1、細(xì)細(xì) 胞胞 工工 程程 （cell engineering） 開課目的開課目的 全面了解細(xì)胞工程研究方法與技術(shù)，彌補(bǔ)細(xì)胞 生物學(xué)授課、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少的缺陷； 利用細(xì)胞工程學(xué)方法和原理，聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際指 導(dǎo)和開展 生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)； 對(duì)(備考)研究生拓寬思路、開闊眼界、提高分 析應(yīng)變能力。 第一章第一章 緒論緒論 細(xì)胞工程在整個(gè)生物工程中的地位和作用細(xì)胞工程在整個(gè)生物工程中的地位和作用 一、生物技術(shù)是世界高技術(shù)的主體一、生物技術(shù)是世界高技術(shù)的主體 克隆 轉(zhuǎn)基因動(dòng)物、轉(zhuǎn)基因植物 試管嬰兒 人類基因組計(jì)劃、后基因組時(shí)代 生物安全 生物多樣性 一個(gè)基因或一個(gè)物種可影響一個(gè)國(guó)家的濟(jì)濟(jì)發(fā)展； 一個(gè)優(yōu)良生態(tài)群落的建立

2、可以改善一個(gè)地區(qū)環(huán)境； 一個(gè)物種的滅絕可能影響到幾十個(gè)物種的生存； 生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)已成為21世紀(jì)最主要的支柱產(chǎn)業(yè)。 因此，生命科學(xué)對(duì)當(dāng)今社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和知識(shí)創(chuàng)新都 發(fā)揮著重要的、不可替代的作用。 20世紀(jì)生命科學(xué)的巨大成就世紀(jì)生命科學(xué)的巨大成就： 第一次革命性進(jìn)展第一次革命性進(jìn)展孟德爾遺傳規(guī)律的再發(fā)現(xiàn)； 摩爾根的基因論。 第二次革命性進(jìn)展第二次革命性進(jìn)展沃森、克里克提出DNA的雙 螺旋結(jié)構(gòu)模型。 第三次革命性進(jìn)展第三次革命性進(jìn)展 人類基因組計(jì)劃和動(dòng)物克隆 20世紀(jì)全球最有影響的三大科學(xué)計(jì)劃世紀(jì)全球最有影響的三大科學(xué)計(jì)劃： 曼哈頓工程（原子彈計(jì)劃） 阿波羅工程（登月計(jì)劃） 人類基因組計(jì)劃 20世紀(jì)80

3、年代以來(lái)，在世界新技術(shù)革命浪潮日益高漲的 形勢(shì)下，科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)特別值得注意的動(dòng)向是發(fā)達(dá) 國(guó)家或國(guó)家集團(tuán)之間的高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)日益激化，都在試圖調(diào) 整戰(zhàn)略，研究對(duì)策，提出著眼于21世紀(jì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略措施和 構(gòu)想。 美國(guó)的“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃 歐洲共同體的“尤里卡”計(jì)劃 日本的“人類新領(lǐng)域研究計(jì)劃” 經(jīng)互會(huì)成員國(guó)的“2000年科學(xué)技術(shù)進(jìn)步綜合綱要” 1 世界高技術(shù)的興起世界高技術(shù)的興起 學(xué)術(shù)界認(rèn)為： 具有具有六大基本特征六大基本特征：創(chuàng)新性、智力性、帶動(dòng)性、戰(zhàn)：創(chuàng)新性、智力性、帶動(dòng)性、戰(zhàn) 略性、風(fēng)險(xiǎn)性、時(shí)效性。略性、風(fēng)險(xiǎn)性、時(shí)效性。 體現(xiàn)在體現(xiàn)在六高六高：高效益（高額利潤(rùn)）、高智力（創(chuàng)：高效益（高額利潤(rùn)）

4、、高智力（創(chuàng) 新性和突破性）、高投入（前期研究開發(fā)需大量投新性和突破性）、高投入（前期研究開發(fā)需大量投 資）、高競(jìng)爭(zhēng)（時(shí)效性，競(jìng)爭(zhēng)異常激烈）、高風(fēng)險(xiǎn)、資）、高競(jìng)爭(zhēng)（時(shí)效性，競(jìng)爭(zhēng)異常激烈）、高風(fēng)險(xiǎn)、 高潛能。高潛能。 也可以說(shuō)，高技術(shù)是新技術(shù)中的特別部分，是也可以說(shuō)，高技術(shù)是新技術(shù)中的特別部分，是 第二次世界大戰(zhàn)后涌現(xiàn)出的新技術(shù)群的核心，是第二次世界大戰(zhàn)后涌現(xiàn)出的新技術(shù)群的核心，是 當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)的制高點(diǎn)，由此開發(fā)改變著世界的當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)的制高點(diǎn)，由此開發(fā)改變著世界的 面貌，誰(shuí)能取得高技術(shù)優(yōu)勢(shì)，誰(shuí)就能掌握面貌，誰(shuí)能取得高技術(shù)優(yōu)勢(shì)，誰(shuí)就能掌握21世紀(jì)世紀(jì) 的主動(dòng)權(quán)。的主動(dòng)權(quán)。 高技術(shù)是指那些能帶來(lái)高

5、經(jīng)濟(jì)效益、具有高增值高技術(shù)是指那些能帶來(lái)高經(jīng)濟(jì)效益、具有高增值 作用，并能向經(jīng)濟(jì)和社會(huì)各領(lǐng)域廣泛滲透的新技術(shù)作用，并能向經(jīng)濟(jì)和社會(huì)各領(lǐng)域廣泛滲透的新技術(shù) 目前得到世界各國(guó)公認(rèn)并將列入目前得到世界各國(guó)公認(rèn)并將列入21世紀(jì)重點(diǎn)研究開發(fā)世紀(jì)重點(diǎn)研究開發(fā) 的高技術(shù)領(lǐng)域包括：的高技術(shù)領(lǐng)域包括： 生物技術(shù)生物技術(shù) 信息技術(shù)信息技術(shù) 新材料技術(shù)新材料技術(shù) 新能源技術(shù)新能源技術(shù) 海洋開發(fā)技術(shù)和空間技術(shù)（航天、航空技術(shù)海洋開發(fā)技術(shù)和空間技術(shù)（航天、航空技術(shù)） 2 高技術(shù)的領(lǐng)域高技術(shù)的領(lǐng)域 相互關(guān)系相互關(guān)系 信息技術(shù)是高技術(shù)的主導(dǎo)和核心 新材料技術(shù)是技術(shù)進(jìn)步的突破口 生物技術(shù)是21世紀(jì)技術(shù)革命的主角 總的發(fā)展順序

6、總的發(fā)展順序 以信息技術(shù)為先導(dǎo) 以新材料技術(shù)為基礎(chǔ) 以新能源技術(shù)為支柱 沿微尺度領(lǐng)域向生物技術(shù)開拓，沿宏尺度領(lǐng)域向海洋和空 間技術(shù)發(fā)展。 信息技術(shù)信息技術(shù)（主導(dǎo)和核心） 海洋和空間技術(shù)海洋和空間技術(shù) 新材料技術(shù)新材料技術(shù)（基礎(chǔ)）生物技術(shù)生物技術(shù) 新能源技術(shù)新能源技術(shù)（支柱） （人類活動(dòng)的疆域） （無(wú)生命的三要素） （生命現(xiàn)象） 譯自英文“Biotechnology”，有人也譯為生物工程或 生物工藝學(xué)。指通過(guò)技術(shù)手段，利用生物體或生物過(guò)程指通過(guò)技術(shù)手段，利用生物體或生物過(guò)程 來(lái)生產(chǎn)有經(jīng)濟(jì)價(jià)值產(chǎn)品或創(chuàng)造新物種的綜合技術(shù)來(lái)生產(chǎn)有經(jīng)濟(jì)價(jià)值產(chǎn)品或創(chuàng)造新物種的綜合技術(shù) 生物技術(shù)涉及的內(nèi)容有狹義和廣義兩種理

7、解 狹義狹義：指基因重組、細(xì)胞融合、固定化酶與細(xì)胞、生物反 應(yīng)器等技術(shù)領(lǐng)域。 廣義廣義： 包括資源、能量、糧食、飼料生產(chǎn)以及為凈化環(huán)境所 進(jìn)行的物質(zhì)分解及發(fā)酵技術(shù)等。 二、生物技術(shù)的概念二、生物技術(shù)的概念 生物技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史生物技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史 三、生物技術(shù)的發(fā)展歷程三、生物技術(shù)的發(fā)展歷程 廣義的生物技術(shù)源源流長(zhǎng)，可以與人類文明史廣義的生物技術(shù)源源流長(zhǎng)，可以與人類文明史 同樣古老。用谷物釀酒、制醋做醬油，已有幾千同樣古老。用谷物釀酒、制醋做醬油，已有幾千 年的歷史。在漫長(zhǎng)的歷史長(zhǎng)河中，人類馴化、培年的歷史。在漫長(zhǎng)的歷史長(zhǎng)河中，人類馴化、培 育了許許多多新品種，但這些都談不上對(duì)生物學(xué)育了許許多多新

8、品種，但這些都談不上對(duì)生物學(xué) 原理和工程技術(shù)的自覺運(yùn)用，因而尚屬低級(jí)的傳原理和工程技術(shù)的自覺運(yùn)用，因而尚屬低級(jí)的傳 統(tǒng)生物技術(shù)。統(tǒng)生物技術(shù)。 第一代生物工程第一代生物工程 石器時(shí)代后期：我國(guó)人民就利用谷物造酒（早期發(fā)石器時(shí)代后期：我國(guó)人民就利用谷物造酒（早期發(fā) 酵技術(shù)）酵技術(shù)） 周代后期：我國(guó)人民開始制豆腐、醬、醋等周代后期：我國(guó)人民開始制豆腐、醬、醋等 公元公元10世紀(jì)：我國(guó)利用活疫苗預(yù)防天花世紀(jì)：我國(guó)利用活疫苗預(yù)防天花 明代：廣泛種植痘苗以預(yù)防天花明代：廣泛種植痘苗以預(yù)防天花 16世紀(jì)：我國(guó)醫(yī)生就了解狂犬病的原因。世紀(jì)：我國(guó)醫(yī)生就了解狂犬病的原因。 在西方，蘇美爾人和巴比倫人在公元前在西方

9、，蘇美爾人和巴比倫人在公元前6000年就開年就開 始啤酒發(fā)酵，埃及人則在公元前始啤酒發(fā)酵，埃及人則在公元前4000年就開始制造面包。年就開始制造面包。 19世紀(jì)世紀(jì)60年代，法國(guó)科學(xué)家證實(shí)發(fā)酵是由微生物引年代，法國(guó)科學(xué)家證實(shí)發(fā)酵是由微生物引 起的，并建立起微生物的純種培養(yǎng)技術(shù)，從而為發(fā)酵技起的，并建立起微生物的純種培養(yǎng)技術(shù)，從而為發(fā)酵技 術(shù)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)，結(jié)束了古老的生物技術(shù)時(shí)代，術(shù)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)，結(jié)束了古老的生物技術(shù)時(shí)代， 使發(fā)酵技術(shù)納入科學(xué)軌道。使發(fā)酵技術(shù)納入科學(xué)軌道。 20世紀(jì)世紀(jì)20-30年代，工業(yè)上大量發(fā)酵生產(chǎn)化年代，工業(yè)上大量發(fā)酵生產(chǎn)化 工原料：酒精、乳酸、丙酮、丁醇等

10、。真正意工原料：酒精、乳酸、丙酮、丁醇等。真正意 義上的生物工程正式誕生。義上的生物工程正式誕生。 近代生物工程近代生物工程 50年代青霉素大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)帶動(dòng)了年代青霉素大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)帶動(dòng)了 其它抗生素和酶制劑其它抗生素和酶制劑 60年代產(chǎn)生了遺傳育種學(xué)，其輝煌成就年代產(chǎn)生了遺傳育種學(xué)，其輝煌成就 被譽(yù)為被譽(yù)為“第一次綠色革命第一次綠色革命” 上述諸方面還不具備高技術(shù)的要素，故只能上述諸方面還不具備高技術(shù)的要素，故只能 被視為傳統(tǒng)生物技術(shù)。被視為傳統(tǒng)生物技術(shù)。 現(xiàn)代生物技術(shù)：現(xiàn)代生物技術(shù)： 70年代末80年代初隨著基因重組、細(xì)胞和組織培養(yǎng)、酶 的固定化、現(xiàn)代化生物反應(yīng)器和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用以及產(chǎn)

11、品分 離、純化等技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)，以現(xiàn)代生物學(xué)研 究成果為基礎(chǔ)，以基因工程為核心的新興學(xué)科。 1953年，Watson和Crick提出DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn) 一步闡明DNA的半保留復(fù)制模型。 1961年M.Nirenberg等破譯了遺傳密碼 1972年Berg首先實(shí)現(xiàn)了DNA的體外重組，它對(duì)人們提供 了一種全新的技術(shù)手段，形成了具有劃時(shí)代意義和戰(zhàn)略價(jià) 值的現(xiàn)代生物技術(shù)。 80年代轉(zhuǎn)基因動(dòng)物和克隆動(dòng)物的興起 學(xué)術(shù)界（生物學(xué)界）普遍將生物技術(shù)概括為四大領(lǐng)域，即： 潛力巨大的基因工程基因工程 前途廣闊的細(xì)胞工程細(xì)胞工程 充滿希望的酶工程酶工程 生機(jī)勃勃的發(fā)酵工程發(fā)酵工程 后起之秀后起之

12、秀 生物化學(xué)工程生物化學(xué)工程 蛋白質(zhì)工程（第二代基因工程）蛋白質(zhì)工程（第二代基因工程） 四、生物技術(shù)的技術(shù)領(lǐng)域四、生物技術(shù)的技術(shù)領(lǐng)域 各領(lǐng)域之間的協(xié)調(diào)關(guān)系各領(lǐng)域之間的協(xié)調(diào)關(guān)系 普遍認(rèn)為： 細(xì)胞工程是基礎(chǔ)細(xì)胞工程是基礎(chǔ) 酶工程酶工程和和發(fā)酵工程發(fā)酵工程 是利用酶學(xué)和發(fā)酵原理相結(jié)合的 一種技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系，它有賴于基因工程和細(xì)胞工程的 發(fā)展。 基因工程是關(guān)鍵基因工程是關(guān)鍵 （實(shí)質(zhì)）（實(shí)質(zhì)） 生化工程生化工程 是由生物科學(xué)與化學(xué)工程相結(jié)合的交叉學(xué) 科，研究生物技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力過(guò)程的 工程技術(shù)問(wèn)題。 蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程是利用生物技術(shù)手段對(duì)蛋白質(zhì)的DNA編碼 序列進(jìn)行有目的的改造并分離、修飾、

13、純化蛋白質(zhì) 通過(guò)諸類工程，人們有望解決當(dāng) 今世界人類面臨的各種重大問(wèn)題， 如：人口飛長(zhǎng)、食物短缺、能源危 機(jī)、環(huán)境污染以及威脅人類健康和 生命的疑難病癥（癌癥、艾滋病、 心血管疾病及各種傳染?。?。 細(xì)胞工程（細(xì)胞工程（cell engineering） 是指以細(xì)胞為研究對(duì)象，應(yīng)用生命是指以細(xì)胞為研究對(duì)象，應(yīng)用生命 科學(xué)理論，借助工程學(xué)原理與技術(shù)，科學(xué)理論，借助工程學(xué)原理與技術(shù)， 有目的地利用或改造生物遺傳性狀，有目的地利用或改造生物遺傳性狀， 以獲得特定細(xì)胞、組織產(chǎn)品或新型以獲得特定細(xì)胞、組織產(chǎn)品或新型 物種的綜合技術(shù)物種的綜合技術(shù) 細(xì)胞工程的發(fā)展史細(xì)胞工程的發(fā)展史 在植物界： 1902年，預(yù)

14、言植物細(xì)胞的全能性 1934年，發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)素對(duì)植物細(xì)胞培養(yǎng)的作用 1937年，首次培養(yǎng)胡蘿卜組織成功 1958年，發(fā)現(xiàn)胡蘿卜的體細(xì)胞可以轉(zhuǎn)化成體細(xì)胞胚， 驗(yàn)證了細(xì)胞全能學(xué)說(shuō) 1972年，用硝酸鈉首次誘導(dǎo)兩個(gè)不同種的煙草原 生質(zhì)體融合，獲得世界上體細(xì)胞雜種植株。 探索期探索期 在動(dòng)物界：1885年，盧克斯發(fā)現(xiàn)雞的神經(jīng)元可以存活 1892年，杜里舒利用海膽2細(xì)胞胚分離成單 細(xì) 胞，通過(guò)培養(yǎng)獲得完整幼蟲。 1907年，哈里森開創(chuàng)動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的先河 1923年，卡雷爾設(shè)計(jì)了動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)用的卡 式培養(yǎng)瓶 1925年，馬克西姆改良了蓋片懸滴培養(yǎng)法。 1938年，施佩曼提出通過(guò)核移植克隆動(dòng)物的 設(shè)想 1956

15、-1959年，斯沃爾利用低溫處理獲得三倍體三棘年，斯沃爾利用低溫處理獲得三倍體三棘 刺刺 魚，并飼養(yǎng)至成熟。魚，并飼養(yǎng)至成熟。 1959年，美籍華人學(xué)者張明覺試管兔年，美籍華人學(xué)者張明覺試管兔第第1個(gè)體外受個(gè)體外受 精動(dòng)物。精動(dòng)物。 1962年，首次成功進(jìn)行了倉(cāng)鼠腎細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)。年，首次成功進(jìn)行了倉(cāng)鼠腎細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)。 1958-1965年，發(fā)現(xiàn)病毒可以誘導(dǎo)細(xì)胞融合。年，發(fā)現(xiàn)病毒可以誘導(dǎo)細(xì)胞融合。 誕生期誕生期 1960年，建立了蘭花的微繁殖方法。年，建立了蘭花的微繁殖方法。 1958-1960年，原生質(zhì)體制備成功。年，原生質(zhì)體制備成功。 1970年，華裔加籍學(xué)者高國(guó)楠發(fā)現(xiàn)聚乙二醇可誘導(dǎo)年，

16、華裔加籍學(xué)者高國(guó)楠發(fā)現(xiàn)聚乙二醇可誘導(dǎo) 細(xì)胞融合。細(xì)胞融合。 1972年，用硝酸鈉首次誘導(dǎo)兩個(gè)不同種的煙草原 生質(zhì)體融合，獲得世界上體細(xì)胞雜種植株 1973年，煙草花藥培養(yǎng)獲得植株。 1973年，通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)獲得人參皂苷。 快速發(fā)展期快速發(fā)展期 1973年，童第周通過(guò)核移植成功獲得種間雜種魚。年，童第周通過(guò)核移植成功獲得種間雜種魚。 1975年，科勒等人建立小鼠淋巴細(xì)胞雜交瘤技術(shù)。年，科勒等人建立小鼠淋巴細(xì)胞雜交瘤技術(shù)。 1977年，首例試管嬰兒?jiǎn)柺?。年，首例試管嬰兒?jiǎn)柺馈?1987年，建立轉(zhuǎn)基因乳腺生物反應(yīng)器。年，建立轉(zhuǎn)基因乳腺生物反應(yīng)器。 1997年，年， “多莉多莉”誕生，高等動(dòng)物體細(xì)胞核

17、全能性。誕生，高等動(dòng)物體細(xì)胞核全能性。 1998年，科學(xué)家成功分離建立了人的胚胎干細(xì)胞系。年，科學(xué)家成功分離建立了人的胚胎干細(xì)胞系。 細(xì)胞工程的細(xì)胞工程的主要技術(shù)領(lǐng)域主要技術(shù)領(lǐng)域（研究?jī)?nèi)容）（研究?jī)?nèi)容） 細(xì)胞（組織、器官）培養(yǎng)：in vivo 在體、活體、生物體內(nèi) in vitro 離體、生物體外 細(xì)胞融合（體細(xì)胞雜交、細(xì)胞并合） 細(xì)胞拆合（細(xì)胞質(zhì)工程、細(xì)胞器移植） 染色體（組）工程 繁殖生物學(xué)技術(shù)（胚胎冷凍技術(shù)、試管嬰兒、生物 復(fù)制、胚胎移植、發(fā)育工程、胚胎工程、胚胎分割 技術(shù)、胚胎融合技術(shù)、嵌合體） 細(xì)胞遺傳工程（組分移植技術(shù)） 將細(xì)胞的組分 （核、質(zhì)、染色體、甚至基因）直接移植到另一個(gè) 細(xì)胞中去的技術(shù) 干細(xì)胞與組織工程 轉(zhuǎn)基因生物與生物反應(yīng)器 細(xì)胞工程的主要應(yīng)用細(xì)胞工程的主要應(yīng)用 1 優(yōu)質(zhì)植物快速培育及繁殖優(yōu)質(zhì)植物快速培育及繁殖 2 動(dòng)物胚胎工程快速繁殖優(yōu)良、瀕危品種動(dòng)物胚胎工程快速繁殖優(yōu)良、瀕危品種 3 動(dòng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)活性產(chǎn)品、藥品動(dòng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)活性產(chǎn)品、藥品 4 新型動(dòng)、植物品種的培育新型動(dòng)、植物品種的培育 5 組織工程提供醫(yī)學(xué)器官修復(fù)或移植組織工程提供醫(yī)學(xué)器官修復(fù)或移植 6 轉(zhuǎn)基因動(dòng)、植物生物反應(yīng)器工程轉(zhuǎn)基因動(dòng)、植物生物反應(yīng)