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1、,現代科學技術概論 生命篇（二） 現代生物技術,第三章 現代生物技術,一、生物技術的興起 二、基因工程及其應用 三、細胞工程 四、克隆羊技術 五、生物芯片技術 六、人類基因組計劃 七、生物技術面臨的嚴肅課題,一、生物技術的興起,生命科學成為當今世界自然科學的熱點和重點，主要由于兩方面的原因： （1）二十世紀后葉，分子生物學領域一系列突破性成就，使生命科學在自然科學中的地位發(fā)生了革命性的變化；（2）建立在實驗室研究基礎上的生物技術的發(fā)展為人類帶來了巨大的利益和財富。,,,生物技術將是未來經濟發(fā)展的新動力 第一次技術革命工業(yè)革命解放人的雙手 第二次技術革命信息技術擴展人的大腦 第三次技術革命生物技
2、術改造生命本身 生物技術的顯著特點： 高技術 高效能 高投入 高利潤,1982年，國際合作與發(fā)展組織的定義為：生物技術是應用自然科學及工程學的原理，依靠微生物、動物、植物體作為反應器將物料進行加工以提供產品為社會服務的技術。 美國政府技術顧問委員會(OAT) 的定義是：應用生物或來自生物體的物質制造或改進一種商品的技術，其還包括改良有重要經濟價值的植物與動物和利用微生物改良環(huán)境的技術。 該定義強調了生物技術的商品屬性。,生物技術的定義,基因工程、細胞工程、發(fā)酵工程、蛋白質（酶）工程此外還有基因診斷與基因治療技術、克隆動物技術、生物芯片技術、生物材料技術、生物能源技術、利用生物降解環(huán)境中有毒有害
3、化合物的技術 直接相關聯的學科：分子生物學、微生物學、生物化學、遺傳學、細胞生物學、化學工程學、醫(yī)藥學等。 對人類和社會生活各方面影響最大的生物技術領域：農業(yè)生物技術、醫(yī)藥生物技術、環(huán)境生物技術、海洋生物技術,生物技術的主要內容,基因工程是指在微觀領域（分子水平）中，根據分子生物學和遺傳學原理，設計并實施一項把一個生物體中有用的目的DNA(遺傳信息)轉入另一個生物體中，使后者獲得新的需要的遺傳性狀或表達所需要的產物，最終實現該技術的商業(yè)價值。 從理論上說，包括動物、植物和微生物在內的任何物種都可以任意“雜交”，創(chuàng)造出兼有它們的多種特性的新種，這就意味著將來我們可理直氣壯地說“物種根本不是上帝創(chuàng)
4、造的，而是人創(chuàng)造的”。,二、基因工程及其應用,在生物體上“施工”,基因工程與建筑工程,基因工程如何“施工”？,不同種類生物的生物特性不同，其基因工程在操作上和具體技術上必然有所差異。 但技術核心都是DNA的重組技術，又稱為分子克隆或基因克?。╣ene cloning），即利用一系列的DNA限制性內切酶、連接酶等分子手術工具，在某種生物DNA鏈上切下某個目標基因或特殊的DNA片段，然后根據設計要求，將其接合到受體生物的DNA鏈上。,重組DNA操作通常包括的步驟,第一步：獲得需要的目的基因（外源基因） 第二步：在限制性內切酶和連接酶作用下與克隆載體相連接，形成新的重組DNA分子。 第三步：用重組D
5、NA分子轉化受體細胞，使之進入受體細胞并能夠在受體細胞中復制和遺傳。 第四步：對轉化子（獲得外源基因的受體細胞）進行篩選和鑒定。 第五步：對獲得外源基因的細胞或生物體通過發(fā)酵、細胞培養(yǎng)、養(yǎng)殖或栽培等，最終獲得所需要的遺傳性狀或表達出所需要的產物。,基因工程為我們帶來了什么？,由于這種分子水平的操作不受物種生存隔離的限制，能按人類的需要對有利經濟的性狀的基因進行組合，因此具有潛在的巨大生產力和經濟價值。自1973年人類在實驗室的試管里成功地進行了第一例細菌不同DNA的重組以來，基因工程便一直受到人們的高度關注，技術在不斷的完善，也日益顯示出了其不同尋常的應用價值。,利用基因技術稀少珍貴的蛋白質藥
6、物,1982年，美國食品與藥物管理局批準了首例基因工程產品人胰島素投放市場它標志了基因工程產品正式進入到商業(yè)化階段。,轉基因生物的應用,轉基因動物 轉基因植物 轉基因微生物,,,,,人生長激素、表皮生長因子、腫瘤壞死因子、a-干擾素、纖維素酶、抗血友病因子、紅細胞生成素、尿激酶原、白細胞介素-2、集落刺激因子、乙肝疫苗等等,例：從轉基因羊的羊奶中提取出治療心臟病的藥物tPA,夸克博士的蔬菜水果店(1),,轉基因農作物,,,種植業(yè)中的應用,抗化學除草劑基因 轉基因西紅柿 固氮酶基因 人類DNA ,環(huán)境保護等等,細胞工程是指通過細胞水平上的篩選或改造，獲得有商業(yè)價值的細胞株或細胞系，再通過規(guī)模培養(yǎng)
7、，獲得特殊商品的技術與過程。 細胞工程包括動物細胞工程和植物細胞工程，它們分別以動物細胞和植物細胞為主要生產對象，以細胞培養(yǎng)為主要過程和內容。,三、細胞工程,動物細胞培養(yǎng),利用動物細胞工程生產一些藥品，如紅細胞生成素、抗血友病因子、組織纖溶酶原激活物（tPA）等等,單細胞藻類培養(yǎng),一些單細胞低等植物如單細胞藻類的大規(guī)模培養(yǎng)成為細胞工程的重要組成部分 獲得蛋白質資源、營養(yǎng)食品、精細化工產品等等，利用植物細胞工程生產的商品種類繁多。,高等植物細胞培養(yǎng),高等植物細胞具有全能性。從高等植物的幼胚、根、莖、葉、花和果實等不同器官的組織中分離的單個細胞，經過特殊培養(yǎng)形成愈傷組織，并可進一步誘導生成完整的植
8、株。,細胞融合、細胞重組、雜交瘤技術,細胞融合是將不同種類的兩種細胞經過特殊處理后放在一起，在某些促融因子作用下發(fā)生融合，形成雜種細胞。,細胞重組是把不同種類的細胞的部件重新組合裝配，包括核的移植、葉綠體移植、核糖體重建及線粒體裝配等。 雜交瘤技術是通過細胞融合產生特異雜交瘤細胞，產生單克隆抗體。,四、克隆羊技術,,核移植，就是利用一個動物的體細胞的細胞核（供體核）來取代受精或未受精卵中的細胞核，形成一個重建的“合子”。 克隆原意是無性繁殖。克隆動物就是不經過生殖細胞的受精過程而直接由體細胞獲得新的動物個體，這個新個體是原核供體動物的拷貝。 多利的誕生.WMV,277次乳腺細胞核移植實驗；獲得
9、29個發(fā)育為8細胞的“胚”；13頭代孕母親； 1996年7月5日，羊羔6LL3，被命名為“多莉”。,幾點說明,任何一個高等動物的細胞或個體都有兩套獨立的遺傳系統(tǒng)：一套是我們所熟知的由細胞核里的全部基因所組成的遺傳系統(tǒng)，這是主要的遺傳系統(tǒng)，負責生物體結構和細胞絕大部分的生命活動；另一套是由細胞質里的線粒體和葉綠體的DNA所組成的細胞質遺傳系統(tǒng)，植物的細胞質遺傳系統(tǒng)有線粒體和葉綠體兩種，動物的細胞質遺傳系統(tǒng)只有線粒體一種。 細胞質遺傳系統(tǒng)與細胞核遺傳系統(tǒng)有著密切的關系，但線粒體和葉綠體DNA上的基因是細胞核的染色體上所沒有的，因此，細胞質遺傳系統(tǒng)的功能不能由細胞核遺傳系統(tǒng)來代行。 由于動物的精子不
10、為后代提供細胞質，所以高等動物的線粒體是通過母系的細胞質來遺傳的，即其后代的所有線粒體都來自于母親，與父親無關。,（1）多利并不是與母體完全一樣的克隆,多利的細胞核來自芬蘭母羊，但線粒體DNA分析確認了多利的線粒體來自蘇格蘭黑面母羊，由于線粒體在細胞生命活動中具有極其重要的功能，與許多生理活動密切相關，因此多利在生理上與其母體也會有明顯的差異。 多利的誕生顯示了用生物技術復制與母體完全一樣的個體的可能性：如果接受體細胞的去核卵與體細胞是來自于同一個個體，則所得的復制體的細胞質與細胞核里的基因都與母體是完全一樣的，這樣的克隆才是母體真實的復制品。 女性有可能用自身的體細胞和自身的去核卵細胞克隆出
11、與自己的遺傳組成、生理特征完全一樣的個體；而克隆技術不可能用男性的體細胞復制出與原來個體在遺傳上完全相同的克隆。,（2）即使是女性，也不可能復制出 與自身心理完全一樣的個體,心理的形成不僅與個人的遺傳相關，而且與個人的社會經歷和社會環(huán)境密切相關。（因此，對于人這種以心智和社會性為其本質特征的生物，用克隆技術復制不會有任何進步的意義。）,（3）通過體細胞克隆所得到的生物體與通過正常兩性生殖產生的生物體在生存能力上可能會存在差別,動物的體細胞的最多分裂次數是有限制的，而且每一次分裂都會在其染色體上留下年齡的標記，這種母體的真實復制品的生理年齡也可能與它的實際出生年齡會不一致，即克隆動物個體可
12、能會出現早衰現象。對多利所進行的生理監(jiān)測似乎也表明正是如此。,克隆羊的意義,理論意義：證明已分化的高等動物的體細胞仍然具有潛在的遺傳表達全能性，也證明了用現代生物技術復制或克隆高等動物甚至人類的可能性。 12生肖已經克隆了一半.doc,兩種意見,反對克隆人 支持克隆人 克隆人的問題.WMV,,何祚庥,是否應該克隆人？,五、 生物芯片技術,生物芯片又稱DNA芯片或基因芯片，它們是DNA雜交探針技術與半導體工業(yè)技術相結合的結晶。該技術系指將大量探針分子固定于支持物上后與帶熒光標記的DNA樣品分子進行雜交，通過檢測每個探針分子的雜交信號強度進而獲取樣品分子的數量和序列信息。 1996年底，美國 Af
13、fymetrix 結合照相平板印刷、計算機、半導體、寡核苷酸合成、熒光標記、核酸探針分子雜交和激光共聚掃描等高新技術，研制創(chuàng)造了世界第一塊DNA芯片。,生物芯片技術的一般原理,生物芯片之所以成為全世界科學家孜孜以求的目標的原因,一個指甲大的地方就能建個實驗室，診斷肝炎，醫(yī)生可以一次同時測出多種病原微生物，在極短的時間內知道病人被哪種微生物感染，迅速醫(yī)治；想知道胎兒是否患有遺傳病，只要取少量羊水或幾滴父母血液，同時鑒別的遺傳病達數十種甚至數千種！ 這個縮微實驗室名叫“生物芯片”。,,陳竺教授說，生物芯片最終將走入千家萬戶。,,,生物芯片大規(guī)模、高通量檢測，使個人擁有自己的基因卡成為可能，這對預防
14、醫(yī)學極為重要。也許不久的將來，上醫(yī)院看病，不僅要帶病歷卡，還要帶芯片病歷卡。盈盈方寸間，將記錄你的個人遺傳信息，對什么藥物最敏感，醫(yī)生將據此為每個人設計預防方案，通過生活方式的改變，躲開許多致命的遺傳疾病的侵襲。,最近兩年內，基因學專家有望按照對藥物的不同反應，將人分成若干類型，屆時便能夠準確地判定出誰適合服用哪種藥。這就如同發(fā)給每人一張“基因身份證”。 基因身份證中包含著比人的指紋更為復雜、更有價值的東西。所有愿意獲取這一身份證的人都會得到如下的信息：適合于什么藥物，不適合于什么藥物；自身容易感染何種疾病，而罹患某些疾病的機會則微乎其微。 嬰兒在呱呱墜地時候便可以得到自己的“基因身份證” 。
15、美國已有人植入人體基因芯片（ “隨身攜帶”的身份證）,如果每個人在幼年時代便知道自己今后可能會患上某種重病，這是否太過殘酷和宿命了？,,六、人類基因組計劃（HGP）,1990年7月，美國將人類基因組計劃（Human Genome Project，HGP）正式列入國家重大項目，美國國會還通過了30億美元的研究經費正式啟動這個計劃，預計用15年的時間，在2005年繪出人類基因圖譜。繼美國之后，英國、日本、法國、德國、中國等18個國家相繼參與這個計劃，成為重大國際合作計劃。這是迄今為止在生命科學領域最宏大的研究計劃，與20世紀的“阿波羅計劃”和“曼哈頓工程”并列，也被稱為生命“阿波羅計劃”。,人類基
16、因組計劃的基本的工作，就是完成全部人類基因的測序,（1）遺傳圖譜：利用人類家族遺傳史和染色體上基因交換頻率的試驗數據，推斷任何兩個已知性狀的基因之間的距離，根據點測試驗確定各基因在基因組中的相互位置和排列順序。 （2）物理圖譜：在特定染色體區(qū)域內確定基因在染色體上的實際排列順序，對基因定位。,（3）序列圖譜：進行DNA的核苷酸測序分析。找出30億個堿基對的準確位置或測出30個核苷酸的整個序列，并在基因圖譜上表示出來。這相當于在北京到上海的公路旁種30億棵樹，而且是四種樹，要把每一棵樹的準確位置標出來。這是人類基因組計劃最繁重、耗時最多的工作，是人類基因組計劃的核心部分。 （4）基因圖譜：鑒定D
17、NA上所有基因的位置、結構、功能，分析其作用方式，解讀人類的全部遺傳信息。 基因是生命遺傳的基本單位，人類基因組包含30億個堿基對，繪制出人類基因組序列圖就意味著掌握了探索人類“生命迷宮”的路標。這是一本人類生命的百科全書。如果把人類的全部遺傳信息都破譯，人類便在分子水平上看透了自己。,人類基因組計劃大事記,1992年，完成了對酵母3號染色體DNA的全部315357個堿基序列的測定，這是人類完成的第一條真核生物染色體DNA的全序列。 1995年，獲得了人類第3號、第16和第22號染色體的高密度物理圖。 1999年12月1日，科學家們宣布，人類第22號染色體含3.34107個堿基序列的測定已經全
18、部完成，這是人類完成的第一條人類自身染色體的全序列測定。 2000年6月26日，美國、中國等6個國家宣布，人類基因組計劃的物理結構全部完成，并將公開發(fā)布，中國完成了1的測序工作。,,人類基因組計劃大事記,2001年2月12日，美、日、德、法、英、中科學家首次公布人類基因組工作草圖及初步的分析結果。 2001年8月26日，人類基因組“中國卷”的繪制工作宣告完成。 2003年4月14日，中、美、日、德、法、英等國科學家宣布人類基因組序列圖繪制成功， 。 從“框架圖”到“完成圖”，人類基因組測序范圍從90提高到了99，以堿基對為基礎的誤差率從11000降到了110000。,人類基因組計劃的結果
19、 有3點出人意料之處：,一是由于技術手段的進步，科學家的工作步伐大大加快，進度一再提前，只用了10年多的時間，成為獻給新世紀的厚禮。 二是人類基因總數比預計的10萬要少得多，只有3萬至4萬，僅比果蠅多2萬個，這意味著破解人類基因的工復雜性可能會降低。,是原以為作為萬物之靈的人類，其基因會與其它物種有相當多的差異。結果發(fā)現我們人類與很多物種是“親戚”。 學者們證實，人體有一半的基因與較為原始的生物如蒼蠅、爬蟲等是相同的，如此說來，蒼蠅成了我們的“遠親”；包括中國科學家在內的一個國際科研小組經過比較后推定，人與黑猩猩在基因序列上的差異僅123%,低于原先的估計。黑猩猩成了我們的“表親”，人只不過是
20、站直了身子的猴子。不過我國科學家說，正是這123%基因，隱藏著關于人的高度智慧和能力的秘密，使的人與猩猩在職能、行為、心理和生理方面變得如此不同。國際人類基因組研究組織的這一結論轟動了世界。,倫敦皇家協會主席羅伯特梅伊甚至斷言，人體有一半基因不是與其它生物相同，而是跟香蕉相同。 科學家推斷：進化的實質就是給每個基因“加碼”的過程。生物體越復雜，每個基因所生產的“產品”就越多，它的功能就越多。人與爬蟲的最大差異在于人體基因的作用比爬蟲要復雜得多，而不在于基因本身的差異。,七、生物技術面臨的嚴肅問題,基因一旦被改動，一方面可能引起生物體內一系列未知的結構與功能的變化；另一方面，轉基因操作對生物體的
21、影響會通過遺傳傳遞。,轉基因技術的安全性問題,外源基因引入后，是否會影響其他重要的調節(jié)基因，甚至會激活原癌基因？ 轉基因技術的廣泛應用是否會導致難以消滅的新病原物出現？ 是否會造成生態(tài)學災難？人類生存環(huán)境異化的后果是什么？ 人類攝食大量轉基因食品是否會影響人類及其后代的健康？基因技術的安全性.MPG,克隆人的倫理問題,在克隆階段，如果有關胚胎發(fā)育的基因重新編排或啟動不完全，對新生兒可能產生什么嚴重后果呢？ 兄弟、姐妹、父母、子女？ 器官克隆和干細胞培養(yǎng)和分化器官，用于醫(yī)學和臨床治療？,個人基因信息的隱私權問題,人類基因信息利用的倫理、法律和社會影響計劃，稱之為ELSI項目： （1）在應用和解釋基因信息時的隱私權和公正性； （2）基因信息由實驗室研究向實際醫(yī)療應用的轉化； （3）人類基因組計劃參與者相互協調和成果發(fā)布； （4）公眾與專業(yè)教育,基因治療的應用問題,一個人有權決定另一個人的基因結構或未來命運嗎？ 萬一這種基因操作失敗了或者造成了將來才能發(fā)現的不可挽回的缺陷和后果，誰承當責任呢？ 是否可以通過基因治療操作來增加運動員的身高或短跑速度，這與運動員服用興奮劑有什么本質區(qū)別？,生物技術引發(fā)的其它問題,生物技術費用高，在自身健康上的貧富差距？ 涉及人類自身發(fā)展的重要生物技術的壟斷？ 生物武器？ ,有關網站, ,
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