《生物技术前沿》课件

生物技术前沿欢迎来到生物技术前沿的精彩世界！生物技术定义与范畴定义范畴生物技术是指利用生物体或其组分（如基因、细胞、酶等）生物技术涵盖范围广泛，包括基因工程、细胞工程、蛋白质来制造产品或提供服务的技术它涉及对生物系统的研究、工程、酶工程、发酵工程、生物材料、生物医药等多个领域开发和应用，以改善人类生活质量、解决社会问题生物技术发展简史古代1人类利用生物发酵技术酿造酒类、制作面包和酱油世纪192巴斯德提出病菌学说，奠定微生物学基础孟德尔发现遗传规律，揭“”示生物遗传的奥秘世纪203遗传物质的发现，开启分子生物学时代基因工程技术诞生，标DNA志着生物技术进入飞速发展阶段世纪214基因组学、蛋白质组学、代谢组学等新兴学科的出现，生物技术应用更加广泛和深入生物技术对社会的影响医疗开发新型药物、诊断试剂，治疗疾病，提高人类健康水平农业培育抗病虫害、高产作物，提高农作物产量，保障粮食安全环境生物修复污染环境，治理污染，保护生态环境工业生产生物燃料、生物塑料等可再生资源，促进工业绿色发展基因工程基础概念基本步骤基因工程是指利用生物体遗传物质（）进行人工操作，基因工程主要步骤包括基因克隆、基因表达载体构建、基DNA改变生物体的遗传特性，以生产有用物质或创造新生物类型因导入宿主细胞、基因表达调控重组技术DNA目的基因获取载体选择与构建重组载体导入宿主细胞筛选和鉴定从生物体中分离出目标基因，选择合适的载体，将目的基因利用转化、转染、转导等方法筛选出含有重组载体的宿主细或人工合成目标基因插入载体中，形成重组载体将重组载体导入宿主细胞胞，并通过实验验证目的基因是否成功导入宿主细胞基因克隆目的基因获取1载体构建2转化宿主细胞3筛选和鉴定4克隆基因扩增5基因表达调控转录水平调控通过调节启动子活性、转录因子等来控制基因转录效率翻译水平调控通过调节核糖体结合、稳定性等来控制蛋白质合成效率mRNA蛋白质水平调控通过蛋白质降解、修饰等来控制蛋白质活性蛋白质工程理性设计2根据蛋白质结构和功能关系，设计出具有特定功能的蛋白质定向进化通过对蛋白质进行随机突变，筛选出具1有理想功能的突变体半理性设计结合定向进化和理性设计，提高蛋白质改造效率3酶工程酶固定化酶改造酶应用将酶固定在载体上，通过基因工程或蛋白酶在食品、医药、化提高酶的稳定性和重质工程技术，提高酶工等领域具有广泛应复利用率的活性、稳定性和特用，如生产抗生素、异性洗涤剂、生物燃料等抗体工程12单克隆抗体人源化抗体通过杂交瘤技术，获得针对特定抗原将小鼠单克隆抗体的人源化改造，提的单克隆抗体，具有高度特异性和均高其安全性，减少免疫排斥反应一性3双特异性抗体将两种不同抗原结合位点融合，提高抗体靶向性，增强治疗效果代谢工程代谢途径改造通过基因工程等技术，改造细胞代谢途径，提高目标产物的产量或降低副产物的生成代谢流量分析利用数学模型和实验数据，分析细胞代谢网络中不同代谢途径的流量分布代谢网络优化通过优化细胞代谢网络，提高目标产物的产量，降低生产成本发酵工程生物转化概念应用利用生物体或其酶催化特定化学反应，将一种物质转化为另生物转化广泛应用于医药、食品、化工等领域，如生产药物一种物质的过程、食品添加剂、香料等生物分离与纯化分离技术利用不同物质的物理化学性质差异，将目标产物从混合物中分离出来，如沉降、过滤、离心、色谱等纯化技术进一步去除杂质，提高目标产物的纯度，如结晶、重结晶、电泳等基因组学基因组测序确定生物体的全部基因序列，为理解生物体的遗传基础提供信息基因组注释分析基因组序列，识别基因、蛋白质编码区、调控元件等，为进一步研究提供基础基因组比较分析比较不同生物体的基因组差异，揭示物种进化和生物多样性基因组测序技术12一代测序二代测序以测序为代表，准确性高，以测序为代表，通量高，成Sanger Illumina但通量低，成本高本低，但准确性相对较低3三代测序以和测序PacBio OxfordNanopore为代表，长读长，成本高，但准确性有待提高生物信息学数据分析算法开发软件开发对基因组学、蛋白质组学等大数据进开发新的算法和工具，处理生物大数开发生物信息分析软件，为研究人员行分析，挖掘生物数据中的信息，帮据，提高数据分析效率和准确性提供便捷的数据分析工具助理解生命现象蛋白质组学蛋白质鉴定1利用质谱等技术，鉴定蛋白质的种类和丰度蛋白质修饰分析2分析蛋白质的翻译后修饰，如磷酸化、糖基化等，揭示蛋白质的功能和调控机制蛋白质相互作用分析3研究蛋白质之间的相互作用关系，揭示蛋白质复合体的功能代谢组学代谢物分析代谢途径分析利用质谱、核磁共振等技术，分析代谢物之间的相互关系，分析生物体中的代谢物种类和揭示代谢途径的调控机制丰度疾病诊断利用代谢组学技术，发现疾病相关的代谢物变化，辅助疾病诊断和治疗转录组学测序RNA测定生物体的全部序列，研究基因表达情况RNA差异表达基因分析比较不同条件下表达差异，寻找与疾病、环境变化RNA等相关的基因非编码研究RNA研究非编码的功能，如、等RNA miRNAlncRNA细胞工程细胞培养在体外模拟细胞的生长环境，培养细胞，为研究提供材料细胞融合将不同类型的细胞融合，创造新的细胞类型，如杂交瘤细胞细胞转染将外源基因导入细胞，改变细胞的遗传特性细胞培养技术原代培养传代培养细胞株直接从生物体中获取细胞，进行培养将原代培养的细胞进行传代，使其持续经过长期传代培养，具有稳定遗传特性生长的细胞系干细胞技术12胚胎干细胞成体干细胞来自早期胚胎，具有发育为各种组存在于成年生物体的各种组织中，织器官的能力具有分化为该组织特定细胞的能力3诱导多能干细胞通过基因改造，将成体细胞转化为具有多能性的干细胞组织工程概念应用利用生物材料、细胞和生物因子，构建具有特定功能的人工组织工程在皮肤、骨骼、软骨、血管等组织器官的修复与重组织或器官，用于修复或替换受损组织器官建方面具有重要应用价值免疫学基础免疫系统1机体抵抗外来病原体入侵和自身组织损伤的防御系统免疫器官2骨髓、胸腺、脾脏、淋巴结等免疫细胞3淋巴细胞、吞噬细胞、树突状细胞等免疫分子4抗体、细胞因子、补体等抗原与抗体抗原1能够刺激机体产生特异性免疫应答的物质，如病毒、细菌、真菌等抗体2由免疫细胞产生的特异性蛋白质，能够识别和结合特定的抗原免疫应答机制体液免疫细胞免疫由淋巴细胞介导，主要通过抗体识别和12由淋巴细胞介导，主要通过细胞毒性B TT清除抗原细胞杀死被感染的细胞免疫治疗被动免疫主动免疫直接注射抗体，如狂犬病免疫通过疫苗接种，刺激机体产生球蛋白特异性免疫，如麻疹疫苗细胞免疫治疗利用免疫细胞，如细胞，治疗肿瘤CAR-T单克隆抗体技术杂交瘤技术将免疫细胞与骨髓瘤细胞融合，形成杂交瘤细胞，能够B分泌针对特定抗原的单克隆抗体抗体筛选对杂交瘤细胞产生的抗体进行筛选，获得具有所需特异性和亲和力的单克隆抗体抗体生产利用杂交瘤细胞大规模生产单克隆抗体，用于疾病治疗、诊断等领域基因治疗目标基因选择选择能够纠正疾病的基因，或提供治疗效果的基因基因载体构建将目标基因包装在病毒载体或非病毒载体中，使其能够进入细胞基因导入细胞将载体导入患者细胞，使目标基因进入细胞核，表达治疗效果基因治疗载体12病毒载体非病毒载体利用病毒的感染特性，将目标基因导入细胞，如逆转录病毒利用脂质体、纳米颗粒等材料，将目标基因导入细胞，安全、腺病毒等性更高，但效率相对较低基因治疗临床应用遗传病治疗肿瘤治疗感染性疾病治疗针对遗传性疾病，如囊性纤维化、血利用基因治疗技术，抑制肿瘤细胞生利用基因治疗技术，增强机体抵抗力友病等，进行基因治疗，改善患者症长，提高抗肿瘤免疫力，治疗病毒感染等疾病状干扰技术RNA机制应用通过引入与目标基因序列互补的，使目标基因沉默，干扰技术在疾病治疗、药物研发、基因功能研究等方面siRNA RNA从而降低其表达具有广泛应用12基因编辑技术CRISPR概念1一种基于系统的基因编辑技术，能够对基CRISPR-Cas9因组进行精确的编辑，如插入、删除、替换等应用2技术在疾病治疗、遗传育种、生物材料开发等CRISPR方面具有巨大潜力生物传感器概念种类将生物识别元件与信号转换器根据生物识别元件不同，生物结合，检测特定物质浓度或活传感器可分为酶传感器、抗体性的装置传感器、核酸传感器等应用生物传感器在环境监测、食品安全、医疗诊断等领域具有重要应用生物芯片技术概念将大量的生物探针固定在芯片上，用于快速、高效地检测生物样品中的特定物质种类根据应用领域不同，生物芯片可分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片等应用生物芯片在疾病诊断、药物筛选、基因功能研究等方面具有重要应用生物材料应用合成生物材料生物材料在医药、材料、农业等领域具天然生物材料人工合成，如聚乳酸、聚羟基乙酸等有广泛应用，如人工器官、药物缓释、来源于生物体，如胶原蛋白、壳聚糖、生物肥料等透明质酸等纳米生物技术概念应用将纳米材料和生物技术结合，开发具有特殊性能的生物材料纳米生物技术在疾病治疗、药物递送、组织工程、环境修复、药物、诊断试剂等等领域具有巨大潜力合成生物学生物体系设计设计和构建新的生物体系，如人工细胞、人工酶等应用基因合成合成生物学在医药、能源、材料、农业人工合成基因，构建新的生物系统等领域具有广泛应用前景213人工细胞1概念人工合成能够模拟细胞基本功能的体系，如细胞膜、遗传物质、代谢系统等2应用人工细胞在疾病治疗、生物材料、药物筛选等领域具有巨大应用前景生物燃料概念优势利用生物质资源，如植物、动生物燃料可再生、可持续，能物废弃物等，通过生物转化技够减少化石燃料依赖，降低碳术生产的燃料，如生物柴油、排放生物乙醇等挑战生物燃料生产成本高，与粮食争地等问题需要解决生物塑料概念利用生物质资源，如玉米、大豆、淀粉等，生产的塑料，可降解、可再生优势生物塑料能够解决传统塑料带来的环境污染问题，推动可持续发展挑战生物塑料性能不及传统塑料，生产成本高，需要进一步研发和改进生物农药概念利用生物体或其代谢产物，如细菌、真菌、病毒等，制成的农药，对环境友好、安全性高优势生物农药能够有效防治病虫害，减少化学农药使用，保护生态环境应用生物农药在蔬菜、水果、粮食等作物的病虫害防治中得到广泛应用环境生物技术生物修复生物监测生物防治利用生物体或其代谢产物，修复污染利用生物体作为指示生物，监测环境利用生物体，如天敌昆虫、病原微生环境，如治理重金属污染、石油污染污染情况，如水质监测、大气监测等物等，控制害虫或病原体，减少化学等农药使用生物修复微生物修复利用微生物降解污染物，修复污染环境2植物修复利用植物吸收、积累或降解污染物1，修复污染环境酶修复3利用酶催化降解污染物，修复污染环境生物监测123水质监测大气监测土壤监测利用水生生物，如鱼类、藻类等，监测利用地衣、苔藓等植物，监测大气污染利用土壤微生物，监测土壤污染情况水体污染情况情况生物防治天敌昆虫利用害虫的天敌昆虫，如瓢虫、草蛉等，控制害虫数量病原微生物利用病原微生物，如细菌、真菌等，杀死害虫植物抗性利用植物自身抗病虫害的能力，减少病虫害发生生物技术的伦理问题基因歧视转基因食品安全根据基因信息对个人进行歧视转基因食品对人体健康、环境，如就业歧视、保险歧视等安全等方面的潜在风险引发关注动物福利生物技术应用，如动物克隆、转基因动物等，对动物福利的影响引发争议基因歧视应对危害制定相关法律法规，加强监管，维护个概念基因歧视侵犯个人隐私和尊严，造成社人基因信息安全，促进生物技术健康发基于基因信息对个人进行歧视，如就业会不公，阻碍生物技术发展展歧视、保险歧视、教育歧视等转基因食品安全安全风险安全保障转基因食品可能存在对人体健康、环境安全等方面的潜在风制定相关法律法规，加强监管，对转基因食品进行严格的安险，需要进行严格的安全性评估全性检测，确保其安全动物福利转基因动物动物克隆转基因动物可能存在对自身健康或动物克隆技术可能导致克隆动物的12环境安全的影响，需要进行严格的健康问题，如早衰、免疫缺陷等伦理审查生物技术的政策与法规知识产权保护1保护生物技术相关的知识产权，如专利、商标、商业秘密等，促进生物技术创新和发展技术转移2促进生物技术成果的转化和应用，推动生物技术产业发展伦理监管3制定相关伦理规范，对生物技术应用进行伦理监管，确保生物技术发展符合社会伦理和道德规范知识产权保护专利保护商标保护保护生物技术相关的发明创造保护生物技术相关产品和服务，如基因工程、细胞工程等技的品牌形象，如生物医药、生术物农业等领域商业秘密保护保护生物技术相关的技术信息、商业模式等，防止泄露和侵犯技术转移成果转化将生物技术研究成果转化为实际应用，如将新的药物、诊断试剂、生物材料等推向市场产业化将生物技术成果进行产业化，建立生物技术产业，推动生物技术发展生物技术的未来发展趋势精准医疗利用生物技术，对疾病进行精准诊断和治疗，实现个体化医疗人工智能与生物技术将人工智能技术应用于生物技术领域，如药物研发、疾病诊断等合成生物学合成生物学将成为生物技术领域的重要方向，推动生物制造、环境修复等领域的发展精准医疗基因检测靶向治疗免疫治疗通过基因检测，识别个体基因差异，针对特定基因靶点，开发高效、安全利用免疫细胞治疗疾病，如细CAR-T为疾病诊断和治疗提供精准指导的药物，实现精准治疗胞治疗肿瘤人工智能与生物技术疾病诊断利用人工智能技术，辅助疾病诊断，提高诊断准确率药物研发生物数据分析利用人工智能技术，加速药物研发过程利用人工智能技术，分析生物大数据，，提高药物研发效率揭示生命奥秘213生物技术的挑战与机遇伦理挑战安全挑战发展机遇如何解决生物技术应用带来的伦理如何确保生物技术应用的安全，防生物技术将为医疗、农业、环境等问题，如基因歧视、动物福利等止生物武器、基因污染等风险领域带来革命性变化，推动社会进步和经济发展结论与展望生物技术是世纪最具潜力的技术之一，在医疗、农业、环境等领域具21有巨大应用前景，将为人类社会带来深刻影响未来，生物技术将不断发展，突破创新，创造更多福祉，为人类健康和社会发展做出更大贡献。