生物工程概述

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生物工程概論享學(xué)課堂

11.生物工程發(fā)展歷史

2公元前2300年，埃及人釀造啤酒（左圖）朦朧階段（9000年前-1676年）有考古證據(jù)證明在公元7000年前，我們的祖先就開始釀酒作為飲品。其他以微生物發(fā)酵為基礎(chǔ)的生產(chǎn)，如發(fā)酵乳制品（包括乳酪、酸奶等）和各種東方食品如醬油、印尼豆酵餅等同樣有著古老的淵源

3初步發(fā)展（1676-1861年）EdwardJenner首創(chuàng)接種牛痘預(yù)防天花，是免疫學(xué)發(fā)展的代表，但當時解釋不了其機制。列文虎克發(fā)明顯微鏡

4奠定階段（1861-1897年）“工業(yè)微生物學(xué)之父”“生物工程之父”杰出貢獻徹底否定了“自然發(fā)生學(xué)說”；證實細菌能利用糖和銨合成蛋白質(zhì)；證實了發(fā)酵是由細菌引起的；在免疫學(xué)上提出預(yù)防接種;提出巴氏消毒法等等……世界上第一次發(fā)明了細菌照相法；第一次發(fā)現(xiàn)證明了炭疽熱的病原細菌——炭疽桿菌；第一次提出純培養(yǎng)技術(shù)并設(shè)計多種培養(yǎng)基；第一次發(fā)明了蒸汽殺菌法提出科赫法則等等……羅伯特·科赫

5發(fā)展期（1897年-1953年）Buchner（生物化學(xué)奠基人）Fleming1897年1928年1944年無細胞酵母菌“酒化酶”推翻巴斯德胚種學(xué)說發(fā)現(xiàn)青霉素對細菌的抑制作用,青霉素發(fā)現(xiàn)推動微生物工業(yè)化培養(yǎng)技術(shù)猛進肺炎球菌轉(zhuǎn)化實驗，確定DNA是遺傳物質(zhì)標志著分子生物學(xué)的形成生物工程發(fā)展的里程碑：進入生化水平研究階段Avery

6ElmerL.Gaden生化工程之父1946~1948年最佳溶氧條件對生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)（青霉素的發(fā)酵）起了極大的促進作用。由于他的有關(guān)通風(fēng)攪拌傳質(zhì)對現(xiàn)代生化科技研究的卓越貢獻使其獲得了“生化工程之父”的贊譽。生化工程的發(fā)展

7成熟期（分子生物學(xué)水平研究階段1953年~至今）Watson和Crick（分子生物學(xué)奠基人）美國生物學(xué)家沃森（Watson）和英國晶體結(jié)構(gòu)分析家克里克（Crick）合作，提出DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型，并在1962年與英國學(xué)者維爾金斯（WilkinsM.H.F.）共獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎?；蚬こ痰陌l(fā)展工程菌的構(gòu)建更促進了生物工程發(fā)展推動生命科學(xué)的發(fā)展促進許多重大理論問題的突破人類基因組計劃20世紀70年代

8人類基因組計劃

9人類基因組計劃最終目的是測定基因組全部序列，弄清整個基因組的結(jié)構(gòu)、功能以及表達產(chǎn)物，徹底了解人類生命活動的本質(zhì)。它具有非常重大的意義，推動了整個生命科學(xué)的發(fā)展。人類基因組包括分布于46條染色體的30000-35000個基因。

102006年6月26日克林頓宣布人類基因組草圖繪制完成

11人類基因組研究結(jié)論1.基因數(shù)量少得驚人2.人類基因組中存在“熱點”和大片“荒漠”3.三分之一為“垃圾”DNA4.種族歧視毫無根據(jù)5.男性基因突變率更高人類基因組研究結(jié)果更為現(xiàn)代刑偵破案，人類疫苗開發(fā)提供了有力的依據(jù)。

122.我國生物工程技術(shù)進展

13細胞工程發(fā)酵工程基因工程酶工程綜合性應(yīng)用生物工程生物反應(yīng)器工程

14生物工程，一般認為是以生物學(xué)(特別是其中的微生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)和細胞學(xué))的理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合化工、機械、電子計算機等現(xiàn)代工程技術(shù)，充分運用分子生物學(xué)的最新成就，自覺地操縱遺傳物質(zhì)，定向地改造生物或其功能，短期內(nèi)創(chuàng)造出具有超遠緣性狀的新物種，再通過合適的生物反應(yīng)器對這類“工程菌”或“工程細胞株”進行大規(guī)模的培養(yǎng)，以生產(chǎn)大量有用代謝產(chǎn)物或發(fā)揮它們獨特生理功能一門新興技術(shù)。

15發(fā)酵工程現(xiàn)代啤酒的發(fā)酵生產(chǎn)工藝

16分批補料發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，使得乳酸的發(fā)酵水平達200g/L，光學(xué)純度達97.4%可滿足聚乳酸的生產(chǎn)需要；純培養(yǎng)厭氧分批補料發(fā)酵技術(shù)

17生物高分子材料生產(chǎn)建成一條我國第一，世界第二的年產(chǎn)5000t綠色可降解環(huán)保型聚乳酸樹脂工業(yè)示范線，收率達到理論收率的90%，分子量大于10萬。綠色可降解環(huán)保型聚乳酸樹脂具有環(huán)境友好型的優(yōu)勢，并能夠勝任大部分合成塑料；

18對現(xiàn)有500t/a秸稈乙醇中式生產(chǎn)線技術(shù)改造生物法生產(chǎn)大宗化學(xué)用品具有很強的潛力和很大的利潤，更具有經(jīng)濟環(huán)保的優(yōu)良性質(zhì)。目前生物法生產(chǎn)乙烯新增產(chǎn)值5.76億，新增利潤7654萬元乙烯的生物煉制技術(shù)的成熟促使一系列大宗化學(xué)用品的生物法的發(fā)展。生物燃料

19我國是世界上肥料消費量第一的大國，化肥對我國糧食的貢獻占50%以上；我國肥料資源十分匱乏，例如：再過20年中高品位磷礦開采殆盡；化肥肥效易下降且會造成大量氮、磷污染地下水。生物肥料提供氮素，轉(zhuǎn)化難溶磷鉀，促進作物生長；生物肥料環(huán)境友好。生物肥料關(guān)鍵技術(shù)突破：生物肥料高效菌種資源庫的不斷充實；突破秸稈快速腐熟技術(shù)；高密度發(fā)酵工業(yè)；生物肥料高效載體研究的突破。生物肥料

20疫苗

21干細胞與組織工程胚胎干細胞的多能性為發(fā)育生物學(xué)和醫(yī)學(xué)提供了很多可能的應(yīng)用，但是提取干細胞通常會毀壞胚胎，這項研究引發(fā)了生物倫理的激烈討論。2006年，日本研究人員報告一個能避開人體胚胎干細胞實際與倫理問題。他們將4個基因（Oct4,Sox2,Klf4和c-Myc）導(dǎo)入在培養(yǎng)皿中生長的小鼠尾部細胞，得到了外表和作用與干細胞十分相似的新細胞—iPS細胞（誘導(dǎo)性多功能干細胞）。2008年，科學(xué)家們用基因技術(shù)徹底消除細胞的發(fā)育“記憶”，從而使其回到原始胚胎狀態(tài)，這就是細胞重編程（reprogrammingcell），被Science雜志評為2008年十大科學(xué)進展之首。

22我國干細胞研究于2009年在iPS細胞（研究、重大疾病干細胞治療技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)等領(lǐng)域取得了多項學(xué)術(shù)界廣泛認可的重大成果。iPS細胞在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，但是iPS細胞是否真的擁有與胚胎干細胞一樣的全能性還未被證實。中國科學(xué)院研究所首次利用iPS細胞通過四倍體囊胚注射得到存活并具有繁殖能力的小鼠“小小”，并于12月8日入選了《時代周刊》公布的2009年十大醫(yī)學(xué)突破?！稌r代周刊》公布的2009年十大醫(yī)學(xué)突破。通過四倍體囊胚注射得到存活并具有繁殖能力的小鼠“小小”

23組織工程皮膚獲得產(chǎn)品注冊證書防鈣化生物瓣膜獲得國家生產(chǎn)批號

24基因工程我國建立了水稻高效規(guī)?；霓D(zhuǎn)基因技術(shù)的體系，形成年轉(zhuǎn)化5000個基因的技術(shù)能力，并已經(jīng)對上千個基因進行了轉(zhuǎn)化和功能分析，構(gòu)建了面向全國的開放平臺。我國轉(zhuǎn)基因水稻涉及抗蟲、抗病、抗逆、品質(zhì)、養(yǎng)分高效利用和高產(chǎn)等，在國際頂級學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表數(shù)篇重要科技論文。轉(zhuǎn)基因植物

25利用修飾豌豆胰蛋白酶抑制劑基因SCK，研制出的抗蟲水稻及其配制的雜交稻組合Ⅱ優(yōu)科豐6號對二化螟、三化螟和稻縱卷葉螟等鱗翅目害蟲的抗蟲效率不低于95%，且表現(xiàn)明顯的增產(chǎn)效果。研制了“華恢1號”和“Bt汕優(yōu)63”高抗多種蟲害，在整個水稻種植季節(jié)中可以基本不打農(nóng)藥，較非抗蟲水稻增產(chǎn)6%~12%。我國人口眾多，水稻是主要的糧食，而水稻病蟲害是未來糧食安全問題的重大隱患。

26抗藍耳病（豬繁殖與呼吸綜合癥PRRS）轉(zhuǎn)基因豬轉(zhuǎn)基因動物

27抗CD20單克隆抗體是治療B淋巴細胞瘤的特效藥，價格昂貴，一個療程需要1.6萬美元。世界首批抗CD20單克隆抗體轉(zhuǎn)基因牛中國農(nóng)業(yè)大學(xué)培養(yǎng)的轉(zhuǎn)基因牛產(chǎn)抗CD20單克隆抗體達到2g/L,能夠大大降低藥物價格，為此類癌癥患者帶來福音。

28酶工程北京化工大學(xué)開發(fā)的酶法發(fā)酵生產(chǎn)生物柴油已在秦皇島和上海實現(xiàn)了生物柴油的萬噸級產(chǎn)業(yè)化；從生物質(zhì)到生物柴油清華大學(xué)與湖南海納百川生物工程有限公司合作，建成了全球套酶法工業(yè)化生產(chǎn)生物柴油裝置，運行結(jié)果表示該酶法新工藝在經(jīng)濟上與目前的化學(xué)工藝相比具有很強的競爭力。生物酶法生產(chǎn)生物柴油產(chǎn)業(yè)化裝置

29發(fā)酵反應(yīng)器工程菱花和阜豐集團采用綠色制造新技術(shù)發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸，并自主研發(fā)了一種新型大型的谷氨酸發(fā)酵罐，將產(chǎn)率提高了0.5%，且降低了能耗和設(shè)備成本。

30例如：堿性甘露聚糖酶（水解纖維素）的高表達與產(chǎn)業(yè)開發(fā)1完成高溫、酸性、堿性、以及耐鹽堿的甘露聚糖酶、纖維素酶、淀粉酶、葡萄糖苷酶等多種極端酶產(chǎn)生菌的分離，獲得146株極端微生物；3甘露聚糖酶和乳糖酶在酵母中高效表達，建成生產(chǎn)示范裝置；2克隆表達30余個極端工業(yè)酶基因，完成18個極端酶的純化與表征；闡述了極端酶的結(jié)構(gòu)位點和適應(yīng)機制；工業(yè)酶制劑是重要的大宗發(fā)酵產(chǎn)品，也是實現(xiàn)綠色化學(xué)的重要工具。是基因工程、蛋白質(zhì)工程、發(fā)酵工程的融合。綜合利用

31上海交通大學(xué)發(fā)現(xiàn)了新型結(jié)腸癌術(shù)后轉(zhuǎn)移、復(fù)發(fā)的分子標記物—IMP3，對血樣本直接檢測，通過對癌細胞的捕獲計數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對患者預(yù)后的評估。東南大學(xué)研制的納米生物器件可以快速的檢測肝癌、肺癌、白血病敏感和白細胞耐藥等細胞，有望實現(xiàn)癌癥的早期診斷。

32生物工程的主要領(lǐng)域生命科學(xué)工程科學(xué)生物工程主要領(lǐng)域主要服務(wù)領(lǐng)域發(fā)酵工程基因工程細胞工程酶工程人類健康工農(nóng)業(yè)資源能源環(huán)境生物工程的學(xué)科基礎(chǔ)及主要領(lǐng)域

33微生物工程菌發(fā)酵工程酶工程細胞工程產(chǎn)品基因工程酶動植物個體或細胞優(yōu)良動植物品種生物工程主要領(lǐng)域之間相互關(guān)系示意圖

34生物工程的特點[高效性和經(jīng)濟性]：基因工程應(yīng)用舉例與醫(yī)藥衛(wèi)生（1）生產(chǎn)基因工程藥品①優(yōu)點：高質(zhì)量、低成本②舉例：胰島素、干擾素、乙肝疫苗等（2）用于環(huán)境監(jiān)測：用DNA探針可檢測飲水中病毒的含量①方法：使用一個特定的DNA片段制成探針，與被檢測的病毒DNA雜交，從而把病毒檢測出來。②特點：快速、靈敏（3）基因治療①含義：把健康的外源基因?qū)胗谢蛉毕莸募毎?，達到治療疾病的目的。②舉例：半乳糖血癥（病因、研究成果）③發(fā)展前景：許多遺傳病及疑難病癥將被人類征服。細胞工程作為科學(xué)研究的一種手段，已經(jīng)滲入到生物工程的各個方面，成為必不可少的配套技術(shù)。在農(nóng)林、園藝和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中，細胞工程正在為人類做出巨大的貢獻。利用細胞工程技術(shù)進行作物育種，是迄今人類受益最多的一個方面。我國在這一領(lǐng)域已達到世界先進水平，以花藥單倍體育種途徑，培育出的水稻品種或品系有近百個，小麥有30個左右。其中河南省農(nóng)科院培育的小麥新品種，具有抗倒伏、抗銹病、抗白粉病等優(yōu)良性狀。[清潔和低耗][強調(diào)技術(shù)設(shè)計][可遺傳和可擴散][對人類倫理道德觀念有影響]