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生物技能及运用专业
发布时间:2021-12-14 09:38:27 来源:乐动体育网址


  声明:,,,。概况

  生物技能及运用专业培育具有生命科学的根本理论和较体系的生物技能的根本理论、根本常识、根本技能,能在科研机构或高级学校从事科学研讨或教育作业,能在工业、医药、食物、农、林、牧、渔、环保、园林等职业的企业、作业和行政办理部门从事与生物技能有关的运用研讨、技能开发、出产办理和行政办理等作业的高档专门人才。

  培育把握生物技能及运用专业必需的根底理论常识和根本技能,从事生物技能产品开发运用、查验剖析、技能监督、出产办理等作业的高档技能运用性专门人才。

  本专业学生首要学习生物技能方面的根本理论、根本常识,遭到运用根底研讨和技能开发方面的科学思维和科学试验练习,具有较好的科学素养及开端的教育、研讨、开发与办理的根本才干。

  生物技能是现代生物学展开及其与相关学科交差融和的产品,其间心是以DNA重组技能为中心的基因工程,还包含微生物工程、生化工程、细胞工程及生物制品等范畴。培育把握现代生物学和生物技能的根本理论、根本常识和根本技能,取得运用根底研讨和科技开发研讨的开端练习,具有杰出的科学本质、较强的立异知道和实践才干的生物技能高档专门人才。

  生物技能专业培育具有生态学常识,能在科研机构、高级学校、企作业单位及行政办理部门从事生态环境维护与办理等作业的高档专门人才。

  2.把握根底生物学、生物化学、分子生物学、微生物学、基因工程、发酵工程及细胞工程等方面的根本理论、根本常识和根本试验技能,以及生物技能及其产品开发的根本原理和根本办法;

  4.了解国家生物技能工业方针、常识产权及生物工程安全法令等有关方针和法规;

  5.了解生物技能的理论前沿、运用远景和最新展开动态,以及生物技能工业展开状况;

  6.把握资料查询、文献检索及运用现代信息技能获取相关信息的根本办法;具有必定的试验规划,发明试验条件,概括、收拾、剖析试验效果,撰写论文,参加学术交流的才干。

  微生物学、细胞生物学、遗传学、动物学、植物学、生态学、行为学、植物生理学、动物生理学生物进化、生物化学、分子生物学、基因工程、细胞工程、微生物工程、生化工程、生物工程下流技能、发酵工程设备等。

  首要实践性教育环节:包含教育实习、出产实习和毕业论文(规划等,一般安排10-20周。

  毕业生首要作业范畴为生物技能方面的运用技能开发范畴、食物加工、医药工业、环境维护、生物化工等范畴;有关科研院所和大专院校的试验作业、食用菌工厂、花卉苗木公司及在运用生物技能、食物发酵、植物与细胞安排培育等范畴。

  近些年来,以基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程为代表的现代生物技能展开迅猛,并日益影响和改动着人们的出产和日子办法。所谓生物技能(Biotechnology)是指“用活的生物体(或生物体的物质)来改进产品、改进植物和动物,或为特别用处而培育微生物的技能”。生物工程则是生物技能的总称,是指运用生物化学、分子生物学、微生物学、遗传学等原理与生化工程相结合,来改造或从头发明规划细胞的遗传物质、培育出新种类,以工业规划运用现有生物体系,以生物化学进程来制造工业产品。简言之,便是将活的生物体、生命体系或生命进程工业化的进程。生物工程包含基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、生物电子工程、生物反响器、灭菌技能以及新式的蛋白质工程等,其间,基因工程是现代生物工程的中心。基因工程(或称遗传工程、基因重组技能)便是将不同生物的基因在体外剪切组合,并和载体(质粒、噬菌体、病毒)的DNA衔接,然后转入微生物或细胞内,进行克隆,并使转入的基因在细胞或微生物内表达,发生所需求的蛋白质。

  有60%以上的生物技能效果会集运用于医药工业,用以开发特征新药或对传统医药进行改进,由此引起了医药工业的严重改造,生物制药也得以敏捷展开。生物制药便是把生物工程技能运用到药物制造范畴的进程,其间最为首要的是基因工程办法。即运用克隆技能安排培育技能,对DNA进行切开、刺进、衔接和重组,然后取得生物医药制品。生物药品是以微生物、寄生虫、动物毒素生物安排为开端资料,选用生物学工艺或别离纯化技能制备,并以生物学技能和剖析技能操控中心产品和制质量量而制成的生物活化制剂,包含菌苗、疫苗、毒素、类毒素、血清、血液制品、免疫制剂、细胞因子、抗原、单克隆抗体及基因工程产品(DNA重组产品、体外确诊试剂)等。人类已研发开发并进入临床运用阶段的生物药品,依据其用处不同可分为三大类:基因工程药物、生物疫苗和生物确诊试剂。这些产品在确诊、防备、操控乃至消除流行症,维护人类健康中,发挥着越来越重要的效果。

  生物技能(Biotechnology)是以生命科学为根底,运用生物(或生物安排、细胞及其他组成部分)的特性和功用,规划、构建具有预期功用的新物质或新品系,以及与工程原理相结合,加工出产产品或供应服务的归纳性技能。信息技能(information science)是研讨信息的获取、传输和处理的技能,由核算机技能、通讯技能、微电子技能结合而成,便是运用核算机进行信息处理,运用现代电子通讯技能从事信息收集、存储、加工、运用以及相关产品制造、技能开发、信息服务的新学科。信息技能和生物技能都是高新技能,二者在新经济中并非此消彼长的联系,而是相得益彰,一起推进21世纪经济的快速展开。

  (1)信息技能为生物技能的展开供应强有力的核算东西。在现代生物技能展开进程中,核算机与高功用的核算技能发挥了巨大的推进效果。在赛莱拉基因研讨公司、英国Sanger

  中心、美国怀特海德研讨院、美国国家卫生研讨院和我国科学院遗传所人类基因组中心联合制造的人类基因组草图的发布中,美国多家研讨机构特别强调正是信息技能厂商供应的高功用核算技能使这一切成为或许。相同,在被称为“生命科学阿波罗登月计划”的人类基因草图的诞生进程中,康柏公司的Alpha服务器也为研讨人员供应了超卓的核算动力。业界剖析人士称,在这场剧烈的基因解码比赛背面隐含的是一场超级核算才干的比赛,一起,这次比赛有助于群众对超级核算机的超强才干构成遍及认知。在此之前,这些造价至少在数百万美元以上能够超高速作业的机器一向默默无闻,他们被用于操控核反响堆、预告气候或是与国际级国际象棋大师同台对弈。现在,人们越来越清醒地知道到,超级核算机在发明新种类的药物、治好疾病以及终究使咱们能够修正人类基因缺陷等方面是至关重要的,高功用核算能够为人类作出更大的奉献。

  赛莱拉公司履行总裁在承受《今日美国》的采访时说:“将人类基因暗码以线型办法组合起来,这仍是人类有史以来的第一次。”赛莱拉公司要将32亿个碱基对依照正确次序加以摆放,在从前尝试过的大规划核算中,这次应战是最为严峻的一次。

  为了完结这次前史性课题所需的数量极为巨大的数据处理作业,赛莱拉公司动用了700台互联的Alpha64位处理器,运算才干到达每秒1.3万亿次浮点运算。一起,赛莱拉公司还选用了康柏的Storage Works体系,用以完结对一个空间为50TB且以每年IOTB速度添加的数据库办理作业.康柏电脑公司董事会主席曾在一次讲演上说道:“现在,咱们很难将生物技能的前进与高功用核算范畴的展开割裂开来。实践上,许多一流的科学家都信任,高功用核算是生物和医药的未来。往后,越来越多的具有强壮功用的核算机和软件将会被用来收集、存储、剖析、模仿和发布信息。

  信息技能还有助于加强生物技能范畴的各种数据库办理、信息传递、检索和资源共享等。另一个仅次于基因排序器、在生物技能范畴引起注重的硬件是基因芯片,它的研发也非常依赖于信息技能。在显微镜载片或硅片等基片上把基因片段摆放、固定,这便是基因芯片。把这个芯片上的基因片段和检体的基因片段放到基因芯片读出器(也是一种破译设备)上,就能敏捷比较和破译检体信息。 基因排序器是从零下手破译检体的遗传信息的设备,而基因芯片和其读出器则是与现已有的遗传信息相对照破译信息的设备。 在这个范畴,美国的企业比较有名,但日本企业也在同美国企业协作的一起,积极参加这个范畴的开发。

  (2)生物技能展开需求特定软件技能的支撑。生物技能及其工业的展开关于生物技能类软件的需求将进一步添加,软件技能将成为支撑生物技能及其工业展开的要害力气之一。在生物技能各范畴中均需求相应的专业软件来支撑:1) 各类生物技能数据库的构建需求功用优秀、更新换代敏捷的软件技能;2) 核酸初级结构剖析、引物规划质粒绘图、序列剖析、蛋白质初级结构剖析、生化反响模仿等等也需求相应的软件及其技能支撑;3) 加强生物安全办理与生物信息安全办理也离不开软件及其技能展开的支撑。

  (1)生物技能推进超级核算机工业的展开。跟着人类基因组计划各项任务的完结,有关核酸、蛋白质的序列和结构数据呈指数添加。面对如此巨大而杂乱的数据,只要运用核算机进行数据办理、操控差错、加速剖析进程,使得人类终究能够从中获益。然而要完结这些进程,并非一般的核算机量力而行,而需求具有超级核算才干的核算机。因而,生物技能的展开将对信息技能提出更高的需求,然后推进信息工业的展开。比较有说服力的比如是,2002年11月22日出书的《天然》杂志上,以色列科学家宣告研发出一种由dna分子和酶分子构成的微型“生物核算机”,一万亿个这样的核算机仅一滴水那样大,运算速度到达每秒10亿次,精确率为99.8%。当然像一切的新技能相同,有的科学家标明置疑。他们以为,这种试管里的核算机存在丧命的缺陷,因为生化反响本身存在必定的随机性,这种运算的效果或许不彻底精确;并且,参加运算的dna分子之间的不能像传统核算机相同通讯,只能“各自为战”,不足以处理一些大型核算。

  欧美各国及日本相继树立了生物信息数据中心,美国有国家生物技能信息中心(ncbi)、英国有欧洲生物信息研讨所(ebi)、日本有70余家制药、生物及高技能公司组成的“生物工业信息化一起体”等。而戈德曼-萨克斯财团2001年的一份陈述显现,美国国际商用机器公司(ibm)、sun、康伯和摩托罗拉等公司每家已至少与生物技能公司和调研公司到达12项协作意向,共有140多项协作协议,协作内容涉及到各种技能范畴,包含基因芯片,用核算机模仿药效等。

  (2)生物技能将从根本上打破核算机的物理极限。运用的核算机是以硅芯片为根底,因为遭到物理空间的约束、面对耗能和散热等问题,将不行避免地遭受展开极限,要取得大的打破,需求依赖于新资料的改造。2000年美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的科学家依据生物大分子在不同状态下可发生有和无信息的特性,研发出分子开关(molecular switches)。2001年国际首台可主动运转的DNA核算机面世,并被评为当年国际十大科技展开。2002年,DNA核算机研讨范畴的前驱阿德勒曼教授运用简略的DNA核算机,在试验中为一个有24个变量、100万种或许效果的数学难题找到了答案,DNA核算机的研发迈出了重要一步。

  信息工业和生物工业无疑都是高科技的产品,在生命科学的研讨中,一向不能短少核算机的作业,假如到基因组测序的研讨所去看一看,许多的以超级核算机为根底的测序仪,会使你误以为到了一家信息技能公司。生物工业因核算机的加盟而提速,信息技能工业也因生命科学的需求而得以展开、获利。

  运用数学、核算机科学和生物学的各种东西,来说明和了解许多基因组研讨取得数据中所包含的生物学含义,生物学和信息学穿插、结合,然后构成了一个新的学科。生物信息学或信息生物学,它的前进所带来的效益是不行估计的。美国现已呈现了大批依据生物信息学的公司,希冀在基因工程药物生物芯片、代谢工程等范畴掘出财富,生物信息学工业潜力巨大。能够说,生物科技(生物技能)与信息科技(信息技能)的交融,才是国际经济商场的未来。在深圳举办的第三届我国国际高新技能效果交易会高新技能论坛上,我国工程院副院长侯云德院士指出,应该把生物技能工业定位为仅次于信息工业的要点工业。他说,信息和生物技能是联系到我国新世纪经济展开和国家命运的要害技能,并将成为我国立异工业的经济添加点。

  许多人以为,2000年是生物技能工业出资年。人类基因测序的完结和发布,是科学史上的又一个里程碑,它令许多出资者为之颠三倒四。2000年美国的生物技能工业股票商场新增300亿美元,这一数值大大超越前5年该工业股市出资的总和,生物技能的股票与其它科技职业股票反常高涨。许多痕迹标明,生物技能工业尽管前史不到30年,但正步入老练期。

  美国经济处于阑珊中的2001年,生物技能工业仍吸收了150亿美元的出资,这是该工业前史上第二大的出资年。出资者以为,生物技能公司,特别是那些专攻新药的生物技能公司和其协作的制药公司,在未来的5年中,将推出数百种一类新药。生物技能在基因科学、蛋白质学、生物信息学、核算机辅佐药物规划、DNA生物芯片和药物基因学等范畴中的打破,使对疾病的霸占进入分子水平。许多出资者以为,用生物技能办法开发新药将得到报答。

  依据美国生物技能工业安排(BIO)的计算,1982—2000年间,大约有120个生物药进入商场;2001年有300个新药正在进行最终阶段的临床试验。依据曩昔的阅历,到2007年,美国食物与药物办理局(FDA)大约要同意其间的240个新药进入商场,然后使商场上的生物技能药翻2倍。大多数生物技能新药是用于医治心脏病、癌症、糖尿病和流行症的一类新药。

  生物技能的显着运用不只在健康职业,生物技能在其它工业中的研发投入也非常杰出。依托生物技能,农业上用更少的土地出产更多的健康食物;制造业能够削减环境污染、节约能耗;工业能够运用再生资源出产质料,以维护环境。

  生物技能工业的老练除了体现在产品开发方面外,另一个首要标志是职业的现金储量。2000年因为生物技能工业在社会上筹集了许多本钱,大多数生物技能企业在2001年的资金状况很好。依据Ernst & Young’s 2001年生物技能陈述,美国上市的340家生物技能公司中,超越对折的公司现金储量可维持三年以上的运转,这为该职业往后的快速展开奠定了杰出根底。

  生物技能工业老练的另一个标志是吞并化。资金雄厚的生物技能企业,如基因公司,正在吞并其它辅佐性技能公司,然后构成归纳性的生物制药公司,能够开发、出产和出售自己的产品。这种吞并活动,不只添加企业的产种类类和收入,一起也有助于进步整个职业的竞争力。

  生物技能工业是新经济的首要推进力。尽管生物技能工业的股值也缩水很大,但其所得多于所失。在曩昔的一年中,纳斯达克生物技能指数下降了20%,但与前三年比较,该指数的添加仍挨近100%。在熊市状态下,该指数的体现优于纳斯达克归纳指数和道琼工业指数。许多剖析家以为,2002年生物和医药股将体现平平但健康展开,在往后的12至24个月中,生物股将再次起飞,新的生物技能产品将开端进入商场。

  美国许多州政府支撑生物技能工业的展开,接连推出了不少经济展开计划以招引生物技能企业。例如,密西根州是美国十大生物技能州之一,州政府许诺要在生物技能工业范畴进入全美前5名,拟投入10亿美元,建成密西根生命科学走廊。该走廊已有300多家生物公司。

  在21世纪的第一年,科学家们完结了人类基因的测序。这一效果对生物技能工业展开影响将是难以估计的。在探究人类基因的奥妙进程,发现一些新的药物,成为生物技能注重的抢手。

  2001年5月,FDA同意诺华公司开发的Gleevec上市,这是一种医治缓慢白血病的良药。这是依据癌细胞活动机理而规划开发的第一种抗癌新药。传统抗癌药在医治进程中,一起会影响到正常细胞,对患者发生很大的副效果,而Gleevec仅杀灭基因变异的癌细胞。最新研讨标明,Gleevec对血液癌症和肿瘤都有用,它或许成为一种广谱的抗癌新药。

  医治癌症的别的一类生物技能药是单克隆抗体。这类抗体的方针是与癌细胞有关一些特定分子。自1980年以来,单克隆抗体戏法般的效果引起许多医药公司的注重。经过十多年的研讨,单克隆抗体作为抗癌新药开端得以完结。许多药厂正在开发单克隆抗体,其运用从抗癌扩展到其它疾病医治方面,到2000年,FDA同意了9个单克隆抗体,别的60多个产品正在进行临床试验。

  在抗癌方面,单克隆抗体的效果好像人体本身免疫体系,但大多数状况下,人体本身免疫体系不会将癌细胞作为有害细胞而进行阻挠,使癌细胞在体内繁衍,损害人体生命。

  单克隆抗体的效果是瞄准癌细胞,将癌细胞消除或发动体内免疫体系对癌细胞进行进犯。单克隆抗体也可成为一种“聪明炸弹”,带着放射性或化学介质,挑选癌细胞进行进犯。

  1997年FDA同意第一个单克隆抗体Rituxin,用于医治非何杰金氏淋巴癌,1998年另一种单克隆抗体Herceptin上市,用于医治乳腺癌。

  Herceptin由美国基因技能公司研发,该公司树立于1976年,是最早树立的生物制药公司。美国基因技能公司是全球十大生物技能公司之一,有十个依据蛋白质的生物医药产品上市,正在开发的产品有20多个,首要是癌症、心血管和免疫体系疾病的医治药。该公司有从业人员5000多人。人类基因公司树立于1992年,是生物技能工业范畴首家开发人类基因的公司。该公司首要研讨探究人类基因与疾病的联系,方针是发现与疾病有关的基因,开发相关的医治药物。该公司现有8个产品正在进行临床试验。

  其它的生物医药产品有基因医治法、干细胞和疫苗等。跟着人们对人体生物学知道的进一步深化,药物发现变得愈加杂乱。生物技能和制药业不得不依托更先进、杂乱的东西来开发新药。前史上,Agilent一向是医药测验设备的首要出产厂,该公司与国际十大制药公司有着非常亲近的商业来往。今日,Agilent也能供应新的科学仪器,用于疾病确诊和新药研讨。

  生物技能在农业中的运用是依据对植物、动物基因学和蛋白质学的知道。许多专家以为只要依托生物技能,展开我国家才干打败饥饿,全球因人口添加而发生的食物缺少才有望得以缓解。

  经过运用动植物中的特定基因,能够完结用更少的土地栽培更多的作物,一起削减农药的运用。运用生物技能,能够在恶劣的气候环境下出产作物。运用生物技能,还能够改进食物的养分和口感等。

  美国的St. Louis是全球农业生物技能展开最快的区域。该区域被以为是生物工业带,闻名的农业生物技能公司孟山都即在该区域。

  生物技能用于育种是一种便利、有用的育种办法。经过引进特定的基因,以改动动植物的质量。例如,科学家在西红柿中植入抗老练的基因,能够延伸西红柿的货架期。在植物中引进对人体无害的抗虫基因,能够避免病虫灾,削减农药的运用,在水稻中介入发生维生素A的基因,能够进步稻米的养分价值。

  生物技能在农业中的另一个或许的运用是出产食用疫苗,运用生果、蔬菜出产抗肝炎、霍乱等流行症的疫苗。克隆技能用于动物,能够保存高质量动物的高产功用。

  商场上的农业生物技能产品首要是转基因的大豆、玉米、油菜、棉花等。转基因植物以其优异的质量很快被农户承受。2001年,国际上转基因植物的栽培面积达5300万公顷,比2000年添加 19%。

  生物技能运用于工业制造和环境办理,是为了推进工业的可持续展开,1998年,经济协作与展开安排以为生物技能将对工业的持续展开起着非常要害的效果,鼓舞其成员国支撑工业和环境生物技能的研讨。

  微生物被以为是天然的化学工厂。它们正代替工业催化剂而用于化学品的制造。例如,酶制剂能代替洗刷剂中的磷和皮革鞣制进程中的硫化物。在造纸进程中,酶制剂能够削减氯化物在纸浆漂白进程中的用量。微生物在工业出产进程中的运用,使工业出产变得清洁、高效,具有可持续性。

  酶也能够作为生物催化剂生物质转化为动力、乙醇等。更诱人的是,经过生物酶,玉米秸秆能够转化为可降解的塑料,用于食物包装等。

  基因学和蛋白质学在工业生物技能中的运用,不只仅在于发现微生物酶的特性,并且能够经过方针的变异,使微生物发生各种用处的新式酶制剂。

  科学家猜测10至20年后,生物技能在工业中的运用将与其在人类健康中的运用变得平等重要。

  生物技能除首要在人类健康、农业、工业与环境中运用外,在其它范畴也有一些运用。

  开发畜牧医用产品的生物公司越来越多,美国每年用于动物健康的产品商场约40亿美元,美国农业部同意的动物用生物制品约100种,首要是避免动物流行症和常见病的疫苗和医治药。

  生物技能也运用于珍稀野生动物的维护,经过DNA辨认来辨别动物的种类,盯梢其活动地域等。

  海洋生物技能的运用使受过度捕捉而濒临灭绝的海洋生物的生计得到展开。一起又给人类从丰厚的海洋生物资源汇总发现新药供应了途径。例如海螺中的一种毒素是有用的止痛药,海绵能够用作抗感染等。

  生物技能运用于太空展开,能够为宇航员构建长时刻太空探险所需的生命支撑环境。别的,生物技能也用于人类考古和违法查询,经过DNA剖析能够研讨人类种群的进化史。DNA技能运用于违法案子查询能够协助执法人员承认罪犯。

  美国9·11恐怖事情和随后的炭疽菌案子,使大部分美国人感到,往后的生物恐怖事情或许发生,对生物恐怖事情的防卫有必要予以注重。

  曩昔,几家美国生物技能公司曾与官方协作,提出生物武器的防卫战略,但大多数试验仅是模仿。在9·11事情曾经,美国卫生部用于生物防恐的研讨经费为5000万美元。但9·11事情今后,该预算大大添加。经过的一项生物反恐法案,拨款45亿美元用于美国本乡安全部的生物反恐。专家们猜测,生物反恐将成为国防的新范畴,美国将运用生物技能防卫各种或许的生物。生物反恐将与公共健康体系、传统国防工业、生物技能和制药业严密相关。9·11事情后,美国敏捷开发了针对炭疽和天花的疫苗。大约有24家美国生物技能公司正参加其它疫苗和药品研讨与开发,美国政府拟付出6.4亿美元用于存积有关的疾病疫苗,以避免各种或许的生物恐怖事情。例如,新式抗菌素和抗病毒处理剂正在研发,以用于抵挡已是抗病性的病原体。一家公司正在研讨运用单克隆抗体铲除血液中的毒素。其它研发中的产品包含专用酶制剂,用于修正被有意污染的环境、快速大气监测仪、感染物确诊试剂、新的药物运送体系等。

  显微镜技能 玻片标本制造与染色技能作物育种技能显微镜技能光电显微镜技能 电子显微镜技能

  运用:研讨细胞内或生物体内化学物质的有关问题,如某物质存在部位、移动途径、物质掺如状况等。

  实例:有丝割裂进程中的DNA仿制 光合效果中的物质改动 动植物细胞中的物质运送 激素在生物体内散布与运送 动物胚胎层发育分解 遗传物质发现的研讨 无土栽培技能

  运用溶液培育法的原理,把植物体成长发育进程中所需求的各种矿质元素,依照必定的份额配制成养分液,并运用这种养分液来栽培植物的技能。

  生物技能是一个新式专业,生物技能工业在我国还归于起步阶段,尽管目前国内冒出许多生物技能公司,可是大部分具有规划小,技能含量低的特色,乃至部分仅仅挂名生物技能罢了。因为生物技能具有前期投入大,危险大的特色,依照我国国情,短时刻内,我国无法构成大规划的生物工业集团,就生物技能专业而言,该专业未来远景不错,依据这一原因,目前国内各大高校纷繁开设生物技能专业,可是他们并没有考虑实践状况。生物技能作为一门高新技能学科,有必要经过长时刻培育才干在实践运用中显现出必定的效果,因而除非一开端你就计划投身于这一职业并一向读硕读博,你才会有很大的展开空间。一起因为生物技能投入过大,国家经费有限,国家要点展开某几个院校,因而国内各高校水平距离极大,要慎重挑选。

  现代生物技能一般包含基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程。

  基因工程是指在基因水平上,依照人类的需求进行规划,然后按规划计划创立出具有某种新的性状的生物新品系,并能使之稳定地遗传给子孙。基因工程选用与工程规划非常类似的办法,显着地既具有理学的特色,一起也具有工程学的特色。

  生物学家在了解遗传暗码是RNA转录表达今后,还想从分子的水平去干涉生物的遗传。1973年,美国斯坦福大学的科恩教授,把两种质粒上不同的抗药基因裁剪下来,拼接在同一个质粒中。当这种杂合质粒进入大肠杆菌后,这种大肠杆菌就能反抗两种药物,且其子孙都具有两层抗菌性,科恩的重组试验拉开了基因工程的大幕。

  DNA重组技能是基因工程的中心技能。重组,望文生义,便是从头组合,即运用供体生物的遗传物质,或人工组成的基因,经过体外切开后与恰当的载体衔接起来,构成重组DNA分子,然后将重组DNA分子导入到受体细胞或受体生物构建转基因生物,该种生物就能够按人类事前规划好的蓝图体现出别的一种生物的某种性状。

  基因工程是一种有预期意图的发明性作业,它的质料便是意图基因。所谓意图基因,是指经过人工办法取得的契合规划者要求的DNA片段,在恰当条件下,意图基因将会以蛋白质的办法表达,然后完结规划者改造生物性状的方针。

  意图基因一般都不能直接进入另一种生物细胞,它需求与特定的载体结合,才干安全地进入到受体细胞中。常用的载体有质粒、噬菌体和病毒。

  质粒是在大多数细菌和某些真核生物的细胞中发现的一种环状DNA分子,它坐落细胞质中。许多质粒含有在某种环境下或许是必不行少的基因。图4-25是不同构型的质粒。

  噬菌体是专门感染细菌的一类病毒,由蛋白质外壳和中心的核酸组成。在感染细菌时,噬菌体把DNA注入到细菌里,以此DNA为模板,仿制DNA分子,并组成蛋白质,最终组装成新的噬菌体。当细菌逝世决裂后,许多的噬菌体被开释出来,去感染下一个方针。图4-26,噬菌体侵染细菌的进程。

  质粒、噬菌体和病毒的类似之处在于,它们都能把自己的DNA分子注入到宿主细胞中并坚持DNA分子的完好,因而,它们成为运载意图基因的适合载体。

  基因工程需求有一套东西,以便从生物体中别离意图基因,然后挑选适合的载体,将意图基因与载体衔接起来。DNA分子很小,其直径只要20埃(10-10米),基因工程实践上是一种“超级显微工程”,对DNA的切开、缝合与转运,有必要有特别的东西。

  1968年,科学家第一次从大肠杆菌中提取出了约束性内切酶。约束性内切酶最大的特色是专一性强,能够在DNA上辨认特定的核苷酸序列,并在特定切点上切开DNA分子。70年代以来,人们现已别离提取了400多种约束性内切酶。有了它,人们就能够为所欲为地进行DNA分子长链切开了。表4-3是一些约束性内切酶的辨认位点

  1976年,5个试验室的科学家简直一起发现并提取出一种酶,作DNA衔接酶。从此,DNA衔接酶就成了 “粘合”基因的“分子粘合剂”。

  获取意图基因的办法首要有三种:反向转录法、从细胞基因组直接别离法和人工组成法。

  反向转录法是运用mRNA反转录取得意图基因的办法。用这种办法人们已先后组成了家兔、鸭和人的珠蛋白基因、茸毛角蛋白基因等。

  从细胞基因组中直接别离意图基因常用鸟枪法,因为这种办法犹如用散弹打鸟,所以又称散弹枪法。用鸟枪法别离意图基因,具有简略、便利和经济等长处。许多病毒和原核生物、一些真核生物的基因,都用这种办法取得了成功的别离。

  化学组成意图基因是20世纪70年代以来展开起来的一项新技能。运用化学组成法,可在短时刻内组成意图基因。科学家们已相继组成了人的成长激素开释按捺素、胰岛素、干扰素等蛋白质的编码基因。

  体外重组是把载体与意图基因进行衔接。例如,以质粒作为载体时,首要要挑选出适合的约束性内切酶,对意图基因和载体进行切开,再以DNA衔接酶使切断两头的脱氧核苷酸衔接,所以意图基因被镶嵌进质粒DNA,重组构成了一个新的环状DNA分子(杂种DNA分子)(图4-27)。

  把意图基因装在载体上后,就需求把它引进到受体细胞中。导入的办法有多种,首要包含转化、转导、显微打针、微粒炮击和电击穿孔等办法。转化和转导首要适用于细菌一类的原核生物细胞和酵母这样的低一级真核生物细胞,其他办法首要运用于高级动植物的细胞。

  因为DNA重组体的转化成功率不是太高,因而,需求在许多的细胞中把成功转入DNA重组体的细胞挑选出来。应事前找到特定的标志,证明导入是否成功。

  意图基因在成功导入受体细胞后,它所带着的遗传信息有必要要经过组成新的蛋白质才干体现出来,然后改动受体细胞的遗传性状。意图基因在受体细胞中要表达,需求满意一些条件。例如,意图基因是运用受体细胞的核糖体来组成蛋白质,因而意图基因上有必要含有能发动受体细胞核糖体作业的功用片段。

  人们把握基因工程技能的时刻并不长,但现已取得了许多具有实践运用价值的效果,基因工程作为现代生物技能的中心,将在社会出产和实践中发挥越来越重要的效果。

  关于细胞工程的界说和规模还没有一个一致的说法,一般以为,细胞工程是依据细胞生物学和分子生物学原理,选用细胞培育技能,在细胞水平进行的遗传操作。细胞工程大体可分染色体工程、细胞质工程和细胞交融工程。

  细胞培育技能是细胞工程的根底技能。所谓细胞培育,便是将生物有机体的某一部分安排取出一小块,进行培育,使之成长、割裂的技能。细胞培育又名安排培育。近二十年来细胞生物学的一些重要理论研讨的展开,例如细胞全能性的提醒,细胞周期及其调控,癌变机理与细胞变老的研讨,基因表达与调控等,都是与细胞培育技能分不开的。

  体外细胞培育中,供应脱离全体的动植物细胞所需养分的是培育基,培育基中除了含有丰厚的养分物质外,一般还含有影响细胞成长和发育的一些微量物质。培育基一般有固态和液态两种,它有必要经灭菌处理后才可运用。此外,温度、光照、振动频率等也都是影响培育的重要条件。

  第一步,从健康植株的特定部位或安排,如根、茎、叶、花、果实、花粉等,挑选用于培育的开端资料(外植体)。

  第二步,用必定的化学药剂(最常用的有次氯酸钠、升汞和酒精等)对外植体外表消毒,树立无菌培育体系。

  第三步,构成愈伤安排和器官,由愈伤安排再分解出芽并可进一步诱导构成小植株。

  动物细胞培育有两种办法。一种叫非贴壁培育:也便是细胞在培育进程中不贴壁, 条件较为杂乱, 难度也大一些,可是简单一起取得许多的培育细胞。这种办法一般用于淋巴细胞、肿瘤细胞和一些转化细胞的培育。另一种培育办法是贴壁培育:也称为细胞贴壁,贴壁后的细胞呈单层成长,所以此法又名单层细胞培育。大多数哺乳动物细胞的培育有必要选用这种办法。

  动物细胞不能选用离体培育,以人的皮肤细胞培育为例,动物细胞培育的首要进程如下:

  第三步,将涣散的细胞进行洗刷并纯化后,以适合的浓度加在培育基中,37℃下培育,并当令进行传代。(图4-31)

  在细胞培育中,咱们常常运用一个词——克隆。克隆一词是由英文clone音译而来,指无性繁衍以及由无性繁衍而得到的细胞集体或生物集体。细胞克隆是指细胞的一个无性繁衍系。天然界早已存在天然的克隆,例如,同卵双胞胎实践上便是一种克隆。

  基因工程中,还有称为分子克隆(molecular cloning)的,是科恩等在 1973年提出的。分子克隆发生在DNA分子水平上,是指从一种细胞中把某种基因提取出来作为外源基因,在体外与载体衔接,再将其引进另一受体细胞自主仿制而得到的DNA分子无性系。

  因为克隆是无性繁衍,所以同一克隆内一切成员的遗传构成是彻底相同的,这样有利于忠诚地坚持原有种类的优秀特性。人们开端探究用人工的办法来进行高级动物克隆。哺乳动物克隆的办法首要有胚胎切割细胞核移植两种。其间,细胞核移植是展开较晚但赋有潜力的一门新技能。

  细胞核移植技能归于细胞质工程。所谓细胞核移植技能,是指用机械的办法把一个被称为“供体细胞”的细胞核(含遗传物质)移入另一个除去了细胞核被称为“受体”的细胞中,然后这一重组细胞进一步发育、分解。核移植的原理是依据动物细胞的细胞核的全能性。

  选用细胞核移植技能克隆动物的想象,开端由一位德国胚胎学家在1938年提出。从1952年起,科学家们首要选用两栖类动物展开细胞核移植克隆试验,先后取得了蝌蚪和成体蛙。1963年,我国童第周教授领导的科研组,以金鱼等为资料,研讨了鱼类胚胎细胞核移植技能,取得成功。到1995年停止,在首要的哺乳动物中,胚胎细胞核移植都取得成功,但成体动物已分解细胞的核移植一向未能取得成功。

  1996年,英国,伊恩·维尔穆特研讨小组成功地运用细胞核移植的办法培育出一只克隆羊——多利,这是国际上初次运用成年哺乳动物的体细胞进行细胞核移植而培育出的克隆动物。图4-33克隆羊示意图。

  在核移植中,并不是一切的细胞都能够作为核供体。作为供体的细胞有两种:一种是胚胎细胞,一种是某些体细胞。

  2000年6月,我国西北农林科技大学运用成年山羊体细胞克隆出两只“克隆羊”,这标明我国科学家也把握了哺乳动物体细胞核移植的尖端技能。

  核移植的研讨,不只在探明动物细胞核的全能性、细胞核与细胞质联系等重要理论问题方面具有重要的科学价值,并且在畜牧业出产中有着非常重要的经济价值和运用远景。

  细胞交融技能归于细胞交融工程。细胞交融技能是一种新的取得杂交细胞以改动细胞功用的技能,它是指在离体条件下,运用交融诱导剂,把同种或不同物种的体细胞人为地交融,构成杂合细胞的进程。细胞交融术是细胞遗传学细胞免疫学、病毒学、肿瘤学等研讨的一种重要手法

  第一步,获取亲本细胞。将取样的安排用胰蛋白酶或机械办法别离细胞,别离进行贴壁培育悬浮培育。

  第二步,诱导交融。把两种亲本细胞置于同一培育液中,进行细胞交融。动物细胞的交融进程一般是:两个细胞严密触摸→细胞膜吞并→细胞间呈现通道或细胞桥→细胞桥数添加扩展通道面积→两细胞交融为一体。

  从20世纪70年代开端,现已有许多种细胞交融成功,有植物间、动物间、动植物间乃至人体细胞与动植物间的成功交融的新的杂交植物,如 “西红柿马铃薯”、“拟南芥油菜”和“蘑菇白菜”等。(图4-36是运用细胞交融培育杂交植物)从技能水平来看,人们还不能把许多远缘的细胞交融后培育成杂种个别,尤其是动物细胞难度更大。

  酶工程是指运用酶、细胞或细胞器等具有的特异催化功用,凭借生物反响设备和经过必定的工艺手法出产出人类所需求的产品。它是酶学理论与化工技能相结合而构成的一种新技能。

  酶的出产大致阅历了四个展开阶段。开端从动物内脏中提取酶,跟着酶工程的展开,人们运用许多培育微生物来获取酶,基因基因工程诞生后,经过基因重组来改造产酶的微生物,近些年来,酶工程又呈现了一个新的抢手课题,那便是人工组成新酶,也便是人工酶。

  酶在运用中也存在着一些缺陷。如遇到高温、强酸、强碱时就会失掉活性,本钱高,价钱贵。实践运用中酶只能运用一次等。运用酶的固定化能够处理这些问题,它被称为是酶工程的中心。

  60年代初,科学家发现,许多酶经过固定化今后,活性一点点未减,稳定性反而有了进步。这一发现是酶的推行运用的转折点,也是酶工程展开的转折点。现在,酶的固定化技能一日千里。它体现在两方面:

  一是固定的办法。固定的办法有四大类:吸附法、共价键合法、交联法包埋法。

  1.能够做成各种形状,如颗粒状、管状、膜状,装在反响槽中,便于取出,便于接连、重复运用。

  现在已有数十个国家选用固定化酶和固定化细胞进行工业出产,产品包含酒精、啤酒、各种氨基酸、各种有机酸以及药品等等。

  现代的发酵工程。又名微生物工程,指选用现代生物工程技能手法,运用微生物的某些特定的功用,为人类出产有用的产品,或直接把微生物运用于工业出产进程。

  发酵是微生物特有的效果,几千年前就已被人类知道并且用来制造酒、面包等食物。20世纪20年代首要是以酒精发酵甘油发酵丙醇发酵等为主。20世纪40年代中期美国抗菌素工业鼓起,大规划出产青霉素以及日本谷氨酸盐(味精)发酵成功,大大推进了发酵工业的展开。

  20世纪70年代,基因重组技能、细胞交融等生物工程技能的飞速展开,发酵工业进入现代发酵工程的阶段。不光出产酒精类饮料、醋酸和面包,并且出产胰岛素、干扰素、成长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物,出产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用出产资料,在化学工业上出产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。

  从广义上讲,发酵工程由三部分组成:上游工程,发酵工程和下流工程。其间上游工程包含优秀种株的选育,最适发酵条件(pH、温度、溶解氧和养分组成)的确认,养分物的预备等。发酵工程首要指在最适发酵条件下,发酵罐中许多培育细胞和出产代谢产品的工艺技能。下流工程指从发酵液中别离和纯化产品的技能。

  发酵工程在医药工业、食物工业、农业、冶金工业、环境维护等许多范畴得到广泛运用。

  在现代生物技能中,蛋白质工程是在20世纪80年代初期呈现的。蛋白质工程是指在深化了解蛋白质空间结构以及结构与功用的联系,并在把握基因操作技能的根底上,用人工组成出产天然界本来没有的、具有新的结构与功用的、对人类日子有用的蛋白质分子。

  一是从头规划,即彻底依照人的毅力规划组成蛋白质。从头规划是蛋白质工程中最有含义也是最困难的操作类型,技能尚不老练,现已组成的蛋白质仅仅一些很小的短肽。

  二是定位骤变与部分润饰,即在已有的蛋白质根底上,只进行部分的润饰。这种经过形成一个或几个碱基定位骤变,以到达润饰蛋白质分子结构意图的技能,称为基因定位骤变技能。

  蛋白质工程的根本程序是:首要要测定蛋白质中氨基酸的次序,测定和猜测蛋白质的空间结构,树立蛋白质的空间结构模型,然后提出对蛋白质的加工和改造的想象,经过基因定位骤变和其它办法取得需求的新蛋白质的基因,然后进行蛋白质组成。(图4-37)

  因为蛋白质工程是在基因工程的根底上展开起来的,在技能方面有许多同基因工程技能类似的当地,因而蛋白质工程也被称为第二代基因工程。

  蛋白质工程为改造蛋白质的结构和功用找到了新途径,并且还预示人类能规划和发明天然界不存在的优秀蛋白质的或许性,然后具有潜在的巨大社会效益和经济效益。

  伴跟着生命科学的新打破,现代生物技能现已广泛地运用于工业、农牧业、医药、环保等许多范畴,发生了巨大的经济和社会效益。

  其次,生物技能能够进步食物质量。例如,以淀粉为质料选用固定化酶(或含酶菌体)出产高果糖浆来代替蔗糖,这是食糖工业的一场革新。

  第三,生物技能还用于开辟食物种类。运用生物技能出产单细胞蛋白为处理蛋白质缺少问题供应了一条可行之路。全国际单细胞蛋白的产值现已超越3000万吨,质量也有了严重打破,从首要用作饲料展开到走上人们的餐桌。

  首要,生物技能使一些抛弃的生物资料变废为宝。例如,运用生物技能能够从虾、蟹等甲壳类动物的甲壳中获取甲壳素。甲壳素是制造手术缝合线的极好资料,它柔软,可加速创伤愈合,还可被人体吸收而免于拆线。

  其次,生物技能为大规划出产一些稀缺生物资料供应了或许。例如,蜘蛛丝是一种特别的蛋白质,其强度大,可塑性高,可用于出产防弹背心、降落伞等用品。运用生物技能能够出产蛛丝蛋白,得到与蜘蛛丝比美的纤维。

  第三,运用生物技能可开发出新的资料类型。例如,一些微生物能产出可降解的生物塑料,避免了“白色污染”。

  生物技能一方面能进步不行再生动力的挖掘率,另一方面能开发更多可再生动力。

  现代生物技能越来越多地运用于农业中,使农业经济到达高产、高质、高效的意图。

  生物技能运用于农作物和花卉出产的方针,首要是进步产值、改进质量和取得抗逆植物。

  其次,生物技能既能改进作物质量,还能推迟植物的老练,然后延伸了植物食物的保藏期。

  第三,生物技能在培育抗逆作物中发挥了重要效果。例如,用基因工程办法培育出的抗虫灾作物,不需施用农药,既进步了栽培的经济效益,又维护了咱们的环境。我国的转基因抗虫棉种类,1999年现已推行200多万亩,发明了巨大的经济效益。

  首要,生物技能不只能加速畜禽的繁衍和成长速度,并且能改进畜禽的质量,供应优质的肉、奶、蛋产品。

  其次,生物技能能够培育抗病的畜禽种类,削减养殖业的危险。如运用转基因的办法,培育抗病动物,能够大大削减家畜瘟疫的发生,确保家畜健康,也确保人类健康。

  运用转基因植物出产疫苗是一个研讨抢手。科研人员期望能用食用植物表达疫苗,人们经过食用这些转基因植物就能到达接种疫苗的意图。现已在转基因烟草中表达出了乙型肝炎疫苗。

  转基因动物,它们的乳腺能特异性地表达外源意图基因,因而从它们产的奶中能取得所需的蛋白质药物,因为这种转基因牛或羊吃的是草,挤出的奶中含有宝贵的药用蛋白,出产本钱低,能够取得巨额的经济效益。

  医药卫生范畴是现代生物技能运用得最广泛、成果最显着、展开最敏捷、潜力也最大的一个范畴。

  运用疫苗对人体进行主动免疫是防备感染性疾病的最有用手法之一。打针或口服疫苗能够激活体内的免疫体系,发生专门针对病原体的特异性抗体。

  20世纪70年代今后,人们开端运用基因工程技能来出产疫苗。基因工程疫苗是将病原体的某种蛋白基因重组到细菌或真核细胞内,运用细菌或真核细胞来许多出产病原体的蛋白,把这种蛋白作为疫苗。例如用基因工程制造乙肝疫苗用于乙型肝炎的防备。我国出产的基因工程乙肝疫苗,首要选用酵母表达体系发生疫苗。

  生物技能的开发运用,供应了新的确诊技能,特别是和DNA确诊技能的运用,使许多疾病特别是肿瘤、流行症在前期就能得到精确确诊。

  单克隆抗体以它显着的优越性得到敏捷的展开,全国际研发成功的单克隆抗体有上万种,首要用于临床确诊、医治试剂、特异性杀伤肿瘤细胞等。有的单克隆抗体能与放射性同位素、毒素和化学药品联合在一起,用于癌症医治,它精确地找到癌变部位,杀死癌细胞,有 “生物导弹”、“肿瘤克星”之称。

  DNA确诊技能是运用重组DNA技能,直接从DNA水平作出人类遗传性疾病、肿瘤、感染性疾病等多种疾病的确诊。它具有专一性强、灵敏度高、操作简洁等长处。

  运用基因工程能许多出产一些来历稀疏价格昂贵的药物,减轻患者的担负。这些宝贵药物包含成长抑素、胰岛素、干扰素等等。

  基因医治是一种运用基因工程技能和分子遗传学原理对人类疾病进行医治的新疗法。

  国际上第一例成功的基因医治是对一位4岁的美国女孩进行的,她因为体内缺少腺苷脱氨酶而彻底损失免疫功用,医治前只能在无菌室日子,不然会因为感染而逝世。经医治,这个女孩可进入一般小学上学。到1997年6月,全国际已同意的临床基因医治计划有218项,承受基因医治和基因搬运的患者总数已有2557名患者。

  1990年,人类基因组计划在美国正式发动,2003年4月14日,中美英日法德六国科学家宣告:人类基因组序列图制形成功。人类基因组计划的完结,有助于人类知道许多遗传疾病以及癌症的致病机理,将为基因医治供应更多的理论依据。

  技能向异种移植方向展开,即运用现代生物技能,将人的基因搬运到另一个物种上,再将此物种的器官取出来置入人体,代替人的患病的“零件”。别的,还能够运用克隆技能,制造出彻底适合于人体的器官,来代替人体“病危”的器官。

  现代生物技能树立了一类新的快速精确监测与点评环境的有用办法,首要包含运用新的指示生物、运用核酸探针和运用生物传感器。

  人们别离用细菌、原生动物、藻类、高级植物和鱼类等作为指示生物,监测它们对环境的反响,便能对环境质量作出点评。

  核酸探针技能的呈现也为环境监测和点评供应了一条有用处径。例如,用杆菌的核酸探针监测水环境中的大肠杆菌。

  生物传感器在环境监测中的运用展开很快。生物传感器是以微生物、细胞、酶、抗体等具有生物活性的物质作为污染物的辨认元件,具有本钱低、易制造、运用便利、测定快速等长处。

  例如科学家运用基因工程技能,将一种昆虫的耐DDT基因搬运到细菌体内,培育一种专门“吃”DDT的细菌,许多培育,放到土壤中,土壤中的DDT就会被“吃”得一尘不染。


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