生命科学

nullnull 生命科学现状、发展前景及应用 吴道澄 TEL：029-82663941 (办公室） E-mail: wudaocheng@mail.xjtu.edu.cn 主页 http:// gr.xjtu.edu.cn:8080 /wudaocheng 西安交通大学生命科学与技术学院一、生命科学基础一、生命科学基础几个问题： 1.什么是生命？和非生命有什么区别？ 2.生命科学是什么？ 3.生命科学有什么用? 21世纪将面临的许多世界性的难题 21世纪将面临的许多世界性的难题人口 粮食 环境 能源 健康都与生命科学有关! 生命的基本特征 1 生命的基本特征 1 营养（Nutrition）为能量、生长和修复进食 （Take food for energy, growth and repair）null呼吸（Respiration）气体交换 （Gaseous exchange ）(breathing) 氧化食物产生能量 Oxidation of food to produce energy 生命的基本特征 2生命的基本特征 3生命的基本特征 3排泄 （Excretion）Removal of metabolic wastes (not faeces)生命的基本特征 4生命的基本特征 4生长（Growth）Increase in size and complexity生命的基本特征 5生命的基本特征 5繁殖（Reproduction）Produce babies of the same species 生命的基本特征 6生命的基本特征 6过敏性（Irritability）Respond to stimuli生命的基本特征 7移动 （Movement）Animals: Whole organism moves from place to placePlants: Only part of its organ can move about生命的基本特征 7总结：生命的特征总结：生命的特征物质成分基本相同 （C、H、O、N、P、S、Ca…..） 严密的组织和高度的统一性 （各种生物编制基因程序的遗传密码是统一） 新陈代谢，metabolism 应激能力，irritability 进化，evolution 细胞是生物的基本组成 单位（病毒除外）！ 生物的基本组成-细胞生物的基本组成-细胞植物细胞核每个细胞有一定数量的染色体，染色体携带基因，基因控制细胞的性能液泡线粒体细胞壁叶绿体核糖体null生命 多层次的现象 细胞---组织、 器官、系统分子---细胞生命的形式——动物生命的形式——动物生命的形式——植物生命的形式——植物生命的形式——微生物 小的直观感觉生命的形式——微生物 小的直观感觉真核细胞型原核细胞型电镜微生物的相对大小肉眼光学显微镜可见范围病毒电镜下 的 微 生 物电镜下 的 微 生 物青霉菌阿米巴藻类细菌各种“视野”下的微生物各种“视野”下的微生物光镜暗视野荧光透射电镜超薄切片冷冻切片扫描电镜DNA蛋白质复合物细菌--形态 （Bacterium)细菌--形态 （Bacterium)球形杆形弧形 螺旋形非细胞型生物-病毒非细胞型生物-病毒艾滋病毒 侵入辅助性T细胞腺病毒吸附在鸡红细胞上病 毒 的 形 态基本形态 球形——廿面体对称 杆形——螺旋对称 蝌蚪形——复合对称病 毒 的 形 态病毒的繁殖 过程病毒的繁殖 过程吸附 侵入 生物合成 装配 释放生命科学学科生命科学学科相关学科 ：生物学、医学、药学、农学、林学、 生物技术、生物工程和生物医学工程 材料科学力 学机械工程化 学物理学环境科学生物化学自动化生物能源生物材料生物力学组织工程能源动力生物物理生态学神经网络学科 交 叉等等---- 重大科学问题-生命的起源 重大科学问题-生命的起源上帝创造了人 ？奥巴林的生命起源假说宇宙生命的假说二、生命科学现状二、生命科学现状1.生物技术的兴起 生物技术的概念 运用现代生物科学、工程学和其它基础学科的知识，按预先的，对生物进行控制和改造，或模拟生物及其功能，用来发展商业性加工、产品生产和社会服务的新兴技术领域，包括基因工程、细胞工程、酶工程、微生物工程（现又增添了生化工程与蛋白质工程） 基本概念———生物工程（ Bioengineering )基本概念———生物工程（ Bioengineering ) 生物技术(Biotechnology)：又称生物工程。是以生命科学为基础，利用生物体系和工程原理生产生物制品和创造新物种的综合性科学技术。基本内容： （1）应用生物学研究所积累的知识和技术； （2）开发利用生物材料或生物系统； （3）以一定的工艺获得产品。null生物技术的四大支柱发酵工程发酵工程 发酵工程是指利用微生物的特定性状，通过现代工程技术，在生物的反应器中生产有用物质的一种技术系统。。 是生物技术四大支柱的核心，无论传统发酵产品，如抗生素、氨基酸等，还是现代基因工程产品，如疫苗、人体蛋白质等，都需要发酵技术进行生产发酵工程的历史发展发酵工程的历史发展19世纪末：厌氧发酵（酒精、乳酸、发酵食品） 1945年：通气搅拌发酵罐--好氧发酵（青霉素等抗生素） 20世纪50年代：代谢控制发酵（氨基酸、核酸等） 20世纪70年代：固定化酶连续发酵 20世纪80年代：现代发酵工程技术（与基因操作技术相结合） 20世纪末：人类基因组null 发酵工程是生物技术产业化的基础和关键技术， 是生物技术四大支柱的核心，无论传统发酵产品，如抗生素、氨基酸等，还是现代基因工程产品，如疫苗、人体蛋白质等，都需要发酵技术进行生产。发酵工程在现代生物技术中的地位和作用发酵设备及检测控制系统  B|Braun公司发酵设备及检测控制系统  B|Braun公司发酵罐：Biostat系列 参数检测 多级控制： 人工 DCU MFCSnullBiostat B2Biostat ED10nullPilot Biostat UD50基因工程技术及其应用基因工程技术及其应用酶工程的概念酶工程的概念 是酶学与工程学的相互渗透和结合所发展起来以酶为研究对象，改造并应用酶的特异催化功能。目标就是通过工程化技术大规模生产和转化相应原料成为有用物质的技术。 酶的分离纯化 酶与细胞的固定化技术及反应器 酶制剂的发酵生产 酶分子化学修饰、遗传突变及结构改造 酶抑制剂与激活剂开发与研究 人工设计与合成模拟酶及酶分子细胞工程概念细胞工程概念 应用细胞生物学和分子生物学的理论、方法和技术，按人的设计，有计划地大规模培养组织或细胞以获得生物产品，或改变细胞的遗传物质以产生新的物种或品系。 细胞工程是一种细胞水平上的遗传工程，它是将一种生物细胞中携带遗传信息的细胞核或染色体整个地转移给另一种生物细胞，使新细胞产生具有人们所需要的功能，从而改变受体细胞的遗传特性，打破只有同种生物才能进行杂交的限制，为改良品种或创造新品种开拓了广阔前景，细胞工程包含细胞融合、体细胞杂交、动植物细胞规模培养核和卵移以及植物组织培养技术等方面。 null 生物技术的商业化特点——四高高技术 钱学森(1992)说“当今生物科学和生物技术的飞跃进步是一场科学革命, 它们必将引起一场生产力乃至社会的变革, 即第六次产业革命”。 知识密集型、研究手段先进。许多生物技术产品都源于实验室，领导人本身就是分子生物学家，产品技术含量高，一旦发现有较大商业前景的高技术产品就可以很快地进入商业化生产。null高投资 现代生物技术是20世纪最后一项伟大的技术革命，因此世界各国政府都在生物技术上投入巨资。 美国1993年的投资达40亿美元； 日本1997年投入超过5000亿日元； 大量生物技术公司成立并投入巨资。1998年美国的Perkin Elmer公司投资3亿多美元到人类基因组计划研究中，以求在药物开发和疾病治疗方面获得一席之地。43高风险高风险 竞争激烈：大量的公司兼并，要想在激烈的市场竞争中保持优势，各公司必须有自己的拳头产品,研究目标高度集中,产品专一化。 美国的1300多家生物技术公司真正盈利的仅10家，其他公司大部分依靠来自社会上的风险投资基金，上市股票及和大型有实力的制药公司建立伙伴关系等来维持研究开发费用。44高回报高回报 1982年世界上第一种基因工程药物——重组人胰岛素获准生产和销售，使投资者获得高额回报。 目前，生物技术公司已从投资风险期，进入了投资收获期。 2008年世界医学生物工程产品的年销售额超过8100亿美元 美元，国际医药市场抗肿瘤药销售额大约在500亿美元左右 其中人红细胞生成素(EPO)一项每年的销售额就达到16.5亿美元。 45null 生物技术是一柄双刃剑，既可用于造福人类，也可用来制造致命的生物武器。 基因工程生物对生物多样性的影响（如毁灭其他物种）； 对环境的危险性（如出现致病性极强的新病原）； 克隆人及其伦理； 外源基因对调节细胞生长的重要基因的影响（如激活原癌基因）。47生物技术发展中的主要问题null生物技术的特点 1、生产原料不会枯竭 2、产物副作用小，产 物对环境威胁较小 3、生产条件温和、常温、常压 4、可超越自然界的发展历程 5、可对人类自身进行改造 2.人类基因组计划2.人类基因组计划生物与医学基础研究 基因诊断、基因疗法、基因药物 带动一批高技术产业的发展人类基因组计划的启动人类基因组计划的启动1985年，美国能源部（Department of Energy, DOE）提出，要将共包含约3×109碱基对的人类基因组全部碱基序列清楚； 1986年，美国宣布启动“人类基因组计划（Human Genome Project, HGP）”。 人类基因组计划的发展人类基因组计划的发展1999年12月1日，首条人类染色体完成测序，人类第22号染色体DNA全序列测定宣布完成。 2000年4月6日，美国Celera遗传信息公司宣布，该公司已破译出一名实验者的完整遗传密码。 2000年5月，科学家聚集美国冷泉港，宣布人类基因组草图的完成。6国科学家组成的国家人类基因组中心主要研究比例6国科学家组成的国家人类基因组中心主要研究比例美国：WASH＆MIT等7家研究中心，贡献率为54％。 英国：SANGER一家研究中心，贡献率为33％。 日本：RIKEN等两家研究中心，贡献率为7％。 法国：GENOSCOPE研究中心，贡献率为2.8％。 德国：IMB等3家研究中心，贡献率为2.2％。 中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究中心等三家，贡献率为1％。 null二000年六月二十六日克林顿宣布 人类基因组草图绘制完成null 这是人类基因组计划首席科学家、 美国国家人类基因组研究所所长 弗朗西斯·柯林斯在介绍情况。 人类基因组草图基本信息人类基因组草图基本信息由31.65亿bp组成 含3~3.5万基因 与蛋白质合成有关 的基因占2%人类基因组人类基因组研究成果表明人类基因组研究成果表明基因数量少得惊人 人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠” 三分之一为“垃圾”DNA 种族歧视毫无根据 男性基因突变比例更高中国人类基因组计划中国人类基因组计划1993年，中国人类基因组计划（CHGP）启动，首先开展了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”。 1997年，我国启动了“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构与功能研究”项目。 之后，在上海和北京相继成立了国家人类基因组南、北两个中心。中国人类基因组计划研究成果中国人类基因组计划研究成果1%测序任务， 第三条染色体3000万bp 精确度99.99% 发现142个基因， 其中80个为预测基因 人类基因组计划1%测序中国实验室 人类基因组计划1%测序中国实验室后基因组时代序幕拉开 后基因组时代序幕拉开 哈佛大学科学家麦克贝斯说，人类基因组图谱并没有告诉我们所有基因的“身份”以及它们所编码的蛋白质。人体内真正发挥作用的是蛋白质，蛋白质扮演着构筑生命大厦的“砖块”角色，其中可能藏着开发疾病诊断方法和新药的“钥匙”。 哈佛大学科学家麦克贝斯说，人类基因组图谱并没有告诉我们所有基因的“身份”以及它们所编码的蛋白质。人体内真正发挥作用的是蛋白质，蛋白质扮演着构筑生命大厦的“砖块”角色，其中可能藏着开发疾病诊断方法和新药的“钥匙”。 null基因组: 人类细胞中的全部基因 蛋白组: 由全套基因组编码控制的蛋白质 药物基因组: 即为一个病人的基因组对单个药物反应的相互关系 人类基因组、蛋白组和药物基因组 是生命科学研究路上的三个阶段 3.干细胞3.干细胞 干细胞（Stem cell）即起源细胞。在细胞的分化过程中，细胞往往由于高度化分而完全失去了再分裂的能力，最终衰老死亡。机体在发展适应过程中为了弥补这一不足，保留了一部分未分化的原始细胞。 因此，干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。干细胞的分类干细胞的分类全能干细胞 多能干细胞 单能干细胞按分化潜能按发育状态胚胎干细胞 成体干细胞null胚胎干细胞胚胎干细胞 ES细胞是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。在未来几年，ES细胞移植和其它先进生物技术的联合应用很可能在移植医学领域引发革命性进步。成体干细胞成体干细胞 成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统，具有修复和再生的能力。成体干细胞在其中起着关键的作用。在特定条件下，成体干细胞或者产生新的干细胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。 造血干细胞造血干细胞 造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源，它主要存在于骨髓、外周血、脐带血中。造 血干细胞的移植是治疗血液系统疾病、先天性遗传疾病以及多发性转移性肿瘤疾病的最有效方法。 与骨髓移植和外周血干细胞移植相比，脐血干细胞移植的长处在于无来源的限制，对HLA配型要求不高，不易受病毒或肿瘤的污染。干细胞的用途干细胞的用途 治疗遗传性疾病和恶性肿瘤。 以干细胞为种子培育成某些组织和器官，用于移植医学。抗衰老，延年益寿。 null干细胞工程 干细胞治疗的进展干细胞治疗的进展 科学家们认识到干细胞可能成为一种“拯救生命”的有效的疾病治疗手段。 例如：小剂量纯化的造血干细胞足可使患者骨髓再生，可以避免肿瘤病人进行自体骨髓移植时所致的瘤细胞（尤其是白血病细胞）污染。4.转基因食品4.转基因食品 转基因作物正在按照人们的意愿被“重新设计”。有人预言，21世纪将是转基因作物的一个转换期，科技含量将有很大的提高。但如何评价转基因食品的安全问题，是摆在世人面前的难题和挑战。 什么是转基因食品什么是转基因食品 通过基因工程手段将一种或几种外源性基因（DNA）转移至某种特定生物体（动、植物和微生物等）中，并使其有效地表达出相应的产物（多肽或蛋白质），这样的生物体直接作为食品或以其为原料加工生产的食品就叫作转基因食品。null 国外大量的转基因农产品已被直接或间接制成人类食品。在美国和加拿大，饮料、啤酒、早餐麦片都已含转基因成分；我国市场上有一半以上的大豆色拉油含转基因成分，一部分番茄酱、酱油、豆腐、豆奶等也多少含有转基因成分，虽然国内尚没有转基因作物的大规模生产，但我国进口的农产品有不少是转基因产品。 羞羞答答的转基因大豆油羞羞答答的转基因大豆油全球商业化转基因作物的概况全球商业化转基因作物的概况 种植面积：全球转基因作物的种植总面积为4420万公顷 ◆ 地区分布：全球主要的种植大国美国、阿根廷、加拿大、澳大利亚的种植面积占全球总面积的99％，其中美国68％、阿根廷23％、加拿大7％、澳大利亚1％，余下的1％为墨西哥、西班牙、法国和南非等国家. 2010年市场销售额： 可望至20亿美元 我国转基因作物的概况：我国转基因作物的概况： 我国是最早开展转基因作物研究的国家之一。正在进行中间实验的转基因作物48种，涉及作物11种，其中水稻、小麦、玉米、西红柿、白菜、甜瓜、香木瓜、花生和广藿香等为转基因 食品植物。 ◆ 正在进行环境释放试验的转基因作物49种，其中水稻、玉米、大豆、马铃薯、西红柿、甜椒和线辣椒为转基因食品植物 。 null转基因食品抗病毒和抗软化基因西红柿null 转基因食品 安全吗?!转基因食品的安全性 争论转基因食品的安全性 争论美、欧两大阵营针锋相对 美国转基因作物占世界转基因作物总量的68％，其为转基因食品出口大国，强调这种食品是安全的。 欧盟则抵制转基因食品。国际社会对转基因食品安全性问题的广泛争议， 两个重要方面: 转基因食品毒性安全性，转基因食品环境安全性。转基因玉米闯了祸!转基因玉米闯了祸!2002，11，19美国农业部宣布，内布拉斯加州谷仓中1.36万吨食用大豆被隔离，原因是ProdiGene公司在这批大豆中混入了含有药用蛋白的转基因玉米。 绿色和平组织将转基因食品妖魔化绿色和平组织将转基因食品妖魔化 一、执行严格的安全评价； 二、标识制度，即在转基因食品包装上加贴标识。我国对转基因食品的对策我国对转基因食品的对策◆ 1993年12月24日，国家科委颁布实施了《基因工程安全管理办法》 ◆ 1996年7月10日，国家农业部颁布实施了《农业生物基因工程安全管理实施办法》 ◆ 2001年6月6日国务院颁布了《农业转基因生物安全管理条例》 ◆ 2002年4月8日国家卫生部颁布了《转基因食品卫生管理办法》 ◆ 2002年3月我国规定转基因食品要贴标签，但无人遵守。5.克隆技术的发展5.克隆技术的发展克隆来源与“clone”或“cloning”的音译，曾译为无性生殖或无性繁殖，即由同一个祖先细胞分裂而形成的纯细胞系，这个细胞系每个细胞的基因彼此是相同的。 克隆技术第一个发展时期—微生物克隆。 克隆技术第二个发展时期—生物技术克隆。 克隆技术第三个发展时期—动物克隆。克隆羊多利（Dolly）的诞生克隆羊多利（Dolly）的诞生 1997年12月，英国Roslin研究所克隆羊多利（Dolly）的诞生揭示一个全新概念：由成年机体的一个体细胞核，可以复制一个基因完全相同的新生命个体。 克隆鼠、克隆牛等实验的成功进一步验证了其科学性将体细胞核移植去核卵细胞形成的克隆细胞，其基因组DNA与细胞核供体一致，由克隆细胞复制出可供移植、无免疫排斥的各种组织细胞、器官，是21世纪生命科学的一个新里程碑。nullnull克隆动物的现状。 什么时候会出现克隆人？ 有关克隆人的争议点。三、生命科学的发展前景 三、生命科学的发展前景 1.生命科学已成为自然科学体系中的主力军 从美国科学期刊引文的综述来看，生命科学占全部总数的75.6%，从科学投入来看，生命科学占全部投入总数的55%；从科学的产出来看，生命科学占全部总数的55.1%；从科技专利来看，生命科学占科技专利总数的75.6%， null 2.生命科学的模式发生了巨大的变化 生命科学仍将是向对基本最复杂的微观和宏观两级发展，但最终必须要把宏观和微观整合起来，把在原子、分子、细胞、个体、群体、生态系统等生命不同层次，作为一个有机系统来进行深入的研究。今天的生物学是以单一的个体实验室的研究模式为主，随着大科学的实施，出现了大规模的跨单位、跨地区、跨国的联合研究和大型研究中心的集约性研究,是一个在多学科交又和互动中发展着的动态的科学创新体系 。null3.生命科学的发展，越来越依赖于大型平行技术的发展 通过机器人，通过自动仪器来分离DNA，切割DNA，自动测序研究基因的表达，甚至蛋白质的相互作用。发展机器人技术和利用来控制仪器和数据分析计算机的程序，这是需要科学家的高超智慧。和当今物理学、化学、数学、力学、基础科学和生命科学的交叉，渗透和有机结合。null4.生命科学基础研究与应用结合越来越紧密 许多生命科学基础研究新理论、新方法一出现就预示巨大的应用前景,如干细胞技术、克隆技术等。在“后基因组时代”，许多在过去被视为基础 研究的工作一开始就与应用紧密联系在一起；例如一些商业公司在对基因组的DNA序列进行测定或对蛋白质组中的蛋白质进行分析的同时，把所得到的研究成果直接变为具有很高 利润的商业数据库。基因或蛋白质的信息已成为各大药物公司追求的重要目标。 谢 谢！ 谢 谢！