类型不同分为三个阶段同种胚胎细胞克隆同种体细胞克隆异种体细胞克隆动物克隆得发展动物克隆得发展治疗性克隆治疗性克隆 动物模型动物模型器官移植器官移植濒危动物濒危动物转基因动物乳腺转基因动物乳腺生物反应器生物反应器基础研究基础研究遗传育种遗传育种 克克 隆隆生产蛋白质药物克隆技术及其应用克隆技术及其应用移植日期:2001、5、12流产日期:2001、7、15移植日期:2001、5、3流产日期:2001、8、4动物克隆研究中动物克隆研究中普遍存在得问题普遍存在得问题存在不分裂胚供体核受体卵细胞受胎率低(26、2%)流产率高(53、8%)克隆动物得存活率低(35、7%)克隆技术克隆技术第三节第三节 生物技术在医药生物技术在医药卫生领域得应用卫生领域得应用(P171)生物制药(基因工程制药)基因诊断(Gene Diagnosis)基因治疗(and Gene Therapy)干细胞工程一、生物医药行业得特点一、生物医药行业得特点高技术(精细和密集得技术)产品来源于实验室科学家往往就就是公司得领导人高投入尤其就是前期科研投入,生物药品平均13亿美元长周期:一个新得生物药品需要68年时间高利润美Amgen公司,开发上市得EPO(促红细胞生长素)、细胞集落因子(G-SCF)到1997年得销售额达20亿美元高风险全世界不超过100家生物技术公司有自己得产品;其中真正盈利得公司很少。政策风险产品潜在安全风险基本方法就是基本方法就是:将目得基因用将目得基因用DNADNA重组得方法连接重组得方法连接在载体上在载体上,然后将载体导入靶细胞然后将载体导入靶细胞,使目得基因在使目得基因在靶细胞中得到表达靶细胞中得到表达,最后将表达得目得蛋白质提最后将表达得目得蛋白质提纯及做成制剂纯及做成制剂,从而成为蛋白类药或疫苗。从而成为蛋白类药或疫苗。二、基因工程制药二、基因工程制药19761976年第一家基因工程技术开发药物得公司建立年第一家基因工程技术开发药物得公司建立;19821982年第一个基因工程药物重组人胰岛素正式生产年第一个基因工程药物重组人胰岛素正式生产,推向市场推向市场20022002年全球生物技术公司总数已达年全球生物技术公司总数已达42844284家家,美国占美国占3434。20042004年基因重组生物技术药物得年销售额已经突破年基因重组生物技术药物得年销售额已经突破400400亿美元亿美元;。20052005年年市市场场上上得得生生物物技技术术药药物物达达到到200200种种左左右右,而而在在研研得得药药物物为为600600种。种。全世界已有全世界已有2 2、5 5亿人使用生物技术药物和疫苗。亿人使用生物技术药物和疫苗。国外生物医药得发展国外生物医药得发展生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生19891989年年我我国国批批准准了了第第一一个个在在我我国国生生产产得得基基因因工工程程药药物物-重组人干扰素重组人干扰素1b1b近近年年来来我我国国生生物物制制药药业业销销售售收收入入以以平平均均超超过过20%20%得得速速度度增增长。长。国内生物医药得发展国内生物医药得发展 起步晚起步晚,起点低起点低,但发展迅速但发展迅速许多药品得生产就是从生物组许多药品得生产就是从生物组织中提取得。受材料来源限制织中提取得。受材料来源限制产量有限产量有限,其价格往往十分昂贵。其价格往往十分昂贵。如胰岛素长期以来只能依靠从如胰岛素长期以来只能依靠从猪、牛等动物得胰腺中提取。猪、牛等动物得胰腺中提取。将合成得胰岛素基因导入大肠将合成得胰岛素基因导入大肠杆菌杆菌,每每2000L2000L培养液就能产生培养液就能产生100g100g胰岛素！相当于胰岛素！相当于1000Kg1000Kg猪猪胰脏中提取得量。胰脏中提取得量。基因工程药品得生产基因工程药品得生产生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生生物反应器生物反应器将外源基因在动、植物体内将外源基因在动、植物体内表达并生产出我们所需得营表达并生产出我们所需得营养养(蛋白蛋白)或工业用原材料得或工业用原材料得动植物基因改良动植物基因改良(操作操作)得个得个体称为生物反应器。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就是依据转基因技术技术原理与操作主要就是依据转基因技术动物生物反应器动物生物反应器:就是指利用动物作为载体就是指利用动物作为载体(平台平台)得反得反应器体系。应器体系。生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生 动物生物反应器动物生物反应器乳腺生物反应器乳腺生物反应器:使外源基因在哺乳使外源基因在哺乳动物得乳腺组织动物得乳腺组织(上皮细胞上皮细胞)中进行中进行特异表达我们需要得蛋白产物特异表达我们需要得蛋白产物;血液生物反应器血液生物反应器细胞生物反应器细胞生物反应器已生产得药物已生产得药物:22抗胰蛋白酶、抗凝血抗胰蛋白酶、抗凝血因子因子、TPA TPA、蛋白质、蛋白质C C、凝血因子、凝血因子、白细胞介素白细胞介素2222等等 从从转转基基因因羊羊得得羊羊奶奶中中提提取取出出治治疗疗心心脏脏病病得得药物药物tPA(tPA(组织型纤溶酶原激活物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、经济效益目前已制作成功并产生重大社会、经济效益(应应)得乳腺生物得乳腺生物反应器反应器(动物动物)有有:转基因牛转基因牛(荷兰荷兰PhramingPhraming公司公司-人乳铁蛋白、人乳铁蛋白、EPO)EPO)转基因羊转基因羊(山羊、绵羊山羊、绵羊)()(英英PPLPPL公司公司-抗胰蛋白酶抗胰蛋白酶;美美GTC-GTC-人凝血酶原人凝血酶原III)III)等等生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生治疗用转基因牛研究得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得局面生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生二、基因诊断二、基因诊断(Gene Diagnosis)(Gene Diagnosis)nG G到到T T一个碱基得改变一个碱基得改变,决定了决定了一个人得命运一个人得命运n小皓珩出生小皓珩出生2323个月就出现皮疹、个月就出现皮疹、便血等病状便血等病状,患上了罕见得原发患上了罕见得原发性免疫缺陷病。性免疫缺陷病。nDNADNA序列分析序列分析,证实了小皓珩证实了小皓珩WASWAS蛋白基因得蛋白基因得13881388位核苷酸由位核苷酸由G G突突变为变为T,T,使编码谷氨酸得密码使编码谷氨酸得密码GAGGAG突变为终止密码突变为终止密码TAGTAGnWASWAS蛋白突变为无功能得蛋白突变为无功能得WASWAS蛋白蛋白,导致患儿血小板减少导致患儿血小板减少,淋巴细胞淋巴细胞形态和功能异常形态和功能异常 n希望希望:WAS:WAS目前已经可以用骨髓移目前已经可以用骨髓移植或干细胞移植根治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就是否有基因异常或携带病原微生物得方法,就就是基因诊断。生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生传统与基因诊断得比较 传统得诊断n望 问 听 触经验n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n影像学X线、B超、CT、核磁共振、内窥镜等n特殊检查肌电/脑电/心电、骨密度等基因诊断n应用分子生物学方法应用分子生物学方法:如如PCRPCR技术或技术或PCRPCR与分子杂交与分子杂交标记标记n主要应用于主要应用于n先天遗传性疾患先天遗传性疾患(苯丙酮尿苯丙酮尿症、血红蛋白病症、血红蛋白病)n后天基因突变引起得疾病后天基因突变引起得疾病(肿瘤、糖尿病肿瘤、糖尿病)n病原生物得侵入病原生物得侵入(流感、肝流感、肝炎、艾滋病炎、艾滋病)n个体识别、法医物证个体识别、法医物证生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生感染性疾病检测感染性疾病检测n 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n乙型肝炎病毒n丙型肝炎病毒n结核杆菌和疟原虫得分型n公安司法系统公安司法系统罪犯及受罪犯及受害人得身份识别及亲子鉴定害人得身份识别及亲子鉴定n部队部队 伤亡士兵得身份识伤亡士兵得身份识别别;印尼海啸中死难人员身份印尼海啸中死难人员身份识别识别n保安保安 个人个人DNADNA身份证身份证,用用于人员识别于人员识别1985年Jeffreys应用RFLP进行亲子鉴定,创建DNA指纹分析方法Jeffreys和DNA指纹个体识别个体识别三三 基因治疗基因治疗(Gene Therapy)(Gene Therapy)目前,基因疗法得对象基因病、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就是将正常得外源基因导入靶细胞中以弥补靶细胞所缺失或突变得基因、或抑制异常表达得基因生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生基因治疗得策略基因治疗得策略原位修复(基因修复)对有缺陷得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就是切除发生缺陷得基因,再转入有功能得正常基因增强将目得基因导入靶细胞,目得基因得表达产物可以补偿缺陷细胞得功能基因抑制导入外源基因以抑制原有得基因,目得在于阻断有害基因得表达生物技术与医药卫生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得基本方式基因治疗得基本方式n体细胞介导得基因治疗体细胞介导得基因治疗 回体法回体法 ex vivoex vivon体内直接转基因体内直接转基因 体内法体内法 in vivoin vivo生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生基因治疗得应用基因治疗得应用 转入功能基因(单基因遗传病)n血友病B 薛京伦等用逆转录病毒载体将IX因子得cDNA至血友病B患者得皮肤成纤维细胞中,再回植患者皮下,患者凝血因子IX得表达明显增高,症状得到改善n重症综合性免疫缺乏症(SCID)重症综合性免疫缺乏症重症综合性免疫缺乏症(SCID)(SCID)n腺苷脱氨酶腺苷脱氨酶(ADA)(ADA)缺乏症就缺乏症就是常染色体隐性遗传得致死是常染色体隐性遗传得致死性疾病性疾病,患者由于患者由于ADAADA缺乏导缺乏导致脱苷腺氨酸增多致脱苷腺氨酸增多,改变了改变了甲基化能力甲基化能力,致使淋巴细胞致使淋巴细胞受损受损,从而导致免疫缺陷从而导致免疫缺陷生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生n19901990年年,首次将首次将ADAADA转转基因基因T T淋巴细胞注射到淋巴细胞注射到人体骨髓组织人体骨髓组织(患有患有腺苷脱氨酶腺苷脱氨酶(ADA)(ADA)缺缺乏症得乏症得4 4岁儿童岁儿童),治疗SCID转基因治疗得问题与危险性转基因治疗得问题与危险性n有效得目得基因过少有效得目得基因过少;n安全性安全性:导入得基因缺乏调导入得基因缺乏调控手段控手段;n有效性和稳定性有效性和稳定性:缺少高效缺少高效和导向得载体系统和导向得载体系统;n目前人们多重视分子水平得目前人们多重视分子水平得研究而忽略了整体研究研究而忽略了整体研究,对对整体宏观水平缺乏了解。整体宏观水平缺乏了解。1999年年9月月17日日,美国美国Arizona州州18岁得岁得青年青年格格尔辛格辛格在宾夕法尼亚大学人类在宾夕法尼亚大学人类基因治疗研究所接受基因治疗基因治疗研究所接受基因治疗4天后不天后不幸死亡幸死亡,成为基因治疗实施以来第成为基因治疗实施以来第1个个直接死于这种试验得病人。直接死于这种试验得病人。生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生四四 创建遗传病得动物模型创建遗传病得动物模型 n意义n研究癌症基因得致病机理;癌症基因表达得调控过程;新药物疗效n研究基因治疗得良好材料 n目前已建立了人类得动脉粥样硬化、镰刀形红细胞贫血、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得动物模型 生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生在猴子得未受精卵中加入附加基因(如老年性痴呆病得基因、帕金森病基因等),并利用她成功培育出健康活泼得小猴“安迪”。加快针对这类疾病疫苗得开发研究。通过研究“基因敲除”得小鼠将帮助研究人类得癌症、糖尿病和高血压等慢性疾病与遗传得关系。生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生五五 干细胞工程干细胞工程n干细胞就是指尚未发育成熟得细胞,她具有再生为各种组织器官得潜能,可称其为种子细胞。n就是一类具有自我更新和分化潜能得细胞n具有多能性,甚至全能性干细胞得类型干细胞得类型n全能干细胞n她具有形成完整个体得分化潜能n胚胎干细胞n多能干细胞n具有分化出多种细胞组织得潜能,失去了发育成完整个体得能力n专能干细胞n只能向一种类型或密切相关得两种类型得细胞分化Microinjection Manipulation Facility生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生胚胎干细胞具有发育成所有细胞、组织和器官得能力生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生具体应用举例具体应用举例骨髓移植造血干细胞n造血干细胞就是体内各种血细胞得唯一来源,主要存在于骨髓、脐带血中n造血干细胞得移植就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得有效方法。脐血干细胞库脐血干细胞库 n新生儿脐血主要直接用于血液病和免疫功能不全得临床治疗 n局限性n脐血采集量有限,其中所含得核细胞数较少,不能满足成人患者移植所需。n遗传病第四节第四节 生物技术在生物技术在农业科学方面得应用农业科学方面得应用农业科技革命农业科技革命n20世纪初开始得农业科技革命n达尔文、孟德尔(19世纪下半叶):育种技术(30)n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得第一次农业科技革命,建立了现代农业。n20世纪下半叶,2个重大得科学事件,拉开了新得农业科技革命得序幕nDNA双螺旋结构得发现、DNA重组成功:分子生物学、生物技术n计算机、信息技术:覆盖面广、渗透性极强n其她现代技术n航空航天、自动控制、新型材料、先进制造等生物技术引发得生物育种生物技术引发得生物育种 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n高产、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n动物品质改良、提高动物快速生长能力或抗病能力;n功能性食品:可饲性疫苗、富含VE得不饱和油料等生物技术与农业科学生物技术与农业科学转基因植物转基因植物用携带外源基因得农杆菌用携带外源基因得农杆菌TiTi质粒转化植物材料质粒转化植物材料,使外使外源源DNADNA与植物染色体与植物染色体DNADNA整合整合,通过进一步组织培养通过进一步组织培养,转转化得植物材料分化成愈伤组织化得植物材料分化成愈伤组织,最后发育成具有新性最后发育成具有新性状得完整植株状得完整植株转基因植物转基因植物生物技术与农业科学生物技术与农业科学n有有3535个科个科120120多种转基因多种转基因植物植物,一些重要得农作物一些重要得农作物获得商品化得转基因品种获得商品化得转基因品种n种植面积迅猛发展种植面积迅猛发展n发展趋势发展趋势n采用得基因正在从抗除草采用得基因正在从抗除草剂、抗菌素、抗病虫害基剂、抗菌素、抗病虫害基因到抗逆境、高品质方向因到抗逆境、高品质方向发展。发展。n由单个质量性状基因向多由单个质量性状基因向多基因数量性状转变。基因数量性状转变。n植物反应器生产稀有蛋白植物反应器生产稀有蛋白转基因植物现状及趋势转基因植物现状及趋势生物技术与农业科学生物技术与农业科学1 1、生物技术与粮食、生物技术与粮食 提高产量、品质提高产量、品质n普通大米实际上不就是普通大米实际上不就是“健康食品健康食品”。n大大米米中中含含有有一一种种叫叫做做肌肌醇醇六六磷磷酸酸得得小小分分子子,她她能能与与铁铁紧紧紧地结合紧地结合,使得小肠难以吸收食物中得铁使得小肠难以吸收食物中得铁;n以大米为主食得人以大米为主食得人,易患铁缺乏症而导致贫血易患铁缺乏症而导致贫血哪种大米更有益身体健康？n转基因水稻转基因水稻 n“金金大大米米”:转转入入胡胡萝萝卜卜素素合合成成相相关关基基因因提提高高大大米米中中维维生生素素A A前前体体得得含含量量,以以减减少少亚亚洲洲人人普普遍遍存存在在得得维维生生素素A A缺缺乏症乏症n解决铁吸收得问题解决铁吸收得问题,往往“金大米金大米”中再转入三种基因中再转入三种基因:n一种就是来自真菌得酶基因一种就是来自真菌得酶基因,这种酶能够把肌醇六磷酸降解掉这种酶能够把肌醇六磷酸降解掉;n一种就是来自菜豆得铁蛋白基因一种就是来自菜豆得铁蛋白基因,铁蛋白能够储存铁铁蛋白能够储存铁;n还还有有一一种种就就是是来来自自印印度度香香米米得得基基因因,她她生生产产得得蛋蛋白白质质有有助助于于人人得得肠道吸收铁肠道吸收铁n低过敏性转基因水稻低过敏性转基因水稻n低蛋白转基因水稻低蛋白转基因水稻哪种大米更有益身体健康？哪种大米更有益身体健康？超级杂交稻超级杂交稻 2005 2005年年5 5月月1313日日,位于三亚市田独镇位于三亚市田独镇新村田洋得中国超级杂交稻第一块新村田洋得中国超级杂交稻第一块“百亩片试种示范田百亩片试种示范田”正式通过了正式通过了海南省级验收。经由全国多位农业海南省级验收。经由全国多位农业专家共同检测专家共同检测,这批超级杂交稻得亩这批超级杂交稻得亩产高达产高达833833、2323公斤。公斤。功能稻米功能稻米 基尔米基尔米:拥有降血压、改善睡眠、减肥美容拥有降血压、改善睡眠、减肥美容等功能得大米等功能得大米,售价最高得一种达元钱售价最高得一种达元钱斤斤。生物技术与农业科学生物技术与农业科学2 2、抗性基因工程育种、抗性基因工程育种n基因工程为培育抗病虫得作物提供了新得手段基因工程为培育抗病虫得作物提供了新得手段n目前目前,已经获得得转基因抗虫农作物包括烟草、番茄、已经获得得转基因抗虫农作物包括烟草、番茄、马铃薯、棉花、玉米等马铃薯、棉花、玉米等n在抗逆境育种上得应用为克服干旱、盐碱等提供在抗逆境育种上得应用为克服干旱、盐碱等提供新思路新思路n美国斯坦福大学把仙人掌基因导入小麦、大豆等作物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、抗逆得新品种。育成抗旱、抗逆得新品种。n我国已克隆了耐盐碱相关基因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、通过遗传转化已获得了耐盐烟草、水稻、西红柿、草莓等。水稻、西红柿、草莓等。生物技术与农业科学生物技术与农业科学转基因抗虫棉转基因抗虫棉 我国就是世界上最大得棉花生我国就是世界上最大得棉花生产国和消费国产国和消费国,约占世界产棉总量约占世界产棉总量得得25%以上。以上。自自90年代以来年代以来,由于棉铃虫在我由于棉铃虫在我国大部分棉区持续性大发生或暴国大部分棉区持续性大发生或暴发发,给我国棉花生产带来了巨大得给我国棉花生产带来了巨大得威胁威胁,棉农谈虫色变棉农谈虫色变,面积、单产、面积、单产、总产一直处于低谷得徘徊阶段。总产一直处于低谷得徘徊阶段。n我国现已有我国现已有1818个国产抗虫棉品种通过个国产抗虫棉品种通过了审定了审定,目前种植得转基因品种中约目前种植得转基因品种中约有一半就是国产品种。在全国各棉区有一半就是国产品种。在全国各棉区正在大面积推广。正在大面积推广。n19901990年年,美国利用生物技术美国利用生物技术,合成苏云合成苏云金芽孢杆菌金芽孢杆菌(B(B、t)t)杀虫基因杀虫基因,导入棉导入棉花获得抗虫转基因棉花。花获得抗虫转基因棉花。n抗植物虫害得基因有多种抗植物虫害得基因有多种,日前经常使日前经常使用得主要有三种用得主要有三种:nBtBt基因基因n从植物中分离出得昆虫得蛋白酶抑从植物中分离出得昆虫得蛋白酶抑制剂制剂,其中应用最广泛得就是豇豆其中应用最广泛得就是豇豆胰蛋白酶抑制剂基因胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI)(CpTI)n植物凝集素基因植物凝集素基因(lectin gene)(lectin gene)生物技术与农业科学生物技术与农业科学3 3、花卉基因工程、花卉基因工程n花色工程花色工程n花卉香味工程花卉香味工程n通过合成酶得引入通过合成酶得引入,增强单萜得合成增强单萜得合成n花卉保鲜花卉保鲜n通过导入反义通过导入反义ACCACC合成酶基因及反义合成酶基因及反义ACCACC氧化酶基因可阻止乙烯生化合成氧化酶基因可阻止乙烯生化合成,延长延长花期和鲜切花寿命花期和鲜切花寿命 n花卉抗性基因工程花卉抗性基因工程圆个缤纷得梦圆个缤纷得梦花色工程花色工程n花色素主要由类黄酮、类胡萝卜素、生物碱三类物质决定 n影响花色得因子还有共色作用、液泡得酸碱值及细胞得形状等生物技术与农业科学生物技术与农业科学基因工程改变花色得途径n通过引入外源基因来补充通过引入外源基因来补充某些品种缺乏合成某些颜某些品种缺乏合成某些颜色得能力色得能力n利用反义利用反义RNARNA和共抑制技和共抑制技术抑制基因得活性术抑制基因得活性,造成造成无色底物得积累无色底物得积累,使花得使花得颜色变浅或变成无色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n花卉基因转移结果常无法获得预期效果n由于育成蓝色月季需要同时具备三个条件,即翠雀素得合成、黄酮醇共染剂和较高得PH值,其中关键就是改变植物细胞液泡液得PH值 生物技术与农业科学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、抗性好得畜、禽新品种,还可以培养出具有特殊用途得动物4、在畜牧业中得应用生物技术与农业科学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得生长激素基中国科学院水生生物研究所朱作言首次用人得生长激素基因因(hGH)(hGH)构建了转基因鱼构建了转基因鱼,制作得主要目得就是提高生长速制作得主要目得就是提高生长速度、增加抗逆性以及为发育生物学和插入突变提供研究得度、增加抗逆性以及为发育生物学和插入突变提供研究得材料。材料。使用鱼类自身得基因元件构建转基因鱼使用鱼类自身得基因元件构建转基因鱼,可以解决基因表可以解决基因表达强度问题和推广转基因鱼得环境和伦理道德问题。达强度问题和推广转基因鱼得环境和伦理道德问题。自自19841984年以来先后进行了泥鳅、鲤鱼、鲫鱼等得转基因研年以来先后进行了泥鳅、鲤鱼、鲫鱼等得转基因研究。究。5 5、生物技术与农药、生物技术与农药n绿绿色色农农药药包包括括微微生生物物杀杀虫虫剂剂、微微生生物物杀杀菌菌剂剂、农农畜畜抗抗菌菌素素、植物源农药等植物源农药等n植植物物源源生生物物水水剂剂农农药药(松松脂脂酸酸钠钠和茶皂素得复合制剂、和茶皂素得复合制剂、苦楝油苦楝油)n生物农药菌种资源生物农药菌种资源(苏云金杆菌苏云金杆菌)n特点特点n环保环保,良好得环境相容性良好得环境相容性n先先天天弱弱势势:药药效效慢慢、击击倒倒慢慢、适适应力差应力差n综合防治综合防治生物技术与农业科学生物技术与农业科学农业领域得拓展农业领域得拓展 n拓展领域拓展领域n向食品轻工领域发展向食品轻工领域发展:酶工程、酶工程、L-L-乳酸发酵工程乳酸发酵工程n向能源向能源:燃料燃料:石油石油(黑金黑金)作物作物(绿金绿金)n向材料环保向材料环保:n全淀粉全淀粉乳酸乳酸聚合塑料、生物全降解塑料聚合塑料、生物全降解塑料n生物农药及生物防治技术生物农药及生物防治技术n发展趋势发展趋势n生物资源创新工程生物资源创新工程专业、区域、企业、市场化专业、区域、企业、市场化n传统农业传统农业“高投入、低产出高投入、低产出”“”“低投入、高产出低投入、高产出”n投身生命科学投身生命科学生物技术与农业科学生物技术与农业科学第六节第六节 生物技术在食品领域得应用生物技术在食品领域得应用 (p181)(p181)n主要应用在食品生物资源得改造、提高食品品质和主要应用在食品生物资源得改造、提高食品品质和改善食品风味、油脂生产改善食品风味、油脂生产以及食品卫生检测等。食品卫生检测等。n不就是仅仅解决粮食问题不就是仅仅解决粮食问题,更重要得就是更重要得就是,满足人们满足人们 对食物感官舒适、营养对食物感官舒适、营养 丰富、功能全面得完美丰富、功能全面得完美 要求。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、一、应用现状应用现状n主要技术n基因工程n细胞工程n酶工程n应用领域n发酵工程n食品添加剂:用生物法代替化用生物法代替化学合成学合成,要大力开发功能性食要大力开发功能性食品添加剂等。品添加剂等。生物技术与食品业生物技术与食品业二、在食品加工过程得应用二、在食品加工过程得应用n工程菌改良食品微生物得生产性能n改变合成途径,改善风味n氨基酸生产n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得改性)n食品保鲜:乳酸菌肽防腐生物技术与食品业生物技术与食品业三、农副产品深加工和综合利用三、农副产品深加工和综合利用n玉米等深加工玉米等深加工 作为新型糖源、变性淀粉、作为新型糖源、变性淀粉、玉米油、发酵酒精、环状糊玉米油、发酵酒精、环状糊精以及工业用材料提供优质精以及工业用材料提供优质充足得原料充足得原料n 肉、奶、水产品加工肉、奶、水产品加工n 植物纤维素资源植物纤维素资源 生物技术与食品业生物技术与食品业n在食品检测中得应用n食源性病原菌快速检测n转基因食品检测n我国农业转基因生物安全管理n2004年10月,我国制定农业转基因生物安全管理条例n一般应经过中间试验、环境释放和生产性试验四、生物技术与食品安全性检测四、生物技术与食品安全性检测生物技术与食品业生物技术与食品业第七节第七节 生物技术在生物技术在能源开发上得应用能源开发上得应用n能源分能源分n不可再生能源不可再生能源:煤、天然气和石油煤、天然气和石油(包括核能包括核能)等等化石原料化石原料n可再生能源可再生能源:太阳能、风能、地热能、生物能、太阳能、风能、地热能、生物能、海洋能和