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1、4 4细胞工程第一章 细胞工程简介细胞工程简介第一第一节 生物工程生物工程也称生物工也称生物工艺学，一般称学，一般称为生物技生物技术。以生命科学以生命科学为基基础，利用利用生物体系生物体系和和工程学工程学原理原理生生产生物制品生物制品和和创造新物种造新物种的一的一门综合合技技术。换言之，就是利用生物有机体（从微生物直言之，就是利用生物有机体（从微生物直至高等至高等动物）或其物）或其组成部分（器官成部分（器官组织细胞）胞）发展新工展新工艺或制造新或制造新产品的一种科学技品的一种科学技术。1.1.生物工程的发展历程生物工程的发展历程第一代生物工程第一代生物工程40004000年前年前 酿酒酿酒16
2、74 1674 显微镜显微镜 列文虎克发现微生物列文虎克发现微生物 清康熙十清康熙十九年九年8 89 9古代的中国是怎么酿酒 蒸煮粮食，蒸煮粮食，是中国人是中国人酿酒的第一道程序，粮食拌入酒曲，酒的第一道程序，粮食拌入酒曲，经过蒸煮后，更有利于蒸煮后，更有利于发酵，酵，在在传统工工艺中，半熟的粮食出中，半熟的粮食出锅后，要后，要铺撒在地面上，撒在地面上，这是是酿酒的第二道程序，也就是酒的第二道程序，也就是搅拌、配料、堆拌、配料、堆积和前期和前期发酵的酵的过程。程。晾晒粮食的地面有一个晾晒粮食的地面有一个专门的名字，的名字，叫晾堂叫晾堂。酒窖，酒窖，内壁和底部都用内壁和底部都用纯净的黄泥土涂抹，
3、窖泥厚度的黄泥土涂抹，窖泥厚度8厘米到厘米到25厘米不等。厘米不等。酒窖里酒窖里进行的是行的是酿酒的第三道程序，酒的第三道程序，对原料原料进行行后期后期发酵。酵。经过窖池窖池发酵老熟的酒母，酵老熟的酒母，酒精酒精浓度度还很低，需要很低，需要经进一步的一步的蒸蒸馏和冷凝，才能得到和冷凝，才能得到较高酒精高酒精浓度的白酒，度的白酒，传统工工艺采用俗采用俗称天称天锅的蒸的蒸馏器来完成。器来完成。在基座上架着巨大的天在基座上架着巨大的天锅，天，天锅分上下两分上下两层，下面的，下面的锅里装酒里装酒母，上面的母，上面的锅里装冷水，基座上柴火旺盛，蒸煮酒母，含有酒里装冷水，基座上柴火旺盛，蒸煮酒母，含有酒精
4、的气体被上面的冷水冷却，凝成液体，从管道流出，精的气体被上面的冷水冷却，凝成液体，从管道流出，这就是就是蒸蒸馏酒酒。1857 1857 巴斯德巴斯德巴斯德巴斯德 清朝咸丰年清朝咸丰年间(18501861)证实酒精酒精发酵是由活酵母引起的，其他酵是由活酵母引起的，其他发酵酵产物也是物也是由不同微生物的作用而形成。由不同微生物的作用而形成。1919世世世世纪纪末到末到末到末到2020世世世世纪纪3030年代年代年代年代,工工工工业发业发酵酵酵酵过过程程程程陆续陆续出出出出现现，如如如如，乳酸，乳酸，乳酸，乳酸,酒精酒精酒精酒精,丙丙丙丙酮酮,柠柠檬酸檬酸檬酸檬酸,淀粉淀粉淀粉淀粉酶酶等的生等的生等
5、的生等的生产产。上。上。上。上述述述述产产品品品品大多数是嫌气大多数是嫌气发酵酵过程的程的产物，物，产物的化学物的化学结构比构比较简单，属于初，属于初级代代谢产物，同物，同时生生产过程程也比也比较简单，对设备的要求不高，的要求不高，规模不大。模不大。第二代生物工程第二代生物工程(近代生物工程近代生物工程)1928 1928 发现青霉素，青霉素，1943 1943年年,工工业化化2020世世纪4040年代第二次世界大年代第二次世界大战时期，期，军队需需要一种有效而副作用小的抗要一种有效而副作用小的抗细菌感染的菌感染的药物治物治疗因因创伤引起的感染及引起的感染及继发性疾病。性疾病。1928 192
6、8 弗莱明弗莱明发现青霉素。青霉素。19401940年年证明具有卓越明具有卓越疗效和低毒。但是大效和低毒。但是大规模制模制备困困难。19411941年，美国和英国合作年，美国和英国合作对青霉素的大青霉素的大规模生模生产技技术进行研究和开行研究和开发，19431943年开年开发出一条青霉素沉浸培养工出一条青霉素沉浸培养工艺。不久，不久，链霉素，金霉素，新霉素霉素，金霉素，新霉素等相等相续问世，抗生素工世，抗生素工业的的兴起起标志着工志着工业微生物微生物的生的生产进入了一个新的入了一个新的阶段。段。抗生素生抗生素生抗生素生抗生素生产产的的的的经验经验促促促促进进其他其他其他其他发发酵酵酵酵产产品的
7、品的品的品的发发展，最突展，最突展，最突展，最突出的是出的是出的是出的是2020世世世世纪纪5050年代氨基酸年代氨基酸年代氨基酸年代氨基酸发发酵工酵工酵工酵工业业和和和和6060年代的年代的年代的年代的酶酶制制制制剂剂工工工工业业，与第一代生物工程，与第一代生物工程，与第一代生物工程，与第一代生物工程产产品相比，品相比，品相比，品相比，这这一一一一时时期期期期的特点是：的特点是：的特点是：的特点是：产产品品品品类类型多型多型多型多,包括初包括初包括初包括初级级代代代代谢产谢产物，次物，次物，次物，次级级代代代代谢产谢产物，物，物，物，以及生物以及生物以及生物以及生物转转化，化，化，化，酶酶反
8、反反反应应等等等等产产品。品。品。品。技技技技术术要求高要求高要求高要求高,生生生生产过产过程需在无菌条件下程需在无菌条件下程需在无菌条件下程需在无菌条件下进进行，大多行，大多行，大多行，大多数数数数为为好气好气好气好气发发酵酵酵酵发发酵酵酵酵规规模大模大模大模大第三代生物工程第三代生物工程(现代生物工程代生物工程)19531953年年,美国的沃森和克里克美国的沃森和克里克发现了了DNADNA双螺旋双螺旋结构，构，为DNADNA重重组奠定了基奠定了基础，19741974年美国的年美国的波依耳和科恩波依耳和科恩首次在首次在实验室中室中实现了基因了基因转移，移，从而使人从而使人们有可能在有可能在实
9、验室中室中组建按照人建按照人们意意志志设计新的生命体。新的生命体。20 20 世世纪7070年代后，随着基因重年代后，随着基因重组，细胞和胞和组织培养，培养，酶的固定化，的固定化，动物植物物植物细胞的大胞的大规模培养，模培养，现代化生物反代化生物反应器和器和计算机的算机的应用，用，以及以及产品分离，品分离，纯化等技化等技术的的发展，生物工展，生物工程程进入了一个新的入了一个新的发展展阶段段-现代生物代生物工程工程阶段。段。这期期间的的现代生物技代生物技术以及以及产品的特点是运用品的特点是运用了了DNADNA重重组技技术，产品有：品有：干扰素，胰岛素，生长激素及其相关因子，淋巴细胞活素，血纤维蛋
10、白溶解剂，疫苗，胸腺素，白蛋白，血因子，促红细胞生长素，促血小板生长素，降血钙素，绒帽促性腺激素，抗血友病因子，乙型肝炎疫苗，以及氨基酸，食品加工酶，单细胞蛋白，生物杀虫剂，生物杀菌剂，生物完全降解塑料等等。等等。1616其中最具代表性生物技其中最具代表性生物技术产品品为转基因生物和基因生物和克隆克隆动物物。目前，美国。目前，美国4040以上的以上的农田种植了田种植了经过基因改良的作物。我国批准生基因改良的作物。我国批准生产的的转基因基因作物作物为棉花和番木瓜。棉花和番木瓜。19961996年年7 7月英国成功采月英国成功采用成体体用成体体细胞克隆出胞克隆出绵羊多莉更是一羊多莉更是一项里程碑里
11、程碑的的现代生物工程成果。代生物工程成果。1818现代生物工程的特点和组成生物工程与生物学生物工程与生物学,化学等基化学等基础理论科学的区别显而易见础理论科学的区别显而易见,后者主要为前者提供某种生物后者主要为前者提供某种生物产品的制造的理论支撑。生物产品的制造的理论支撑。生物工程操作的对象是有生命的物工程操作的对象是有生命的物质质,这是与化学工程等其他工这是与化学工程等其他工程类学科最明显的不同。程类学科最明显的不同。202.生物技术的组成生物技术的组成发酵工程发酵工程酶工程酶工程蛋白质工程蛋白质工程基因工程基因工程生化工程生化工程细胞工程细胞工程现现代代发发酵酵工工程程主主要要指指利利用用
12、微微生生物物、包包括括利利用用DNADNA重重组组技技术术改改造造的的微微生生物物在在全全自自动动发发酵酵罐罐或或生生物物反反应应器器中中生生产产某某种种商品的技术。商品的技术。现现代代发发酵酵工工程程是是生生物物代代谢谢、微微生生物物生生长长动动力力学学、大大型型发发酵酵罐罐或或生生物物反反应应器器研研制制、化化工工原原理理等等密密切切结结合合和和应应用用的的结果。结果。a.发 酵 工程2424b.酶 工工 程程酶可特定地促成某个化学反可特定地促成某个化学反应而他而他们本身却不参与本身却不参与反反应，具有反，具有反应效率高，反效率高，反应条件温和，反条件温和，反应产物物污染小，能耗低，反染小
13、，能耗低，反应容易控制等特点。容易控制等特点。酶工程就是利用工程就是利用酶的催化作用，采用适当的生物反的催化作用，采用适当的生物反应器工器工业化地生化地生产人人类所需的所需的产品或是达到某一特品或是达到某一特殊目的的一殊目的的一门生物工程技生物工程技术。酶工程开工程开发生生产的的酶主要主要6大大类，氧化，氧化还原原酶，转移移酶，水解，水解酶，裂解，裂解酶，连接接酶，异构，异构酶。蔗糖转葡糖基酶蔗糖转葡糖基酶2727酶工程的研究和工程的研究和应用范用范围包括：包括：天然天然酶的分离的分离纯化以及化以及鉴定和生定和生产酶的固定化的固定化酶生物反生物反应器的研制和器的研制和应用用基因工程水平上的蛋白
14、基因工程水平上的蛋白质改造：改造：通通过基因融合或基基因融合或基因定位因定位诱变等手段改等手段改变蛋白蛋白质的的结构和功能；将构和功能；将DNA合成技合成技术用于蛋白用于蛋白质功能片断多功能片断多肽基因的合成，基因的合成，可可创造造结构和功能全新的蛋白构和功能全新的蛋白质。蛋白蛋白质修修饰：对蛋白蛋白质分子分子进行化学修行化学修饰，提高蛋，提高蛋白白质的的稳定性或催化能力，或更适合定性或催化能力，或更适合酶固定化而用固定化而用于于实践。践。还可延可延长蛋白蛋白质药物的生物半衰期，改物的生物半衰期，改变其免疫原性，提高其免疫原性，提高对蛋白蛋白酶的抗性。的抗性。c.c.蛋白质工程蛋白质工程“后基
15、因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究，包括研究蛋白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作用。蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动力学等结构与功能认识的基础上，对蛋白质人工改造与合成，最终获得商业化的产品。基基因因工工程程是是根根据据分分子子生生物物学学和和遗遗传传学学原原理理，设设计计并并实实施施一一项项把把一一个个生生物物体体中中有有用用的的目目的的DNA(DNA(遗遗传传信信息息)转转入入另另一一个个生生物物体体中中，使使后后者者获获得得新新的的需需要要的的遗遗传传性性状状或或表表达达所所需要的产物需要的产物，最终实现该技术的商业价值。最终实现
16、该技术的商业价值。d.基因工程基因工程与建筑工程基因工程与建筑工程基因工程与建筑工程基因工程与建筑工程e.生化工程生化工程生物化学工程是由生物科学与化学工程相生物化学工程是由生物科学与化学工程相结合合的交叉学科，的交叉学科，主要研究将生物技主要研究将生物技术的的实验室研室研究成果究成果转化化为生生产力力过程程带有共性的工程技有共性的工程技术问题，是生物技是生物技术的一个重要的一个重要组成部分。成部分。早期的生物化学工程曾早期的生物化学工程曾经为发酵和酵和酶反反应过程程的的产品迅速品迅速发展做出杰出展做出杰出贡献。献。20世世纪80年代后，生物化学工程年代后，生物化学工程则主要主要转向向为基因工
17、程，基因工程，细胞工程等胞工程等现代生物技代生物技术产品的品的产业化服化服务。今后生物化学工程重点研究方向大致包括以下今后生物化学工程重点研究方向大致包括以下4 4个方面：个方面：1 1、新型生物反应器系统以及相关培养和放大技、新型生物反应器系统以及相关培养和放大技术术,工艺的研究与开发工艺的研究与开发;2 2、新型分离方法和设备的研究开发、新型分离方法和设备的研究开发;3 3、描述生物反应过程的数学模型的建立、描述生物反应过程的数学模型的建立;4 4、生产过程在线检测和控制手段的完善、生产过程在线检测和控制手段的完善.373838第二节第二节 细胞工程细胞工程多核多核细胞胞发现植物学：植物学
18、：1902年德国植物学家年德国植物学家 发现植物植物细胞全能性。胞全能性。1934年生年生长素素发现 1937年离体培养胡年离体培养胡萝卜卜组织，并使，并使细胞增殖胞增殖 1960年年 原生原生质体制体制备 1972年体年体细胞胞杂种植株种植株动物学物学 1907年年 培养蛙胚神培养蛙胚神经组织 1965年年 动物物细胞融合胞融合诱导1.1.细胞工程的发展历史细胞工程的发展历史细胞工程胞工程发展到今天，人展到今天，人们借助于借助于细胞工程技胞工程技术可以把生命像可以把生命像积木那木那样组装起来，装起来，进行行细胞水平胞水平上的生命上的生命组合。合。一只老鼠有一只老鼠有3个父个父亲、4个母个母亲
19、，而且，而且还都是都是绝对有有“血血缘”关系的。关系的。这些听起来有些令人些听起来有些令人难以置以置信，但科学家已信，但科学家已经将它将它变成了成了现实。这是是细胞工胞工程在程在动物身上取得的一次成功物身上取得的一次成功试验。1977年英国采用胚胎工程技年英国采用胚胎工程技术培育出世界首例培育出世界首例试管管婴儿；儿；1997年英国利用成年年英国利用成年动物体物体细胞胞 克隆出克隆出绵羊多莉。羊多莉。2001年培育出年培育出转基因克隆猪。基因克隆猪。412 主要研究内容主要研究内容对象：象：微生物，植物，微生物，植物，动物物技技术：融合，拆合，染色体融合，拆合，染色体导入，胚胎和入，胚胎和细胞
20、核移植胞核移植水平：水平：细胞，胞，组织，细胞器，基因胞器，基因 动植物细胞与组织培养动植物细胞与组织培养细胞融合细胞融合染色体工程染色体工程胚胎工程胚胎工程细胞遗传工程细胞遗传工程 随着细胞生物学，分子生物学，遗传学随着细胞生物学，分子生物学，遗传学等学科发展核研究的日益深入，细胞工程近等学科发展核研究的日益深入，细胞工程近年来得到快速的发展，以及成为现代生物工年来得到快速的发展，以及成为现代生物工程的一个重要代表性领域，具体而言，细胞程的一个重要代表性领域，具体而言，细胞工程的一些研究领域包括：工程的一些研究领域包括：a.动动植物植物细细胞与胞与组织组织培养培养该技技术最最显著的价著的价值
21、在于在于优良植物的快速繁育良植物的快速繁育与代与代谢产物的大量制物的大量制备方面。方面。动植物植物细胞与胞与组织培养可分培养可分为三个三个层次上的培次上的培养：养：细胞培养，胞培养，组织培养和器官培养。培养和器官培养。以工以工业生生产为目的目的细胞培养不受气候季胞培养不受气候季节限制，限制，可以大量培养可以大量培养细胞胞获得得药物和其他有用物物和其他有用物质，无无论在生物学基在生物学基础研究，研究，还是生是生产实践中都践中都发挥着越来越大的作用。着越来越大的作用。45 b.细胞融合胞融合采用自然或人工的方法使两个或几个不同细胞采用自然或人工的方法使两个或几个不同细胞（或原生质体）融合为一个细胞
22、，用于产生新的（或原生质体）融合为一个细胞，用于产生新的物种或品系及产生单克隆抗体。物种或品系及产生单克隆抗体。46c.染色体工程染色体工程47染色体工程染色体工程是按照人是按照人们的需要来添加，削减的需要来添加，削减或替或替换生物的染色体的一种技生物的染色体的一种技术。染色体工程技染色体工程技术最大的价最大的价值体体现在在新品种的新品种的选育育，主要是，主要是单倍体和多倍体倍体和多倍体育种方法，育种方法，四倍体小麦，八倍体小黑麦四倍体小麦，八倍体小黑麦等。等。4951d.d.胚胎工程胚胎工程这项技技术主要主要对哺乳哺乳动物的胚胎物的胚胎进行某种人行某种人为的工的工程技程技术操作操作获得人得人
23、们所需要的成体所需要的成体动物。物。胚胎工程采用的新技胚胎工程采用的新技术包括包括胚胎分割技胚胎分割技术，胚胎融，胚胎融合技合技术，卵核移植技，卵核移植技术，体外受精技，体外受精技术，胚胎培养，胚胎培养，胚胎移植，以及性胚胎移植，以及性别鉴定技定技术，胚胎冷，胚胎冷冻技技术等等。胚胎工程的最成功的胚胎工程的最成功的应用用领域体域体现在在畜牧畜牧业，主要，主要是胚胎移植技是胚胎移植技术进行行优良品种的良品种的快速繁殖快速繁殖和和胚胎保胚胎保存存。对于人于人类，试管管婴儿培育技儿培育技术也也为人人类做出了做出了贡献。献。e.细细胞胞遗传遗传工程工程主要包括主要包括克隆和克隆和转基因技基因技术，前者
24、主要是指前者主要是指无无性繁殖性繁殖，如，如动物克隆是指由一个物克隆是指由一个动物物经无性繁无性繁殖而殖而产生的生的遗传性状完全相同的后代个体。性状完全相同的后代个体。后者是指将后者是指将外源基因整合到生物体内外源基因整合到生物体内，得到得到稳定表达，并使定表达，并使该基因能基因能稳定地定地遗传给后代的后代的实验技技术，是改，是改变物物质遗传性状的有效途径。性状的有效途径。3.细细胞工程重要胞工程重要应应用用当今，当今，细胞工程已胞工程已经称称为生物学家手中生物学家手中经常常应用的用的技技术之一。并已之一。并已经成成为生物工程的重要生物工程的重要组成部分成部分和主和主导领域之一，涉及面及其广泛
25、，在域之一，涉及面及其广泛，在许多多领域域都有非常重要的都有非常重要的应用价用价值，并且已，并且已经取得了惊人取得了惊人成就。成就。如多倍体与如多倍体与单倍体育种，体倍体育种，体细胞胞杂交和染色体工交和染色体工程等。此外程等。此外细胞器移植，体外受精，胚胎培养等胞器移植，体外受精，胚胎培养等为植物和家畜的品种改良提供了新的途径。植物和家畜的品种改良提供了新的途径。a.优质优质植物快速培育与繁殖植物快速培育与繁殖 基于植物基于植物细胞的全能性，在适当的生胞的全能性，在适当的生长条条件下，能快速件下，能快速、大量繁殖一些有价、大量繁殖一些有价值的苗的苗木，花卉和木，花卉和药材和材和濒危的植物。危的
26、植物。b.动动物胚胎工程快速繁殖物胚胎工程快速繁殖优优良良濒濒危品种危品种为加快家畜加快家畜优良品种的繁育，人良品种的繁育，人们以借腹以借腹怀胎的方法来提高种畜的利用率。胎的方法来提高种畜的利用率。20世世纪30年年代胚胎移植在代胚胎移植在绵阳和山羊中取得成功。阳和山羊中取得成功。1982年，年，获得第一胎得第一胎试管管犊牛，之后，相牛，之后，相续在十几种哺乳在十几种哺乳动物中物中获得成功，培育出得成功，培育出试管管动物。物。c.利用利用动动植物植物细细胞培养生胞培养生产产活性活性产产物，物，药药品品生物生物药品主要有各种疫苗，菌苗，抗生素，品主要有各种疫苗，菌苗，抗生素，生物活性物生物活性物
27、质，抗体等。，抗体等。自自1975年英国年英国剑桥大学的科学家利用大学的科学家利用动物物细胞融合技胞融合技术获得得单克隆抗体以来，克隆抗体以来，许多人来多人来过去无能去无能为力的病毒性疾病遇到了克星。力的病毒性疾病遇到了克星。随着基因重随着基因重组技技术和和单克隆抗体的克隆抗体的发展，展，动物物细胞培养展胞培养展现出越来越可出越来越可观的工的工业化前景。化前景。5858d.新型新型动植物品种的培育植物品种的培育利用利用细胞融合技胞融合技术可以使不同种，属可以使不同种，属间的的细胞胞或原生或原生质体体进行融合行融合获得得杂交体交体细胞，使不同胞，使不同种，属的种，属的优良性状良性状组合在一起。合
28、在一起。转基因基因鲤鱼，鲫鱼，泥，泥鳅。5959e.供医学器官修复和移植的供医学器官修复和移植的组织组织工程工程骨骼，骨骼，软骨，血管和皮肤都在骨，血管和皮肤都在实验室培育，肝室培育，肝脏，胰，胰脏，心，心脏，手指，和耳，手指，和耳朵在在实验室里生室里生长成形。成形。6060f.转转基因基因动动植物的生物反植物的生物反应应器工程器工程转基因基因动物制物制药技技术具有具有传统动物物细胞胞培养几十倍的效益，一培养几十倍的效益，一头转基因基因动物就物就是一座天然基因是一座天然基因药物制造厂。物制造厂。6161g.珍稀珍稀动动植物植物资资源的保存与保源的保存与保护护6262h.在在遗传遗传学学,发育学
29、等育学等领域的理域的理论研究研究细胞全能胞全能性，干性，干细胞培养和胞培养和诱导分化，分化，细胞核移植，染色体工程，胚胎工程等胞核移植，染色体工程，胚胎工程等细胞胞工程工程领域的研究工作域的研究工作对于更深入地了解于更深入地了解动植物植物发育机制等具有重要的意育机制等具有重要的意义，同，同时可可以制以制备性状一致的性状一致的实验材料材料。i.在能源在能源环环境保境保护护等等领领域的域的应应用用以以细胞工程胞工程产氢技技术为例，例，蓝藻，藻，绿藻，藻，光合光合细菌等菌等单细胞生物可以在特定条件下胞生物可以在特定条件下生生产氢气，气，对于于洁净新能源的开新能源的开发，减少，减少环境境污染具有重大的社会和染具有重大的社会和经济价价值。