关于生物技术的应用和原理

生物技术及应用

一、生物技术的产生与发展
生物技术作为一种高新技术，是70年代初伴随着DNA重组技术和淋巴细胞杂交瘤技术的发明和应用而诞生的。三十多年来，生物技术的飞速发展为医疗业、制药业、农业、畜牧业、环保业的发展开辟了广阔的前景，极大地改善了人们的生活。因此，世界各国都把生物技术确定为21世纪科技发展的关键技术和新兴产业。
我国生物技术产业自20世纪80年代初起步以来，广泛应用于医药、农业、食品、环保、轻化工、能源等领域。从事生物技术产品开发的企业，如雨后春笋不断涌现。从1985年到2000年，产品销售额增加了75.99倍，平均每年增长3358%。2000年我国生物技术产业产值已达200亿元。尤其是基因工程制药产业发展迅猛，1996年基因工程药物和疫苗销售额为2.2亿元，2000年达到22.8亿元，平均每年增长79.42%。近年来生物技术产业的年均增长率一直保持在20%以上。
全国涉及现代生物技术的企业约500家，从业人员超过5万人，其中涉及医药生物技术的企业300多家，涉及农业生物技术的200多家，一些生物技术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、广州、深圳等地已建立了20多个生物技术园区，出台了一些优惠政策，在税收、金融、人才引进、进出口等方面对生物技术企业给予全面支持，目前已经培育了一大批新企业，在中国生物技术发展中起着龙头带动作用。
随着中国乃至全世界范围内生物技术产业的迅猛发展，对生物技术人才的需求也将日益增多。
二、培养目标
本专业面向二十一世纪，培养具有生物技术与工程方面的基础理论、基本知识、基本技能，能在生物技术与工程领域从事设计、生产和管理的高级工程技术人才。
通过学习，毕业生具体获得以下几方面的知识和能力：
1. 具备扎实的数学、化学、生物等基本理论和基础知识；
2. 掌握有机化学、分析化学、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基本理论、基本知识和基本技能；
3. 了解相近专业的一般原理和知识；
4. 熟悉国家生物技术产业政策、知识产权及生物工程安全条例等有关政策和法规；
5. 了解生物技术的理论前沿、应用前景和最新发展动态以及生物技术产业发展状况；
6．具有创新意识和独立获取新知识的能力。
三、主要课程
无机化学、有机化学、物理化学、分析化学、生物化学、化工原理、化学工程与技术、微生物学、分子生物学、生化工程、生物工艺学、生物工程、发酵设备、计算机应用等。
四、学制：三年
五、就业方向
专科毕业生的去向有两类：一类是可以继续上本科深造；一类是就业。因为生物技术涉及的产业面广，包括：生物制药（制取各种细胞因子类、核酸类、抗生素类、中药类的药物等），生物发酵（制取各种保健品、功能性食品、酶制剂、化学品等），生物材料（生产各种骨科康复、器官再造、生物可降解材料等），化工生产（生产生物可再生燃料、各种溶剂、精细化工产品、化学合成中间体等）…，因此，本专业培养的实用型、应用型的技术和管理人才的就业面广，应聘机会多，可供选择的去向具有多样性。
六、专业前景
生物技术是当今最基础、最前沿、应用最广泛、发展前景最广阔的学科之一.随着我国社会的发展和经济的增长,当前面临的诸多问题(如农业、食品、医药、环境等)都有赖于生物技术来解决.在我国全面对外开放,特别是加入WTO之后的新形势下,发展生物技术对于加速我国的产业结构升级,提升我国的综合国力有着重要的意义。
我国政府十分重视对生物技术的研究和开发应用，投入大量资金资助生物技术的研究和产业化，1996―2000年我国政府在生物技术领域投入15亿元，这只是启动生物技术部门的大计划的一个部分。2000―2005年计划在该领域再投入 50 亿元。同时，国家实施的863计划、国家计委的高科技示范工程项目等均把生物技术列为优先发展的科技领域和高技术产业，并取得了显著的成绩。

现代生物技术的原理及应用
[知识介绍]
生物工程是生物科学与工程技术有机结合的一门综合性学科.它包括基因工程,细胞工程,发酵工程,酶工程等.生物工程就是对生物有机体在分子水平,细胞水平,组织水平和个体水平上进行不同层次的创造设计,从而使人类进入改造和创建新的生命形态的时代.这里,我们主要介绍基因工程和细胞工程.
基因工程
我们常说基因是生物体进行生命活动的"蓝图",这是因为生物体可以通过基因控制蛋白质的合成,来表现出生物性状并完成各项生命活动.那么,人们能不能改造生物体的基因,定向地改变生物的遗传特性呢 比如对基因进行重新组合,让禾本科的植物也能够固定空气中的氮,让细菌吐出蚕丝,让微生物生产人的胰岛素,干扰素等.科学家通过努力,在20世纪70年代创立了能够定向改造生物的技术——基因工程.
基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的.
基因操作的基本步骤
(1)提取目的基因.如植物的抗病基因,人的胰岛素基因,干扰素基因
(2)目的基因与运载体结合.将切下的目的基因的片段插入运载体—细菌质粒的切口处,质粒与目的基因形成一个重组DNA分子.
(3)将目的基因导入受体细胞.用人工的方法将体外重组的DNA分子转移到受体细胞.
(4)目的基因的表达.重组DNA分子进入受体细胞后,目的基因控制蛋白质合成,表现出特定性状.
以人干扰素基因作为目的基因,通过转基因工程,目的基因在酵母中表达为例.见下图:
转基因技术的应用
在农牧业,食品工业上的应用
例如:
①工业生产干扰素.
干扰素是病毒侵入细胞后产生的一种糖蛋白,由于干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染,如水痘,肝炎,狂犬病等,所以它是一种抗病毒的特效药.1980年,科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素.从1987年开始,用基因工程方法生产的干扰素进入了工业化生产阶段,并且大量投放市场.
②培育高产,稳产和具有优良品质的农作物.
1981年,科学家将菜豆储藏蛋白的基因转移到向日葵中,培育出了向日葵豆植株.如果以此作为技术基础,把大豆蛋白的基因转移到水稻,小麦等粮食作物中,就可以提高这些作物的蛋白质含量,改善它们的品质.
③培育具有各种抗逆性的作物新品种.
1982年,科学家把细菌中的抗卡那霉素基因转移到烟草,向日葵和胡萝卜等作物中,一举获得成功.此后短短的几年中,科学家又培育出了数十种具有抗病毒,抗虫,抗除草剂的作物新品种.
在医药卫生事业上的应用
例如:
①基因治疗:
把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中,以达到治疗疾病的目的.常用的基因治疗手段如下:目的基因与病毒重组,目的基因被包装入病毒颗粒中,随着受体细胞被感染,缺失的基因得以弥补,表达出目的基因的产物.目前在遗传性疾病的基因治疗方面,主要还是研究单基因缺陷型遗传病.由于上述方法是针对体细胞的,故不会代代相传,不会严重改变人群中有关基因的遗传平衡.
②基因诊断:
用放射性同位素,荧光分子等标记的DNA分子作探针(DNA探针:特定的DNA片段),利用DNA分子杂交原理,鉴定被检测标本上的遗传信息,从而达到检测疾病的目的.例如,肝炎病毒引起的传染病易于传播,给诊断和治疗带来了很多困难,利用DNA探针可以迅速地检出肝炎患者的病毒,为肝炎的诊断提供了一种快速,简便的方法.
③基因检测:
据报道,用DNA探针可以检测饮用水中病毒的含量.具体的方法是使用一个特定的DNA片段制成探针,与被检测的病毒DNA杂交,从而把病毒检测出来.此方法的特点是快速,灵敏.
二,细胞工程
细胞工程是指运用细胞生物学和分子生物学的原理和方法,通过某种工程学手段,在细胞整体水平或细胞器水平上,按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学.
生物工程涉及的领域相当广泛,就其技术范围而言,大致有细胞融合技术,细胞拆合技术,染色体导入技术,胚胎移植技术,克隆技术等.
1,细胞融合技术
细胞融合技术是把两个细胞在融合剂的作用下,融合成一个杂种细胞的技术.植物细胞融合时,要先用纤维素酶去掉细胞壁,获得原生质体后再进行融合.
科学家用植物体细胞杂交的方法,将番茄的原生质体和马铃薯的原生质体融合,成功地培育出了番茄—马铃薯杂种植株,以后又培育出了新的品种,例如:白菜—甘蓝,胡萝卜—羊角芥等.不仅如此,科学家在不同种类的动物之间或动物与人的细胞之间也进行了融合,形成了杂种细胞,例如:人—鼠,鼠—兔等.
克隆技术
克隆的实质是无性繁殖,即:不经过生殖细胞的结合,由母体直接产生新个体的生殖方式.时至今日,克隆的含义不仅仅是无性繁殖,只要是一个细胞通过培养,获得两个以上的细胞,细胞群或生物体的方式,都称之为克隆.
克隆技术的理论基础—全能性
细胞全能性:已经分化的细胞,仍然具有发育的潜能.即,已分化的细胞仍然具有发育成为完整植株的能力.
多细胞生物,一般是由一个受精卵经过有丝分裂而来.所以,生物体的每一个细胞与受精卵的基因都是一样的.也就是说,生物体的每一个细胞都含有本物种所有的整套遗传物质,都有发育成完整个体所必需的全部基因.
2)克隆技术的应用
动物克隆:
以多莉羊的产生为例,步骤如下:
⒈核移植形成重组细胞.将A羊乳腺细胞的核移植到B羊去核的卵细胞内,形成一个重组细胞.
⒉胚胎移植.将重组细胞在体外进行培养,形成早期胚胎后植入C羊的子宫内.
⒊多莉羊出生.
组织培养:
植物组织培养的大致过程是:在无菌条件下,将器官或组织(如芽,茎尖,根尖或花药)的一部分切下来,放在适当的人工培养基上进行培养,最初,这些器官或组织经过细胞分裂与去分化(从分化状态变为未分化状态),形成愈伤组织.之后,在适合的光照,温度和一定的营养物质与激素等条件下,愈伤组织便开始分化,产生出植物的各种组织和器官,进而发育成一棵完整的植株.
植物组织培养不仅从植物上取材少,培养周期短,繁殖率高,而且便于自动化管理.目前,这项技术已经在花卉和果树的快速繁殖,培育无病毒植物等方面得到了广泛的应用.例如:用一个兰花茎尖就可以在一年内生产出400万株兰花苗.又如:长期进行无性繁殖的植物,体内往往会积累大量的病毒,从而影响植物的产量或观赏价值.研究发现,这些植物只有根尖和茎尖中不含病毒.因此,人们用茎尖进行组织培养,就得到了多种植物(如马铃薯,草莓,菊花)的无病毒植株,取得了可观的经济效益.
[习题选编]
白菜—甘蓝杂交后产生的植株一般是不育的,但是,科学家发现,极少数的杂交植株能产生种子,原因是:
参考答案:染色体数目加倍
2,能克服远源杂交的不亲和技术是 ( )
A,组织培养 B,动物胚胎移植 C,细胞融合 D,单倍体育种
解析:植物组织培养的优势能够提高自然繁殖率比较低的名贵花卉,濒危物种等的无性繁殖率.动物胚胎移植能够提高动物的繁殖率.单倍体育种可以加快育种的进程.细胞融合能够克服远源杂交的不亲和性
3,下列选项中,没有采用植物组织培养技术的一项是 ( )
A,花药的离体培养得到的单倍体植株.
B,秋水仙素处理萌发的种子或幼苗得到多倍体植株
C,基因工程培育抗棉铃虫的棉花植株
D,细胞工程培育番茄—马铃薯杂种植株.
参考答案:B
4,英国科学家维尔莫特首次用羊的体细胞(乳腺细胞)成功地克隆出一只小羊,取名为多莉,以下四项中与此方法在本质上最相近的是 ( )
A,兔的早期胚胎分割后,分别植入两只母兔子宫内,并最终发育成两只一样的兔.
B,将人的抗病毒基因嫁接到烟草的DNA分子上,培育出具有抗病毒能力的新品种.
C,将鼠骨髓瘤细胞与经过免疫的脾细胞融合成杂交瘤细胞.
D,将人的精子与卵细胞在体外受精,待受精卵在试管内发育到囊胚期时,再植入女性子宫内发育成试管婴儿
参考答案:A
5,下列哪项技术与试管婴儿无关 ( )
A,体外受精 B,动物胚胎移植 C,基因转移技术 D,组织细胞培养技术
参考答案:C
6,细胞在分化过程中往往由于高度分化而完全失去再分裂的能力.最终衰老死亡,但机体在发展适应过程中.保留了一部分未分化的原始细胞,称之为干细胞.一旦需要,这些干细胞按照发育途径通过分裂而产生分化细胞,以保证局部组织损伤的修复.根据以上材料,回答下列问题:
(1)人工获得胚胎干细胞的方法是:将细胞核移植到去核的卵细胞内,经过一定的处理使其发育到某一时期,从而获得胚胎干细胞.某一时期最可能是 ( )
A,受精卵 B,八细胞胚 C,囊胚 D,原肠胚
(2)根据分裂潜能,干细胞可分为全能干细胞(可发育成完整的个体),多能干细胞(可发育成多种组织和器官)和专能干细胞(发育成专门的组织和器官),则这些细胞在个体发育中的分化顺序是 ( )
A,全能—专能—多能 B,全能—多能—专能
C,多能—全能—专能 D,专能—全能—多能
(3)在全能干细胞的发育过程中,皮肤由 胚层发育而来,眼睛由 胚层发育而来,神经系统由 胚层发育而来.
(4)个体发育过程中最原始的干细胞是
(5)干细胞在临床上应用的最大优点是移植器官和患者之间无 反应.
(6)谈谈你对干细胞研究的看法.
参考答案:(1)C (2)B (3)外和中 外 外 (4)受精卵 (5)排异
(6)干细胞研究对人类治疗疾病有很大帮助.例如:利用干细胞克隆器官,用于器官移植;利用干细胞修复损伤的器官等.但是,如果干细胞研究用于克隆人,则会带来严峻的社会伦理问题,必须严肃制止.
7,近几千年来,生命科学的发展日新月异,层出不穷,生物学的观点不断更新或面临挑战或得到补充完善.
资料一:20世纪80年代,美国生物学家奥尔等曼和切赫研究和发现了RNA的催化功能,由此他俩获得了1989年的诺贝尔化学家奖.
资料二:1996年英国蔓延的疯牛病成为国际社会关注的焦点.引起病牛病的病原体是一种能致病的蛋白质,它不含核酸,我们称之为朊病毒,美国生物学家普鲁辛纳就是由于研究朊病毒做出的卓越贡献,而获得了1997年度诺贝尔医学生理学奖.
资料三:1997年英国的克隆羊多莉的诞生轰动了全球.克隆羊多莉是英国的威尔穆特博士领导的研究小组将高度分化的成年绵羊乳腺细胞核移植到去核的卵细胞中培育成功的.
根据你所了解的生物学知识,上述的三则资料内容对哪些原有的生物学观点提出了挑战或补充完善 请用简短的文字加以说明.
参考答案:
生物催化剂酶都是蛋白质,但RNA催化功能的发现,说明酶不一定都是蛋白质,RNA也具有
酶的功能.
以前人们认为核酸是一切生物的遗传物质,但朊病毒这种病原体不含核酸,却能导致疯牛病,
说明除了核酸外,还应该存在其它的遗传物质.
原来人们认为已高度分化的成体动物的体细胞已失去了全能性,克隆羊的成功,说明了高度分
化的成年动物体细胞仍然具有全能性.
8,科学家发现,人们长期接触2,4-D(人工合成的生长素类似物)患某种癌症的可能性要远远高于未接触者.美国科学家从一种细菌的DNA中分离得到了能降解2,4-D的基因,将其转移到另一种细菌细胞内,获得了能高效降解2,4-D的转基因菌.据此回答:
(1)2,4-D能促进双子叶植物生长又能杀死双子叶植物的原因是
.
(2)该转基因菌能表现也降解2,4-D的性状并能代代相传,所遵循的生物学原理是
.
(3)人们在生产上不直接应用最早发现的具有降解基因的细菌,而是培育和应用转基因
菌来降解2,4-D的可能原因是:转基因菌与原细菌相比有如下特点:
.
参考答案:
生长素低浓度促进植物生长,高浓度抑制甚至杀死植物.
基因的功能:通过复制实现遗传信息的传递.通过控制蛋白质合成实现遗传信息的表达.
高效性
9,花药离体培养也属于植物的组织培养,它培育出的植株是 倍体,其染色体数目比原物种 .香蕉的组织培养形成的幼苗是 倍体.其性状与亲本相比 ,培养基的作用是 .植物的组织培养之所以能够获得成功,是因为细胞具有 性,即植物细胞含有的遗传信息与胚细胞 ,只要条件适合,就可发育成完整的植株.
分析:花药离体培养是通过植物的花粉培育出完整的植株,花粉是经过减数分裂形成的,其染色体数目减半.香蕉是利用茎尖作为外植体,茎尖细胞属于体细胞,其染色体数目与亲本一致.
参考答案:
单 减半 三 一致 提供营养和激素等物质 全能 相同
10,2000年11月,广东集爱诊疗中心投入运作,标志着试管婴儿技术落户到了广州.
(1)培育试管婴儿属于 生殖方式.
(2)胚的发育过程是指从 发育到 阶段,场所是 .
(3)后期要继续把胚胎移植入妇女的子宫内继续发育的原因是
.
参考答案:
(1)有性 (2)受精卵 胚 前期是体外(试管),后期是子宫
(3)胚的发育需要一定的条件,如温度,激素,营养,气体浓度等,而子宫具有所有胚发育的所需条件,是胚发育的最佳场所.
11,阅读下列材料.回答问题:
2002年1月30日《科学时报》报道 美国科学家维尔法伊领导的一个小组发现,
成年人骨髓中存在着一类干细胞.可以在培养液中无限期地生长,与胚胎干细胞极其相
似.其中的一部分细胞系在生长近两年后,特性依然保持完好,无任何衰老迹象.研究
人员将这些细胞称为多能成体祖细胞".
此前也有一些实验室和生物技术公司发现,成人的皮肤,肌肉和骨髓中存在着能
形成其他组织细胞的干细胞.研究人员称.从理论上讲多能成体祖细胞在一定的条
件下 应该能够形成心肌,大脑,肝脏,皮肤和各类神经细胞.
(1)如果在培养液中培养的多能成体祖细胞己传至60代 那么 这种细胞的遗传物质与成年人骨髓中的干细胞的遗传物质( ).
A.全部相同 B.全部不同 C.大部分相同 D.大部分不同
(2)为大面积烧伤病人植皮,最好选用( )的干细胞培育的皮肤细胞.
A.患者本人 B.父母 C.子女 D.配偶
(3)在一定的条件下,多能成体祖细胞形成心肌,大脑,肝脏,皮肤和各类神经细胞需通过 和 完成.
参考答案:(1).C(2).A:(3).细胞分裂;细胞分化
12,在细胞工程——原生质体融合育种技术中 .
(1)其技术的重要一环就是要将营养细胞的细胞壁除去,通常采用的方法是 .
(2)在不破坏植物细胞结构的前提下,可以用光学显微镜观察植物细胞的细胞膜,请问如何操作才可以在光镜下观察到细胞膜 .
参考答案:
(1)用纤维素酶去除细胞壁
(2)当细胞液的浓度小于外界溶液的浓度时;活的成熟的植物细胞通过渗透作用失去水分;原生质层逐渐与细胞壁分离开来,这样便可在光学显微镜下清晰的观察到原生质层最外面的细胞膜
13,中国青年科学家陈大炬成功地把人的抗病毒干扰基因嫁接到烟草的DNA分子上,可使烟草获得抗疗毒的能力,形j#转基因产只,试分析回答:
(1)人的基因之所以能接到植物体内去,原因是 .
(2)烟草具有抗病毒能力,这表明烟草体内产生了 .这个事实说明,人和植物共用一套 .
(3)该工程在农业,医药等方面已取得了许多成就,请你说出三个具体实例
.
参考答案:
(1)人与植物DNA结构组成相同(2)抗病毒干扰素;遗传密码
(3)将抗病毒基因嫁接到水稻中,形成抗病毒水稻新品种;将人的血型基因移入到猪体内,培育出人血的猪:将干扰素基因移入细菌体内,培育出能产生干扰素细菌
14,人类基因组计划的目标是绘制四张图,其中一张图用遗传单位表示基因间的距离,另一张图用核着酸数目表示基因间的距离,一张图显示染色体上全部DNA上约30亿个减基对的排列顺序,还有一张是基因转录图.这四张图组成了不同层次的,最终为分子水平的人类解剖图,它揭开了决定人类生.老.病.死的所有遗传信息——基因组之谜,将成为人类认识自我的用之不竭的知识源泉.
国际人类基因组计划合作组织.美国塞莱拉遗传信息公司.美国(科学)杂志和英
国(自然)杂志于2m1年2月门日联合宣布:由科学家提供的初步分析中,格外引人关
注的是:原来预计多达10万多个的人类基因总数被最终确定为3万个左右,而与蛋白质
编码无关的非编码区的减基对序列却达人类基因组序列的97%之多.
请根据以上材料回答下列问题:
(1)人类基因组计划需要测定人类的24个染色体的基因和减基顺序,试指出哪24个染色体 .
(2)你认为完成人类基因组计划有哪些意义 .
.
参考答案:
(l)22条常染色体和XY两条性染色体(2)①有利于疾病的诊断和治疗 ②有利于研究生物进化③有利于培育优良的高等动植物品种 ④有利于研究基因表达有调控机制