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1、生物工程概论生物工程概论张彦婷彦婷郑州大州大学学生命科生命科学学学学院院教材：教材：生物工程概论生物工程概论，陶兴无主编，化学工业出版社，陶兴无主编，化学工业出版社课时安排：课时安排：48学时，学时，16周周教学大纲：教学大纲：考试方式：考试方式：平时成绩：平时成绩：30%期末（论文）：期末（论文）：70%课程简介课程简介第一章第一章第三章第三章第四章第四章第八章第八章第九章第九章第十四章第十四章非核心核心非核心讲授讲授讲授+学生参与生物工程生物工程生物工程生物工程生物生物科学科学 生物工程是运用现代生物科学的理论与方法，按照人类的需要改造和生物工程是运用现代生物科学的理论与方法，按照人类的需
2、要改造和设计生物的结构和功能，以便更经济、更有效、更大规模地生产人类所需设计生物的结构和功能，以便更经济、更有效、更大规模地生产人类所需要的物质和产品的技术。要的物质和产品的技术。工程学工程学生物工程概论生物工程概论生物技术与生物工程生物技术与生物工程 Biotechnology and Bioengineering生物技术侧重于利用生物技术侧重于利用生物学方法生物学方法解决生物体本身的问题解决生物体本身的问题(更更类似于生命科学研究类似于生命科学研究-基础生物学研究基础生物学研究)生物工程则侧重于利用生物工程则侧重于利用工程学方法工程学方法解决生物学问题（更强解决生物学问题（更强调调突出的应
3、用突出的应用属性属性-生物学和工程学等理论技术的结合加以生物学和工程学等理论技术的结合加以应用）应用）生物工程概论生物工程概论生物工程与人类的生活生物工程与人类的生活食物短缺食物短缺疾病危险疾病危险能源危机能源危机资源枯竭资源枯竭环境污染环境污染人类面临人类面临的问题的问题生物工程概论生物工程概论生物工程的特点高效益高智力高投入高竞争高风险高势能可带来高额利润可带来高额利润具有创造性和突破性具有创造性和突破性 前期研究和开发需要前期研究和开发需要大量的资金投入大量的资金投入 时效性竞争非常激烈时效性竞争非常激烈激烈的竞争带来高风险激烈的竞争带来高风险对社会各方面影响极大对社会各方面影响极大生物
4、工程的内容生物工程的内容第一章第一章 绪论绪论生物工程的发展简史生物工程的发展简史生物工程的内容生物工程的内容我国汉代酿酒作坊（上图）公元前2300年，埃及人酿造啤酒（左图）朦胧阶段（朦胧阶段（朦胧阶段（朦胧阶段（90009000年前年前年前年前-1676-1676年）年）年）年）有考古证据证明在公元7000年前，我们的祖先就开始酿酒作为饮品。其他以微生物发酵为基础的生产，如发酵乳制品（包括乳酪、酸奶等）和各种东方食品如酱油、印尼豆酵饼等同样有着古老的渊源初步发展（初步发展（初步发展（初步发展（1676-18611676-1861年）年）年）年）Edward Jenner 首创接种牛痘预防天花
5、，是免疫学发展的代表，但当时解释不了其机制。列文虎克发明显微镜列文虎克发明显微镜奠定阶段（奠定阶段（奠定阶段（奠定阶段（1861-18971861-1897年）年）年）年）“工业微生物学之父工业微生物学之父”“生物工程之父生物工程之父”杰出贡献彻底否定了“自然发生学说”；证实细菌能利用糖和铵合成蛋白质；证实了发酵是由细菌引起的；在免疫学上提出预防接种;提出巴氏消毒法等等 世界上第一次发明了细菌照相法；第一次发现证明了炭疽热的病原细菌炭疽杆菌；第一次提出纯培养技术并设计多种培养基；第一次发明了蒸汽杀菌法提出 科赫法则 等等罗伯特罗伯特科赫科赫发展期（发展期（发展期（发展期（18971897年年年
6、年-1953-1953年）年）年）年）Buchner（生物化学奠基人）（生物化学奠基人）Fleming1897年1928年1944年无细胞酵母菌“酒化酶”推翻巴斯德胚种学说 发现青霉素对细菌的抑制作用,青霉素发现推动微生物工业化培养技术猛进肺炎球菌转化实验，确定DNA是遗传物质标志着分子生物学的形成生物工程发展的里程碑：进入生化水平研究阶段Avery成熟期（分子生物学水平研究阶段成熟期（分子生物学水平研究阶段成熟期（分子生物学水平研究阶段成熟期（分子生物学水平研究阶段19531953年年年年 至今）至今）至今）至今）Watson和Crick（分子生物学奠基人）美国生物学家沃森（Watson）和
7、英国晶体结构分析家克里克（Crick）合作，提出DNA结构的双螺旋模型，并在1962年与英国学者维尔金斯（Wilkins M.H.F.）共获诺贝尔生理学或医学奖。基因工程的发展工程菌的构建更促进了生物工程发展推动生命科学的发展促进许多重大理论问题的突破人类基因人类基因组计划组计划20世纪70年代第一章第一章 绪论绪论生物工程的发展简史生物工程的发展简史生物工程的内容生物工程的内容生物工程的五大体系生物工程的五大体系基因工程（遗传工程）基因工程（遗传工程）基因工程（遗传工程）基因工程（遗传工程）Genetic engineeringGenetic engineering细胞工程细胞工程细胞工程细
8、胞工程 Cell engineeringCell engineering酶工程酶工程酶工程酶工程 Enzyme engineeringEnzyme engineering发酵工程（微生物工程）发酵工程（微生物工程）发酵工程（微生物工程）发酵工程（微生物工程）Fermentation engineeringFermentation engineering蛋白质工程蛋白质工程蛋白质工程蛋白质工程 Protein engineeringProtein engineering生物工程的内容生物工程的内容发 酵 工 程 Fermentation engineering 定义定义是工程学与微生物学的结合；
9、利用微生物的特性，通过是工程学与微生物学的结合；利用微生物的特性，通过现代化工程技术，生产有用物质或直接将其应用于工业化生现代化工程技术，生产有用物质或直接将其应用于工业化生产的一门技术产的一门技术.包括包括菌种选育、菌种生产、代谢产物发酵和分离以及微菌种选育、菌种生产、代谢产物发酵和分离以及微生物机能的利用生物机能的利用等等.代表机构：代表机构：中科院微生物所中科院微生物所&过控所，华东理工，华南理工，过控所，华东理工，华南理工，江南大学，等江南大学，等生物工程的五大体系生物工程的五大体系发酵工程发酵工程现代啤酒的发酵生产工艺现代啤酒的发酵生产工艺分批补料发酵生产乳酸，分批补料发酵生产乳酸，
10、使得乳酸的发酵水平达使得乳酸的发酵水平达200g/L，光学纯度达，光学纯度达97.4%可满足聚乳酸的生产需要；可满足聚乳酸的生产需要；纯培养厌氧分批纯培养厌氧分批补料发酵技术补料发酵技术生物工程的五大体系生物工程的五大体系生物高分子材料生产生物高分子材料生产建成一条我国第一，世界第二的年产5000t绿色可降解环保型聚乳酸树脂工业示范线，收率达到理论收率的90%，分子量大于10万。绿色可降解环保型聚乳酸树脂具有环境友好型的优势，并能够胜任大部分合成塑料；生物工程的五大体系生物工程的五大体系对现有对现有500t/a秸秆乙醇秸秆乙醇中式生产线技术改造中式生产线技术改造生物法生产大宗化学用品具有很强的
11、潜力和很大的利润，更具有经济环保的优良性质。生物法生产大宗化学用品具有很强的潜力和很大的利润，更具有经济环保的优良性质。目前生物法生产乙烯新增产值5.76亿，新增利润7654万元乙烯的生物炼制技术的成熟促使一系列大宗化学用品的生物法的发展。生物燃料生物燃料生物工程的五大体系生物工程的五大体系我国是世界上肥料消费量第一的大国，化肥对我国粮食的贡献占50%以上；我国肥料资源十分匮乏，例如：再过20年中高品位磷矿开采殆尽；化肥肥效易下降且会造成大量氮、磷污染地下水。生物肥料提供氮素，转化难溶磷钾，促进作物生长；生物肥料环境友好。生物肥料关键技术突破：生物肥料高效菌种资源库的不断充实；突破秸秆快速腐熟
12、技术；高密度发酵工业；生物肥料高效载体研究的突破。生物肥料生物肥料生物工程的五大体系生物工程的五大体系细胞工程 cell engineering 定义定义将一种生物细胞中携带全套遗传信息的基因或染色将一种生物细胞中携带全套遗传信息的基因或染色体全部转入另一种生物细胞，从而改变细胞的遗传性，体全部转入另一种生物细胞，从而改变细胞的遗传性，改造生物的性状和功能。改造生物的性状和功能。它包括细胞融合、细胞器移植、染色体工程、细胞它包括细胞融合、细胞器移植、染色体工程、细胞和组培技术等和组培技术等.代表：代表：中科院，农科院，华东理工，江南大学，农业大学，中科院，农科院，华东理工，江南大学，农业大学，
13、药科大学，等药科大学，等生物工程的五大体系生物工程的五大体系细胞工程细胞工程-应用细胞生物学和分子生物学方法，在细胞水平应用细胞生物学和分子生物学方法，在细胞水平进行的遗传操作进行的遗传操作。广义的细胞工程包括利用离体培养细胞的广义的细胞工程包括利用离体培养细胞的特性特性，生产有价值的生物品，或快速繁殖珍贵的植株。，生产有价值的生物品，或快速繁殖珍贵的植株。当前细胞工程所涉及的主要技术领域有当前细胞工程所涉及的主要技术领域有细胞培养细胞培养、细胞融合细胞融合、细胞拆合细胞拆合、染色体操作染色体操作及及基因转移基因转移等方面。通过细胞工程可等方面。通过细胞工程可以生产有用的生物产品或培养有价值的
14、生物个体，并可以产以生产有用的生物产品或培养有价值的生物个体，并可以产生新的物种或品系。生新的物种或品系。生物工程的五大体系生物工程的五大体系通过生物学、化学或物理学的方法，使两个不同种类的通过生物学、化学或物理学的方法，使两个不同种类的体细胞融合在一起，从而产生具有两个亲本遗传性状的体细胞融合在一起，从而产生具有两个亲本遗传性状的新细胞新细胞.A A A A 童鱼童鱼世界上第一条没有父母的鱼世界上第一条没有父母的鱼 “鲫鲤核质杂交鱼鲫鲤核质杂交鱼”B B B B Dolly Dolly 羊的诞生羊的诞生 体细胞杂交体细胞杂交/细胞融合技术细胞融合技术Cell fusionCell fusio
15、n生物工程的五大体系生物工程的五大体系组织培养组织培养/快速无性繁殖快速无性繁殖 利用植物组织、植物细胞的全能性利用植物组织、植物细胞的全能性(totipotent)(totipotent)，进行快速无，进行快速无性繁殖。性繁殖。优点优点 可固定杂种优势可固定杂种优势 免除免除制种环节制种环节 对对珍贵植物的引种生产具有特别意义珍贵植物的引种生产具有特别意义举例举例 组织培养法再生兰花；人工种子组织培养法再生兰花；人工种子植物组织与细胞培养植物组织与细胞培养Plant tissue&cell culturePlant tissue&cell culture生物工程的五大体系生物工程的五大体系组
16、织培养 Tissue culture叶肉组织叶肉组织愈伤组织愈伤组织新植株新植株生物工程的五大体系生物工程的五大体系快速无性繁殖Rapid asexual reproduction 单个单个细胞细胞营养培养基营养培养基克隆植株克隆植株生物工程的五大体系生物工程的五大体系植物组织与细胞培养植物组织与细胞培养次生代谢产物生成次生代谢产物生成 Secondary metabolitesSecondary metabolites 从培养的植物细胞中提取所需的代谢产物。从培养的植物细胞中提取所需的代谢产物。优点优点 比栽培原料作物更易控制最佳生产条件比栽培原料作物更易控制最佳生产条件 培养物为无菌、无虫
17、材料，能保证产品质量培养物为无菌、无虫材料，能保证产品质量 工艺操作较为简单，可减少劳动费用，提高生产力工艺操作较为简单，可减少劳动费用，提高生产力生物工程的五大体系生物工程的五大体系组织工程皮肤获得产组织工程皮肤获得产组织工程皮肤获得产组织工程皮肤获得产品注册证书品注册证书品注册证书品注册证书防钙化生物瓣膜获得防钙化生物瓣膜获得防钙化生物瓣膜获得防钙化生物瓣膜获得国家生产批号国家生产批号国家生产批号国家生产批号生物工程的五大体系生物工程的五大体系基因工程 Genetic engineering定义定义将不同生物的外源将不同生物的外源DNA(DNA(基因）插入到载体分子上，形成基因）插入到载体
18、分子上，形成“杂种杂种”DNADNA分子，导入受体细胞中扩增和表达，获得目的产分子，导入受体细胞中扩增和表达，获得目的产物或新功能物或新功能.代表机构：代表机构：几乎每个生物工程与技术学科的大学与研究所几乎每个生物工程与技术学科的大学与研究所 基因工程已经成为生物工程与技术学科的基本工具基因工程已经成为生物工程与技术学科的基本工具生物工程的五大体系生物工程的五大体系分子生物学研究分子生物学研究基因工程的用途基因工程的用途生物工程的五大体系生物工程的五大体系改造生物，创造对人类有用的新品系、新物种改造生物，创造对人类有用的新品系、新物种基因工程用途基因工程用途发光树发光树生物工程的五大体系生物工
19、程的五大体系我国建立了水稻高效规模化的转基因技术的体系，形成我国建立了水稻高效规模化的转基因技术的体系，形成年转化年转化5000个基个基因的技术能力因的技术能力，并已经对上千个基因进行了转化和功能分析，构建了面，并已经对上千个基因进行了转化和功能分析，构建了面向全国的开放平台。向全国的开放平台。我国转基因水稻涉及抗虫、抗病、抗逆、品质、养分高效利用和高产等，我国转基因水稻涉及抗虫、抗病、抗逆、品质、养分高效利用和高产等，在国际顶级学术刊物上发表数篇重要科技论文。在国际顶级学术刊物上发表数篇重要科技论文。转基因植物转基因植物生物工程的五大体系生物工程的五大体系利用修饰豌豆胰蛋白酶抑制剂基因利用修
20、饰豌豆胰蛋白酶抑制剂基因SCK，研制出，研制出的抗虫水稻及其配制的杂交稻组合的抗虫水稻及其配制的杂交稻组合优科丰优科丰6号号对二化螟、三化螟和稻纵卷叶螟等鳞翅目害虫的对二化螟、三化螟和稻纵卷叶螟等鳞翅目害虫的抗虫效率不低于抗虫效率不低于95%，且表现明显的增产效果。且表现明显的增产效果。研制了“华恢1号”和“Bt汕优63”高抗多种虫害，在整个水稻种植季节中可以基本不打农药，较非抗虫水稻增产6%12%。我国人口众多，水稻是主要的粮食，而水稻病虫害是未来粮食安全问题的重大隐患。生物工程的五大体系生物工程的五大体系抗蓝耳病（猪繁殖与呼吸综合症抗蓝耳病（猪繁殖与呼吸综合症PRRS）转基因猪）转基因猪转
21、基因动物转基因动物生物工程的五大体系生物工程的五大体系抗CD20单克隆抗体是治疗B淋巴细胞瘤的特效药，价格昂贵，一个疗程需要1.6万美元。世界首批抗CD20单克隆抗体转基因牛中国农业大学培养的转基因牛产抗中国农业大学培养的转基因牛产抗CD20单克隆抗体达到单克隆抗体达到2g/L,能够大大降低药物能够大大降低药物价格，为此类癌症患者带来福音。价格，为此类癌症患者带来福音。生物工程的五大体系生物工程的五大体系1、现代农业成果：、现代农业成果：固氮基因、固氮基因、抗虫棉、转基因作物等抗虫棉、转基因作物等2、现代生物医药、现代生物医药:基因工程产品基因工程产品生长激素，人胰岛素，干扰素，生长激素，人胰
22、岛素，干扰素，et al3、现代医学：、现代医学：疾病诊断疾病诊断(分子诊断与基因治疗分子诊断与基因治疗)疑难杂症的发病机制与预防研究疑难杂症的发病机制与预防研究4、现代工业成果：、现代工业成果：生物能源（能源植物改良，能源产油微藻，生物放氢等）生物能源（能源植物改良，能源产油微藻，生物放氢等）绿色化学品：生物表面活性剂绿色化学品：生物表面活性剂 化工中间体：化工中间体：微生物发酵产长链二元酸、多元醇微生物发酵产长链二元酸、多元醇 等 乳链菌肽（乳链菌肽（NisinZ）：生物防腐剂 等等等等 基因工程的成果基因工程的成果生物工程的五大体系生物工程的五大体系酶 工 程 Enzyme engine
23、ering 定义定义:利用酶的特异催化功能，将一种物质转化为利用酶的特异催化功能，将一种物质转化为另一种物质的技术另一种物质的技术.酶制剂在工业上的大规模应用，主要由酶的生产、酶制剂在工业上的大规模应用，主要由酶的生产、酶的分离纯化、酶的固定化和生物反应器四个部分组成。酶的分离纯化、酶的固定化和生物反应器四个部分组成。代表机构：代表机构：中科院各相关中科院各相关研究研究所所、清华大学、北京大学清华大学、北京大学生物工程的五大体系生物工程的五大体系酶分子的改造与修饰酶分子的改造与修饰通过这种改造来改变酶的物化性质及其生物活性，甚至赋通过这种改造来改变酶的物化性质及其生物活性，甚至赋予新的功能，提
24、高其在不良环境中的稳定性，扩大酶予新的功能，提高其在不良环境中的稳定性，扩大酶的应用范围。的应用范围。酶抑制剂的开发研究酶抑制剂的开发研究所谓酶抑制剂是指能引起酶分子活力下降甚至完全丧失的所谓酶抑制剂是指能引起酶分子活力下降甚至完全丧失的物质物质.酶工程研究的两个热点酶工程研究的两个热点生物工程的五大体系生物工程的五大体系北京化工大学开发的酶法发酵生产生物柴油已在秦皇岛和上海实现了生物柴油的万吨级产业化；从生物质到生物柴油从生物质到生物柴油清华大学与湖南海纳百川生物工程有限公司合作，建成了全球套酶法工业化生产生物柴油装置，运行结果表示该酶法新工艺在经济上与目前的化学工艺相比具有很强的竞争力。生
25、物酶法生产生物柴油产业化装置生物工程的五大体系生物工程的五大体系蛋白质工程 Protein engineering以蛋白质为对象为研究及应用目的的生物工程，必须突破以蛋白质为对象为研究及应用目的的生物工程，必须突破以下几个难点：以下几个难点：基因结构的改变基因结构的改变基因的高效表达基因的高效表达翻译后的蛋白修饰翻译后的蛋白修饰新蛋白的提纯及活性保留新蛋白的提纯及活性保留代表机构：代表机构：中科院各相关研究所，南开大学，上海交通大学等中科院各相关研究所，南开大学，上海交通大学等生物工程的五大体系生物工程的五大体系基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。白质。蛋白质工程就是为了生产出符合人类生产和生蛋白质工程就是为了生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白质。质。蛋白质工程的产生原因蛋白质工程的产生原因生物工程的五大体系生物工程的五大体系蛋白质工程的基本原理蛋白质工程的基本原理基因基因DNA氨基酸序列氨基酸序列多肽链多肽链蛋白质蛋白质三维结构三维结构预期功能预期功能生物功能生物功能mRNA转录转录翻译翻译折叠折叠DNA合成合成分子设计分子设计生物工程的五大体系生物工程的五大体系生物工程的五大体系生物工程的五大体系