生物工艺学教案及讲稿1.2.3.4

第1讲 绪论

教学内容：1. 绪论 §1-1 生物技术的定义和性质

§1-2 生物技术的发展及应用概况

§1-3 生物技术的发展趋势

目的要求：1. 掌握生物工艺学的定义，特点，生物技术概念的范畴

教学重点和难点：1、生物技术的定义，内涵

教学方法：课堂讲授为主，自学结合

内容提要及课时分配：1、生物技术的定义和性质（20′）

作业：

1. 由国际经济与发展组织（iecdo）提出的有关生物技术的定义有何特点？

2. 教材中把生物技术的发展分为四个时期，它们各有哪些主要代表性技术和产品？

主讲教师： 授课班级： 授课日期： 2010.9.7

导入新课：

介绍生物工艺学的内涵，教材包括得主要内容，重点要学习的章节和内容，强调学习生物工艺学的重要意义。

1 绪 论

1.1 生物技术的定义

⑴ 1919年匈牙利艾里基提出：“凡是以生物机体为原料，无论其用何种生产方法进行产品生产的生物技术”都属于生物技术；

⑵ 20世纪70年代末，80年代初提出的定义倾向于：必须采用基因工程等一类具有现代生物技术内涵或以分子生物学为基础的技术；

⑶ 国际经济合作与发展组织（iecdo）在1982年提出定义：应用自然科学和工程学的原理，依靠生物作用剂的作用，将物料进行加工以提供产品或用以为社会服务的技术；

在国际经济合作与发展组织（iecdo）提出生物技术定义的特点： 生物作用剂：指从活的或死的微生物、动物或植物的机体、组织、细胞、体液以致分泌物以及上组分中提取出来的生物催化剂——酶或其他生物活性物质； 提供的产品：可以是工业、农业、医药、食品等产品； 被作用的物料：可以是有关的生物机体或其中的有关器官，如细胞、体液以及极少量必须的无机物质； 应用的自然科学：可以是生物学、化学、物理学等以及相关的分支学科，交叉学科； 应用的工程学：可以是化学工程、机械工程、电气工程、电子工程；

1.2 生物技术的发展及应用概况

生物技术的发展分为四个时期：经验生物技术时期；近代生物技术的形成和发展时期；近代生物技术的全盛时期，现代生物技术的建立和发展时期；

1.2.1 经验生物技术时期 （人类出现到19世纪中期）

生物技术的发展和利用可以追溯到1000多年（甚至4000多年）以前如酒类的酿造，豆粮轮作的方法等，主要产品有果酒、酸奶、啤酒、大豆酿酱油，多种植物配制剂——麻沸散等。

经验生物技术时期的技术为其后生物技术相关理论的建立创造了条件。

1.2.2 近代生物技术建立时期 （19世纪中期至20世纪40年代）

这一时期的诞生是与显微镜的诞生和微生物的发展以及微生物学的问世密切相关的。20世纪初，人们发现某些梭菌能够引起丙酮、丁醇的发酵，随之引发了一系列初级代谢产物的

生产。这一时期是人类有意识地利用某些微生物进行生产的时期，

这一时期的发酵产物的特点：都属于微生物形成的初级代谢产物，发酵以厌氧发酵居多，发酵产品主要为某些有机溶剂。

这一时期进行大规模生产的发酵产品有乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等。

1.2.3 近代生物技术全盛时期 （20世纪40年代至20世纪70年代末）

1929年flemming发现了青霉素，从此生产技术产品中增加一大类新的产品——抗生素。 第二次世界大战促进许多科学家和工程师齐心协力，攻克许多难关，实现了青霉素的工业化生产。20世纪40年代，抗生素工业成为生物发酵工业技术的支柱产业。

这一时期生物技术的发展主要成就有：青霉素的发现及其开发概况、酶反应过程和生物转化的过程的开发概况等，为基因工程的建立和新的生物技术时期的来临创造条件。 区分初级代谢产物和次级代谢产物

初级代谢产物：指微生物处于对数生长期所形成的产物，主要是与细胞生长有关的产物，如氨基酸、核酸、蛋白质、碳水化合物以及能量代谢有关的副产品，如乙醇、丙酮、丁醇等。

次级代谢产物：次生代谢物的产生与产生这种产物的微生物本身的生长和生命活动并不是密切相关的，它们一般产生于微生物生长的稳定期，他们的结构往往非常复杂。

1.2.4 现代生物技术建立和发展时期 （20世纪70年代末开始）

现代生物技术时期是以分子生物学的理论为先导，基因工程的技术开始能作为生物技术新产品的一种开发手段或关键技术后算起的。80年代以来，随着重组dna技术的发展，人们可以按人类社会的需要，定向培养出有用的菌株，这为发酵工程技术引入了遗传工程的技术，使生物技术进入了一个新的阶段。

基因工程的应用首先集中于许多多肽或蛋白质的生化药物中，如胰岛素、干扰素等。这一时期生物技术的发展主要有：单克隆抗体的发展和应用；动、植物细胞培养技术的应用；杂交技术在动植物生产中的应用；转基因植物和动物的研究和开发，克隆动物的发展及取得的成就等方面。

1.3 生物技术的发展趋势

1.3.1. 深入开展人类后基因组学的研究，逐步掌握人类生、老、病、死的自然规律

有关后基因组学的研究概括讲就是：首先要将完成图的碱基对序列中所有的基因识别出来，其次要鉴别每一个基因的生物化学结构和性质，最后要搞清所有基因与人类生、老、病、死的关系。

后基因组学的研究主要包括：结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学。

1.3.2. 逐步深入的开展基因诊断和基因治疗研究

基因诊断是通过基因工程的手段对生物体的基因组dna片段及其转录产物进行定性和定量分析；

基因治疗是以正常基因通过病毒载体原位转入病人体内以取代原来缺陷或病变的基因，也可以是使原来丧失表达能力或使原来丧失表达能力或使机体产生免疫基因已达到抗肿瘤、抗病毒的目的。

1.3.3 加强各种生物技术新药物的研究开发

加强对重组激素、重组细胞因子、从足溶血栓物质、治疗性抗体的研究开发。

1.3.4. 人类干细胞培养或胚胎工程的发展

人类干细胞可分为两类：全能性干细胞和多能性干细胞；前者能发育成完整的个体，后者只能发育成人体某一脏器或组织，如肝脏、肾脏、心脏或骨胳、皮肤、肌肉等。人类胚胎干细胞来自早期胚胎，这些全能型干细胞后来发育成多能性干细胞。

1.3.5 转基因动物的发展，克隆动物的发展成就

转基因动物是通过基因工程手段获得在基因中整合了外源基因的动物。克隆动物是指通过无性繁殖的手段复制而诞生的动物，其外形和生理性状均与其供体细胞相同的动物。

1.3.6 加速对人类功能基因的研究开发

由于功能基因对人类的健康以及药物研究开发的关系密切，因此各国科学家相互争先把已知的功能基因进行相当深入的研究以获得发明专利权。

1.3.7 基因农作物为农作物方面的发展前景

转基因农作的重点发展方向是：抗虫害的转基因农作物；寻找新的抗病毒基因并将其转入一些重要农作物中；抗干旱、抗盐碱、抗重金属、抗水涝、抗寒冻等的转基因农作物；

1.3.8 加强与环境保护学科的合作研究

主要集中在对环境污染的生物治理。

1.3.9 积极开展海洋生物技术的研究

1.3.10 大力发展与生物技术相关的工程技术学科的研究

小结：内容包括三个部分：生物技术的定义和性质；生物技术的发展及应用概况；生物技术的发展趋势。重点掌握生物技术的定义质；生物技术的发展的四个时期及代表产品和技术，了解生物技术的发展趋势。

第二讲 菌种的来源

教学内容：2-1 菌种的来源

§2-1-1 微生物的特点

§2-1-2 常见的工业微生物及作用

的原理和发展；

§2-1-3 典型微生物新种分离筛选过程 §2-1-4 微生物选择性分离的原理和发展 目的要求：1. 掌握典型微生物新种分离筛选过程，微生物选择性分离教学重点和难点：1、典型微生物新种分离筛选过程 教学方法：课堂讲授为主，自学结合 内容提要及课时分配：1、微生物的特点（5′）

作业：

1. 微生物选择性分离的方法及原理？

2010.9.9

2.

2.1

2.1.1 主讲教师： 授课班级：生物08班 导入新课：课堂提问：初级代谢产物、次级代谢产物。生物反应过程原理篇 菌种选育 菌种的来源： 微生物的特点

授课日期：

等现象。

对于噬菌体的防治要做到以下几点：

⑴ 正确判断；

⑵ 普及有关噬菌体的知识；

⑶ 选育抗噬菌体菌株；

⑷ 消灭噬菌体；

⑸ 收集和保存噬菌体。

小结：内容包括两个部分：菌种的来源——重要工业微生物的分离；菌种的选育。重点掌握菌种来源——重要工业微生物的分离（施加选择压力分离法、随机分离法）。菌种自然选育和诱变育种的原理、方法及基本步骤。了解抗噬菌株的选育过程及注意事项。

第四讲 菌种的来源

教学内容：2-2 菌种选育

重

§2- 2-4 杂交育种 §2-2-5 原生质体融合技术 §2-2-6 dna重组技术 目的要求：1. 了解菌种选育的方法：杂交育种、原生质体融合、dna组技术等方法的原理

教学重点和难点：1、杂交育种

教学方法：课堂讲授为主，自学结合

内容提要及课时分配：1、杂交育种（50′）

作业：微生物菌种选育的方法及特点。

主讲教师： 授课班级：生物08班 授课日期：2010.9.16 导入新课：

生物反应过程原理篇

2.3.4杂交育种

杂交育种是指将两个基因因不同的菌株经吻合（或接合）是遗传物质重新组合，从中分离和筛选具有新性状的菌株。

杂交育种的目的在于：（1）通过杂交使不同菌株的遗传物质进行交换

和重新组合，从而改变原有菌株的遗传物质基础，获得重组体;（2）可以通过杂交把不同菌株的优良性能集中于重组体中，克服长期用诱导剂处理造成的菌株的生活能力下降等缺陷；（3）通过杂交，可以扩大变异范围，改变产品的质量和产量，甚至出现新品种；（4）分析杂交结果，可以总结

遗传物质的转移和传递规律，促进遗传学理论的发展。

微生物杂交育种所使用的配对菌株称为直接亲本。直接亲本菌株应带有适应的遗传标记。

常用的遗传标记有颜色、营养要求和抗药性等。

营养标记菌株是最长用的遗传标记之一。

2.3.4.1细菌的杂交

细菌的接触是导致基因重组的必要条件。

细菌杂交可以通过f因子转移、转化和转导等发生重组，但育种获得成功的报道不多。 受体细胞接受供体细胞内抽提得dna而进行的基因重组称转化。

通过噬菌体载体，dna从一个细胞转移到另一个细胞而进行的基因重组称转导。

细胞结合融合之后重组，质粒介导的结合作用称f因子转移。雄体（供体）部分遗传物质转移到雌体受体细胞中。

质粒自我控制转移的过程称为接合。

在e.coli中接合性质粒家族称为f因子（f为致育因子）

例 a-b+lac-smrt1s + a+b-lac+smst1r

+b+lac+smt1r

2.3.4.2 放线菌杂交育种

2.3.4.2.1原理

放线菌只有一条环状染色体。大体有四种遗传体系：

（1）异核现象，

异核体：同一条军衔活细胞中含有不同基因型的细胞核。

（2）接合现象

相同细胞质里不同基因型细胞核在双方增殖过程中发生部分染色体的转移或遗传信息的交换。接合现象导致部分合子的形成。

（3）异核系的形成

部分合子形成后，接着就产生杂核的无性繁殖系 （经一次单交换形成）即异核染色体组。

（4）重组体的形成

异核系不稳定，在菌落生长过程中，二体区的不同位置发生交换后，能产生重组体细孢子，能长出各类型的分离子。

2.3.4.2.2放线菌杂交技术

现常用的放线菌杂交方法主要有三种：混合培养法、平板杂交法和玻璃纸转移法。

2.3.4.3

2.3.4.3.1

体细胞的重组。

霉菌的杂交育种 准性生殖过程 准性生殖：指真菌中部通过有性生殖的基因重组过程。 准性生殖的整个过程包括三个阶段：异核体的形成；二倍体的形成；（1）异核体的形成 异核体 （2）杂合双倍体的形成 （3）体细胞重组 染色体交换 染色体单倍化

2.3.4.3.2霉菌杂交技术

（1）选择直接亲本；

（2）异核系的形成；

（3）双倍体的检出；

（4）分离子的检出；

2.3.5 原生质体融合技术

原生质融合：将两个亲体细胞作用释放原生质体，在使其在高渗条件下混合在peg作用下细胞融合，使两亲本基因组发生重组。

2.3.5.1原生质融合的优越性：

优点：① 去除细胞壁的障碍；② 增加重组亲本的种类的数目；③ 增加重组的频率 ④ 配合其他方法集中优良性状； ⑤ 可以通过钝化亲株，提高筛选效率。

2.5.2原生质体融合的一般步骤

亲株ⅰ→原生质体ⅰ

两者融合（peg处理）→融合子

亲株ⅱ→原生质体ⅱ

2.3.5.3原生质体融合技术在微生物育种中的应用

原生质体融合方法：peg助融、电诱导、脂质体为媒介的融合。

2.3.6dna重组技术

dna重组技术：按人的意志，将某一生物的遗传信息在体外经人工与载体相接，构成重组dna分子，后转入另一生物体细胞中得以表达和遗传。

2.3.6.2工程菌的稳定性问题

2.3.6.2.1工程菌不稳定性表现

工程菌不稳定实际包括：质粒不稳定以及表达产物不稳定两个方面。

兰州交通大学化学与生物工程学院 生物工艺学教案及讲稿

2.3.6.2.2解决工程均不稳定性的对策

工程菌稳定与否，与重组质粒本身的分子组成、宿主细胞生理和遗传性以及环境条件等因素有关。

常采用以下措施降低或防治工程菌的不稳定性:

（1）组建合适载体

（2）选择合适宿主

（3）施加选择压力

（4）控制基因过量表达

（5）控制培养条件

（6）质粒构建时，插入一段能改良宿主细胞省长速率的特殊dna 片段。

（7）质粒不应有可转移因子

（8）精减质粒dna

（9）固定化重组菌

小结：内容为菌种选育的方法：杂交育种；原生质体融合技术，dna重组技术。重点掌握杂交育种；原生质体融合技术，dna重组技术的原理、特点、基本步骤及注意事项。了解杂交育种；原生质体融合技术，dna重组技术在菌种选育中的应用

任课教师： 第 16 页 2010-2011学年第一学期

（6）质粒构建时，插入一段能改良宿主细胞省长速率的特殊dna 片段。

（7）质粒不应有可转移因子

（8）精减质粒dna

（9）固定化重组菌

小结：内容为菌种选育的方法：杂交育种；原生质体融合技术，dna重组技术。重点掌握杂交育种；原生质体融合技术，dna重组技术的原理、特点、基本步骤及注意事项。了解杂交育种；原生质体融合技术，dna重组技术在菌种选育中的应用

任课教师： 第 16 页 2010-2011学年第一学期

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ml17.html