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1、现代生命科学的研究进展Progress in modern life sciences张海谋(吴明煜)GMOs?Gene cloning?Stem cell?Cancer therapy?现代生命科学的主要内容和成就生命的起源神创论？东方，西方自生论？巴斯德化学起源论，实验证实地球 46亿年第一个细胞 30亿年第一个真核细胞 15亿年 厌氧生物自养生物（氧气）生命的基本特征-生命可以通过生殖得以延续（有性，无性）-生命存在遗传和变异（细菌，人）-生命需要新陈代谢（合成，分解）-生命可以生长和发育-生命具有应激性（趋利避害，适应性）生物进化论进化论的地位？达尔文200周年纪念（2009）物种起源
2、出版150周年进化的经典理论-拉马克学说：用进废退，后天获得性遗传-达尔文学说：自然选择，适者生存长颈鹿的进化-过度繁殖（大象）-生存斗争（与环境，种间，种内）-遗传和变异-适者生存（有利变异，不利变异）英国曼彻斯特桦尺蛾，灰色，黑色-非洲人类起源说-Y染色体亚当（父系遗传）-线粒体夏娃（母系遗传）-成吉思汗的标记进化的分子证据对进化论的挑战-化石证据：“缺环”？-寒武纪生物大爆发（亿年前）云南澄江，渐变论？神创？贵州瓮安生物群（5.8亿年前，动物化石）宜昌陡山沱地层（6.3亿年前，动物化石）寒武纪内的渐变（跨越6000万年）生物多样性生物的命名种、属、科、目、纲、门、界 双名法（瑞典，林奈）
3、Escherichia coli 属名 种名 生物传统分类方法（原核生物+真核生物）-病毒界（蛋白质+核酸，阮病毒，1997 NP）-原核生物界（幽门螺旋杆菌，2005 NP）-真菌界（冬虫夏草，酵母）-植物界（藻类，苔藓，蕨类，种子植物）-原生生物界（单细胞真核生物，草履虫）-动物界 动物界，脊索动物门，脊椎动物亚门，哺乳纲，灵长目，人猿超科，人科，人属，智人种 生物的“三域”分类法真细菌 古细菌（极端环境）真核生物Carl WoeseCrafoord Prize,2003生物多样性-遗传多样性（对环境的适应能力）-物种多样性（物种总数，密度，特有物种）-生态系统多样性（生产者，消费者，分解
4、者）意义-可持续发展主要威胁-人口增长，野生资源，污染，生物入侵细胞生物学-基本概念-发展简史 显微镜，细胞学说-细胞凋亡 主动死亡，生理性的发育生物学-基本概念 多细胞生物的发生、受精、胚胎发育、生长到衰老和死亡-干细胞 骨髓干细胞-白血病分子生物学-基本概念 J.Waston,F.Crick-中心法则：遗传信息流动的方向-人类基因组计划（HGP，30亿碱基，30亿美金，13年）-蛋白质组学现代生命科学的主要进展-系统生物学（基因，蛋白质，功能）-生物信息学（IT+生物，海量信息）-表观遗传学（同卵双生性格不一样？）-神经生物学（智力形成？早老性痴呆）-环境与健康（物理、化学、生物、社会心理
5、因素）-生物安全与生物伦理（转基因生物？胚胎干细胞？安乐死？器官移植？）现代生物技术生物产业：朝阳产业-生物医药-生物农业-生物化工-生物能源-生物环境现代生物技术-基因工程-细胞工程-蛋白质工程-酶工程-发酵工程 基因工程的概念基因工程的概念 基基因因工工程程也也称称为为遗遗传传工工程程，是是生生物物技技术的主体技术。术的主体技术。基基因因工工程程是是指指按按照照人人类类的的愿愿望望，将将不不同同生生物物的的遗遗传传物物质质在在体体外外人人工工剪剪切切并并和和载载体体重重组组后后转转入入细细胞胞内内进进行行扩扩增增，并并表表达达产产生生所所需蛋白质的技术。需蛋白质的技术。基基因因工工程程能能
6、够够打打破破种种属属的的界界限限，在在基基因因水水平平上上改改变变生生物物遗遗传传性性，并并通通过过工工程程化化为为人类提供有用产品及服务。人类提供有用产品及服务。基因工程基因工程(gene engineering)常和以下名称混用常和以下名称混用遗传工程遗传工程(genetic engineering);(genetic engineering);基因克隆基因克隆(gene cloning);(gene cloning);分子克隆分子克隆(molecular cloning);(molecular cloning);基因操作基因操作(gene manipulation);(gene mani
7、pulation);重组重组DNADNA技术技术(recombination DNA(recombination DNA technique)technique)二、基因工程的主要内容（基本程序）二、基因工程的主要内容（基本程序）1、目的基因的获取：、目的基因的获取：从复杂的生物有机体基因组中，经过酶切消化或从复杂的生物有机体基因组中，经过酶切消化或PCR扩增等扩增等步骤，分离出带有目的基因的步骤，分离出带有目的基因的DNA片段。片段。2、目的基因与载体的连接：、目的基因与载体的连接：在体外，将带有目的基因的外源在体外，将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我片段连接到能够自我复制的并具有
8、选择记号的载体分子上，形成重组复制的并具有选择记号的载体分子上，形成重组DNA分子。分子。3、DNA分子的转化和扩增：分子的转化和扩增：将重组将重组DNA分子转移到适当的受体细胞分子转移到适当的受体细胞(亦称寄主细胞亦称寄主细胞)，并与之一起增殖。并与之一起增殖。4、转化子的筛选和鉴定：、转化子的筛选和鉴定：从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组DNA分子的分子的受体细胞克隆。然后，或者从这些筛选出来的受体细胞克隆，受体细胞克隆。然后，或者从这些筛选出来的受体细胞克隆，提取出已经得到扩增的目的基因，供进一步分析研究使用；提取出已经得到扩增的目的基因，供
9、进一步分析研究使用；或者使之在新的遗传背景下实现功能表达，产生出人类所需或者使之在新的遗传背景下实现功能表达，产生出人类所需要的物质。要的物质。基因工程-原理-基本流程The first cloning experiment involving a recombinant DNA assembled in vitro(Cohen&Boyer,1973)基因工程的应用-医药业-临床医学-农业-环保和工业Applications of cloningDNA fingerprintingGenetically Modified OrganismsRecombinant proteinMedical
10、diagnosisGene therapyPrior to the advent of gene cloning,production of protein was purified from tissues.Drawbacks small amounts,viral contamination etc.Gene cloning has circumvented the listed problems.Recombinant proteinGenetically modified organismsGenetically modified organisms(GMOs)are created
11、when cloned genes are introduced into germ cells.In eukaryotes,if the introduced genes are derived from another organism,the resulting transgenic plants or animals can be propagated by normal breeding.e.g.A tomato has a gene for a ripening enzyme inactivatedFang Zhouzis paper on GMOs 能吃石油的细菌-环境保护转转入
12、入荧荧光光素素酶酶蛋蛋白白基基因因的的发发荧荧光光烟烟草草Golden rice-Vitamin A抗虫转基因植物抗虫转基因植物转基因西红柿转基因西红柿怪物怪物 1怪物怪物 2怪物怪物 3怪物怪物 4绿色和平组织绿色和平组织将转基因食品将转基因食品妖魔化妖魔化DNA fingerprintingI.Performing Southern blotII.Making a radioactive probeIII.Creating a hybridization reactionIV.VNTRs (variable number of tandem repeats)The application
13、of DNA fingerprintingI.Paternity and maternityII.Criminal identification and forensicsIII.Personal identificationUse of DNA fingerprinting to identify a rapist D1:Mom and Dads biological daughterD2:Dads step-daughterS1:Mom and Dads biological sonS2:Adopted sonMedical diagnosisA great variety of medi
14、cal conditions arise from mutation.e.g.muscular dystrophy,many cancers.By using sequence information to design PCR primers and probes,many tests have been developed to screen patients for these clinically important mutations.Gene therapyAttempts have been made to treat somegenetic disorders by deliv
15、ering a normal copy of the defective gene to patients.This is known as gene therapy.生物工程的生物工程的兴兴起和起和发发展是展是20世世纪纪生命科学生命科学领领域域最伟大的事件，目前，转基因作物正在按照人们的最伟大的事件，目前，转基因作物正在按照人们的意愿被意愿被“重新设计重新设计”。21世纪将是转基因世纪将是转基因作物的一个转换期，科技含量将有很大的提高。但作物的一个转换期，科技含量将有很大的提高。但如何评价转基因食品的安全问题，是摆在世人面前如何评价转基因食品的安全问题，是摆在世人面前的难题和挑战。的难题和
16、挑战。转转基因生物与食品安全基因生物与食品安全羞羞答答的羞羞答答的转转基因大豆油基因大豆油我国我国转转基因作物的概况基因作物的概况：我国是最早开展我国是最早开展转转基因作物研究的国家之一。基因作物研究的国家之一。正在正在进进行中行中间实验间实验的的转转基因作物基因作物48种，涉及作物种，涉及作物11种，其中水稻、小麦、玉米、西种，其中水稻、小麦、玉米、西红红柿、白菜、柿、白菜、甜瓜、香木瓜、花生和广藿香等为转基因甜瓜、香木瓜、花生和广藿香等为转基因 食品植食品植物。物。正在正在进进行行环环境境释释放放试验试验的的转转基因作物基因作物49种，种，其中水稻、玉米、大豆、其中水稻、玉米、大豆、马铃马
17、铃薯、西薯、西红红柿、甜椒柿、甜椒和和线线辣椒辣椒为转为转基因食品植物基因食品植物。我国目前有多少转基因食品已经超过2000万吨。目前我国极少生产粮食、油料作物等转基因食品，只有一些转基因抗虫棉，但并不进入人的食物链。我国的转基因食品基本上都是进口的。排在前三位的是：大豆、玉米、油菜。我国每年约进口大豆1500万吨，与国内自产的非转基因大豆数量相当。目前我国进口大豆主要用做加工原料，生产豆油、豆腐、豆奶等制品。转转基因食品的分基因食品的分类类大致可以分成以下几种类型：大致可以分成以下几种类型：（1 1）增产型）增产型农作物增产与其生长分化、肥料、抗逆、抗虫农作物增产与其生长分化、肥料、抗逆、抗
18、虫害等因素密切相关，故可转移或修饰相关的基因达害等因素密切相关，故可转移或修饰相关的基因达到增产效果。到增产效果。（2 2）控熟型）控熟型通过转移或修饰与控制成熟期有关的基因可以通过转移或修饰与控制成熟期有关的基因可以使转基因生物成熟期延迟或提前，以适应市场需求。使转基因生物成熟期延迟或提前，以适应市场需求。最典型的例子是延熟速度慢，不易腐烂，好贮存。最典型的例子是延熟速度慢，不易腐烂，好贮存。转转基因食品基因食品安全安全吗吗?!转转基因食品的安全性争基因食品的安全性争论论转转基因食品的安全性的争基因食品的安全性的争论论民以食民以食为为天。天。转转基因食品作基因食品作为为新型食品，新型食品，对
19、对人人们的健康和心理有无不良影响？这是公众普遍关们的健康和心理有无不良影响？这是公众普遍关心的问题。心的问题。一些报刊引述了一些被调查者的担心，怕吃了一些报刊引述了一些被调查者的担心，怕吃了转基因食品中的外源基因后会改变人的遗传性转基因食品中的外源基因后会改变人的遗传性状，比如吃了状，比如吃了转基因猪肉会变得好动转基因猪肉会变得好动，喝了转基，喝了转基因牛奶后因牛奶后易患恋乳症易患恋乳症等等。等等。目前，国目前，国际际上通常称上通常称转转基因食品基因食品为为“有有风险风险的食的食品品”，对它的利弊争论激烈。，对它的利弊争论激烈。一方认为一方认为，转基因对人不会有任何危险，而且，转基因对人不会有
20、任何危险，而且转基因技术的应用给农业生产带来了革命。经过转基因技术的应用给农业生产带来了革命。经过转基因的农产品比传统的农产品具有更高的生长转基因的农产品比传统的农产品具有更高的生长优势，而且可以添加额外的营养物质或除去某些优势，而且可以添加额外的营养物质或除去某些不良物质，惠及生产商和消费者。不良物质，惠及生产商和消费者。而另一方而另一方则认为则认为，当一种功能基因被移入另一，当一种功能基因被移入另一机体中，机体中，这这种基因的功能可能种基因的功能可能发发生不可生不可预预知的知的变化，而机体的相应反应更不可预测。另外疾变化，而机体的相应反应更不可预测。另外疾病可能有很长的潜伏期，而毒性物质对
21、人体的病可能有很长的潜伏期，而毒性物质对人体的危害也需要一个积累的过程才能显现。转基因危害也需要一个积累的过程才能显现。转基因食品对人体的长期影响还难以有科学确定。食品对人体的长期影响还难以有科学确定。一些科学家建议：到目前为止，转基因食品是一些科学家建议：到目前为止，转基因食品是安全的，没有任何证据能够证明它会给人类带来安全的，没有任何证据能够证明它会给人类带来伤害；但是，体弱多病者、老人以及孩子最好尽伤害；但是，体弱多病者、老人以及孩子最好尽量不吃这种食品量不吃这种食品美、欧两大美、欧两大阵营针锋阵营针锋相相对对在转基因食品是否安全问题上，美、欧两大阵营观点针在转基因食品是否安全问题上，美
22、、欧两大阵营观点针锋锋相相对对。美国美国转基因作物占世界转基因作物总量的转基因作物占世界转基因作物总量的6868，其为，其为转基因食品出口大国，强调这种食品是安全的。转基因食品出口大国，强调这种食品是安全的。欧盟则抵制转基因食品欧盟则抵制转基因食品。国际社会对转基因食品安全。国际社会对转基因食品安全性问题的广泛争议，起源于性问题的广泛争议，起源于美国的美国的“斑蝶事件斑蝶事件”、墨西哥的、墨西哥的“玉米事件玉米事件”和英国的和英国的“普兹台事件普兹台事件”，而后来的科学研究证，而后来的科学研究证实，上述实验本身即存在诸多问题，也不足以证明转基因实，上述实验本身即存在诸多问题，也不足以证明转基因
23、作物与食品安全之间有何必然联系。作物与食品安全之间有何必然联系。1 1、转基因食品、转基因食品可能可能会给人类身体健康带会给人类身体健康带来某些损害来某些损害转转基因食品的安全性基因食品的安全性目前对转基因食品的安全性评价主要集中在两个方面，一个是转基因食品毒性安全性，另一个是转基因食品环境安全性。（1）、有毒物）、有毒物质质抗性抗性选择标记选择标记基因基因可能可能编码编码出出对对人体有直人体有直接毒性的蛋白质接毒性的蛋白质，或者编码出的蛋白质所具，或者编码出的蛋白质所具有的催化功能对宿主的代谢具有潜在毒性作有的催化功能对宿主的代谢具有潜在毒性作用，并出现滞后效应或长期效应。用，并出现滞后效应
24、或长期效应。（2）、）、过过敏性敏性转转基因植物可能会表达出基因植物可能会表达出过过敏蛋白敏蛋白，可能，可能会会对过对过敏体敏体质质的人的人产产生生过过敏反敏反应应。转转基因玉米基因玉米闯闯了了祸祸!2002，11，19美国美国农业农业部宣部宣布，内布拉斯布，内布拉斯加州谷仓中加州谷仓中1.36万吨食用万吨食用大豆被隔离，大豆被隔离，原因是原因是ProdiGene公公司在这批大豆司在这批大豆中混入了含有中混入了含有药用蛋白的转药用蛋白的转基因玉米。基因玉米。转基因食品环境安全性转基因植物的种植可能带来以下几种危害：（1）转基因植物演变成农田杂草的可能性。a.a.科学家赋予了转基因植物某些全新的
25、性状，增科学家赋予了转基因植物某些全新的性状，增强了它们与其他生物的生存竞争能力，它可能会使强了它们与其他生物的生存竞争能力，它可能会使本地区本来生活力就很纤弱的个体或物种加速从地本地区本来生活力就很纤弱的个体或物种加速从地球上消失。即转基因植物可能会成为某一地区新的球上消失。即转基因植物可能会成为某一地区新的优势种，成为优势种，成为“入侵生物入侵生物而成为杂草而成为杂草”。b.抗除草抗除草剂剂基因等可能会通基因等可能会通过过花粉花粉传传播或播或近缘杂交进入到杂草或半驯化植物中，结近缘杂交进入到杂草或半驯化植物中，结果产生出超级杂草。果产生出超级杂草。事事 例：例：美国俄亥俄州大学的科学家美国
26、俄亥俄州大学的科学家们们就就发发现，如果野草与转基因农作物杂交，将令现，如果野草与转基因农作物杂交，将令野草长得更茁壮，产籽更多。野草长得更茁壮，产籽更多。（2）基因漂移到近缘野生种的可能性比如：加拿大有一种转基因作物，是耐除比如：加拿大有一种转基因作物，是耐除草剂的油菜。这种油菜才种植几年，当地草剂的油菜。这种油菜才种植几年，当地就发现了无人种植的抗多种除草剂的油就发现了无人种植的抗多种除草剂的油菜，有人称之为菜，有人称之为“超级杂草超级杂草”，要杀死它们，要杀死它们比较困难。这个事实说明，在转基因食品比较困难。这个事实说明，在转基因食品上，基因飘移经常发生，特别是在同一物上，基因飘移经常发
27、生，特别是在同一物种、不同品种之间。种、不同品种之间。（3）诱发病虫产生抗性。具有抗虫功能的具有抗虫功能的转转基因植物，其体内基因植物，其体内产产生的抗虫蛋白可能使害虫生的抗虫蛋白可能使害虫产产生抗性，使生抗性，使害虫变得更加难以防治。害虫变得更加难以防治。总之转转基因基因农农作物可以看做人造的外来物种，作物可以看做人造的外来物种，进进入自然以后，就有可能入自然以后，就有可能对环对环境境产产生影响。而外生影响。而外来物种入侵的生态效应，不是短期内可以看到来物种入侵的生态效应，不是短期内可以看到的，有的要到的，有的要到40年以后才能发现。那时候，再想年以后才能发现。那时候，再想消灭它，几乎不可能
28、。消灭它，几乎不可能。比如，比如，水葫芦水葫芦对上海的生态就影响很大。水葫对上海的生态就影响很大。水葫芦是上个世纪初引进的，上个世纪末大家才认识芦是上个世纪初引进的，上个世纪末大家才认识到它的危害。有专门研究水葫芦的教授告诉我，到它的危害。有专门研究水葫芦的教授告诉我，中国每年打捞水葫芦花费最少中国每年打捞水葫芦花费最少1亿元，甚至多达亿元，甚至多达5亿元。亿元。正是由于以上种种正是由于以上种种忧虑忧虑，人，人们对转们对转基基因食品充满了恐惧因食品充满了恐惧和担心。和担心。法国法国环绿环绿色和平色和平组织组织摧摧毁毁5 个个转转基因作物基地基因作物基地GM抗抗议议者在英国者在英国绿绿色和平色和
29、平组织领导组织领导者被捕者被捕1999绿绿色和平色和平组织组织抗抗议议雀巢咖啡事件雀巢咖啡事件细胞工程-概念-种类 1.染色体工程 2.染色体组工程 3.细胞质工程 4.细胞融合工程细胞工程的应用-粮食与蔬菜生产-多倍体水稻-园林花卉-临床医学与药物、-繁育优良品种发酵工程-定义-分类 1.微生物菌体发酵 2.微生物酶发酵 3.微生物代谢产物发酵 4.微生物转化发酵 5.生物工程细胞的发酵-发酵工程的特点-发酵工程的流程发酵工程的应用-轻工业-生物医药工业-农牧业-环境保护-能源开发-微生物发酵，秸秆等产生酒精或沼气，清洁能源-冶金业酶工程-概念-研究内容 1.酶的发酵生产 2.酶的分离纯化 3.酶分子的改造 4.生物催化剂的固定化 5.酶反应器 6.生物传感器酶工程的应用-食品加工-轻化工业-医药业-尿激酶-能源开发-环境工程蛋白质工程-概念-研究内容 1.蛋白质结构分析 2.蛋白质结构、功能的设计和预测 3.蛋白质的改造蛋白质工程的应用-提高蛋白质的稳定性-融合蛋白质-蛋白质活性的改变-嵌合抗体和人缘化抗体生物技术研究前沿-第三代DNA测序技术-生物芯片-人工诱导的多能干细胞-人造生命-绿色超级稻-新药的研发