第六章 生物技術(shù)的應(yīng)用,醫(yī)藥衛(wèi)生（醫(yī)藥生物技術(shù)） 生命科學(xué) 農(nóng)林牧漁（農(nóng)業(yè)生物技術(shù)） 環(huán)境保護（環(huán)境生物技術(shù)）,生命科學(xué)直觀影響的相關(guān)領(lǐng)域,人類面臨與生命科學(xué)相關(guān)的六大問題,環(huán)境污染 資源枯竭 生態(tài)破壞 能源危機 氣候反常 人口爆炸,以綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展為特征,生物科學(xué)成為當(dāng)今世界自然科學(xué)的熱點和重點,二十世紀(jì)后葉，分子生物學(xué)領(lǐng)域一系列突破性成就，使生命科學(xué)在自然科學(xué)中的地位發(fā)生了革命性的變化； 近50年生命科學(xué)的發(fā)展超過了此前500年的總和 建立在實驗室研究基礎(chǔ)上的生物技術(shù)的發(fā)展為人類帶來了巨大的利益和財富。,生物技術(shù)將是未來經(jīng)濟發(fā)展的新動力,第一次技術(shù)革命 工業(yè)革命 解放人的雙手 第二次技術(shù)革命 信息技術(shù) 擴展人的大腦 第三次技術(shù)革命 生物技術(shù) 改造生命本身 “生命產(chǎn)業(yè)是一個朝陽、永恒的產(chǎn)業(yè)”,生物技術(shù)的應(yīng)用與評價,人類基因組計劃（HGP） 動物克隆技術(shù) 生物技術(shù)與醫(yī)藥 生物技術(shù)與農(nóng)業(yè) 生物技術(shù)與工業(yè) 生物技術(shù)與食品 生物能源 生物技術(shù)與環(huán)境,第一節(jié) 人類基因組研究 Human Genomic Project 揭開生命的奧秘,人類的遺傳信息以核苷酸順序的形式貯存在DNA分子中，它們以功能單位(基因)在染色體上占據(jù)一定的位置 基因組就是細(xì)胞內(nèi)遺傳信息的攜帶者DNA的總體。 人類基因組包含著決定人類生、老、病、死以及精神、行為等活動的全部遺傳信息。,人類基因組計劃,HGP簡介,人類基因組計劃 1990年正式啟動。 美國、英國、法國、德國、日本和我國科學(xué)家共同參與了這一價值達30億美元的人類基因組計劃。 計劃旨在為30多億個堿基對構(gòu)成的人類基因組作圖、精確測序，基因鑒定和功能分析，破譯人類全部遺傳信息 曼哈頓計劃 阿波羅計劃,20世紀(jì)科學(xué)史上3個里程碑,HGP的意義,了解生命的起源與進化 認(rèn)識種屬之間和個體之間存在差異的起因 五種“模式生物” 基因組的研究：大腸桿菌、酵母、線蟲、果蠅和小鼠 解碼生命，認(rèn)識自身 了解生命體生長發(fā)育的規(guī)律 認(rèn)識疾病產(chǎn)生的機制，掌握生老病死規(guī)律 疾病的診斷和治療,人類單倍體基因組,含 32億堿基對(bp)的DNA序列 編碼序列約占3%，非編碼序列約占97%。 包括約34萬個基因，分布于22條常染色體和 X、Y性染色體。,人類基因組計劃,人類基因組研究的技術(shù)原理,一、人類基因組研究方案及技術(shù),人類基因組計劃,遺傳圖譜（連鎖圖譜，linkage map) 通過家譜分析和測量不同性狀一起遺傳（即連鎖）的頻率，將基因或其它DNA順序標(biāo)定在染色體上構(gòu)建連鎖圖 單位：厘摩（cM，即每次減數(shù)分裂的重組頻率為1%）；Mb水平的標(biāo)記 作用 確定基因或DNA片斷在染色體的定位 各基因或DNA片斷的相對距離 方法：家系分析 122染色體：8個家系 134個個體 X染色體：12家系， 170個個體,1 遺傳圖譜 - 孟德爾的“新生”,人類基因組計劃,2 物理圖譜 - 路標(biāo)與路軌,是通過對DNA的化學(xué)測度而繪制的，反映的是DNA序列上兩點之間的實際距離 目的：把有關(guān)基因的遺傳信息及其在每條染色體上的相對位置線性而系統(tǒng)地排列出來。 以堿基對的數(shù)目為衡量單位，精度在100kb水平,人類基因組計劃,第21號染色體的物理圖譜,3 大片段外源DNA克隆體系,人類基因組計劃,酵母人工染色體（YAC）克隆體系的構(gòu)建,重疊群組建（步移法）,4 DNA序列測定 序列圖譜 - 重中之重,DNA序列分析技術(shù)是一個包括制備DNA片段化及堿基分析、DNA信息翻譯的多階段的過程 通過測序得到基因組的序列圖譜,人類基因組計劃,大規(guī)模基因組測序,Megabace 測序儀,3700 測序儀,人類基因組計劃,運用計算機軟件進行序列拼接,人類基因組計劃,現(xiàn)在，你能否設(shè)計較理想的人基因組計劃？,人類基因組測序完成,2003年4月14日，美國聯(lián)邦國家人類基因組研究項目負(fù)責(zé)人弗朗西斯柯林斯博士在華盛頓宣布基因組測序圖已由美、英、日、德、法、中六國經(jīng)13年努力完成,5. 基因的確定與分析 基因轉(zhuǎn)錄圖譜 - 生命的樂譜,斷裂基因,人類基因組計劃,轉(zhuǎn)錄圖譜是在識別基因組所包含的蛋白質(zhì)編碼序列的基礎(chǔ)上繪制的有關(guān)基因序列、位置及表達模式等信息的圖譜。,確定特定基因的方法,通過DNA全序列分析確定基因 根據(jù)人類基因組DNA測序，利用計算機分析，找出ORF 功能克隆 根據(jù)基因的功能，分離并測定基因結(jié)構(gòu) 定位克?。阂阎蛉旧w定位然后進行的克隆 已完成幾十個疾病基因的克隆分離 鑒定基因 據(jù)基因編碼蛋白質(zhì)的氨基酸序列分析蛋白質(zhì)的類型、功能,人類基因組計劃,我國對人類基因組計劃的貢獻,1994年，我國HGP在吳旻、強伯勤、陳竺、楊煥明的倡導(dǎo)下啟動 最初由國家自然科學(xué)基金會和863高科技計劃的支持下，先后啟動了“中華民族基因組中若干位點基因結(jié)構(gòu)的研究”和“重大疾病相關(guān)基因的定位、克隆、結(jié)構(gòu)和功能研究”； 1998年在上海成立了南方基因中心； 1999年在北京成立了北方人類基因組中心； 1999年7月在國際人類基因組注冊，得到完成人類3號染色體短臂上一個約30Mb區(qū)域的測序任務(wù)，該區(qū)域約占人類整個基因組的1。 1999年11月12日：科技部、中科院、“863”計劃生物領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會討論決定“863”計劃出資3000萬元，中科院出資1000萬元,人類基因組計劃,國際人類基因組測序任務(wù)分配情況,人類基因組計劃,遺傳病基因克隆重大突破,夏家輝教授實驗室 1998年克隆了高頻耳聾疾病基因,2001年上海和北京科學(xué)家發(fā)現(xiàn)遺傳性乳光牙本質(zhì)II型基因,人類基因組計劃,后基因組時代,結(jié)構(gòu)基因組學(xué)向功能基因組學(xué)轉(zhuǎn)變 研究基因表達、調(diào)控，以及在生長發(fā)育、疾病發(fā)生、藥物反應(yīng)等方面的作用 研究上： 系統(tǒng)研究：不是針對單個基因或蛋白，而是對一個細(xì)胞或個體內(nèi)整個基因或蛋白質(zhì)的研究； 組學(xué)研究：功能基因組、結(jié)構(gòu)基因組、蛋白質(zhì)組學(xué) 技術(shù)上：高通量基因、蛋白篩選與鑒定，基因敲除動物等 在基因的功能與利用上有望突破,第二節(jié) 克隆技術(shù)與“多莉”,克隆，是Clone的譯音，意為生物體通過細(xì)胞進行的無性繁殖形成的基因型完全相同的后代個體組成的種群，簡稱為“無性繁殖“。,從細(xì)胞到個體,細(xì)胞分化：在個體發(fā)育中，細(xì)胞后代在形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生差異的過程。 細(xì)胞全能性：細(xì)胞具有形成完整個體的潛能稱細(xì)胞全能性。,克隆技術(shù),植物 分化成熟的植物細(xì)胞體，仍有可能發(fā)育成完整植株。 動物 隨著分化的演進，分化成熟細(xì)胞逐漸喪失其分化潛能,不能發(fā)育成為完整的動物個體。 實驗證明，囊胚階段的細(xì)胞乃至成熟的體細(xì)胞，保持著全套基因組的細(xì)胞核仍具有全能性可能發(fā)育成完整個體。 細(xì)胞質(zhì)中有著決定細(xì)胞分化全能性的物質(zhì)，稱為分化決定子。決定動物細(xì)胞全能性的關(guān)鍵在于細(xì)胞質(zhì)。,植物體細(xì)胞具有全能性,克隆技術(shù),“多莉”羊?qū)嶒灥脑O(shè)計和實施 細(xì)胞工程材料,多莉羊與生母,1997,芬蘭道塞特綿羊： 提供細(xì)胞核 蘇格蘭黑面母綿羊2只： 提供卵細(xì)胞 子宮:胚胎的發(fā)育環(huán)境 多莉的生母,實 驗 過 程,細(xì)胞核受體 黑面母綿羊,細(xì)胞核供體,6歲道塞特母綿羊,培養(yǎng)于0.5%胎牛血清培養(yǎng)基中，使從生長周期中出來停頓于G。,3436h取出核,注射促性腺激素釋激素經(jīng) 28-33 h 排卵,乳腺細(xì)胞,克隆技術(shù),移入蘇格蘭黑面母羊子宮,分裂成長至桑椹期或囊胚期,克隆技術(shù),多莉羊與寄母,1997,1998年,美國夏威夷大學(xué)的Yanagimachi等成功地用卵丘細(xì)胞進行了小鼠的克隆、克隆再克隆,按供體細(xì)胞的類型不同分為三個階段 同種胚胎細(xì)胞克隆 同種體細(xì)胞克隆 異種體細(xì)胞克隆,動物克隆的發(fā)展,克隆技術(shù)及其應(yīng)用,移植日期:2001.5.12 流產(chǎn)日期:2001.7.15,移植日期:2001.5.3 流產(chǎn)日期:2001.8.4,動物克隆研究中普遍存在的問題,存在不分裂胚 供體核 受體卵細(xì)胞 受胎率低（26.2%） 流產(chǎn)率高(53.8%) 克隆動物的存活率低（35.7%),克隆技術(shù),第三節(jié) 生物技術(shù)在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用 （P171),生物制藥（基因工程制藥） 基因診斷（Gene Diagnosis ） 基因治療（and Gene Therapy） 干細(xì)胞工程,一、生物醫(yī)藥行業(yè)的特點,高技術(shù)（精細(xì)和密集的技術(shù)） 產(chǎn)品來源于實驗室 科學(xué)家往往就是公司的領(lǐng)導(dǎo)人 高投入 尤其是前期科研投入,生物藥品平均13億美元 長周期：一個新的生物藥品需要68年時間 高利潤 美Amgen公司，開發(fā)上市的EPO（促紅細(xì)胞生長素）、細(xì)胞集落因子（G-SCF）到1997年的銷售額達20億美元 高風(fēng)險 全世界不超過100家生物技術(shù)公司有自己的產(chǎn)品;其中真正盈利的公司很少。 政策風(fēng)險 產(chǎn)品潛在安全風(fēng)險,基本方法是：將目的基因用DNA重組的方法連接在載體上，然后將載體導(dǎo)入靶細(xì)胞，使目的基因在靶細(xì)胞中得到表達，最后將表達的目的蛋白質(zhì)提純及做成制劑，從而成為蛋白類藥或疫苗。,二、基因工程制藥,1976年第一家基因工程技術(shù)開發(fā)藥物的公司建立； 1982年第一個基因工程藥物重組人胰島素正式生產(chǎn)，推向市場 2002年全球生物技術(shù)公司總數(shù)已達4284家，美國占34。 2004年基因重組生物技術(shù)藥物的年銷售額已經(jīng)突破400億美元；。 2005年市場上的生物技術(shù)藥物達到200種左右，而在研的藥物為600種。 全世界已有2.5億人使用生物技術(shù)藥物和疫苗。,國外生物醫(yī)藥的發(fā)展,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,1989年我國批準(zhǔn)了第一個在我國生產(chǎn)的基因工程藥物-重組人干擾素1b 近年來我國生物制藥業(yè)銷售收入以平均超過20%的速度增長。,國內(nèi)生物醫(yī)藥的發(fā)展 起步晚，起點低，但發(fā)展迅速,許多藥品的生產(chǎn)是從生物組織中提取的。受材料來源限制產(chǎn)量有限，其價格往往十分昂貴。 如胰島素長期以來只能依靠從豬、牛等動物的胰腺中提取。 將合成的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，每2000L培養(yǎng)液就能產(chǎn)生100g胰島素！相當(dāng)于1000Kg豬胰臟中提取的量。,基因工程藥品的生產(chǎn),生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,生物反應(yīng)器,將外源基因在動、植物體內(nèi)表達并生產(chǎn)出我們所需的營養(yǎng)（蛋白）或工業(yè)用原材料的動植物基因改良（操作）的個體稱為生物反應(yīng)器。,動物乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)藥用蛋白質(zhì),技術(shù)原理與操作主要是依據(jù)轉(zhuǎn)基因技術(shù) 動物生物反應(yīng)器：是指利用動物作為載體（平臺）的反應(yīng)器體系。,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,動物生物反應(yīng)器 乳腺生物反應(yīng)器:使外源基因在哺乳動物的乳腺組織（上皮細(xì)胞）中進行特異表達我們需要的蛋白產(chǎn)物； 血液生物反應(yīng)器 細(xì)胞生物反應(yīng)器 已生產(chǎn)的藥物：2抗胰蛋白酶、抗凝血因子、 TPA 、蛋白質(zhì)C 、凝血因子、白細(xì)胞介素22等,從轉(zhuǎn)基因羊的羊奶中提取出治療心臟病的藥物tPA（組織型纖溶酶原激活物）,血液、尿腺 、乳腺、禽卵、昆蟲,目前已制作成功并產(chǎn)生重大社會、經(jīng)濟效益（應(yīng)）的乳腺生物反應(yīng)器（動物）有: 轉(zhuǎn)基因牛(荷蘭Phraming公司-人乳鐵蛋白、EPO) 轉(zhuǎn)基因羊（山羊、綿羊）(英PPL公司-抗胰蛋白酶; 美GTC-人凝血酶原III)等,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,治療用轉(zhuǎn)基因牛研究的時間與資金要求,生物技術(shù)藥物與化學(xué)藥物和中藥將形成三足鼎立的局面,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,生物技術(shù)疫苗,生物技術(shù)疫苗 DNA疫苗 基因缺失苗 亞單位疫苗 活載體疫苗 基因工程重組疫苗：禽流感病毒（H5N2疫苗，應(yīng)用反向遺傳操作技術(shù)，將在雞胚中增殖效價高的弱毒PB2基因，與其它血清型基因片段通過構(gòu)建感染性克隆產(chǎn)生新的疫苗病毒,二、基因診斷（Gene Diagnosis）,G到T一個堿基的改變，決定了一個人的命運 小皓珩出生23個月就出現(xiàn)皮疹、便血等病狀，患上了罕見的原發(fā)性免疫缺陷病。 DNA序列分析，證實了小皓珩WAS蛋白基因的1388位核苷酸由G突變?yōu)門，使編碼谷氨酸的密碼GAG突變?yōu)榻K止密碼TAG WAS蛋白突變?yōu)闊o功能的WAS蛋白，導(dǎo)致患兒血小板減少，淋巴細(xì)胞形態(tài)和功能異常 希望：WAS目前已經(jīng)可以用骨髓移植或干細(xì)胞移植根治,通過從患者體內(nèi)提取樣本(DNA)用基因檢測方法來判斷患者是否有基因異?；驍y帶病原微生物的方法，就是基因診斷。,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,傳統(tǒng)與基因診斷的比較,傳統(tǒng)的診斷 望 問 聽 觸經(jīng)驗 化驗/檢驗微生物、免疫學(xué)、生物化學(xué)、病理學(xué)等對細(xì)胞、組織、酶、代謝物等檢測 影像學(xué)X線、B超、CT、核磁共振、內(nèi)窺鏡等 特殊檢查肌電/腦電/心電、骨密度等,基因診斷 應(yīng)用分子生物學(xué)方法：如PCR技術(shù)或PCR與分子雜交標(biāo)記 主要應(yīng)用于 先天遺傳性疾患（苯丙酮尿癥、血紅蛋白病） 后天基因突變引起的疾?。[瘤、糖尿?。?病原生物的侵入（流感、肝炎、艾滋?。?個體識別、法醫(yī)物證,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,感染性疾病檢測,利用PCR技術(shù)或PCR與分子雜交標(biāo)記相結(jié)合，可以快速準(zhǔn)確地檢測出病原性物質(zhì) 乙型肝炎病毒 丙型肝炎病毒 結(jié)核桿菌和瘧原蟲的分型,公安司法系統(tǒng)罪犯及受害人的身份識別及親子鑒定 部隊 傷亡士兵的身份識別；印尼海嘯中死難人員身份識別 保安 個人DNA身份證，用于人員識別,1985年Jeffreys應(yīng)用RFLP進行親子鑒定,創(chuàng)建DNA指紋分析方法,Jeffreys和DNA指紋,個體識別,三 基因治療（Gene Therapy）,目前，基因療法的對象 基因病、腫瘤、心血管病、糖尿病、血友病、嚴(yán)重貧血、關(guān)節(jié)炎、愛滋病等15種以上疑難頑癥 基因治療人類遺傳性疾病,仍在探索階段,基因治療是將正常的外源基因?qū)氚屑?xì)胞中以彌補靶細(xì)胞所缺失或突變的基因、或抑制異常表達的基因,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,基因治療的策略,原位修復(fù)(基因修復(fù)） 對有缺陷的基因在原來位置上進行修復(fù)，使該基因恢復(fù)正常 基因替代療法 治療策略是切除發(fā)生缺陷的基因，再轉(zhuǎn)入有功能的正常 基因增強 將目的基因?qū)氚屑?xì)胞，目的基因的表達產(chǎn)物可以補償缺陷細(xì)胞的功能 基因抑制 導(dǎo)入外源基因以抑制原有的基因，目的在于阻斷有害基因的表達,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,基因治療掀起了一場臨床醫(yī)學(xué)革命,基因治療的基本方式,體細(xì)胞介導(dǎo)的基因治療 回體法 ex vivo 體內(nèi)直接轉(zhuǎn)基因 體內(nèi)法 in vivo,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,基因治療的應(yīng)用,轉(zhuǎn)入功能基因（單基因遺傳?。?血友病B 薛京倫等用逆轉(zhuǎn)錄病毒載體將IX因子的cDNA至血友病B患者的皮膚成纖維細(xì)胞中，再回植患者皮下，患者凝血因子IX的表達明顯增高，癥狀得到改善 重癥綜合性免疫缺乏癥（SCID）,重癥綜合性免疫缺乏癥（SCID）,腺苷脫氨酶（ADA）缺乏癥是常染色體隱性遺傳的致死性疾病，患者由于ADA缺乏導(dǎo)致脫苷腺氨酸增多，改變了甲基化能力，致使淋巴細(xì)胞受損，從而導(dǎo)致免疫缺陷,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,1990年，首次將ADA轉(zhuǎn)基因T淋巴細(xì)胞注射到人體骨髓組織（患有腺苷脫氨酶（ADA）缺乏癥的4歲兒童） ，治療SCID,轉(zhuǎn)基因治療的問題與危險性,有效的目的基因過少； 安全性:導(dǎo)入的基因缺乏調(diào)控手段； 有效性和穩(wěn)定性：缺少高效和導(dǎo)向的載體系統(tǒng)； 目前人們多重視分子水平的研究而忽略了整體研究，對整體宏觀水平缺乏了解。,1999年9月17日，美國Arizona州18歲的青年格爾辛格在賓夕法尼亞大學(xué)人類基因治療研究所接受基因治療4天后不幸死亡，成為基因治療實施以來第1個直接死于這種試驗的病人。,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,四 創(chuàng)建遺傳病的動物模型,意義 研究癌癥基因的致病機理；癌癥基因表達的調(diào)控過程；新藥物療效 研究基因治療的良好材料 目前已建立了人類的動脈粥樣硬化、鐮刀形紅細(xì)胞貧血、初老期癡呆癥、自身免疫病、淋巴組織生成、真皮炎及前列腺癌等遺傳病的動物模型,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,在猴子的未受精卵中加入附加基因（如老年性癡呆病的基因、帕金森病基因等），并利用它成功培育出健康活潑的小猴“安迪”。 加快針對這類疾病疫苗的開發(fā)研究。,通過研究“基因敲除”的小鼠將幫助研究人類的癌癥、糖尿病和高血壓等慢性疾病與遺傳的關(guān)系。,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,五 干細(xì)胞工程,干細(xì)胞是指尚未發(fā)育成熟的細(xì)胞，它具有再生為各種組織器官的潛能，可稱其為種子細(xì)胞。 是一類具有自我更新和分化潛能的細(xì)胞 具有多能性，甚至全能性,干細(xì)胞的類型,全能干細(xì)胞 它具有形成完整個體的分化潛能 胚胎干細(xì)胞 多能干細(xì)胞 具有分化出多種細(xì)胞組織的潛能，失去了發(fā)育成完整個體的能力 專能干細(xì)胞 只能向一種類型或密切相關(guān)的兩種類型的細(xì)胞分化,Microinjection Manipulation Facility,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,胚胎干細(xì)胞具有發(fā)育成所有細(xì)胞、組織和器官的能力,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生,具體應(yīng)用舉例,骨髓移植造血干細(xì)胞 造血干細(xì)胞是體內(nèi)各種血細(xì)胞的唯一來源，主要存在于骨髓、臍帶血中 造血干細(xì)胞的移植是治療血液系統(tǒng)疾病、先天性遺傳疾病以及多發(fā)性和轉(zhuǎn)移性惡性腫瘤疾病的有效方法。,臍血干細(xì)胞庫,新生兒臍血主要直接用于血液病和免疫功能不全的臨床治療 局限性 臍血采集量有限，其中所含的核細(xì)胞數(shù)較少，不能滿足成人患者移植所需。 遺傳病,第四節(jié) 生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)科學(xué)方面的應(yīng)用,農(nóng)業(yè)科技革命,20世紀(jì)初開始的農(nóng)業(yè)科技革命 達爾文、孟德爾（19世紀(jì)下半葉）：育種技術(shù)（30） 李比希、繆勒（20世紀(jì)30年代）： 化肥和農(nóng)藥（50） 水利、灌溉（20） 以育種技術(shù)和農(nóng)業(yè)化學(xué)技術(shù)為主導(dǎo)的第一次農(nóng)業(yè)科技革命， 建立了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。 20世紀(jì)下半葉，2個重大的科學(xué)事件，拉開了新的農(nóng)業(yè)科技革命的序幕 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)、DNA重組成功：分子生物學(xué)、生物技術(shù) 計算機、信息技術(shù)：覆蓋面廣、滲透性極強 其它現(xiàn)代技術(shù) 航空航天、自動控制、新型材料、先進制造等,生物技術(shù)引發(fā)的生物育種,細(xì)胞和胚胎工程育種、分子標(biāo)記技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)等已趨成熟，在動植物育種中得到應(yīng)用 高產(chǎn)、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、抗蟲、抗病、除草劑、固氮酶基因等如：抗除草劑大豆、抗黃矮病小麥、抗病毒馬鈴薯、耐貯運番茄 動物品質(zhì)改良、提高動物快速生長能力或抗病能力； 功能性食品：可飼性疫苗、富含VE的不飽和油料等,生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)科學(xué),轉(zhuǎn)基因植物,用攜帶外源基因的農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒轉(zhuǎn)化植物材料，使外源DNA與植物染色體DNA整合，通過進一步組織培養(yǎng)，轉(zhuǎn)化的植物材料分化成愈傷組織，最后發(fā)育成具有新性狀的完整植株轉(zhuǎn)基因植物,生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)科學(xué),有35個科120多種轉(zhuǎn)基因植物，一些重要的農(nóng)作物獲得商品化的轉(zhuǎn)基因品種 種植面積迅猛發(fā)展 發(fā)展趨勢 采用的基因正在從抗除草劑、抗菌素、抗病蟲害基因到抗逆境、高品質(zhì)方向發(fā)展。 由單個質(zhì)量性狀基因向多基因數(shù)量性狀轉(zhuǎn)變。 植物反應(yīng)器生產(chǎn)稀有蛋白,轉(zhuǎn)基因植物現(xiàn)狀及趨勢,生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)科學(xué),1、生物技術(shù)與糧食 提高產(chǎn)量、品質(zhì),普通大米實際上不是“健康食品”。 大米中含有一種叫做肌醇六磷酸的小分子，它能與鐵緊緊地結(jié)合，使得小腸難以吸收食物中的鐵； 以大米為主食的人，易患鐵缺乏癥而導(dǎo)致貧血,哪種大米更有益身體健康？,轉(zhuǎn)基因水稻 “金大米” ：轉(zhuǎn)入胡蘿卜素合成相關(guān)基因提高大米中維生素A前體的含量，以減少亞洲人普遍存在的維生素A缺乏癥 解決鐵吸收的問題，往“金大米”中再轉(zhuǎn)入三種基因： 一種是來自真菌的酶基因，這種酶能夠把肌醇六磷酸降解掉； 一種是來自菜豆的鐵蛋白基因，鐵蛋白能夠儲存鐵； 還有一種是來自印度香米的基因，它生產(chǎn)的蛋白質(zhì)有助于人的腸道吸收鐵 低過敏性轉(zhuǎn)基因水稻 低蛋白轉(zhuǎn)基因水稻,哪種大米更有益身體健康？,超級雜交稻 2005年5月13日，位于三亞市田獨鎮(zhèn)新村田洋的中國超級雜交稻第一塊“百畝片試種示范田”正式通過了海南省級驗收。經(jīng)由全國多位農(nóng)業(yè)專家共同檢測，這批超級雜交稻的畝產(chǎn)高達833.23公斤。 功能稻米 基爾米：擁有降血壓、改善睡眠、減肥美容等功能的大米，售價最高的一種達元錢斤。,生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)科學(xué),2、抗性基因工程育種,基因工程為培育抗病蟲的作物提供了新的手段 目前，已經(jīng)獲得的轉(zhuǎn)基因抗蟲農(nóng)作物包括煙草、番茄、馬鈴薯、棉花、玉米等 在抗逆境育種上的應(yīng)用為克服干旱、鹽堿等提供新思路 美國斯坦福大學(xué)把仙人掌基因?qū)胄←?、大豆等作物，育成抗旱、抗逆的新品種。 我國已克隆了耐鹽堿相關(guān)基因， 通過遺傳轉(zhuǎn)化已獲得了耐鹽煙草、 水稻、西紅柿、草莓等。,生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)科學(xué),轉(zhuǎn)基因抗蟲棉,我國是世界上最大的棉花生產(chǎn)國和消費國，約占世界產(chǎn)棉總量的25%以上。 自90年代以來，由于棉鈴蟲在我國大部分棉區(qū)持續(xù)性大發(fā)生或暴發(fā)，給我國棉花生產(chǎn)帶來了巨大的威脅，棉農(nóng)談蟲色變，面積、單產(chǎn)、總產(chǎn)一直處于低谷的徘徊階段。,我國現(xiàn)已有18個國產(chǎn)抗蟲棉品種通過了審定 ，目前種植的轉(zhuǎn)基因品種中約有一半是國產(chǎn)品種。在全國各棉區(qū)正在大面積推廣。,1990年，美國利用生物技術(shù)，合成蘇云金芽孢桿菌 （B.t）殺蟲基因，導(dǎo)入棉花獲得抗蟲轉(zhuǎn)基因棉花。,抗植物蟲害的基因有多種，日前經(jīng)常使用的主要有三種： Bt基因 從植物中分離出的昆蟲的蛋白酶抑制劑，其中應(yīng)用最廣泛的是豇豆胰蛋白酶抑制劑基因(CpTI) 植物凝集素基因(lectin gene),生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)科學(xué),3、花卉基因工程,花色工程 花卉香味工程 通過合成酶的引入，增強單萜的合成 花卉保鮮 通過導(dǎo)入反義ACC合成酶基因及反義ACC氧化酶基因可阻止乙烯生化合成，延長花期和鮮切花壽命 花卉抗性基因工程,圓個繽紛的夢花色工程,花色素主要由類黃酮、類胡蘿卜素、生物堿三類物質(zhì)決定 影響花色的因子還有共色作用、液泡的酸堿值及細(xì)胞的形狀等,生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)科學(xué),基因工程改變花色的途徑,通過引入外源基因來補充某些品種缺乏合成某些顏色的能力 利用反義RNA和共抑制技術(shù)抑制基因的活性，造成無色底物的積累，使花的顏色變淺或變成無色,星條、網(wǎng)狀：共抑制法、反義RNA 技術(shù),黃色：直接導(dǎo)入外源結(jié)構(gòu)基因,花卉基因轉(zhuǎn)移結(jié)果常無法獲得預(yù)期效果 由于育成藍(lán)色月季需要同時具備三個條件，即翠雀素的合成、黃酮醇共染劑和較高的PH值，其中關(guān)鍵是改變植物細(xì)胞液泡液的PH值,生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)科學(xué),運用基因工程技術(shù)，不但可以培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗性好的畜、禽新品種，還可以培養(yǎng)出具有特殊用途的動物,4、 在畜牧業(yè)中的應(yīng)用,生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)科學(xué),中國科學(xué)院水生生物研究所朱作言首次用人的生長激素基因(hGH)構(gòu)建了轉(zhuǎn)基因魚，制作的主要目的是提高生長速度、增加抗逆性以及為發(fā)育生物學(xué)和插入突變提供研究的材料。 使用魚類自身的基因元件構(gòu)建轉(zhuǎn)基因魚，可以解決基因表達強度問題和推廣轉(zhuǎn)基因魚的環(huán)境和倫理道德問題。 自1984年以來先后進行了泥鰍、鯉魚、鯽魚等的轉(zhuǎn)基因研究。,5、生物技術(shù)與農(nóng)藥,綠色農(nóng)藥包括微生物殺蟲劑、微生物殺菌劑、農(nóng)畜抗菌素、植物源農(nóng)藥等 植物源生物水劑農(nóng)藥（松脂酸鈉和茶皂素的復(fù)合制劑、苦楝油） 生物農(nóng)藥菌種資源（蘇云金桿菌） 特點 環(huán)保，良好的環(huán)境相容性 先天弱勢：藥效慢、擊倒慢、適應(yīng)力差 綜合防治,生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)科學(xué),農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的拓展,拓展領(lǐng)域 向食品輕工領(lǐng)域發(fā)展：酶工程、L-乳酸發(fā)酵工程 向能源：燃料：石油（黑金） 作物（綠金） 向材料環(huán)保： 全淀粉乳酸聚合塑料、生物全降解塑料 生物農(nóng)藥及生物防治技術(shù) 發(fā)展趨勢 生物資源創(chuàng)新工程專業(yè)、區(qū)域、企業(yè)、市場化 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè) “高投入、低產(chǎn)出” “低投入、高產(chǎn)出” 投身生命科學(xué),生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)科學(xué),第六節(jié) 生物技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用 (p181),主要應(yīng)用在食品生物資源的改造、提高食品品質(zhì)和改善食品風(fēng)味、油脂生產(chǎn)以及食品衛(wèi)生檢測等。 不是僅僅解決糧食問題， 更重要的是，滿足人們 對食物感官舒適、營養(yǎng) 豐富、功能全面的完美 要求。,食品級殼聚糖：用于功能性食品，保健品，膠粘劑，人體補鐵劑，可降解性食品包裝袋等,一、應(yīng)用現(xiàn)狀,主要技術(shù) 基因工程 細(xì)胞工程 酶工程 應(yīng)用領(lǐng)域 發(fā)酵工程 食品添加劑:用生物法代替化學(xué)合成，要大力開發(fā)功能性食品添加劑等。,生物技術(shù)與食品業(yè),二、在食品加工過程的應(yīng)用,工程菌改良食品微生物的生產(chǎn)性能 改變合成途徑，改善風(fēng)味 氨基酸生產(chǎn) 生產(chǎn)食品酶制劑，提高活性、穩(wěn)定性（淀粉酶、纖維素酶、蛋白酶等，添加酶類進行食品組分的改性） 食品保鮮：乳酸菌肽防腐,生物技術(shù)與食品業(yè),三、農(nóng)副產(chǎn)品深加工和綜合利用,玉米等深加工 作為新型糖源、變性淀粉、玉米油、發(fā)酵酒精、環(huán)狀糊精以及工業(yè)用材料提供優(yōu)質(zhì)充足的原料 肉、奶、水產(chǎn)品加工 植物纖維素資源,生物技術(shù)與食品業(yè),在食品檢測中的應(yīng)用 食源性病原菌快速檢測 轉(zhuǎn)基因食品檢測 我國農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全管理 2004年10月，我國制定農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全管理條例 一般應(yīng)經(jīng)過中間試驗、 環(huán)境釋放和生產(chǎn)性試驗,四、生物技術(shù)與食品安全性檢測,生物技術(shù)與食品業(yè),第七節(jié) 生物技術(shù)在能源開發(fā)上的應(yīng)用,能源分 不可再生能源：煤、天然氣和石油（包括核能）等化石原料 可再生能源：太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物能、海洋能和水?生物能源是從太陽能轉(zhuǎn)化而來的 綠色植物就是光能轉(zhuǎn)換器和能源之源，碳水化合物是光能儲藏庫。 我國擁有豐富的生物質(zhì)資源 每年7億多噸作物桔稈、2億多萬噸林地廢棄物、25億多噸畜禽糞便及大量有機廢棄物,生物能源制煤氣：柴草桔桿氣化爐,（一）沼氣,沼氣是微生物發(fā)酵秸稈、禽畜糞等有機物產(chǎn)生的混合氣體，主要成分是可燃的甲烷。 生產(chǎn)沼氣的設(shè)備簡單，方法簡易，適合在農(nóng)村推廣使用。 目前，沼氣的規(guī)模化生產(chǎn)需要解決的是設(shè)備及提高甲烷含量等技術(shù)問題。,生物技術(shù)與能源,（二） 氫氣,氫氣的燃燒產(chǎn)物只有水，因此氫氣是最清潔的能源。 可利用生物質(zhì)通過微生物發(fā)酵得到，這一過程被稱為生物制氫。 實現(xiàn)生物制氫的產(chǎn)業(yè)化，還有許多技術(shù)和經(jīng)濟問題需要解決。,生物制氫產(chǎn)業(yè)化示范基地業(yè)已初具規(guī)模,生物技術(shù)與能源,（三）生物柴油,利用生物酶將植物油或其它油脂分解后得到的液體燃料，作為柴油的替代品更加環(huán)保 歐洲、美國已專門種植油料作物用來生產(chǎn)生物柴油 一些微生物也能合成油脂，可以為克服生物柴油的原料問題,（四）燃料乙醇,目前世界上生產(chǎn)規(guī)模最大的生物能源 燃料乙醇是以玉米等為原料，經(jīng)過粉碎、液化、糖化、發(fā)酵、蒸餾、脫水等一系列精密工藝流程而制成的，在汽油中混配10%的燃料乙醇即成為乙醇汽油,排放的尾氣更清潔。 我國的燃料乙醇生產(chǎn)已形成規(guī)模，主要是以玉米為原料，同時正在積極開發(fā)甜高粱、薯類、秸稈等其他原料生產(chǎn)乙醇，目前產(chǎn)量居世界第三。,生物技術(shù)與能源,微生物與生物能源,微生物將在生物能源領(lǐng)域扮演重要的角色，生物能源的制備離不開微生物 利用生物技術(shù)尤其是基因工程改良相關(guān)微生物，勢必能夠提高生物能源的開發(fā)利用。 （一）燃料乙醇