生物技術及應用
壹、生物技術的產生與發展
生物技術作為壹種高新技術，是70年代初伴隨著DNA重組技術和淋巴細胞雜交瘤技術的發明和應用而誕生的。三十多年來，生物技術的飛速發展為醫療業、制藥業、農業、畜牧業、環保業的發展開辟了廣闊的前景，極大地改善了人們的生活。因此，世界各國都把生物技術確定為21世紀科技發展的關鍵技術和新興產業。
我國生物技術產業自20世紀80年代初起步以來，廣泛應用於醫藥、農業、食品、環保、輕化工、能源等領域。從事生物技術產品開發的企業，如雨後春筍不斷湧現。從1985年到2000年，產品銷售額增加了75.99倍，平均每年增長3358%。2000年我國生物技術產業產值已達200億元。尤其是基因工程制藥產業發展迅猛，1996年基因工程藥物和疫苗銷售額為2.2億元，2000年達到22.8億元，平均每年增長79.42%。近年來生物技術產業的年均增長率壹直保持在20%以上。
全國涉及現代生物技術的企業約500家，從業人員超過5萬人，其中涉及醫藥生物技術的企業300多家，涉及農業生物技術的200多家，壹些生物技術的新建公司正在崛起，每年增加近100家新公司。北京、上海、福州、廣州、深圳等地已建立了20多個生物技術園區，出臺了壹些優惠政策，在稅收、金融、人才引進、進出口等方面對生物技術企業給予全面支持，目前已經培育了壹大批新企業，在中國生物技術發展中起著龍頭帶動作用。
隨著中國乃至全世界範圍內生物技術產業的迅猛發展，對生物技術人才的需求也將日益增多。
二、培養目標
本專業面向二十壹世紀，培養具有生物技術與工程方面的基礎理論、基本知識、基本技能，能在生物技術與工程領域從事設計、生產和管理的高級工程技術人才。
通過學習，畢業生具體獲得以下幾方面的知識和能力：
1. 具備紮實的數學、化學、生物等基本理論和基礎知識；
2. 掌握有機化學、分析化學、生物化學、分子生物學、微生物學、基因工程、發酵工程及細胞工程等方面的基本理論、基本知識和基本技能；
3. 了解相近專業的壹般原理和知識；
4. 熟悉國家生物技術產業政策、知識產權及生物工程安全條例等有關政策和法規；
5. 了解生物技術的理論前沿、應用前景和最新發展動態以及生物技術產業發展狀況；
6．具有創新意識和獨立獲取新知識的能力。
三、主要課程
無機化學、有機化學、物理化學、分析化學、生物化學、化工原理、化學工程與技術、微生物學、分子生物學、生化工程、生物工藝學、生物工程、發酵設備、計算機應用等。
四、學制：三年
五、就業方向
專科畢業生的去向有兩類：壹類是可以繼續上本科深造；壹類是就業。因為生物技術涉及的產業面廣，包括：生物制藥（制取各種細胞因子類、核酸類、抗生素類、中藥類的藥物等），生物發酵（制取各種保健品、功能性食品、酶制劑、化學品等），生物材料（生產各種骨科康復、器官再造、生物可降解材料等），化工生產（生產生物可再生燃料、各種溶劑、精細化工產品、化學合成中間體等）…，因此，本專業培養的實用型、應用型的技術和管理人才的就業面廣，應聘機會多，可供選擇的去向具有多樣性。
六、專業前景
生物技術是當今最基礎、最前沿、應用最廣泛、發展前景最廣闊的學科之壹.隨著我國社會的發展和經濟的增長,當前面臨的諸多問題(如農業、食品、醫藥、環境等)都有賴於生物技術來解決.在我國全面對外開放,特別是加入WTO之後的新形勢下,發展生物技術對於加速我國的產業結構升級,提升我國的綜合國力有著重要的意義。
我國政府十分重視對生物技術的研究和開發應用，投入大量資金資助生物技術的研究和產業化，1996―2000年我國政府在生物技術領域投入15億元，這只是啟動生物技術部門的大計劃的壹個部分。2000―2005年計劃在該領域再投入 50 億元。同時，國家實施的"863"計劃、國家計委的高科技示範工程項目等均把生物技術列為優先發展的科技領域和高技術產業，並取得了顯著的成績。
現代生物技術的原理及應用
[知識介紹]
生物工程是生物科學與工程技術有機結合的壹門綜合性學科.它包括基因工程,細胞工程,發酵工程,酶工程等.生物工程就是對生物有機體在分子水平,細胞水平,組織水平和個體水平上進行不同層次的創造設計,從而使人類進入改造和創建新的生命形態的時代.這裏,我們主要介紹基因工程和細胞工程.
基因工程
我們常說基因是生物體進行生命活動的'藍圖',這是因為生物體可以通過基因控制蛋白質的合成,來表現出生物性狀並完成各項生命活動.那麽,人們能不能改造生物體的基因,定向地改變生物的遺傳特性呢 比如對基因進行重新組合,讓禾本科的植物也能夠固定空氣中的氮,讓細菌"吐出"蠶絲,讓微生物生產人的胰島素,幹擾素等.科學家通過努力,在20世紀70年代創立了能夠定向改造生物的技術——基因工程.
基因工程是在DNA分子水平上進行設計施工的.
基因操作的基本步驟
(1)提取目的基因.如植物的抗病基因,人的胰島素基因,幹擾素基因
(2)目的基因與運載體結合.將切下的目的基因的片段插入運載體—細菌質粒的切口處,質粒與目的基因形成壹個重組DNA分子.
(3)將目的基因導入受體細胞.用人工的方法將體外重組的DNA分子轉移到受體細胞.
(4)目的基因的表達.重組DNA分子進入受體細胞後,目的基因控制蛋白質合成,表現出特定性狀.
以人幹擾素基因作為目的基因,通過轉基因工程,目的基因在酵母中表達為例.見下圖:
轉基因技術的應用
在農牧業,食品工業上的應用
例如:
①工業生產幹擾素.
幹擾素是病毒侵入細胞後產生的壹種糖蛋白,由於幹擾素幾乎能抵抗所有病毒引起的感染,如水痘,肝炎,狂犬病等,所以它是壹種抗病毒的特效藥.1980年,科學家用基因工程方法在大腸桿菌及酵母菌細胞內獲得了幹擾素.從1987年開始,用基因工程方法生產的幹擾素進入了工業化生產階段,並且大量投放市場.
②培育高產,穩產和具有優良品質的農作物.
1981年,科學家將菜豆儲藏蛋白的基因轉移到向日葵中,培育出了"向日葵豆"植株.如果以此作為技術基礎,把大豆蛋白的基因轉移到水稻,小麥等糧食作物中,就可以提高這些作物的蛋白質含量,改善它們的品質.
③培育具有各種抗逆性的作物新品種.
1982年,科學家把細菌中的抗卡那黴素基因轉移到煙草,向日葵和胡蘿蔔等作物中,壹舉獲得成功.此後短短的幾年中,科學家又培育出了數十種具有抗病毒,抗蟲,抗除草劑的作物新品種.
在醫藥衛生事業上的應用
例如:
①基因治療:
把健康的外源基因導入有基因缺陷的細胞中,以達到治療疾病的目的.常用的基因治療手段如下:目的基因與病毒重組,目的基因被包裝入病毒顆粒中,隨著受體細胞被感染,缺失的基因得以彌補,表達出目的基因的產物.目前在遺傳性疾病的基因治療方面,主要還是研究單基因缺陷型遺傳病.由於上述方法是針對體細胞的,故不會代代相傳,不會嚴重改變人群中有關基因的遺傳平衡.
②基因診斷:
用放射性同位素,熒光分子等標記的DNA分子作探針(DNA探針:特定的DNA片段),利用DNA分子雜交原理,鑒定被檢測標本上的遺傳信息,從而達到檢測疾病的目的.例如,肝炎病毒引起的傳染病易於傳播,給診斷和治療帶來了很多困難,利用DNA探針可以迅速地檢出肝炎患者的病毒,為肝炎的診斷提供了壹種快速,簡便的方法.
③基因檢測:
據報道,用DNA探針可以檢測飲用水中病毒的含量.具體的方法是使用壹個特定的DNA片段制成探針,與被檢測的病毒DNA雜交,從而把病毒檢測出來.此方法的特點是快速,靈敏.
二,細胞工程
細胞工程是指運用細胞生物學和分子生物學的原理和方法,通過某種工程學手段,在細胞整體水平或細胞器水平上,按照人們的意願來改變細胞內的遺傳物質或獲得細胞產品的壹門綜合科學.
生物工程涉及的領域相當廣泛,就其技術範圍而言,大致有細胞融合技術,細胞拆合技術,染色體導入技術,胚胎移植技術,克隆技術等.
1,細胞融合技術
細胞融合技術是把兩個細胞在融合劑的作用下,融合成壹個雜種細胞的技術.植物細胞融合時,要先用纖維素酶去掉細胞壁,獲得原生質體後再進行融合.
科學家用植物體細胞雜交的方法,將番茄的原生質體和馬鈴薯的原生質體融合,成功地培育出了"番茄—馬鈴薯"雜種植株,以後又培育出了新的品種,例如:白菜—甘藍,胡蘿蔔—羊角芥等.不僅如此,科學家在不同種類的動物之間或動物與人的細胞之間也進行了融合,形成了雜種細胞,例如:人—鼠,鼠—兔等.
克隆技術
克隆的實質是無性繁殖,即:不經過生殖細胞的結合,由母體直接產生新個體的生殖方式.時至今日,克隆的含義不僅僅是無性繁殖,只要是壹個細胞通過培養,獲得兩個以上的細胞,細胞群或生物體的方式,都稱之為克隆.
克隆技術的理論基礎—全能性
細胞全能性:已經分化的細胞,仍然具有發育的潛能.即,已分化的細胞仍然具有發育成為完整植株的能力.
多細胞生物,壹般是由壹個受精卵經過有絲分裂而來.所以,生物體的每壹個細胞與受精卵的基因都是壹樣的.也就是說,生物體的每壹個細胞都含有本物種所有的整套遺傳物質,都有發育成完整個體所必需的全部基因.
2)克隆技術的應用
動物克隆:
以"多莉"羊的產生為例,步驟如下:
⒈核移植形成重組細胞.將A羊乳腺細胞的核移植到B羊去核的卵細胞內,形成壹個重組細胞.
⒉胚胎移植.將重組細胞在體外進行培養,形成早期胚胎後植入C羊的子宮內.
⒊"多莉"羊出生.
組織培養:
植物組織培養的大致過程是:在無菌條件下,將器官或組織(如芽,莖尖,根尖或花藥)的壹部分切下來,放在適當的人工培養基上進行培養,最初,這些器官或組織經過細胞分裂與去分化(從分化狀態變為未分化狀態),形成愈傷組織.之後,在適合的光照,溫度和壹定的營養物質與激素等條件下,愈傷組織便開始分化,產生出植物的各種組織和器官,進而發育成壹棵完整的植株.
植物組織培養不僅從植物上取材少,培養周期短,繁殖率高,而且便於自動化管理.目前,這項技術已經在花卉和果樹的快速繁殖,培育無病毒植物等方面得到了廣泛的應用.例如:用壹個蘭花莖尖就可以在壹年內生產出400萬株蘭花苗.又如:長期進行無性繁殖的植物,體內往往會積累大量的病毒,從而影響植物的產量或觀賞價值.研究發現,這些植物只有根尖和莖尖中不含病毒.因此,人們用莖尖進行組織培養,就得到了多種植物(如馬鈴薯,草莓,菊花)的無病毒植株,取得了可觀的經濟效益.
[習題選編]
白菜—甘藍雜交後產生的植株壹般是不育的,但是,科學家發現,極少數的雜交植株能產生種子,原因是:
參考答案:染色體數目加倍
2,能克服遠源雜交的不親和技術是 ( )
A,組織培養 B,動物胚胎移植 C,細胞融合 D,單倍體育種
解析:植物組織培養的優勢能夠提高自然繁殖率比較低的名貴花卉,瀕危物種等的無性繁殖率.動物胚胎移植能夠提高動物的繁殖率.單倍體育種可以加快育種的進程.細胞融合能夠克服遠源雜交的不親和性
3,下列選項中,沒有采用植物組織培養技術的壹項是 ( )
A,花藥的離體培養得到的單倍體植株.
B,秋水仙素處理萌發的種子或幼苗得到多倍體植株
C,基因工程培育抗棉鈴蟲的棉花植株
D,細胞工程培育"番茄—馬鈴薯"雜種植株.
參考答案:B
4,英國科學家維爾莫特首次用羊的體細胞(乳腺細胞)成功地克隆出壹只小羊,取名為"多莉",以下四項中與此方法在本質上最相近的是 ( )
A,兔的早期胚胎分割後,分別植入兩只母兔子宮內,並最終發育成兩只壹樣的兔.
B,將人的抗病毒基因嫁接到煙草的DNA分子上,培育出具有抗病毒能力的新品種.
C,將鼠骨髓瘤細胞與經過免疫的脾細胞融合成雜交瘤細胞.
D,將人的精子與卵細胞在體外受精,待受精卵在試管內發育到囊胚期時,再植入女性子宮內發育成"試管嬰兒"
參考答案:A
5,下列哪項技術與"試管嬰兒"無關 ( )
A,體外受精 B,動物胚胎移植 C,基因轉移技術 D,組織細胞培養技術
參考答案:C
6,細胞在分化過程中往往由於高度分化而完全失去再分裂的能力.最終衰老死亡,但機體在發展適應過程中.保留了壹部分未分化的原始細胞,稱之為幹細胞.壹旦需要,這些幹細胞按照發育途徑通過分裂而產生分化細胞,以保證局部組織損傷的修復.根據以上材料,回答下列問題:
(1)人工獲得胚胎幹細胞的方法是:將細胞核移植到去核的卵細胞內,經過壹定的處理使其發育到某壹時期,從而獲得胚胎幹細胞."某壹時期"最可能是 ( )
A,受精卵 B,八細胞胚 C,囊胚 D,原腸胚
(2)根據分裂潛能,幹細胞可分為全能幹細胞(可發育成完整的個體),多能幹細胞(可發育成多種組織和器官)和專能幹細胞(發育成專門的組織和器官),則這些細胞在個體發育中的分化順序是 ( )
A,全能—專能—多能 B,全能—多能—專能
C,多能—全能—專能 D,專能—全能—多能
(3)在全能幹細胞的發育過程中,皮膚由 胚層發育而來,眼睛由 胚層發育而來,神經系統由 胚層發育而來.
(4)個體發育過程中最原始的幹細胞是
(5)幹細胞在臨床上應用的最大優點是移植器官和患者之間無 反應.
(6)談談妳對幹細胞研究的看法.
參考答案:(1)C (2)B (3)外和中 外 外 (4)受精卵 (5)排異
(6)幹細胞研究對人類治療疾病有很大幫助.例如:利用幹細胞克隆器官,用於器官移植;利用幹細胞修復損傷的器官等.但是,如果幹細胞研究用於克隆人,則會帶來嚴峻的社會倫理問題,必須嚴肅制止.
7,近幾千年來,生命科學的發展日新月異,層出不窮,生物學的觀點不斷更新或面臨挑戰或得到補充完善.
資料壹:20世紀80年代,美國生物學家奧爾等曼和切赫研究和發現了RNA的催化功能,由此他倆獲得了1989年的諾貝爾化學家獎.
資料二:1996年英國蔓延的"瘋牛病"成為國際社會關註的焦點.引起病牛病的病原體是壹種能致病的蛋白質,它不含核酸,我們稱之為朊病毒,美國生物學家普魯辛納就是由於研究朊病毒做出的卓越貢獻,而獲得了1997年度諾貝爾醫學生理學獎.
資料三:1997年英國的克隆羊"多莉"的誕生轟動了全球.克隆羊"多莉"是英國的威爾穆特博士領導的研究小組將高度分化的成年綿羊乳腺細胞核移植到去核的卵細胞中培育成功的.
根據妳所了解的生物學知識,上述的三則資料內容對哪些原有的生物學觀點提出了挑戰或補充完善 請用簡短的文字加以說明.
參考答案:
生物催化劑酶都是蛋白質,但RNA催化功能的發現,說明酶不壹定都是蛋白質,RNA也具有
酶的功能.
以前人們認為核酸是壹切生物的遺傳物質,但朊病毒這種病原體不含核酸,卻能導致"瘋牛病",
說明除了核酸外,還應該存在其它的遺傳物質.
原來人們認為已高度分化的成體動物的體細胞已失去了全能性,克隆羊的成功,說明了高度分
化的成年動物體細胞仍然具有全能性.
8,科學家發現,人們長期接觸2,4-D(人工合成的生長素類似物)患某種癌癥的可能性要遠遠高於未接觸者.美國科學家從壹種細菌的DNA中分離得到了能降解2,4-D的基因,將其轉移到另壹種細菌細胞內,獲得了能高效降解2,4-D的轉基因菌.據此回答:
(1)2,4-D能促進雙子葉植物生長又能殺死雙子葉植物的原因是
.
(2)該轉基因菌能表現也降解2,4-D的性狀並能代代相傳,所遵循的生物學原理是
.
(3)人們在生產上不直接應用最早發現的具有降解基因的細菌,而是培育和應用轉基因
菌來降解2,4-D的可能原因是:轉基因菌與原細菌相比有如下特點:
.
參考答案:
生長素低濃度促進植物生長,高濃度抑制甚至殺死植物.
基因的功能:通過復制實現遺傳信息的傳遞.通過控制蛋白質合成實現遺傳信息的表達.
高效性
9,花藥離體培養也屬於植物的組織培養,它培育出的植株是 倍體,其染色體數目比原物種 .香蕉的組織培養形成的幼苗是 倍體.其性狀與親本相比 ,培養基的作用是 .植物的組織培養之所以能夠獲得成功,是因為細胞具有 性,即植物細胞含有的遺傳信息與胚細胞 ,只要條件適合,就可發育成完整的植株.
分析:花藥離體培養是通過植物的花粉培育出完整的植株,花粉是經過減數分裂形成的,其染色體數目減半.香蕉是利用莖尖作為外植體,莖尖細胞屬於體細胞,其染色體數目與親本壹致.
參考答案:
單 減半 三 壹致 提供營養和激素等物質 全能 相同
10,2000年11月,"廣東集愛"診療中心投入運作,標誌著試管嬰兒技術落戶到了廣州.
(1)培育試管嬰兒屬於 生殖方式.
(2)胚的發育過程是指從 發育到 階段,場所是 .
(3)後期要繼續把胚胎移植入婦女的子宮內繼續發育的原因是
.
參考答案:
(1)有性 (2)受精卵 胚 前期是體外(試管),後期是子宮
(3)胚的發育需要壹定的條件,如溫度,激素,營養,氣體濃度等,而子宮具有所有胚發育的所需條件,是胚發育的最佳場所.
11,閱讀下列材料.回答問題:
2002年1月30日《科學時報》報道 美國科學家維爾法伊領導的壹個小組發現,
成年人骨髓中存在著壹類幹細胞.可以在培養液中無限期地生長,與胚胎幹細胞極其相
似.其中的壹部分細胞系在生長近兩年後,特性依然保持完好,無任何衰老跡象.研究
人員將這些細胞稱為"多能成體祖細胞'.
此前也有壹些實驗室和生物技術公司發現,成人的皮膚,肌肉和骨髓中存在著能
形成其他組織細胞的幹細胞.研究人員稱.從理論上講"多能成體祖細胞"在壹定的條
件下 應該能夠形成心肌,大腦,肝臟,皮膚和各類神經細胞.
(1)如果在培養液中培養的"多能成體祖細胞"己傳至60代 那麽 這種細胞的遺傳物質與成年人骨髓中的幹細胞的遺傳物質( ).
A.全部相同 B.全部不同 C.大部分相同 D.大部分不同
(2)為大面積燒傷病人植皮,最好選用( )的幹細胞培育的皮膚細胞.
A.患者本人 B.父母 C.子女 D.配偶
(3)在壹定的條件下,"多能成體祖細胞"形成心肌,大腦,肝臟,皮膚和各類神經細胞需通過 和 完成.
參考答案:(1).C(2).A:(3).細胞分裂;細胞分化
12,在細胞工程——原生質體融合育種技術中 .
(1)其技術的重要壹環就是要將營養細胞的細胞壁除去,通常采用的方法是 .
(2)在不破壞植物細胞結構的前提下,可以用光學顯微鏡觀察植物細胞的細胞膜,請問如何操作才可以在光鏡下觀察到細胞膜 .
參考答案:
(1)用纖維素酶去除細胞壁
(2)當細胞液的濃度小於外界溶液的濃度時;活的成熟的植物細胞通過滲透作用失去水分;原生質層逐漸與細胞壁分離開來,這樣便可在光學顯微鏡下清晰的觀察到原生質層最外面的細胞膜
13,中國青年科學家陳大炬成功地把人的抗病毒幹擾基因"嫁接"到煙草的DNA分子上,可使煙草獲得抗療毒的能力,形j#轉基因產只,試分析回答:
(1)人的基因之所以能接到植物體內去,原因是 .
(2)煙草具有抗病毒能力,這表明煙草體內產生了 .這個事實說明,人和植物***用壹套 .
(3)該工程在農業,醫藥等方面已取得了許多成就,請妳說出三個具體實例
.
參考答案:
(1)人與植物DNA結構組成相同(2)抗病毒幹擾素;遺傳密碼
(3)將抗病毒基因嫁接到水稻中,形成抗病毒水稻新品種;將人的血型基因移入到豬體內,培育出人血的豬:將幹擾素基因移入細菌體內,培育出能產生幹擾素細菌
14,人類基因組計劃的目標是繪制四張圖,其中壹張圖用遺傳單位表示基因間的距離,另壹張圖用核著酸數目表示基因間的距離,壹張圖顯示染色體上全部DNA上約30億個減基對的排列順序,還有壹張是基因轉錄圖.這四張圖組成了不同層次的,最終為分子水平的人類"解剖圖",它揭開了決定人類生.老.病.死的所有遺傳信息——基因組之謎,將成為人類認識自我的用之不竭的知識源泉.
國際人類基因組計劃合作組織.美國塞萊拉遺傳信息公司.美國(科學)雜誌和英
國(自然)雜誌於2m1年2月門日聯合宣布:由科學家提供的初步分析中,格外引人關
註的是:原來預計多達10萬多個的人類基因總數被最終確定為3萬個左右,而與蛋白質
編碼無關的非編碼區的減基對序列卻達人類基因組序列的97%之多.
請根據以上材料回答下列問題:
(1)"人類基因組計劃"需要測定人類的24個染色體的基因和減基順序,試指出哪24個染色體 .
(2)妳認為完成"人類基因組計劃"有哪些意義 .
.
參考答案:
(l)22條常染色體和XY兩條性染色體(2)①有利於疾病的診斷和治療 ②有利於研究生物進化③有利於培育優良的高等動植物品種 ④有利於研究基因表達有調控機制