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生物工程的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、藥物學(xué)、能源、環(huán)保、冶金、化工原料等。它必將對(duì)人類(lèi)社會(huì)的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和生活等方面產(chǎn)生巨大的影響，為世界面臨的資源、環(huán)境和人類(lèi)健康等問(wèn)題的解決提供美好的前景。

主要課程:有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)、化工原理、生化工程、微生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程、細(xì)胞工程、微生物工程、生化工程、生物工程下游技術(shù)、發(fā)酵工程設(shè)備等。

主要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié):包括教學(xué)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)論文(畢業(yè)設(shè)計(jì))，教學(xué)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)

一般安排10周，畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))，一般安排10-20周。

修業(yè)年限:四至六年

授予學(xué)位:工學(xué)或理學(xué)學(xué)士

基因工程是指在基因水平上，按照人類(lèi)的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后按設(shè)計(jì)方案創(chuàng)建出具有某種新的性狀的生物新品系，并能使之穩(wěn)定地遺傳給后代。基因工程采用與工程設(shè)計(jì)十分類(lèi)似的方法，明顯地既具有理學(xué)的特點(diǎn)，同時(shí)也具有工程學(xué)的特點(diǎn)。生物學(xué)家在了解遺傳密碼是RNA轉(zhuǎn)錄表達(dá)以后，還想從分子的水平去干預(yù)生物的遺傳。1973年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的科恩教授，把兩種質(zhì)粒上不同的抗藥基因"裁剪"下來(lái)，"拼接"在同一個(gè)質(zhì)粒中。當(dāng)這種雜合質(zhì)粒進(jìn)入大腸桿菌后，這種大腸桿菌就能抵抗兩種藥物，且其后代都具有雙重抗菌性，科恩的重組實(shí)驗(yàn)拉開(kāi)了基因工程的大幕。

DNA重組技術(shù)是基因工程的核心技術(shù)。重組，顧名思義，就是重新組合，即利用供體生物的遺傳物質(zhì)，或人工合成的基因，經(jīng)過(guò)體外切割后與適當(dāng)?shù)妮d體連接起來(lái)，形成重組DNA分子，然后將重組DNA分子導(dǎo)入到受體細(xì)胞或受體生物構(gòu)建轉(zhuǎn)基因生物，該種生物就可以按人類(lèi)事先設(shè)計(jì)好的藍(lán)圖表現(xiàn)出另外一種生物的某種性狀。

一個(gè)典型的DNA重組包括五個(gè)步驟:

(1)目的基因的獲取

目前，獲取目的基因的方法主要有三種:反向轉(zhuǎn)錄法、從細(xì)胞基因組直接分離法和人工合成法。

反向轉(zhuǎn)錄法是利用mRNA反轉(zhuǎn)錄獲得目的基因的方法?，F(xiàn)在用這種方法人們已先后合成了家兔、鴨和人的珠蛋白基因、羽毛角蛋白基因等。

從細(xì)胞基因組中直接分離目的基因常用"鳥(niǎo)槍法"，因?yàn)檫@種方法猶如用散彈打鳥(niǎo),所以又稱(chēng)"散彈槍法"。用"鳥(niǎo)槍法"分離目的基因，具有簡(jiǎn)單、方便和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。許多病毒和原核生物、一些真核生物的基因，都用這種方法獲得了成功的分離。

化學(xué)合成目的基因是20世紀(jì)70年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。應(yīng)用化學(xué)合成法，可在短時(shí)間內(nèi)合成目的基因?？茖W(xué)家們已相繼合成了人的生長(zhǎng)激素釋放抑制素、胰島素、干擾素等蛋白質(zhì)的編碼基因。

(2)DNA分子的體外重組

體外重組是把載體與目的基因進(jìn)行連接。例如，以質(zhì)粒作為載體時(shí)，首先要選擇出合適的限制性?xún)?nèi)切酶，對(duì)目的基因和載體進(jìn)行切割，再以DNA連接酶使切口兩端的脫氧核苷酸連接。于是目的基因被鑲嵌進(jìn)質(zhì)粒DNA，重組形成了一個(gè)新的環(huán)狀DNA分子(雜種DNA分子)。

(3)DNA重組體的導(dǎo)入

把目的基因裝在載體上后，就需要把它引入到受體細(xì)胞中。導(dǎo)入的方式有多種，主要包括轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、顯微注射、微粒轟擊和電擊穿孔等方式。轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)導(dǎo)主要適用于細(xì)菌一類(lèi)的原核生物細(xì)胞和酵母這樣的低等真核生物細(xì)胞，其他方式主要應(yīng)用于高等動(dòng)植物的細(xì)胞。

(4)受體細(xì)胞的篩選

由于DNA重組體的轉(zhuǎn)化成功率不是太高，因而，需要在眾多的細(xì)胞中把成功轉(zhuǎn)入DNA重組體的細(xì)胞挑選出來(lái)。應(yīng)事先找到特定的標(biāo)志，證明導(dǎo)入是否成功。 例如，我們常用抗生素來(lái)證明證明導(dǎo)入的成功。

(5)基因表達(dá)

目的基因在成功導(dǎo)入受體細(xì)胞后，它所攜帶的遺傳信息必須要通過(guò)合成新的蛋白質(zhì)才能表現(xiàn)出來(lái)，從而改變受體細(xì)胞的遺傳性狀。目的基因在受體細(xì)胞中要表達(dá)，需要滿(mǎn)足一些條件。

例如，目的基因是利用受體細(xì)胞的核糖體來(lái)合成蛋白質(zhì)，因此目的基因上必須含有能啟動(dòng)受體細(xì)胞核糖體工作的功能片段。

這五個(gè)步驟代表了基因工程的一般操作流程。人們掌握基因工程技術(shù)的時(shí)間并不長(zhǎng)，但已經(jīng)獲得了許多具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的成果?；蚬こ套鳛楝F(xiàn)代生物技術(shù)的核心，將在社會(huì)生產(chǎn)和實(shí)踐中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

關(guān)于細(xì)胞工程的定義和范圍還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的說(shuō)法，一般認(rèn)為，細(xì)胞工程是根據(jù)細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)原理，采用細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，在細(xì)胞水平進(jìn)行的遺傳操作。細(xì)胞工程大體可分染色體工程、細(xì)胞質(zhì)工程和細(xì)胞融合工程。

細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是細(xì)胞工程的基礎(chǔ)技術(shù)。所謂細(xì)胞培養(yǎng)，就是將生物有機(jī)體的某一部分組織取出一小塊，進(jìn)行培養(yǎng)，使之生長(zhǎng)、分裂的技術(shù)。細(xì)胞培養(yǎng)又叫組織培養(yǎng)。近二十年來(lái)細(xì)胞生物學(xué)的一些重要理論研究的進(jìn)展，例如細(xì)胞全能性的揭示，細(xì)胞周期及其調(diào)控，癌變機(jī)理與細(xì)胞衰老的研究，基因表達(dá)與調(diào)控等，都是與細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)分不開(kāi)的。

體外細(xì)胞培養(yǎng)中，供給離開(kāi)整體的動(dòng)植物細(xì)胞所需營(yíng)養(yǎng)的是培養(yǎng)基，培養(yǎng)基中除了含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外，一般還含有刺激細(xì)胞生長(zhǎng)和發(fā)育的一些微量物質(zhì)。培養(yǎng)基一般有固態(tài)和液態(tài)兩種，它必須經(jīng)滅菌處理后才可使用。此外，溫度、光照、振蕩頻率等也都是影響培養(yǎng)的重要條件。

植物細(xì)胞與組織培養(yǎng)的基本過(guò)程包括如下幾個(gè)步驟:

第一步，從健康植株的特定部位或組織，如根、莖、葉、花、果實(shí)、花粉等，選擇用于培養(yǎng)的起始材料(外植體)。

第二步，用一定的化學(xué)藥劑(最常用的有次氯酸鈉、升汞和酒精等)對(duì)外植體表面消毒，建立無(wú)菌培養(yǎng)體系。

第三步，形成愈傷組織和器官，由愈傷組織再分化出芽并可進(jìn)一步誘導(dǎo)形成小植株。

動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)有兩種方式。一種叫非貼壁培養(yǎng):也就是細(xì)胞在培養(yǎng)過(guò)程中不貼壁， 條件較為復(fù)雜， 難度也大一些，但是容易同時(shí)獲得大量的培養(yǎng)細(xì)胞。這種方法一般用于淋巴細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞和一些轉(zhuǎn)化細(xì)胞的培養(yǎng)。另一種培養(yǎng)方式是貼壁培養(yǎng):也稱(chēng)為細(xì)胞貼壁，貼壁后的細(xì)胞呈單層生長(zhǎng)，所以此法又叫單層細(xì)胞培養(yǎng)。大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)必須采用這種方法。

動(dòng)物細(xì)胞不能采用離體培養(yǎng)，以人的皮膚細(xì)胞培養(yǎng)為例，動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的主要步驟如下:

第一步，在無(wú)菌條件下，從健康動(dòng)物體內(nèi)取出適量組織，剪切成小薄片。

第二步，加入適宜濃度的酶與輔助物質(zhì)進(jìn)行消化作用使細(xì)胞分散。

第三步，將分散的細(xì)胞進(jìn)行洗滌并純化后，以適宜的濃度加在培養(yǎng)基中，37℃下培養(yǎng)，并適時(shí)進(jìn)行傳代。(圖4-31)

在細(xì)胞培養(yǎng)中，我們經(jīng)常使用一個(gè)詞--克隆?？寺∫辉~是由英文clone音譯而來(lái)，指無(wú)性繁殖以及由無(wú)性繁殖而得到的細(xì)胞群體或生物群體。細(xì)胞克隆是指細(xì)胞的一個(gè)無(wú)性繁殖系。自然界早已存在天然的克隆，例如，同卵雙胞胎實(shí)際上就是一種克隆。

基因工程中，還有稱(chēng)為分子克隆(molecular cloning)的，是科恩等在 1973年提出的。分子克隆發(fā)生在DNA分子水平上，是指從一種細(xì)胞中把某種基因提取出來(lái)作為外源基因，在體外與載體連接，再將其引入另一受體細(xì)胞自主復(fù)制而得到的DNA分子無(wú)性系。

2、細(xì)胞核移植技術(shù)

由于克隆是無(wú)性繁殖，所以同一克隆內(nèi)所有成員的遺傳構(gòu)成是完全相同的，這樣有利于忠實(shí)地保持原有品種的優(yōu)良特性。人們開(kāi)始探索用人工的方法來(lái)進(jìn)行高等動(dòng)物克隆。哺乳動(dòng)物克隆的方法主要有胚胎分割和細(xì)胞核移植兩種。其中，細(xì)胞核移植是發(fā)展較晚但富有潛力的一門(mén)新技術(shù)。

細(xì)胞核移植技術(shù)屬于細(xì)胞質(zhì)工程。所謂細(xì)胞核移植技術(shù)，是指用機(jī)械的辦法把一個(gè)被稱(chēng)為"供體細(xì)胞"的細(xì)胞核(含遺傳物質(zhì))移入另一個(gè)除去了細(xì)胞核被稱(chēng)為"受體"的細(xì)胞中，然后這一重組細(xì)胞進(jìn)一步發(fā)育、分化。核移植的原理是基于動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞核的全能性。

采用細(xì)胞核移植技術(shù)克隆動(dòng)物的設(shè)想，最初由一位德國(guó)胚胎學(xué)家在1938年提出。從1952年起，科學(xué)家們首先采用兩棲類(lèi)動(dòng)物開(kāi)展細(xì)胞核移植克隆實(shí)驗(yàn)，先后獲得了蝌蚪和成體蛙。1963年，我國(guó)童第周教授領(lǐng)導(dǎo)的科研組，以金魚(yú)等為材料，研究了魚(yú)類(lèi)胚胎細(xì)胞核移植技術(shù)，獲得成功。到1995年為止，在主要的哺乳動(dòng)物中，胚胎細(xì)胞核移植都獲得成功，但成體動(dòng)物已分化細(xì)胞的核移植一直未能取得成功。

1996年，英國(guó)愛(ài)丁堡羅斯林研究所，伊恩·維爾穆特研究小組成功地利用細(xì)胞核移植的方法培養(yǎng)出一只克隆羊--多利，這是世界上首次利用成年哺乳動(dòng)物的體細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞核移植而培養(yǎng)出的克隆動(dòng)物。圖4-33克隆羊示意圖。

在核移植中，并不是所有的細(xì)胞都可以作為核供體。作為供體的細(xì)胞有兩種:一種是胚胎細(xì)胞，一種是某些體細(xì)胞。

研究表明，卵細(xì)胞、卵母細(xì)胞和受精卵細(xì)胞都是合適的受體細(xì)胞。

2000年6月，我國(guó)西北農(nóng)林科技大學(xué)利用成年山羊體細(xì)胞克隆出兩只"克隆羊"，這表明我國(guó)科學(xué)家也掌握了哺乳動(dòng)物體細(xì)胞核移植的尖端技術(shù)。

核移植的研究，不僅在探明動(dòng)物細(xì)胞核的全能性、細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)關(guān)系等重要理論問(wèn)題方面具有重要的科學(xué)價(jià)值，而且在畜牧業(yè)生產(chǎn)中有著非常重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。

3、細(xì)胞融合技術(shù)

細(xì)胞融合技術(shù)屬于細(xì)胞融合工程。細(xì)胞融合技術(shù)是一種新的獲得雜交細(xì)胞以改變細(xì)胞性能的技術(shù)，它是指在離體條件下，利用融合誘導(dǎo)劑，把同種或不同物種的體細(xì)胞人為地融合，形成雜合細(xì)胞的過(guò)程。細(xì)胞融合術(shù)是細(xì)胞遺傳學(xué)、細(xì)胞免疫學(xué)、病毒學(xué)、腫瘤學(xué)等研究的一種重要手段

動(dòng)物細(xì)胞融合的主要步驟是:

第一步，獲取親本細(xì)胞。將取樣的組織用胰蛋白酶或機(jī)械方法分離細(xì)胞，分別進(jìn)行貼壁培養(yǎng)或懸浮培養(yǎng)。

第二步，誘導(dǎo)融合。把兩種親本細(xì)胞置于同一培養(yǎng)液中，進(jìn)行細(xì)胞融合。動(dòng)物細(xì)胞的融合過(guò)程一般是:兩個(gè)細(xì)胞緊密接觸→細(xì)胞膜合并→細(xì)胞間出現(xiàn)通道或細(xì)胞橋→細(xì)胞橋數(shù)增加擴(kuò)大通道面積→兩細(xì)胞融合為一體。

植物細(xì)胞融合的主要步驟是:

第一步，制備親本原生質(zhì)體。

第二步，誘導(dǎo)融合。

微生物細(xì)胞的融合步驟與植物細(xì)胞融合基本相同。

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，已經(jīng)有許多種細(xì)胞融合成功，有植物間、動(dòng)物間、動(dòng)植物間甚至人體細(xì)胞與動(dòng)植物間的成功融合的新的雜交植物，如 "西紅柿馬鈴薯"、"擬南芥油菜"和"蘑菇白菜"等。(圖4-36是利用細(xì)胞融合培育雜交植物)從目前的技術(shù)水平來(lái)看，人們還不能把許多遠(yuǎn)緣的細(xì)胞融合后培養(yǎng)成雜種個(gè)體，尤其是動(dòng)物細(xì)胞難度更大。

現(xiàn)代的發(fā)酵工程。又叫微生物工程，指采用現(xiàn)代生物工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定的功能，為人類(lèi)生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。

20世紀(jì)70年代，基因重組技術(shù)、細(xì)胞融合等生物工程技術(shù)的飛速發(fā)展，發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入現(xiàn)代發(fā)酵工程的階段。不但生產(chǎn)酒精類(lèi)飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長(zhǎng)激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲(chóng)劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學(xué)工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶、維生素和單細(xì)胞蛋白等。

從廣義上講，發(fā)酵工程由三部分組成:上游工程，發(fā)酵工程和下游工程。其中上游工程包括優(yōu)良種株的選育，最適發(fā)酵條件(pH、溫度、溶解氧和營(yíng)養(yǎng)組成)的確定，營(yíng)養(yǎng)物的準(zhǔn)備等。發(fā)酵工程主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)。下游工程指從發(fā)酵液中分離和純化產(chǎn)品的技術(shù)。

發(fā)酵工程的步驟一般包括:

第一步，菌種的選育。

第二步，培養(yǎng)基的制備和滅菌。

第三步，擴(kuò)大培養(yǎng)和接種。

第四步，發(fā)酵過(guò)程。

第五步，分離提純。

發(fā)酵工程在醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)、冶金工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

酶工程是指利用酶、細(xì)胞或細(xì)胞器等具有的特異催化功能，借助生物反應(yīng)裝置和通過(guò)一定的工藝手段生產(chǎn)出人類(lèi)所需要的產(chǎn)品。它是酶學(xué)理論與化工技術(shù)相結(jié)合而形成的一種新技術(shù)。

酶工程，可以分為兩部分。一部分是如何生產(chǎn)酶，一部分是如何應(yīng)用酶。

酶的生產(chǎn)大致經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段。最初從動(dòng)物內(nèi)臟中提取酶，隨著酶工程的進(jìn)展，人們利用大量培養(yǎng)微生物來(lái)獲取酶，基因基因工程誕生后，通過(guò)基因重組來(lái)改造產(chǎn)酶的微生物，近些年來(lái)，酶工程又出現(xiàn)了一個(gè)新的熱門(mén)課題，那就是人工合成新酶，也就是人工酶。

酶在使用中也存在著一些缺點(diǎn)。如遇到高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿時(shí)就會(huì)失去活性，成本高，價(jià)錢(qián)貴。實(shí)際應(yīng)用中酶只能使用一次等。利用酶的固定化可以解決這些問(wèn)題，它被稱(chēng)為是酶工程的中心。

60年代初，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，許多酶經(jīng)過(guò)固定化以后，活性絲毫未減，穩(wěn)定性反而有了提高。這一發(fā)現(xiàn)是酶的推廣應(yīng)用的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也是酶工程發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。如今，酶的固定化技術(shù)日新月異。它表現(xiàn)在兩方面:

一是固定的方法。目前固定的方法有四大類(lèi):吸附法、共價(jià)鍵合法、交聯(lián)法和包埋法。

二是被固定下來(lái)的酶，具有多種酶，能催化一系列的反應(yīng)。

與自然酶相比，固定化酶和固定化細(xì)胞具有明顯的優(yōu)點(diǎn):

1.可以做成各種形狀，如顆粒狀、管狀、膜狀，裝在反應(yīng)槽中，便于取出，便于連續(xù)、反復(fù)使用。

2.穩(wěn)定性提高，不易失去活性，使用壽命延長(zhǎng)。

3.便于自動(dòng)化操作，實(shí)現(xiàn)用電腦控制的連續(xù)生產(chǎn)。

如今已有數(shù)十個(gè)國(guó)家采用固定化酶和固定化細(xì)胞進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)品包括酒精、啤酒、各種氨基酸、各種有機(jī)酸以及藥品等等。

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