现代生物技术应用省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

当代生物当代生物技术应用技术应用第1页二十一世纪是生物技术世纪v未来学家说：二十一世纪是生物技术世纪；v科学家预言：二十一世纪世界即将在生物技术上取得重大突破，新世纪之初，科学方面主要将在生物学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保护上有所突破；v经济学家则认为：二十一世纪代，生物经济将由当前形成阶段进入成长阶段，即工业生产与商业开发阶段。第2页 医药卫生（医药生物技术）医药卫生（医药生物技术）生命科学生命科学 农林牧渔（农业生物技术）农林牧渔（农业生物技术）环境保护（环境生物技术）环境保护（环境生物技术）生命科学直观影响相关领域生命科学直观影响相关领域第3页生物科学成为当今世界自然科生物科学成为当今世界自然科学热点和重点学热点和重点v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地位发生了革命性改变；v近50年生命科学发展超出了以前5总和v建立在试验室研究基础上生物技术发展为人类带来了巨大利益和财富。第4页生物技术将是未来经济发展新动力生物技术将是未来经济发展新动力第一次技术革命工业革命 解放人双手第二次技术革命信息技术 扩展人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、永恒产业生命产业是一个朝阳、永恒产业”第5页什么是生物技术？v生物技术=生物工程 应用自然科学及工程学原理，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，以提供产品来为社会服务技术。当代生物工程：发酵工程 酶工程 细胞工程 基因工程第6页生物技术在医药卫生领域应用生物技术在医药卫生领域应用第7页v 基因工程药品生产许多药品生产是从生物组织中提取。受许多药品生产是从生物组织中提取。受材料起源限制产量有限，其价格往往十分昂材料起源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。贵。微生物生长快速，轻易控制，适于大规微生物生长快速，轻易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成对应药品成份模工业化生产。若将生物合成对应药品成份基因导入微生物细胞内，让它们产生对应药基因导入微生物细胞内，让它们产生对应药品，不但能处理产量问题，还能大大降低生品，不但能处理产量问题，还能大大降低生产成本。产成本。第8页 基本方法是：将目标基因用DNA重组方法连接在载体上，然后将载体导入靶细胞，使目标基因在靶细胞中得到表示，最终将表示目标蛋白质提纯并做成制剂，即为蛋白类药或疫苗。基因工程制药基因工程制药第9页第10页第11页基因工程胰岛素基因工程胰岛素v胰岛素是治疗糖尿病特效药，长久以来依靠从猪、牛等动物胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。胰岛素分子结构胰岛素分子结构胰岛素分子结构胰岛素分子结构第12页v将合成胰岛素基因导入大肠杆菌，每L培养液就能产生100g胰岛素！大规模工业化生产不但处理了这种比黄金还贵药品产量问题，还使其价格降低了30%-50%!胰岛素生产车间胰岛素生产车间第13页基因工程干扰素v干扰素是治疗病毒感染辅助药品。过去从人血中提取，300L血才提取1mg！其“宝贵”程度自不用多说。干扰素生产车间干扰素生产车间干扰素生产车间干扰素生产车间干扰素分子结构干扰素分子结构干扰素分子结构干扰素分子结构第14页v基因工程人干扰素-2b（安达芬）是我国第一个全国产化基因工程人干扰素-2b，含有抗病毒，抑制肿瘤细胞增生，调整人体免疫功效作用，广泛用于病毒性疾病治疗和各种肿瘤治疗，是当前国际公认病毒性疾病治疗首选药品和肿瘤生物治疗主要药品。第15页生长激素生长激素1985年，美国年，美国FDA同意了第一代重组人生长激素同意了第一代重组人生长激素上市。第一代重组人生长激素在大肠杆菌中表示，上市。第一代重组人生长激素在大肠杆菌中表示，蛋白质蛋白质N端比天然人生长激素多了一个甲硫氨酸。端比天然人生长激素多了一个甲硫氨酸。当前生产和使用是第二代生物工程生长激素。第当前生产和使用是第二代生物工程生长激素。第二代生物工程生长激素是以分泌蛋白形式表示，信二代生物工程生长激素是以分泌蛋白形式表示，信号肽在分泌过程中被自动切除而产生与天然蛋白完号肽在分泌过程中被自动切除而产生与天然蛋白完全一致序列。全一致序列。生长激素：是由动物脑垂体前叶分泌一个能促进生长激素：是由动物脑垂体前叶分泌一个能促进生长蛋白类激素。生长蛋白类激素。第16页其它基因工程药品v人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等经过基因工程实现工业化生产，均为解除人类病苦，提升人类健康水平发挥了重大作用。人造血液及其生产人造血液及其生产人造血液及其生产人造血液及其生产第17页基因诊疗基因诊疗v利用基因工程技术，设计制造“DNA探针”检测肝炎病毒等病毒性流行病及一些严重遗传疾病，不但准确而且快速。我国研究人员正在制备用于我国研究人员正在制备用于基因治疗基因工程细胞基因治疗基因工程细胞第18页基因治疗基因治疗v许多遗传性疾病是因为病人DNA发生了改变，经过基因工程技术，给患有遗传病人体内导入正常基因可“一次性”解除病人疾苦。第19页SCID基因工程治疗v重症联合免疫缺点（SCID）患者缺乏正常人体免疫功效，只要稍被细菌或者病毒感染，就会发病死亡。这个病机理是细胞一个常染色体上编码腺腺苷酸脱氨酶（简称苷酸脱氨酶（简称ADAADA）基）基因（因（adaada）发生了突变）发生了突变。能够经过基因工程方法治疗。SCID患者生存在无菌环患者生存在无菌环境中境中第20页第21页第22页第23页第24页第25页生物反应器生物反应器将外源基因在动、植物体内表示并生产出我们所需营养（蛋白）或工业用原材料动植物基因改良（操作）个体称为生物反应器。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）反应器体系。第26页 动物生物反应器动物生物反应器乳腺生物反应器:使外源基因在哺乳动物乳腺组织（上皮细胞）中进行特异表示我们需要蛋白产物；血液生物反应器细胞生物反应器已生产药品：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 从从转转基基因因羊羊羊羊奶奶中中提提取取出出治治疗疗心心脏脏病病药药品品tPAtPA（组织型纤溶酶原激活物）（组织型纤溶酶原激活物）第27页当前已制作成功并产生重大社会、经济效益（应）当前已制作成功并产生重大社会、经济效益（应）乳腺生物反应器（动物）有乳腺生物反应器（动物）有:转基因牛转基因牛(荷兰荷兰PhramingPhraming企业企业-人乳铁蛋白、人乳铁蛋白、EPO)EPO)转基因羊（山羊、绵羊）转基因羊（山羊、绵羊）(英英PPLPPL企业企业-抗胰蛋抗胰蛋白酶白酶;美美GTC-GTC-人凝血酶原人凝血酶原III)III)等等第28页第29页转基因牛转基因牛乳汁中含有些人生长激素转基因牛(阿根廷)第30页 长久以来，人类一直在研究和寻找能治愈长久以来，人类一直在研究和寻找能治愈各种疾病、抗衰老甚至长生不老方法。各种疾病、抗衰老甚至长生不老方法。伴随当代科学技术发展，尤其是干细胞研究，伴随当代科学技术发展，尤其是干细胞研究，人类这些幻想正在逐步变成现实。人类这些幻想正在逐步变成现实。19981998年，美国科学杂志将干细胞研究结年，美国科学杂志将干细胞研究结果列在十大科学进展首位。果列在十大科学进展首位。干细胞工程干细胞工程第31页 干干细细胞胞（Stem Stem cellcell）即即起起源源细细胞胞。在在细细胞胞分分化化过过程程中中，细细胞胞往往往往因因为为高高度度化化分分而而完完全全失失去去了了再再分分裂裂能能力力，最最终终衰衰老老死死亡亡。机机体体在在发发展展适适应应过过程程中中为为了了填填补补这这一一不不足足，保保留留了了一一部部分分未分化原始细胞。未分化原始细胞。所所以以，干干细细胞胞是是一一类类含含有有自自我我更更新新和和分分化化潜潜能细胞。能细胞。第32页干细胞分类干细胞分类v全能干细胞全能干细胞v多能干细胞多能干细胞v单能干细胞单能干细胞按按分化潜能分化潜能按发育状态按发育状态胚胎干细胞胚胎干细胞成体干细胞成体干细胞第33页干细胞用途干细胞用途v治疗遗传性疾病和恶性肿瘤。治疗遗传性疾病和恶性肿瘤。v以干细胞为种子培育成一些组织和器官，以干细胞为种子培育成一些组织和器官，用于移植医学。用于移植医学。v抗衰老，延年益寿。抗衰老，延年益寿。第34页干细胞工程干细胞工程 核移植核移植去核胚胎干细胞去核胚胎干细胞组装胚胎干细胞组装胚胎干细胞组织干细胞组织干细胞各种组织器官各种组织器官体体外外诱诱导导培培养养第35页医药生技动物模型資料來源：麻省理工學院Dr.JayVacanti第36页l动物细胞培养动物细胞培养第37页干细胞治疗进展v科学家们认识到干细胞可能成为一个“拯救生命”有效疾病治疗伎俩。v比如：小剂量纯化造血干细胞足可使患者骨髓再生，能够防止肿瘤病人进行自体骨髓移植时所致瘤细胞（尤其是白血病细胞）污染。v比如：成熟神经系统中存在干细胞，在一些原因诱导作用下，可增殖和定向分化，给神经退行性疾病（如帕金森氏病）、骨髓损伤患者带来新希望。第38页生物技术生物技术在农牧在农牧业、食品工业应业、食品工业应用用第39页转基因动物转基因动物转基因动物：转基因动物：是指人类按照自己意愿有目标、有计划、有依据、有预见地将外源基因导入动物细胞内，经过与染色体基因组进行稳定整合，将生物性状传递给后代动物。转基因动物应用转基因动物应用利用转基因动物改良动物品种利用转基因动物改良动物品种转基因动物作为生物反应器转基因动物作为生物反应器转基因动物筛选药品转基因动物筛选药品第40页中国科学院水生生物研究所朱作言首次用人生长激素基因(hGH)构建了转基因鱼，制作主要目标是提升生长速度、增加抗逆性以及为发育生物学和插入突变提供研究材料。自1984年以来先后进行了泥鳅、鲤鱼、鲫鱼等转基因研究。第41页第42页 受到转基因巨型小鼠取得成功鼓舞,科学家又在培育生长快速、营养品质优良转基因家畜、家禽方面,不停取得辉煌成就.同时,科学家还把转基因动物变成生物反应器第43页转基因鱼转基因鱼v生长快、耐不良环境、肉质好转基因鱼(中国)转基因转基因鲑鱼鲑鱼第44页世界上首例转基因灵长类动物转基因猴“安迪”在猴子未受精卵中加入附加基因。在猴子未受精卵中加入附加基因。第45页，法国科学家利用基因技术“制造”出了一只能够发出绿色荧光兔子“Alba”。应用了受精卵显微注射技术，从水母身上采集了荧光蛋白，基因改良后，使它发光率比原先提升了两倍，再将该基因植入到了兔子受精卵中，由此培养出了会发光兔子Alba。在普遍光线下，它看上去与其它同类没有区分，不过在较暗光线下，它身体就会放射出奇异绿光来。第46页转基因荧光鼠第47页观赏荧光鱼第48页能发能发荧光荧光热带热带斑马斑马鱼鱼普通热带斑马鱼是不发荧光普通热带斑马鱼是不发荧光第49页第50页抗病、抗虫、抗逆作物抗病、抗虫、抗逆作物v基因工程为培育抗病虫作物提供了新伎俩当前，已经取得转基因抗虫农作物包含烟草、番茄、马铃薯、棉花、玉米等v在抗逆境育种上应用为克服干旱、盐碱等提供新思绪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、抗逆新品种。我国已克隆了耐盐碱相关基因，经过遗传转化已取得了耐盐烟草、水稻、西红柿、草莓等。第51页转基因抗虫棉转基因抗虫棉 我国是世界上最大棉花生产国和消费国，约占世界产棉总量25%以上。自90年代以来，因为棉铃虫在我国大部分棉区连续性大发生或暴发，给我国棉花生产带来了巨大威胁，棉农谈虫色变，面积、单产、总产一直处于低谷徘徊阶段。第52页当前,科学家已经培育出了大批含有抗虫、抗病、抗除草剂、抗逆等全新性状农作物.第53页转鱼抗寒基因番茄转鱼抗寒基因番茄同时含有高同时含有高产、稳产和产、稳产和抗逆性等优抗逆性等优良品质农作良品质农作物新品种物新品种.抗虫害玉米抗虫害玉米第54页 美国美国1997年引种年引种80万公顷万公顷抗虫转基因棉抗虫转基因棉；中国河北引种中国河北引种4700公顷，公顷，1998年又引年又引 种种2万公顷抗虫转基因棉；万公顷抗虫转基因棉；美国孟三都企业种植了美国孟三都企业种植了320万公顷转万公顷转 基因大豆基因大豆，140万公顷万公顷转基因玉米转基因玉米，4000公顷公顷转基因土豆转基因土豆；美国引进美国引进转基因昆虫转基因昆虫来吞食危害农作来吞食危害农作 物食肉螨。物食肉螨。第55页转黄瓜抗青枯病基因甜椒转黄瓜抗青枯病基因甜椒抗抗CMVCMV病毒转基因甜椒病毒转基因甜椒第56页转黄瓜抗青枯病基因马铃薯转黄瓜抗青枯病基因马铃薯第57页抗除草剂作物抗除草剂作物第58页不会引发过敏转基因大豆不会引发过敏转基因大豆第59页普通棉花普通棉花 转兔毛基因棉花转兔毛基因棉花抗除草剂大豆抗除草剂大豆第60页 预防乙肝不用打针，只要吃几个西红柿就行。这可不是玩笑，中国农科院生物技术研究中心经过十年研究，培育出抗乙肝西红柿顺利经过前三个阶段测试，明年有望上市。抗乙肝西红柿与普通西红柿口感一样酸中带甜，不但能够直接食用，还能够榨成汁或炒菜吃，对人体没有任何毒副作用。据该项目责任人刘德虎研究员介绍，食用抗乙肝西红柿，虽不能治愈乙肝，但一年只吃几个，就完全能代替注射乙肝疫苗。抗乙肝西红柿属于转基因食品，就是将乙肝疫苗植入西红柿内，经多代繁殖，使转入基因稳定化。这种西红柿上市后将论个出售，每个售价大约在元左右第61页Improvednutritional contentanddelayed ripeningaretransgenictraitsofinterestintomatoes.Source:USDACanolaisamajoroilseedcrop.TransgenicresearchhasfocusedonimprovingthenutritionalqualityofcanolaoilbyenhancingtheVitamin E contentorbymodifyingthebalanceoffattyacids.Nicotine-freetobaccoisnowbeinggrownforaprojectedintroductionofnicotine-freecigarettes第62页Decaffeinatedcoffeeisnowmadebytreatingcoffeebeanstoremovethecaffeine.Othermethodsarecriticizedforremoving some of the desirable,flavor-producing components along with the undesirable caffeine.PapayaisatropicalfruitrichinVitaminsAandC,butsusceptibletoanumberofserious pests and diseases.ThetransgenicvarietyUHRainbow,resistant to the papaya ringspot virus,iscurrentlyinproductioninHawaii.第63页Foodcropsengineeredtoproduceediblevaccines against infectious diseaseswouldmakevaccinationmorereadilyavailabletochildrenaroundtheworld.Whitemold(Sclerotinia)isaseriousproblemforsunflowerproducersinsomeareas.Resistance to this diseasewouldexpandtheareainwhichsunflowerscanbegrownandmightimproveyieldsinareasofcurrentcultivation.Acommerciallyavailablecultivarisnotexpectedbefore.第64页中国杂交水稻之父中国杂交水稻之父袁隆平袁隆平第65页v超级杂交稻v5月13日，位于三亚市田独镇新村田洋中国超级杂交稻第一块“百亩片试种示范田”正式经过了海南省级验收。经由全国多位农业教授共同检测，这批超级杂交稻亩产高达833.23千克。v第66页生物技术与粮食生物技术与粮食 提升产量、品质提升产量、品质n普通大米实际上不是普通大米实际上不是“健康食品健康食品”。n大米中含有一个叫做肌醇六磷酸小分子，它能与铁紧紧地结合，使得小肠难以吸收食物中铁；n以大米为主食人，易患铁缺乏症而造成贫血哪种大米更有益身体健康？第67页 转转基基因因“金金大大米米”：转入胡萝卜素合成相关基因提升大米中维生素A前体含量，以降低亚洲人普遍存在维生素A缺乏症处理铁吸收问题，往“金大米”中再转入三种基因：v一个是来自真菌酶基因，这种酶能够把肌醇六磷酸降解掉；v一个是来自菜豆铁蛋白基因，铁蛋白能够储存铁；v还有一个是来自印度香米基因，它生产蛋白质有利于人肠道吸收铁第68页Swissresearchershaveproducedricecapableofsynthesizingbeta-carotene,theprecursorofVitaminA(Yeetal.,).Thisricevarietyisnowbeingcrossedintoadaptedvarieties,withfieldtestspossibleinayearortwo.第69页功效稻米功效稻米 基尔米：基尔米：拥有降血压、改进睡眠、减肥美容等功效大米，售价最高一个达元钱斤。第70页基因一旦被改动，一方面可能引起生物体内一系列未知结构与功能变化；其次，转基因操作对生物体影响会经过遗传传递。n 转基因技术安全性问题转基因技术安全性问题M外源基因引入后，是否会影响其它主要调整基因，甚至会激活原癌基因？M转基因技术广泛应用是否会造成难以毁灭新病原物出现M是否会造成生态学灾难？M人类摄食大量转基因食品是否会影响人类及其后代健康第71页转基因生物回归大自然风险 “种”已经延续了30多亿年进化历史，当前面临着被人类改变危险。基因重组打破了物种之间界限，打乱了自然进化历程，改变了生态系统结构，这对人类来说是福还是祸？第72页花卉基因工程花卉基因工程v花色工程v花卉香味工程经过合成酶引入，增强单萜合成v花卉保鲜经过导入反义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 v花卉抗性基因工程第73页圆个缤纷梦圆个缤纷梦花色工程花色工程v花色素主要由类黄酮、类胡萝卜素、生物碱三类物质决定 v影响花色因子还有共色作用、液泡酸碱值及细胞形状等第74页基因工程改变花色路径v经过引入外源基因来补充一些品种缺乏合成一些颜色能力v利用反义RNA和共抑制技术抑制基因活性，造成无色底物积累，使花颜色变浅或变成无色第75页蝴蝶兰试管苗工厂化生产蝴蝶兰试管苗工厂化生产第76页第77页 巧克力型香水文巧克力型香水文心兰不但外貌独特，心兰不但外貌独特，闻起来还有一股浓郁闻起来还有一股浓郁巧克力味，而且还能巧克力味，而且还能够让人们在大饱眼福够让人们在大饱眼福同时大饱口福。同时大饱口福。第78页彩色马蹄莲第79页改变花色转基因矮牵牛花改变花色转基因矮牵牛花转查尔酮合酶矮牵牛花-查尔酮合酶是植物花色素苷等类黄酮化合物生物合成路径中一个关键酶,而这些类黄酮化合物在花瓣中含量能够改变花颜色,第80页蓝色玫瑰一直是人类漂亮梦想基蓝色玫瑰一直是人类漂亮梦想基因工程正在将它变为现实因工程正在将它变为现实第81页生物技术与农药生物技术与农药v绿色农药包含微生物杀虫剂、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（松脂酸钠和茶皂素复合制剂、苦楝油）生物农药菌种资源（苏云金杆菌）v特点环境保护，良好环境相容性先天弱势：药效慢、击倒慢、适应力差v综合防治第82页生物技术在能源开发上应用生物技术在能源开发上应用v能源分不可再生能源：煤、天然气和石油（包含核能）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 v生物能源是从太阳能转化而来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备库。v我国拥有丰富生物质资源 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 第83页（一）沼气v沼气是微生物发酵秸秆、禽畜粪等有机物产生混合气体，主要成份是可燃甲烷。v生产沼气设备简单，方法简易，适合在农村推广使用。v当前，沼气规模化生产需要处理是设备及提升甲烷含量等技术问题。第84页（二）氢气v氢气燃烧产物只有水，所以氢气是最清洁能源。v可利用生物质经过微生物发酵得到，这一过程被称为生物制氢。v实现生物制氢产业化，还有许多技术和经济问题需要处理。第85页（三）生物柴油利用生物酶将植物油或其它油脂分解后得到液体燃料，作为柴油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，可认为克服生物柴油原料问题第86页（四）燃料乙醇v当前世界上生产规模最大生物能源v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，在汽油中混配10%燃料乙醇即成为乙醇汽油,排放尾气更清洁。v我国燃料乙醇生产已形成规模，主要是以玉米为原料，同时正在主动开发甜高粱、薯类、秸秆等其它原料生产乙醇，当前产量居世界第三。第87页生物技术在环境生物技术在环境保护中应用保护中应用第88页环境监测：环境监测：基因工程做成基因工程做成DNADNA探针能够十分灵敏地检测探针能够十分灵敏地检测环境中病毒、细菌等污染。环境中病毒、细菌等污染。1t1t水中只有水中只有1010个病毒也能被个病毒也能被DNADNA探针检测出来探针检测出来第89页利用基因工程培育利用基因工程培育“指示生物指示生物”能十分灵能十分灵敏地反应环境污染情况，却不易因环境污染而敏地反应环境污染情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还能够吸收和转化污染物。大量死亡，甚至还能够吸收和转化污染物。第90页环境污染治理：环境污染治理：基因工程构建基因工程构建“超级细菌超级细菌”能吞食和分解能吞食和分解各种污染环境物质。各种污染环境物质。通常一个细菌只能分解石油中一个烃类，用基因工通常一个细菌只能分解石油中一个烃类，用基因工程培育成功程培育成功“超级细菌超级细菌”却能分解石油中各种烃类化合却能分解石油中各种烃类化合物。有还能吞食转化汞、镉等重金属，分解物。有还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDTDDT等毒害等毒害物质。物质。第91页PCR（polymerase chain reaction)是Mullis于1986年创造一项体外快速大量扩增DNA片段方法（获1994年诺贝尔奖）。基本原理就是在体外模拟体内DNA复制过程，在反应系统中加入欲被扩增DNA片段，作为模板；人工合成寡聚核苷酸，作为引物；耐热DNA聚合酶（Taq）以及四种核苷酸三磷酸。DNA片段将2n（为反应周期数）倍数增加。生物技术与法医学生物技术与法医学第92页PCR技术在法医学中应用第93页 科学科学“能予我们以真实益处；同时还能能予我们以真实益处；同时还能给我们找到许多最温暖、最纯洁乐趣，以给我们找到许多最温暖、最纯洁乐趣，以赔偿生命场中种种不能防止苦恼。赔偿生命场中种种不能防止苦恼。”选自选自 动物哲学动物哲学 绪论绪论Lamark.J.B(1744-1829)Lamark.J.B(1744-1829)第94页