生物技術及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景biotechnologyandits-上海中醫(yī)藥大學

1、四川大學生命科學學院張義正 教授2002級碩士生,基因工程原理Principle of Gene Engineering,引 言,三大重中之重高技術,生物技術（BT)信息技術（IT）新材料技術（納米技術，NT）,生物技術概念與特征,定義： 利用活體生物或它們的產(chǎn)物來生產(chǎn)或修飾一種產(chǎn)品以改良植物和動物、或發(fā)展具有特殊用途的微生物的技術。特征： 21世紀最具潛力的高新技術 多學科、交

2、叉、綜合的技術 影響最為深遠最廣泛的技術,生物技術與生物工程的區(qū)別,Biotechnology and Bioengineering生物技術側(cè)重于利用生物學方法解決生物體本身的問題生物工程則側(cè)重于利用工程學方法解決生物學問題,生物技術的基礎,DNA操作技術基因組計劃：人類基因組和其他生物基因組計劃蛋白質(zhì)組生物信息學下游支撐技術與手段,生物技術的類別,傳統(tǒng)生物技術：制酒、制醋、制豆瓣工業(yè)生物發(fā)酵技術：抗生素發(fā)酵、

3、氨基酸發(fā)酵等現(xiàn)代生物技術,生物技術的內(nèi)容,基因工程技術蛋白質(zhì)工程技術細胞（組織）工程技術酶工程技術發(fā)酵工程技術,基因工程的概念,利用DNA體外重組或PCR擴增技術從某種生物基因組中分離感興趣的基因，或是用人工合成的方法獲取基因，然后經(jīng)過一系列切割，加工修飾，連接反應形成重組DNA分子，再將其轉(zhuǎn)入適當?shù)氖荏w細胞，以期獲得基因表達的過程.,基因工程(gene engineering)常和以下名稱混用:遺傳工程(genetic e

4、ngineering);基因克隆(gene cloning);分子克隆(molecular cloning);基因操作(gene manipulation);重組DNA技術(recombination DNA technique)克隆(clone): 作名詞時指含有某目的DNA片段的重組DNA分子或含有該重組分子的無性繁殖系.作動詞時是指基因的分離與重組過程。,基因工程技術及其應用,基因本身也是一個產(chǎn)業(yè),Rockfelle

5、r 大學將人肥胖基因出售0.2億美元（1995年3月）Amgen公司將FKBP神經(jīng)免疫因子配體轉(zhuǎn)讓達3.29億美元（1997年）Millennium公司以4.65億美元向Bayer公司轉(zhuǎn)讓225種基因的開發(fā)權（1998年9月）,蛋白質(zhì)工程的概念,在基因工程技術對編碼蛋白質(zhì)的基因的了解基礎上，對蛋白質(zhì)的氨基酸序列、結(jié)構和功能進行分析，進而通過對蛋白質(zhì)的結(jié)構、氨基酸序列和翻譯后的修飾等手段改變甚至創(chuàng)造出新的和更有效的蛋白質(zhì)。,蛋白質(zhì)工程

6、主要內(nèi)容,主要目標 蛋白質(zhì)氨基酸序列的分析 蛋白質(zhì)晶體結(jié)構分析 蛋白質(zhì)功能預測和分析 蛋白質(zhì)組分析,細胞（組織）工程概念,利用工程學原理進行細胞生物學的基礎研究和制造使用活細胞的產(chǎn)品，如組織工程和生物加工工程。前者是利用移植的細胞、骨架、DNA、蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)片段替代或修復已受傷或損壞的組織和器官；后者是 利用活細胞生產(chǎn)生物醫(yī)藥產(chǎn)品。,組織工程——人造器官,干細胞：1999年4月， 美

7、國的科研人員首次成功地從成年人骨髓的干細胞在體外培養(yǎng)分化出軟骨、脂肪和骨骼細胞。標志著干細胞的研究取得了重大進展。 以這項技術為代表的組織工程的突破具有廣闊的應用前景，在不遠的將來為實現(xiàn)人造“器官”成為可能。,酶工程的概念,是酶學與工程學的相互滲透和結(jié)合所發(fā)展起來以酶為研究對象，改造并應用酶的特異催化功能。目標就是通過工程化技術大規(guī)模生產(chǎn)和轉(zhuǎn)化相應原料成為有用物質(zhì)的技術。傳統(tǒng)的酶工程主要是指天然酶制劑在工業(yè)上的

8、大規(guī)模生產(chǎn)與應用。隨著科學的發(fā)展，尤其是基因工程技術的日趨完善，為酶工程賦予了新的內(nèi)容，特別是利用DNA操作技術，修飾改造酶分子的結(jié)構或活性位點、酶與底物作用位點，重組酶的生產(chǎn)，模擬酶的人工設計與合成等成為新的內(nèi)容。,酶工程的主要內(nèi)容,酶的分離純化酶與細胞的固定化技術及反應器酶制劑的發(fā)酵生產(chǎn)酶分子化學修飾、遺傳突變及結(jié)構改造酶抑制劑與激活劑開發(fā)與研究人工設計與合成模擬酶及酶分子,發(fā)酵工程概念,發(fā)酵工程屬于生物技術的下游技術，是

9、工業(yè)化大規(guī)模培養(yǎng)細胞、生產(chǎn)生物制品的一種技術。 傳統(tǒng)的發(fā)酵工程主要用于微生物?，F(xiàn)代生物技術還包括動物、植物細胞和工程菌的發(fā)酵培養(yǎng)。,發(fā)酵工程技術,發(fā)酵對象： 傳統(tǒng)微生物發(fā)酵、基因工程菌發(fā)酵、動物細胞培養(yǎng)、植物細胞培養(yǎng)發(fā)酵類型： 液體發(fā)酵、固體發(fā)酵、固定化培養(yǎng)、流式發(fā)酵發(fā)酵技術設備,生物技術的應用領域,醫(yī)藥： 生物制藥；基因治療；人工器官農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè) 轉(zhuǎn)基

10、因植物：抗病蟲害新品種、抗逆新品種、 高品質(zhì)新品種 轉(zhuǎn)基因動物：生產(chǎn)有用蛋白質(zhì)和高品質(zhì)的畜產(chǎn)品 生物反應器：利用動植物細胞或組織作為生物反應器，直接生產(chǎn)有用蛋白質(zhì),生物技術的應用領域,輕工與食品 新型食品；營養(yǎng)食品；保健食品；輕工用酶 環(huán)境 污染治理；廢物利用；污染物生物降解,生物技術產(chǎn)業(yè)化,生物技術產(chǎn)業(yè)：利用細胞和生物分子進行藥品、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)開發(fā)和環(huán)境治理的產(chǎn)業(yè)

11、，該產(chǎn)業(yè)技術由醫(yī)藥生物技術、農(nóng)業(yè)生物技術和環(huán)境生物技術共同組成醫(yī)藥生物技術重點攻克癌癥、艾滋病、老年癡呆癥、帕金森病、心臟病、糖尿病等危害人類的頑疾農(nóng)業(yè)生物技術著眼于提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。環(huán)境生物技術重點用于清除危險廢棄物 ----美國生物技術工業(yè)組織,生物制藥產(chǎn)業(yè)化特點,高技術：高層次人才，高新技術手段，多學

12、科滲透高投入：在國外，一個生物藥品平均要投入1~3億美元，并隨著開發(fā)難度的增大,有逐步增高的趨勢長周期：國際上，一個新的生物藥品需要6~8年時間高風險: 一個新藥品的開發(fā)，經(jīng)過一系列的程序-研發(fā)、中試、動物實驗、I~III期臨床實驗，上市和嚴格的藥政監(jiān)督管理。每一步都可能失敗，而前功盡棄高回報: 開發(fā)成功一個新的生物藥品, 回報很高。如美國Amgen公司，首次開發(fā)上市的EPO、G-SCF到1997年的銷售額分別接近和達到

13、20億美元,基因工程試劑的高回報,堿性成纖維細胞生長因子 231元/ug紅細胞生成素 1072元/ug白細胞介素-2 410元/ug巨細胞粒細胞集落刺激因子 1960元/ug胰島素 10.2元/mg,全球生物科技公司前10名（1999年）

14、,美國生物技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況,世界主要生物藥品年銷售額 （億美元）,EPO 16.5 葡萄糖腦苷酯酶 2.15 抗CD3MAb 0.8 人白細胞介素2 0.40凝血因子VIII 2.5

15、 α-干擾素 7.00 G-CSF 9.36 β-干擾素 2.55GM-CSF 0.41 γ-干擾素 0.04 tPA 3.0 人生長激素

16、 4.50B型肝炎疫苗 10.0 人胰島素 7.00,,,,美國生物制藥產(chǎn)品種類及數(shù)量（PHRAM）,疾病種類 產(chǎn)品數(shù)量 疾病種類 產(chǎn)品數(shù)量感染性疾病 39 心臟病 26神經(jīng)系統(tǒng)疾病

17、 28 呼吸系統(tǒng)疾病 22艾滋病及相關疾病 19 自主免疫系統(tǒng)疾病 19皮膚病 19 移植 13消化系統(tǒng)疾病 11 遺傳疾病

18、 11血液疾病 9 糖尿病及并發(fā)癥 7不育癥 5 眼病 3生長發(fā)育不良癥 3 骨質(zhì)疏松 2妊娠預防

19、 2 腫瘤疾病 175,,,,,基因治療人數(shù)情況,中國基因工程制藥,200多家生物技術公司生物技術藥品產(chǎn)值：1996-18億元；1997-30億元；2000-72億元可生產(chǎn)藥物品種：約20種,國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化生物藥品概況,產(chǎn)品種類 臨床I 臨床II 臨床III 批準上市凝血

20、因子 VII IX VIII細胞刺激因子 SCF TPO G-CSF, M-CSF,EPO生長因子

21、 骨形成因子 肌營養(yǎng)因子 FGF，GM-CSF 胰島素類似物 血小板衍生因子 HGH EGF干擾素

22、 IFN, α1b, α1b , α2a, αn3 ,β, β 1b, γ, γ 1b白介素

23、 1 α, 1β 3, 6, 2, 4, 12 11激素 人促卵泡素 甲狀旁腺素 胰高血糖素 胰島素，心鈉素 降鈣素

24、 促黃體生成素 IGF-1 甲狀腺刺激素酶 羧肽酶 尿酸氧化酶 葡萄腦苷酯酶

25、 脫氧核糖核酸酶

26、 鏈激酶疫苗 CEA HSV,流感病毒 Lyme HBV，HCV其他 水蛭素 松弛素,HB,SOD TNF， tPA，

27、 白蛋白,殺菌蛋白 單克隆抗體 可溶性補體受體I型,,,,中國生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)化問題,缺乏創(chuàng)新、仿制產(chǎn)品重復過多、水平不高投入不足、少而分散產(chǎn)權保護意識淡薄質(zhì)量管理落后支持技術落后藥政管理滯后,生物技術產(chǎn)業(yè)化—農(nóng)業(yè)領域,已有35個科120多種植物獲得

28、轉(zhuǎn)基因植物，一些重要的農(nóng)作物獲得商品化的轉(zhuǎn)基因品種。種植面積迅猛發(fā)展。采用的基因正在從抗除草劑、抗菌素、抗病蟲害基因到抗逆境、高品質(zhì)方向發(fā)展。由單個質(zhì)量性狀基因向多基因數(shù)量性狀轉(zhuǎn)變。植物反應器生產(chǎn)稀有蛋白。,世界轉(zhuǎn)基因作物大田釋放情況(1987.1-1998.4),中國已獲準進入大田的轉(zhuǎn)基因植物（1998.3),轉(zhuǎn)基因作物種植面積,生物技術與傳統(tǒng)中藥,中藥現(xiàn)代化——核心是建立與現(xiàn)代基因?qū)W說相應的現(xiàn)代中藥理論現(xiàn)代中藥理論的建

29、立——確立中藥與基因表達的關系 中藥藥靶（基因）或作用位點基因的尋找 中藥化學組：中藥有效成分包括較單一的成分和多種成分 中藥臨床藥效的科學評價與分析方法生物技術的應用 中藥基因組——利用現(xiàn)代生物技術研究分析中藥對人體（細胞）基因表達（蛋白質(zhì)）的影響。 技術平臺：大規(guī)?；虮磉_分析（基因芯片、SAGE、蛋白質(zhì)組等技術）以及相關信息數(shù)據(jù)庫的建立 中藥化學組——利用現(xiàn)代儀器分析技術

30、分析有效成分及其藥物代謝、動力學。 技術平臺：色譜及色譜-質(zhì)譜，色譜-波譜，波譜-波譜聯(lián)用等分析技術與層析、臨界萃取等分離技術 中藥新劑型,一、基因工程原理的授課內(nèi)容,基因工程流程圖,第一章分子克隆工具酶及其應用,限制性內(nèi)切酶—主要用于DNA分子的特異切割 DNA甲基化酶—用于DNA分子的甲基化 核酸酶—用于DNA和RNA的非特異性切割 核酸聚合酶—用于DNA和RNA的合成 核酸連接酶—用于DNA和RNA的連接

31、核酸末端修飾酶—用于DNA和RNA的末端修飾 其它酶類--用于生物細胞的破壁，轉(zhuǎn)化，核酸純化，檢測等,第二章 分子克隆載體,分子克隆載體特點 分子克隆載體種類 細菌克隆載體: E.coli克隆載體(質(zhì)粒型、噬菌體型、COS質(zhì)粒型、噬粒型 (phagemid))G-菌克隆載體; G+菌克隆載體; 鏈霉菌克隆載體 酵母菌克隆載體 絲狀真菌克隆載體 植物克隆載體 動物克隆載體 克隆載體的選擇 克隆載體的構建,第三章

32、 核酸技術,核酸分離純化技術-DNA/供體、載體、片段，RNA/總RNA、mRNA、多聚核糖體RNA核酸電泳技術(DNA和RNA)：常規(guī)電泳，脈沖場凝膠電泳，毛細管電泳DNA限制酶切和限制酶圖譜繪制技術DNA分子的連接技術DNA聚合酶鏈式反應(PCR技術)核酸雜交技術——原位、斑點、Southern、Northern、Western核酸測序技術——化學法、酶法,第四章 基因文庫的構建,基因組文庫的構建 cDNA

33、文庫的構建,第五章 基因的分離與鑒定,基因的分離與鑒定方法 真核基因分離實例 染色體ARS的分離鑒定 著絲粒DNA的分高鑒定 端粒的分離鑒定,第六章 基因的轉(zhuǎn)移技術第七章 基因的表達技術第八章 基因的突變技術第九章 生物信息技術,二、課程特點,1. 涉及學科多，適用面廣 2. 起點高、發(fā)展快，內(nèi)容新穎 3. 理論與實際聯(lián)系密切 4. 具有理學和