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4 细胞工程 第一章 细胞工程简介细胞工程简介 第一节第一节 生物工程生物工程 也称生物工艺学，一般称为生物技术。也称生物工艺学，一般称为生物技术。以生命科学为基础，以生命科学为基础，利用利用生物体系生物体系和和工程学工程学原理原理生产生产生物制品生物制品和和创造新物种创造新物种的一门综合的一门综合技术。技术。换言之，就是利用生物有机体（从微生物直换言之，就是利用生物有机体（从微生物直至高等动物）或其组成部分（器官组织细胞）至高等动物）或其组成部分（器官组织细胞）发展新工艺或制造新产品的一种科学技术。发展新工艺或制造新产品的一种科学技术。1.1.生物工程的发展历程生物工程的发展历程 第一代生物工程第一代生物工程 40004000年前年前 酿酒酿酒 1674 1674 显微镜显微镜 列文虎克发现微生物列文虎克发现微生物 清康熙十九年清康熙十九年 8 9 古代的中国是怎么酿酒 蒸煮粮食，蒸煮粮食，是中国人酿酒的第一道程序，粮食拌入酒曲，经过是中国人酿酒的第一道程序，粮食拌入酒曲，经过蒸煮后，更有利于发酵，蒸煮后，更有利于发酵，在传统工艺中，半熟的粮食出锅后，要铺撒在地面上，这是酿在传统工艺中，半熟的粮食出锅后，要铺撒在地面上，这是酿酒的第二道程序，也就是搅拌、配料、堆积和前期发酵的过酒的第二道程序，也就是搅拌、配料、堆积和前期发酵的过程。晾晒粮食的地面有一个专门的名字，程。晾晒粮食的地面有一个专门的名字，叫晾堂叫晾堂。酒窖，酒窖，内壁和底部都用纯净的黄泥土涂抹，窖泥厚度内壁和底部都用纯净的黄泥土涂抹，窖泥厚度8厘米到厘米到25厘米不等。厘米不等。酒窖里进行的是酿酒的第三道程序，对原料进酒窖里进行的是酿酒的第三道程序，对原料进行行后期发酵。后期发酵。经过窖池发酵老熟的酒母，经过窖池发酵老熟的酒母，酒精浓度还很低，需要经进一步的酒精浓度还很低，需要经进一步的蒸馏和冷凝，才能得到较高酒精浓度的白酒，传统工艺采用俗蒸馏和冷凝，才能得到较高酒精浓度的白酒，传统工艺采用俗称天锅的蒸馏器来完成。称天锅的蒸馏器来完成。在基座上架着巨大的天锅，天锅分上下两层，下面的锅里装在基座上架着巨大的天锅，天锅分上下两层，下面的锅里装酒母，上面的锅里装冷水，基座上柴火旺盛，蒸煮酒母，含有酒母，上面的锅里装冷水，基座上柴火旺盛，蒸煮酒母，含有酒精的气体被上面的冷水冷却，凝成液体，从管道流出，酒精的气体被上面的冷水冷却，凝成液体，从管道流出，这就这就是蒸馏酒是蒸馏酒。1857 巴斯德巴斯德 清朝咸丰年间清朝咸丰年间(18501861)证实酒精发酵是由活酵母引起的，其他发酵产物也是证实酒精发酵是由活酵母引起的，其他发酵产物也是由不同微生物的作用而形成。由不同微生物的作用而形成。19世纪末到世纪末到20世纪世纪30年代年代,工业发酵过程陆续出现，工业发酵过程陆续出现，如如，乳酸，乳酸,酒精酒精,丙酮丙酮,柠檬酸柠檬酸,淀粉酶淀粉酶等的生产。上述等的生产。上述产品产品大多数是嫌气发酵过程的产物，产物的化学结大多数是嫌气发酵过程的产物，产物的化学结构比较简单，属于初级代谢产物，同时生产过程也构比较简单，属于初级代谢产物，同时生产过程也比较简单，对设备的要求不高，规模不大。比较简单，对设备的要求不高，规模不大。第二代生物工程第二代生物工程(近代生物工程近代生物工程)1928 1928 发现青霉素，发现青霉素，19431943年年,工业化工业化 2020世纪世纪4040年代第二次世界大战时期，军队需年代第二次世界大战时期，军队需要一种有效而副作用小的抗细菌感染的药物治要一种有效而副作用小的抗细菌感染的药物治疗因创伤引起的感染及继发性疾病。疗因创伤引起的感染及继发性疾病。1928 1928 弗莱明发现青霉素。弗莱明发现青霉素。19401940年证明具有卓越疗效和低毒。但是大规年证明具有卓越疗效和低毒。但是大规模制备困难。模制备困难。19411941年，美国和英国合作对青霉素的大规年，美国和英国合作对青霉素的大规模生产技术进行研究和开发，模生产技术进行研究和开发，19431943年开发出一条青霉素沉浸培养工艺。年开发出一条青霉素沉浸培养工艺。不久，不久，链霉素，金霉素，新霉素链霉素，金霉素，新霉素等相续问等相续问世，抗生素工业的兴起标志着工业微生物世，抗生素工业的兴起标志着工业微生物的生产进入了一个新的阶段。的生产进入了一个新的阶段。抗生素生产的经验促进其他发酵产品的发展，最突抗生素生产的经验促进其他发酵产品的发展，最突出的是出的是20世纪世纪50年代氨基酸发酵工业和年代氨基酸发酵工业和60年代的酶年代的酶制剂工业，与第一代生物工程产品相比，这一时期制剂工业，与第一代生物工程产品相比，这一时期的特点是：的特点是：产品类型多产品类型多,包括初级代谢产物，次级代谢产物，包括初级代谢产物，次级代谢产物，以及生物转化，酶反应等产品。以及生物转化，酶反应等产品。技术要求高技术要求高,生产过程需在无菌条件下进行，大多生产过程需在无菌条件下进行，大多数为好气发酵数为好气发酵 发酵规模大发酵规模大 第三代生物工程第三代生物工程(现代生物工程现代生物工程)19531953年年,美国的沃森和克里克发现了美国的沃森和克里克发现了DNADNA双螺双螺旋结构，为旋结构，为DNADNA重组奠定了基础，重组奠定了基础，19741974年美年美国的国的波依耳和科恩波依耳和科恩首次在实验室中实现了基首次在实验室中实现了基因转移，从而使人们有可能在实验室中组建因转移，从而使人们有可能在实验室中组建按照人们意志设计新的生命体。按照人们意志设计新的生命体。20 20 世纪世纪7070年代后，随着基因重组，细胞和组年代后，随着基因重组，细胞和组织培养，酶的固定化，动物植物细胞的大规织培养，酶的固定化，动物植物细胞的大规模培养，现代化生物反应器和计算机的应模培养，现代化生物反应器和计算机的应用，以及产品分离，纯化等技术的发展，生用，以及产品分离，纯化等技术的发展，生物工程进入了一个新的发展阶段物工程进入了一个新的发展阶段-现代现代生物工程阶段。生物工程阶段。这期间的现代生物技术以及产品的特点是运用这期间的现代生物技术以及产品的特点是运用了了DNADNA重组技术，产品有：重组技术，产品有：干扰素，胰岛素，生长激素及其相关因子，淋巴细胞活素，血纤维蛋白溶解剂，疫苗，胸腺素，白蛋白，血因子，促红细胞生长素，促血小板生长素，降血钙素，绒帽促性腺激素，抗血友病因子，乙型肝炎疫苗，以及氨基酸，食品加工酶，单细胞蛋白，生物杀虫剂，生物杀菌剂，生物完全降解塑料等等。等等。16 其中最具代表性生物技术产品为其中最具代表性生物技术产品为转基因生物和转基因生物和克隆动物克隆动物。目前，美国。目前，美国4040以上的农田种植了以上的农田种植了经过基因改良的作物。我国批准生产的转基因经过基因改良的作物。我国批准生产的转基因作物为棉花和番木瓜。作物为棉花和番木瓜。19961996年年7 7月英国成功采月英国成功采用成体体细胞克隆出绵羊多莉更是一项里程碑用成体体细胞克隆出绵羊多莉更是一项里程碑的现代生物工程成果。的现代生物工程成果。18 现代生物工程的特点和组成 生物工程与生物学生物工程与生物学,化学等基化学等基础理论科学的区别显而易见础理论科学的区别显而易见,后者主要为前者提供某种生物后者主要为前者提供某种生物产品的制造的理论支撑。生物产品的制造的理论支撑。生物工程操作的对象是有生命的物工程操作的对象是有生命的物质质,这是与化学工程等其他工这是与化学工程等其他工程类学科最明显的不同。程类学科最明显的不同。20 2.生物技术的组成生物技术的组成 发酵工程发酵工程 酶工程酶工程 蛋白质工程蛋白质工程 基因工程基因工程 生化工程生化工程 细胞工程细胞工程 现代发酵工程主要指利用微现代发酵工程主要指利用微生物生物、包括利用包括利用DNADNA重组技重组技术改造的微生物在全自动发术改造的微生物在全自动发酵罐或生物反应器中生产某酵罐或生物反应器中生产某种商品的技术种商品的技术。现代发酵工程现代发酵工程是生物代谢是生物代谢、微生物生长动力学微生物生长动力学、大型发大型发酵罐或生物反应器研制酵罐或生物反应器研制、化化工原理等密切结合和应用的工原理等密切结合和应用的结果结果。a.发酵工程 24 b.酶酶 工工 程程 酶可特定地促成某个化学反应而他们本身却不参与酶可特定地促成某个化学反应而他们本身却不参与反应，具有反应效率高，反应条件温和，反应产物反应，具有反应效率高，反应条件温和，反应产物污染小，能耗低，反应容易控制等特点。污染小，能耗低，反应容易控制等特点。酶工程就是利用酶的催化作用，采用适当的生物反酶工程就是利用酶的催化作用，采用适当的生物反应器工业化地生产人类所需的产品或是达到某一特应器工业化地生产人类所需的产品或是达到某一特殊目的的一门生物工程技术。殊目的的一门生物工程技术。酶工程开发生产的酶主要酶工程开发生产的酶主要6大类，氧化还原酶，转移大类，氧化还原酶，转移酶，水解酶，裂解酶，连接酶，异构酶。酶，水解酶，裂解酶，连接酶，异构酶。蔗糖转葡糖基酶蔗糖转葡糖基酶 27 酶工程的研究和应用范围包括：酶工程的研究和应用范围包括：天然酶的分离纯化以及鉴定和生产天然酶的分离纯化以及鉴定和生产 酶的固定化酶的固定化 酶生物反应器的研制和应用酶生物反应器的研制和应用 基因工程水平上的蛋白质改造：基因工程水平上的蛋白质改造：通过基因融合或通过基因融合或基因定位诱变等手段改变蛋白质的结构和功能；将基因定位诱变等手段改变蛋白质的结构和功能；将DNA合成技术用于蛋白质功能片断多肽基因的合合成技术用于蛋白质功能片断多肽基因的合成，可创造结构和功能全新的蛋白质。成，可创造结构和功能全新的蛋白质。蛋白质修饰：蛋白质修饰：对蛋白质分子进行化学修饰，提高对蛋白质分子进行化学修饰，提高蛋白质的稳定性或催化能力，或更适合酶固定化而蛋白质的稳定性或催化能力，或更适合酶固定化而用于实践。还可延长蛋白质药物的生物半衰期，改用于实践。还可延长蛋白质药物的生物半衰期，改变其免疫原性，提高对蛋白酶的抗性。变其免疫原性，提高对蛋白酶的抗性。c.c.蛋白质工程蛋白质工程 “后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究，包括研究蛋白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作用。蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动力学等结构与功能认识的基础上，对蛋白质人工改造与合成，最终获得商业化的产品。基因工程是根据分子生物学和遗传学原理基因工程是根据分子生物学和遗传学原理，设计并实施一项把设计并实施一项把一个生物体中有用的目一个生物体中有用的目的的DNA(DNA(遗传信息遗传信息)转入另一个生物体中转入另一个生物体中，使后者获得新的需要的遗传性状或表达所使后者获得新的需要的遗传性状或表达所需要的产物需要的产物，最终实现该技术的商业价值最终实现该技术的商业价值。d.基因工程 基因工程与建筑工程基因工程与建筑工程 e.生化工程生化工程 生物化学工程是由生物科学与化学工程相结合生物化学工程是由生物科学与化学工程相结合的交叉学科，的交叉学科，主要研究将生物技术的实验室研主要研究将生物技术的实验室研究成果转化为生产力过程带有共性的工程技术究成果转化为生产力过程带有共性的工程技术问题，问题，是生物技术的一个重要组成部分。是生物技术的一个重要组成部分。早期的生物化学工程曾经为发酵和酶反应过程早期的生物化学工程曾经为发酵和酶反应过程的产品迅速发展做出杰出贡献。的产品迅速发展做出杰出贡献。20世纪世纪80年代后，生物化学工程则主要转向为年代后，生物化学工程则主要转向为基因工程，细胞工程等现代生物技术产品的产基因工程，细胞工程等现代生物技术产品的产业化服务。业化服务。今后生物化学工程重点研究方向大致包括以下今后生物化学工程重点研究方向大致包括以下4 4个方面：个方面：1 1、新型生物反应器系统以及相关培养和放大技、新型生物反应器系统以及相关培养和放大技术术,工艺的研究与开发工艺的研究与开发