生物工程前沿与热点幻灯片

生物工程 前沿与热点,罗 静 上海技术物理所 2004.10.24,生物工程的历史 学科雏形,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,丰富多彩的酒文化,微生物发酵,我国古代的酿酒作坊 （四川新都县出土的汉代画像）,公元前2300年左右，埃及人酿制啤酒的场面（某金字塔壁画）,丰富多彩的酒文化,( Edward Jenner,17491823 )首创用牛痘预防天花，是免疫学的发展，开创了预防医学的先河。,1676年荷兰人A.Leeuwenhoek用自磨镜片，创造了一架原始显微镜，生物工程进入微观形态学发展阶段。,现代生物工程 Modern Bioengineering,分类按研究内容划分,基因工程,1、基因工程的概念,基因工程是分子遗传学和工程技术结合的 产物。是现代生物技术的核心，它能按人类需 要，把遗传物质DNA分子从生物体中分离出 来，进行剪切、组合、拼装，合成新的DNA分 子。再将新的DNA分子植入某种生物细胞中， 使遗传信息在新的宿主细胞或个体中得到表 达。以达到定向改造或重建新物种的目的。,基因工程,操作水平：DNA分子水平 目的：定向改变遗传物质或获得基因产物。,2、基因工程的理论基础,1）物质基础脱氧核苷酸 2）结构基础规则的双螺旋结构 3）中心法则，共用一套遗传密码,细胞工程,1、细胞工程的概念,利用细胞融合技术把含有不同遗传物质的细胞合成杂种细胞。并使之分裂生长成为杂种生物。 它包括体细胞融合、核移植、细胞器摄取和染色体片段的重组等。,细胞工程,操作水平：细胞整体水平或细胞器水平 目的：定向改变遗传物质或获得细胞产品。,2、细胞工程的理论基础细胞全能性,依据生物体的每一个干细胞都包含有 该物种所特有的全套遗传物质。,3、主要技术,植物组织培养,植物体细胞杂交,动物细胞培养,动物细胞融合,单克隆抗体技术,胚胎移植,核移植,植物细胞工程技术,动物细胞工程技术,异种植物细胞,杂种细胞,转基因植物,异种动物细胞,动物细胞群,重组细胞,体细胞细胞核,早期胚胎,受精卵,去核卵细胞,克隆动物,试管婴儿,动物细胞融合,植物体细胞杂交,植物组织培养,动物细胞培养,核移植,胚胎移植,体外受精,发酵工程,1、发酵工程的概念,发酵工程是利用微生物的某些特定功 能，通过技术手段使之生产人类需要的代 谢物。以高效率的进行物质转化。 发酵工程包括：用微生物发酵生产产 品，如酿酒。用微生物分解有害物质; 细菌 选矿和细菌冶金等等！,发酵工程,2、发酵工程的技术要点,目的定向地改造菌种,大量生产微生物 菌体或代谢产物,菌种的选育 诱变育种、基因工程、 细胞工程 环境条件控制营养、PH、温度、溶氧等,3、流程,发酵工程 （酶工程）,商品生产,改造物种,常规菌(或常规细胞株) 遗传工程 细胞工程 “工程菌”（或“工程细胞株”）, 微生物工程 酶工程 生物反应器工程 经济效益 大量产品 社会效益 生态效益,酶工程,酶工程是利用酶的特异催化功能，在常温长压下将一种物质转化为另一种物质，以获得高纯度的适用之物。 该技术包括各种酶的开发和生产。酶的分离和纯化技术等。 酶工程用于食品工业很有效。啤酒、酱油、葡萄糖等都可用酶工程生产。,现代生物工程热点,人类基因组计划（HGP）,干细胞研究与发展前景,克隆技术的发展,人类基因组计划,Human Genome Project,染色体（Chromosome）,由于细胞中的DNA大部分在染色体上，所以说遗传物质的主要载体是染色体。染色体的化学成分主要是蛋白质和DNA，其中 DNA含量稳定，是主要的遗传物质。 各种生物的染色体有一定的数目、形状和大小，人染色体有46条。,Chromosome 染色体 Karyotype 染色体组型,基因(Gene),基因（gene）是1909年丹麦生物学家W.Johannsen根据希腊文“给予生命”之意创造的。 一个基因就是能够编码一个蛋白质分子的一个DNA或一个RNA片段,生物学进入 基因组 (Genome) 时代,人类基因组包括分布于人46条染色体的30,000-35,000个基因。 人类基因组计划最终目的是测定基因组的全部序列，弄清整个基因组的的结构、功能及其表达产物，彻底了解人类生命活动本质。,这一计划的科学意义重大，可与产生原子弹的曼哈顿工程和人类登月阿波罗飞行任务相媲美，是当前国际生物学、医学领域内一项引人注目的工程，是人类自然科学史上最重大的研究项目之一，将推动整个生命科学的发展。,人类基因组计划的意义,人类基因组计划的启动,1985年，美国能源部提出，要将共包含约3×109碱基对的人类基因组全部碱基序列分析清楚； 1986年，美国宣布启动“人类基因组计划（Human Genome Project, HGP）”。,人类基因组计划的发展,1999年12月1日，首条人类染色体完成测序，人类第22号染色体DNA全序列测定宣布完成。 2000年4月6日，美国Celera遗传信息公司宣布，该公司已破译出一名实验者的完整遗传密码。 2000年5月，科学家聚集美国冷泉港，宣布人类基因组草图的完成。,6国科学家组成的国家人类基因组中心主要研究比例,美国：WASHMIT等7家研究中心，贡献率为54。 英国：SANGER一家研究中心，贡献率为33。 日本：RIKEN等两家研究中心，贡献率为7。 法国：GENOSCOPE研究中心，贡献率为2.8。 德国：IMB等3家研究中心，贡献率为2.2。 中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究 中心等三家，贡献率为1。,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,人类基因组研究结论,基因数量少得惊人 人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠” 三分之一为“垃圾”DNA 种族歧视毫无根据 男性基因突变比例更高,人类基因组计划1%测序中国实验室,后基因组时代序幕拉开,哈佛大学科学家麦克贝斯说，人类基因组图谱并没有告诉我们所有基因的“身份”以及它们所编码的蛋白质。人体内真正发挥作用的是蛋白质，蛋白质扮演着构筑生命大厦的“砖块”角色，其中可能藏着开发疾病诊断方法和新药的“钥匙”。,干细胞研究与发展前景,长期以来，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的方法。 随着现代科学技术的发展，尤其是干细胞的研究，人类的这些幻想正在逐步变成现实。 1998年，美国科学杂志将干细胞的研究成果列在十大科学进展的首位。,细胞是机体组成的基本单位,干细胞的定义,干细胞（Stem cell）即起源细胞。在细胞的分化过程中，细胞往往由于高度化分而完全失去了再分裂的能力，最终衰老死亡。机体在发展适应过程中为了弥补这一不足，保留了一部分未分化的原始细胞。 因此，干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。,干细胞的分类,全能干细胞 多能干细胞 单能干细胞,按分化潜能,按发育状态,胚胎干细胞 成体干细胞,干细胞的用途,治疗遗传性疾病和恶性肿瘤。 以干细胞为种子培育成某些组织和器官，用于移植医学。 抗衰老，延年益寿。,干细胞工程,干细胞治疗的进展,科学家们认识到干细胞可能成为一种“拯救生命”的有效的疾病治疗手段。 例如：小剂量纯化的造血干细胞足可使患者骨髓再生，可以避免肿瘤病人进行自体骨髓移植时所致的瘤细胞（尤其是白血病细胞）污染。,克隆技术的发展,克隆技术,克隆来源与英语“clone”或“cloning”的音译，曾译为无性生殖或无性繁殖，即由同一个祖先细胞分裂而形成的纯细胞系，这个细胞系每个细胞的基因彼此是相同的。,克隆技术的发展,第一个发展时期微生物克隆。 第二个发展时期生物技术克隆。 第三个发展时期动物克隆。,克隆羊多利（Dolly）的诞生,1997年12月，英国Roslin研究所克隆羊多利（Dolly）的诞生揭示一个全新概念：由成年机体的一个体细胞核，可以复制一个基因完全相同的新生命个体。 克隆羊的诞生，预示着动物将成为人类的药物制造厂。,从一个6岁母绵羊普通的组织 细胞（体细胞）中提取遗传物质， 和一个无DNA遗传物质但具有活性 的另一只母绵羊的卵细胞进行电击融 合，然后将结合后的新细胞经试管分 裂。形成胚胎后再移植到第三只母绵 羊子宫内生长。然后产出与第一只绵 羊一样的羊。,生物工程的个体应用,个体应用,转基因树的应用前景 “金米”的故事 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 梦幻之畜转基因动物 ,留给我们的思考,1、生态灾难 转基因生物大规模释放到环境中，可能会有基因扩散、生长失控、危害其他生物、物种异化和产生病毒等。 2、未来的阴影 转基因活生物体及其产品作为食品，可能对人体产生某些毒理作用和过敏反应。例如，转入的生长激素类基因就有可能对人体生长发育产生重大影响。由于人体内生物化学变化的复杂性，有些影响还需要经过长时间才能表现和监测出来。,谢 谢!,