2018年第一章细胞工程绪论-文档资料.ppt

第一章 绪论 细胞工程在整个生物工程中的地位和作用 一、生物技术是世界高技术的主体 克隆 转基因动物、转基因植物 试管婴儿 人类基因组计划、后基因组时代 生物安全 生物多样性 一个基因或一个物种可影响一个国家的济济发展 ； 一个优良生态群落的建立可以改善一个地区环境 ； 一个物种的灭绝可能影响到几十个物种的生存； 生物技术产业已成为21世纪最主要的支柱产业。 因此，生命科学对当今社会、经济和知识创新都 发挥着重要的、不可替代的作用。 20世纪生命科学的巨大成就： 第一次革命性进展 孟德尔遗传规律的再发现； 摩尔根的基因论。 第二次革命性进展 沃森、克里克提出DNA的双 螺旋结构模型。 第三次革命性进展 人类基因组计划和动物克隆 20世纪全球最有影响的三大科学计划： 曼哈顿工程（原子弹计划） 阿波罗工程（登月计划） 人类基因组计划 20世纪80年代以来，在世界新技术革命浪潮日益高涨的 形势下，科学技术发展的一个特别值得注意的动向是发达 国家或国家集团之间的高技术竞争日益激化，都在试图调 整战略，研究对策，提出着眼于21世纪的长远战略措施和 构想。 美国的“星球大战”计划 欧洲共同体的“尤里卡”计划 日本的“人类新领域研究计划” 经互会成员国的“2000年科学技术进步综合纲要” 1 世界高技术的兴起 学术界认为： 具有六大基本特征：创新性、智力性、带动性、战 略性、风险性、时效性。 体现在六高：高效益（高额利润）、高智力（创 新性和突破性）、高投入（前期研究开发需大量投 资）、高竞争（时效性，竞争异常激烈）、高风险 、高潜能。 也可以说，高技术是新技术中的特别部分，是 第二次世界大战后涌现出的新技术群的核心，是 当今世界经济的制高点，由此开发改变着世界的 面貌，谁能取得高技术优势，谁就能掌握21世纪 的主动权。 高技术是指那些能带来高经济效益、具有高增值 作用，并能向经济和社会各领域广泛渗透的新技术 目前得到世界各国公认并将列入21世纪重点研究开发 的高技术领域包括： 生物技术 信息技术 新材料技术 新能源技术 海洋开发技术和空间技术（航天、航空技术） 2 高技术的领域 相互关系 信息技术是高技术的主导和核心 新材料技术是技术进步的突破口 生物技术是21世纪技术革命的主角 总的发展顺序 以信息技术为先导 以新材料技术为基础 以新能源技术为支柱 沿微尺度领域向生物技术开拓，沿宏尺度领域向海洋和空 间技术发展。 信息技术（主导和核心） 海洋和空间技术 新材料技术（基础）生物技术 新能源技术（支柱） （人类活动的疆域） （无生命的三要素） （生命现象） 译自英文“Biotechnology”，有人也译为生物工程或 生物工艺学。指通过技术手段，利用生物体或生物过程 来生产有经济价值产品或创造新物种的综合技术 生物技术涉及的内容有狭义和广义两种理解 狭义：指基因重组、细胞融合、固定化酶与细胞、生物反 应器等技术领域。 广义： 包括资源、能量、粮食、饲料生产以及为净化环境所 进行的物质分解及发酵技术等。 二、生物技术的概念 生物技术的发展简史 三、生物技术的发展历程 广义的生物技术源源流长，可以与人类文明史 同样古老。用谷物酿酒、制醋做酱油，已有几千 年的历史。在漫长的历史长河中，人类驯化、培 育了许许多多新品种，但这些都谈不上对生物学 原理和工程技术的自觉运用，因而尚属低级的传 统生物技术。 第一代生物工程 石器时代后期：我国人民就利用谷物造酒（早期发 酵技术） 周代后期：我国人民开始制豆腐、酱、醋等 公元10世纪：我国利用活疫苗预防天花 明代：广泛种植痘苗以预防天花 16世纪：我国医生就了解狂犬病的原因。 在西方，苏美尔人和巴比伦人在公元前6000年就开 始啤酒发酵，埃及人则在公元前4000年就开始制造面包 。 19世纪60年代，法国科学家证实发酵是由微生物引 起的，并建立起微生物的纯种培养技术，从而为发酵技 术的发展提供了理论基础，结束了古老的生物技术时代 ，使发酵技术纳入科学轨道。 20世纪20-30年代，工业上大量发酵生产化 工原料：酒精、乳酸、丙酮、丁醇等。真正意 义上的生物工程正式诞生。 近代生物工程 50年代青霉素大规模生产，同时带动了其 它抗生素和酶制剂 60年代产生了遗传育种学，其辉煌成就被 誉为“第一次绿色革命” 上述诸方面还不具备高技术的要素，故只能 被视为传统生物技术。 现代生物技术： 70年代末80年代初随着基因重组、细胞和组织培养、酶 的固定化、现代化生物反应器和计算机的应用以及产品分 离、纯化等技术的迅速发展而发展起来，以现代生物学研 究成果为基础，以基因工程为核心的新兴学科。 1953年，Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模型，并进 一步阐明DNA的半保留复制模型。 1961年M.Nirenberg等破译了遗传密码 1972年Berg首先实现了DNA的体外重组，它对人们提供 了一种全新的技术手段，形成了具有划时代意义和战略价 值的现代生物技术。 80年代转基因动物和克隆动物的兴起 学术界（生物学界）普遍将生物技术概括为四大领域，即： 潜力巨大的基因工程 前途广阔的细胞工程 充满希望的酶工程 生机勃勃的发酵工程 后起之秀 生物化学工程 蛋白质工程（第二代基因工程） 四、生物技术的技术领域 各领域之间的协调关系 普遍认为： 细胞工程是基础 酶工程和发酵工程 是利用酶学和发酵原理相结合的 一种技术产业体系，它有赖于基因工程和细胞工程的 发展。 基因工程是关键（ 实质） 生化工程 是由生物科学与化学工程相结合的交叉学 科，研究生物技术的实验室成果转化为生产力过程的 工程技术问题。 蛋白质工程是利用生物技术手段对蛋白质的DNA编码 序列进行有目的的改造并分离、修饰、纯化蛋白质 通过诸类工程，人们有望解决当 今世界人类面临的各种重大问题， 如：人口飞长、食物短缺、能源危 机、环境污染以及威胁人类健康和 生命的疑难病症（癌症、艾滋病、 心血管疾病及各种传染病）。 细胞工程（cell engineering） 是指以细胞为研究对象，应用生命科 学理论，借助工程学原理与技术，有 目的地利用或改造生物遗传性状，以 获得特定细胞、组织产品或新型物种 的综合技术 细胞工程的发展史 在植物界： 1902年，预言植物细胞的全能性 1934年，发现生长素对植物细胞培养的作用 1937年，首次培养胡萝卜组织成功 1958年，发现胡萝卜的体细胞可以转化成体细胞胚， 验证了细胞全能学说 1972年，用硝酸钠首次诱导两个不同种的烟草原 生质体融合，获得世界上体细胞杂种植株。 探索期 在动物界：1885年，卢克斯发现鸡的神经元可以存活 1892年，杜里舒利用海胆2细胞胚分离成单细 胞，通过培养获得完整幼虫。 1907年，哈里森开创动物细胞培养的先河 1923年，卡雷尔设计了动物细胞培养用的卡 式培养瓶 1925年，马克西姆改良了盖片悬滴培养法。 1938年，施佩曼提出通过核移植克隆动物的 设想 1956-1959年，斯沃尔利用低温处理获得三倍体三棘刺 鱼，并饲养至成熟。 1959年，美籍华人学者张明觉试管兔第1个体外受 精动物。 1962年，首次成功进行了仓鼠肾细胞的悬浮培养。 1958-1965年，发现病毒可以诱导细胞融合。 诞生期 1960年，建立了兰花的微繁殖方法。 1958-1960年，原生质体制备成功。 1970年，华裔加籍学者高国楠发现聚乙二醇可诱导 细胞融合。 1972年，用硝酸钠首次诱导两个不同种的烟草原 生质体融合，获得世界上体细胞杂种植株 1973年，烟草花药培养获得植株。 1973年，通过细胞培养获得人参皂苷。 快速发展期 1973年，童第周通过核移植成功获得种间杂种鱼。 1975年，科勒等人建立小鼠淋巴细胞杂交瘤技术。 1977年，首例试管婴儿问世。 1987年，建立转基因乳腺生物反应器。 1997年， “多莉”诞生，高等动物体细胞核全能性。 1998年，科学家成功分离建立了人的胚胎干细胞系。 细胞工程的主要技术领域（研究内容） 细胞（组织、器官）培养：in vivo 在体、活体、生物体内 in vitro 离体、生物体外 细胞融合（体细胞杂交、细胞并合） 细胞拆合（细胞质工程、细胞器移植） 染色体（组）工程 繁殖生物学技术（胚胎冷冻技术、试管婴儿 、生物复制、胚胎移植、发育工程、胚胎工 程、胚胎分割技术、胚胎融合技术、嵌合体 ） 细胞遗传工程（组分移植技术） 将细胞的 组分（核、质、染色体、甚至基因）直接移 植到另一个细胞中去的技术 干细胞与组织工程 转基因生物与生物反应器 细胞工程的主要应用 1 优质植物快速培育及繁殖 2 动物胚胎工程快速繁殖优良、濒危品种 3 动、植物细胞培养生产活性产品、药品 4 新型动、植物品种的培育 5 组织工程提供医学器官修复或移植 6 转基因动、植物生物反应器工程 7 珍惜动、植物资源的保存和保护 8 在遗传学、发育学方面的基础理论研 究 9 在能源、环境保护等领域的作用 微生物细胞工程 动物细胞工程 植物细胞工程 复习思考题 1为什么说现代生物技术是一项高技术？ 2 什么是生物技术，它包括哪些基本内容？ 3 细胞工程在整个生物工程中的地位如何？ 4 细胞工程包括哪些技术领域？ 5 细胞工程有哪些主要应用？ 孟德尔遗传定律的再发现 摩尔根的基因论 美国的生物学家沃森（右）和英国的物理学家克里克（左） 人类基因组计划