生物技术应用市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx
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1、第六章第六章 生物技术应用生物技术应用第1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2页人类面临与生命科学相关六大问题人类面临与生命科学相关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境保护和可连续发展为特征第3页生物科学成为当今世界自然科学热点和重点生物科学成为当今世界自然科学热点和重点n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;n近50年生命科学发展超
2、出了以前5总和n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”第5页生物技术应用与评价生物技术应用与评价q人类基因组计划(人类基因组计划(HGPHGP)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6页第一节第一节 人类基因组研究人类基因
3、组研究 Human Genomic Project 揭开生命奥秘揭开生命奥秘第7页u人类遗传信息以核苷酸次序形式贮存在DNA分子中,它们以功效单位(基因)在染色体上占据一定位置u基因组就是细胞内遗传信息携带者DNA总体。u人类基因组包含着决定人类生、老、病、死以及精神、行为等活动全部遗传信息。人类基因组计划人类基因组计划第8页HGPHGP介绍介绍n人类基因组计划n1990年正式开启。n美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参加了这一价值达30亿美元人类基因组计划。n计划意在为30多亿个碱基对组成人类基因组作图、准确测序,基因判定和功效分析,破译人类全部遗传信息 n曼哈顿计划n阿波罗计划2
4、0世纪科学史上3个里程碑第9页HGPHGP意义意义了解生命起源与进化认识种属之间和个体之间存在差异起因五种“模式生物”基因组研究:大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠解码生命,认识本身了解生命体生长发育规律认识疾病产生机制,掌握生老病死规律疾病诊疗和治疗第10页人类单倍体基因组人类单倍体基因组n含 32亿碱基对(bp)DNA序列n编码序列约占3%,非编码序列约占97%。n包含约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第11页人类基因组研究技术原理人类基因组研究技术原理一、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第12
5、页n遗传图谱(连锁图谱,遗传图谱(连锁图谱,linkage map)linkage map)n经过家谱分析和测量不一样性状一起遗传(即连锁)频率,将基因或经过家谱分析和测量不一样性状一起遗传(即连锁)频率,将基因或其它其它DNADNA次序标定在染色体上构建连锁图次序标定在染色体上构建连锁图n单位:厘摩(单位:厘摩(cMcM,即每次减数分裂重组频率为,即每次减数分裂重组频率为1%1%););MbMb水平标识水平标识n作用作用n确定基因或确定基因或DNADNA片断在染色体定位片断在染色体定位n各基因或各基因或DNADNA片断相对距离片断相对距离n方法:家系分析方法:家系分析n1 12222染色体:
6、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:1212家系,家系,170 170个个体个个体1 1 遗传图谱遗传图谱 -孟德尔孟德尔“新生新生”人类基因组计划人类基因组计划第13页2 2 物理图谱物理图谱 -路标与路轨路标与路轨n是经过对是经过对DNADNA化学测度化学测度而绘而绘制,反应是制,反应是DNADNA序列上两点序列上两点之间之间实际距离实际距离n目标:把相关基因遗传信息目标:把相关基因遗传信息及其在每条染色体上相对位及其在每条染色体上相对位置线性而系统地排列出来。置线性而系统地排列出来。n以碱基正确数目为衡量单位,以碱基正确数目为衡量单位,精度在精度
7、在100kb100kb水平水平人类基因组计划人类基因组计划第第21号染色体物理图谱号染色体物理图谱第14页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(YACYAC)克隆体系构建克隆体系构建重合群组建(步移法)重合群组建(步移法)第15页 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序列分析技术是一序列分析技术是一个包含制备个包含制备DNADNA片段化片段化及碱基分析、及碱基分析、DNADNA信息信息翻译多阶段过程翻译多阶段过程n经过测序得到基因组经过测序得到基因组序列图谱序列图谱
8、 人类基因组计划人类基因组计划第16页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第17页利用计算机软件进行序列拼接利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第18页现在,你能否设计较理现在,你能否设计较理想人基因组计划?想人基因组计划?第19页人类基因组测序完成人类基因组测序完成4月14日,美国联邦国家人类基因组研究项目责任人弗朗西斯柯林斯博士在华盛顿宣告基因组测序图已由美、英、日、德、法、中六国经努力完成第20页5.5.基因确实定与分析基因确实定与分析 基因转录图谱基因转录图谱-生命乐谱生命乐谱断裂基因人类基
9、因组计划人类基因组计划转录图谱是在识别基因组所包含蛋白质编码序列基础上绘制相关基因序列、位置及表示模式等信息图谱。第21页确定特定基因方法确定特定基因方法n经过经过DNADNA全序列分析确定基因全序列分析确定基因n依据人类基因组依据人类基因组DNADNA测序,利用计算机分析,找出测序,利用计算机分析,找出ORFORFn功效克隆功效克隆n依据基因功效,分离并测定基因结构依据基因功效,分离并测定基因结构 n定位克隆:已知基因染色体定位然后进行克隆定位克隆:已知基因染色体定位然后进行克隆n已完成几十个疾病基因克隆分离已完成几十个疾病基因克隆分离n判定基因判定基因n据基因编码蛋白质氨基酸序列分析蛋白质
10、类型、功效据基因编码蛋白质氨基酸序列分析蛋白质类型、功效人类基因组计划人类基因组计划第22页我国对人类基因组计划贡献我国对人类基因组计划贡献n1994年,我国HGP在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明提倡下开启n最初由国家自然科学基金会和863高科技计划支持下,先后开启了“中华民族基因组中若干位点基因结构研究”和“重大疾病相关基因定位、克隆、结构和功效研究”;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区域测序任务,该区域约占人类整个基因组1。n1999年11月12日:科技部、中科院、
11、“863”计划生物领域教授委员会讨论决定“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第23页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第24页遗传病基因克盛大大突破遗传病基因克盛大大突破夏家辉教授试验室1998年克隆了高频耳聋疾病基因上海和北京科学家发觉遗传性乳光牙本质II型基因人类基因组计划人类基因组计划第25页后基因组时代后基因组时代n结构基因组学向结构基因组学向功效基因组学功效基因组学转变转变n研究基因表示、调控,以及在生长发研究基因表示、调控,以及在生长发育、疾病发生、药品反应等方面作用育、疾病发生、药
12、品反应等方面作用n研究上:研究上:n系统研究系统研究:不是针对单个基因或蛋白,:不是针对单个基因或蛋白,而是对一个细胞或个体内整个基因或而是对一个细胞或个体内整个基因或蛋白质研究;蛋白质研究;n组学研究组学研究:功效基因组、结构基因组、:功效基因组、结构基因组、蛋白质组学蛋白质组学n技术上:高通量基因、蛋白筛选与判技术上:高通量基因、蛋白筛选与判定,基因敲除动物等定,基因敲除动物等n在基因功效与利用上有望突破在基因功效与利用上有望突破第26页第二节第二节 克隆技术与克隆技术与“多莉多莉”克隆,是Clone译音,意为生物体经过细胞进行无性繁殖形成基因型完全相同后代个体组成种群,简称为无性繁殖。第
13、27页从细胞到个体从细胞到个体n细胞分化细胞分化:在个体:在个体发育中,细胞后代在发育中,细胞后代在形态结构和功效上发形态结构和功效上发生差异过程。生差异过程。n细胞全能性细胞全能性:细胞:细胞含有形成完整个体潜含有形成完整个体潜能称细胞全能性。能称细胞全能性。克隆技术克隆技术第28页n植物植物n分化成熟植物细胞体,仍有可能发育成完整植株。n动物动物n伴随分化演进,分化成熟细胞逐步丧失其分化潜能,不能发育成为完整动物个体。n试验证实,囊胚阶段细胞乃至成熟体细胞,保持着全套基因组细胞核仍含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物质,称为分化决定子。决定动物细胞全能性关键在于
14、细胞质。植物体细胞含有全能性克隆技术克隆技术第29页“多莉多莉”羊试验设计和实施羊试验设计和实施 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:胚胎发育环境胚胎发育环境 多莉生母多莉生母第30页实 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第31页移入苏格兰黑面母羊子宫分裂成长至桑椹期或囊胚
15、期克隆技术克隆技术第32页多莉羊与寄母多莉羊与寄母,19971998年,美国夏威夷大学Yanagimachi等成功地用卵丘细胞进行了小鼠克隆、克隆再克隆按供体细胞类型不一样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发展动物克隆发展第33页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 隆隆生产蛋白质药品克隆技术及其应用克隆技术及其应用第34页移植日期:.5.12流产日期:.7.15移植日期:.5.3流产日期:.8.4动物克隆研究中动物克隆研究中普遍存在问题普遍存在
16、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%)克隆动物存活率低(35.7%)克隆技术克隆技术第35页第三节第三节 生物技术在医药生物技术在医药卫生领域应用卫生领域应用(P171)生物制药(基因工程制药)基因诊疗(Gene Diagnosis)基因治疗(and Gene Therapy)干细胞工程第36页一、生物医药行业特点一、生物医药行业特点高技术(精细和密集技术)产品起源于试验室科学家往往就是企业领导人高投入尤其是前期科研投入,生物药品平均13亿美元长周期:一个新生物药品需要68年时间高利润美Amgen企业,开发上市EPO(促红细胞生长素)、细胞集落因子(G-S
17、CF)到1997年销售额达20亿美元高风险全世界不超出100家生物技术企业有自己产品;其中真正盈利企业极少。政策风险产品潜在安全风险第37页基本方法是:将基本方法是:将目标基因目标基因用用DNADNA重组方法连接在重组方法连接在载体载体上,然后将载体导入上,然后将载体导入靶细胞靶细胞,使目标基因在,使目标基因在靶细胞中得到表示,最终将表示目标靶细胞中得到表示,最终将表示目标蛋白质蛋白质提纯提纯及做成制剂,从而成为蛋白类及做成制剂,从而成为蛋白类药或疫苗。药或疫苗。二、基因工程制药二、基因工程制药第38页1976年第一家基因工程技术开发药品企业建立;1982年第一个基因工程药品重组人胰岛素正式生
18、产,推向市场全球生物技术企业总数已达4284家,美国占34。年基因重组生物技术药品年销售额已经突破400亿美元;。20市场上生物技术药品到达200种左右,而在研药品为600种。全世界已经有2.5亿人使用生物技术药品和疫苗。国外生物医药发展国外生物医药发展生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生第39页第40页第41页19891989年年我我国国同同意意了了第第一一个个在在我我国国生生产产基基因因工工程程药药品品-重重组人干扰素组人干扰素1b1b近年来我国生物制药业销售收入以平均超出近年来我国生物制药业销售收入以平均超出20%20%速度增加。速度增加。国内生物医药发展国内生物医药发展 起步晚,起点低
19、,但发展快速起步晚,起点低,但发展快速第42页许多药品生产是从许多药品生产是从生物组织生物组织中中提取。受材料起源限制提取。受材料起源限制产量有产量有限限,其,其价格价格往往十分往往十分昂贵昂贵。如胰岛素长久以来只能依靠从如胰岛素长久以来只能依靠从猪、牛等动物胰腺中提取。猪、牛等动物胰腺中提取。将合成胰岛素基因导入大肠杆将合成胰岛素基因导入大肠杆菌,每菌,每L L培养液培养液就能产生就能产生100g100g胰胰岛素!相当于岛素!相当于1000Kg1000Kg猪胰脏猪胰脏中中提取量。提取量。基因工程药品生产基因工程药品生产生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生第43页生物反应器生物反应器将外源基因
20、在动、植物体内将外源基因在动、植物体内表示并生产出我们所需营养表示并生产出我们所需营养(蛋白)或工业用原材料动(蛋白)或工业用原材料动植物基因改良(操作)个体植物基因改良(操作)个体称为生物反应器。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)反应动物生物反应器:是指利用动物作为载体(平台)反应器体系。器体系。生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生第44页 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乳腺组织(上皮细胞)中进行动物乳腺
21、组织(上皮细胞)中进行特异表示我们需要蛋白产物;特异表示我们需要蛋白产物;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药品:已生产药品:22抗胰蛋白酶、抗凝血因抗胰蛋白酶、抗凝血因子子、TPA TPA、蛋白质、蛋白质C C、凝血因子、凝血因子、白、白细胞介素细胞介素2222等等 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45页血液、尿腺、乳腺、禽卵、昆虫当前已制作成功并产生重大社会、经济效益(应)乳腺生物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)有反应器(动物)
22、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第46页治疗用转基因牛研究时间与资金要求生物技术药品与化学药品和中药将形成三足鼎立局面生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生第47页二、基因诊疗(二、基因诊疗(Gene DiagnosisGene Diagnosis)nG G到到T T一个碱基改变,决定了一一个碱基改变,决定了一个人命运个人命运n小
23、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,患上了罕见原发性便血等病状,患上了罕见原发性免疫缺点病。免疫缺点病。nDNADNA序列分析,证实了小皓珩序列分析,证实了小皓珩WASWAS蛋白基因蛋白基因13881388位核苷酸由位核苷酸由G G突变突变为为T T,使编码谷氨酸密码,使编码谷氨酸密码GAGGAG突变突变为终止密码为终止密码TAGTAGnWASWAS蛋白突变为无功效蛋白突变为无功效WASWAS蛋白,蛋白,造成患儿血小板降低,淋巴细胞造成患儿血小板降低,淋巴细胞形态和功效异常形态和功效异常 n希望:希望:WASWAS当前已经能够用骨髓当前已经能够用骨髓移植或干细
24、胞移植根治移植或干细胞移植根治经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方法,就是基因诊疗。生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生第49页传统与基因诊疗比较 传统诊疗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特殊检验肌电/脑电/心电、骨密度等基因诊疗n应用分子生物学方法:如应用分子生物学方法:如PCRPCR技术或技术或PCRPCR与分子杂交与分子杂交标识标识n主要应用于主要应用于n先天遗传性疾患(苯丙酮尿先天遗传性疾患(苯丙酮尿症、血红蛋白病)症、血红蛋
25、白病)n后天基因突变引发疾病(肿后天基因突变引发疾病(肿瘤、糖尿病)瘤、糖尿病)n病原生物侵入(流感、肝炎、病原生物侵入(流感、肝炎、艾滋病)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第50页感染性疾病检测感染性疾病检测n 利用PCR技术或PCR与分子杂交标识相结合,能够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结核杆菌和疟原虫分型第51页n公安司法系统公安司法系统罪犯及受罪犯及受害人身份识别及亲子判定害人身份识别及亲子判定n部队部队 伤亡士兵身份识别;伤亡士兵身份识别;印尼海啸中死难人员身份识印尼海啸中死难人员身份识别别n保安保安 个人个
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