生物技术的应用与原理
生物技术与应用
一、生物技术的产生和发展
生物技术作为一门高新技术，诞生于20世纪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。30年来，生物技术的快速发展为医疗产业、医药产业、农牧业和环保产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。
中国生物技术产业自20世纪80年代初起步以来，已广泛应用于医药、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般涌现。从1985到2000年，产品销量增长了75.99倍，年均增长3358%。2000年，中国生物技术产业产值已达200亿元。特别是基因工程制药产业发展迅速，1996基因工程药物和疫苗销售额达到2.2亿元，2000年达到22.8亿元，年均增长79.42%。近年来，生物技术产业年均增长率保持在20%以上。
我国涉及现代生物技术的企业约500家，从业人员5万多人，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企业200多家。一些生物技术初创公司正在崛起，每年增加近65，438+000家新公司。在北京、上海、福州、广州、深圳等地建立了20多个生物技术园区，并出台了一些优惠政策，在税收、金融、人才引进、进出口等方面给予生物技术企业全面支持。目前已经培育了一大批新型企业，对我国生物技术的发展起到了引领作用。
随着中国乃至全球生物技术产业的快速发展，对生物技术人才的需求将与日俱增。
二、培养目标
本专业面向21世纪，旨在培养具有生物技术与工程基础理论、知识和技能，能够从事生物技术与工程领域设计、生产和管理的高级工程人才。
通过学习，毕业生可以获得以下知识和能力:
1.有扎实的数学、化学、生物基础理论和知识；
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、发酵工程和细胞工程的基本理论、知识和技能；
3.了解相近专业的通用原理和知识；
4.熟悉国家生物技术产业政策、知识产权和生物工程安全法规等相关政策法规；
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的发展；
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、化学工程与工艺、微生物学、分子生物学、生化工程、生物技术、生物工程、发酵设备、计算机应用等。
四、学制:三年
动词 （verb的缩写）就业方向
大学毕业生的去向有两种:一种是可以继续读本科；一个是就业。因为生物技术涉及的行业很广，包括生物制药(各种细胞因子、核酸、抗生素、中药等的制备。)、生物发酵(制备各种保健品、功能食品、酶制剂、化学品等。)、生物材料(生产各种骨科康复、器官重建、生物降解材料等。)，以及化学生产(生产生物可再生燃料、各种溶剂等。
第六，专业前景
生物技术是最基础、最前沿、应用最广泛、最有前途的学科之一。随着我们社会的发展和经济的增长，许多问题(如农业、食品、医药、环境等。)都是用生物技术解决的。在我国全面对外开放的新形势下，特别是加入世贸组织后，发展生物技术对加快我国产业结构升级、增强我国综合国力具有重要意义。
我国政府高度重视生物技术的研究、开发和应用，投入大量资金支持生物技术的研究和产业化。从1996到2000年，我国政府在生物技术领域的投资为654380+05亿元，这只是启动生物技术部这个大计划的一部分。2000-2005年，计划在这一领域再投资50亿元。同时，国家实施的“863”计划和国家计委的高新技术示范工程，都把生物技术作为优先发展的科技领域和高技术产业，并取得了显著的成就。
现代生物技术原理及应用
【知识介绍】
生物工程是生物科学和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。生物工程是在分子水平、细胞水平、组织水平和个体水平上对生物有机体进行不同层次的创造和设计，从而使人类进入改造和创造新的生命形式的时代。这里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’，因为生物体可以通过基因控制蛋白质的合成，以显示生物特征，完成各种生命活动。那么，人们能否改造生物的基因，定向改变生物的遗传特性，比如重组基因，让禾本科植物也能固定空气中的氮，让细菌“吐出”丝，让微生物产生人体胰岛素和干扰素等。
基因工程是在DNA分子水平上设计和构建的。
基因操作的基本步骤
(1)提取目标基因，如植物抗病基因、人胰岛素基因、干扰素基因。
(2)将目的基因与载体结合。将靶基因的切割片段插入载体-细菌质粒的切口中，质粒和靶基因形成重组DNA分子。
(3)将目的基因导入受体细胞，人工将重组DNA分子转入受体细胞。
(4)目标基因的表达。重组DNA分子进入受体细胞后，目标基因控制蛋白质合成，表现出特异性。
以人干扰素基因为目的基因，通过转基因工程，以目的基因在酵母中的表达为例。见下图:
转基因技术的应用
在农业、畜牧业和食品工业中的应用
例如:
①干扰素的工业化生产。
干扰素是病毒入侵细胞产生的糖蛋白。因为它可以抵抗几乎所有由病毒引起的感染，如水痘、肝炎、狂犬病等。，是一种特效抗病毒药物。65438-0980年，科学家通过基因工程在大肠杆菌和酵母细胞中获得干扰素。65438-0987年，基因工程生产的干扰素进入工业化生产阶段，大量投放市场。
②培育高产稳产、品质优良的作物。
1981年，科学家将豆类贮藏蛋白的基因转入向日葵，培育出“向日葵豆”植株。如果基于这种技术将大豆蛋白的基因转移到水稻、小麦和其他粮食作物中，可以增加这些作物的蛋白质含量，改善它们的品质。
③培育各种抗逆性的农作物新品种。
1982年，科学家成功将细菌中的抗卡那霉素基因转移到烟草、向日葵和胡萝卜中，在短短几年内，科学家培育出数十种具有抗病毒、抗虫和抗除草剂的农作物新品种。
医疗卫生事业中的应用
例如:
①基因治疗:
将健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞，达到治疗疾病的目的。常用的基因治疗方法有:将目的基因与病毒重组，将目的基因包装成病毒颗粒。随着受体细胞的感染，缺失的基因可以被弥补，目的基因的产物可以被表达。目前，在遗传病的基因治疗中，主要研究的是单基因缺陷遗传病。因为以上方法针对的是体细胞，不会代代相传，不会严重改变种群。
②基因诊断:
利用放射性同位素标记的DNA分子和荧光分子作为探针(DNA探针:特定的DNA片段)，利用DNA分子杂交的原理，可以识别被检测样本上的遗传信息，从而达到检测疾病的目的。比如肝炎病毒引起的传染病容易传播，给诊疗带来很多困难。利用DNA探针可以快速检测肝炎患者的病毒，为肝炎诊断提供了一种快速简便的方法。
③基因检测:
据报道，饮用水中病毒的含量可以通过DNA探针来检测。具体方法是用特定的DNA片段做探针，与被检测的病毒DNA杂交，从而检测病毒。该方法具有快速、灵敏的特点。
第二，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，通过一些工程手段，在全细胞或细胞器水平上，按照人的意愿，改变细胞中的遗传物质或获得细胞产物的一门综合性科学。
生物工程涉及的领域很广，包括细胞融合技术、细胞拆解技术、染色体导入技术、胚胎移植技术、克隆技术等等。
1，细胞融合技术
细胞融合技术是将两个细胞在融合剂的作用下融合成一个杂交细胞的技术。植物细胞融合时，要用纤维素酶去除细胞壁，获得原生质体后再融合。
科学家通过植物体细胞杂交的方式成功培育出“番茄-马铃薯”杂交植株，后来又培育出新品种，如白菜-甘蓝、胡萝卜-芥菜等。不仅如此，科学家们还在不同种类的动物之间或动物与人之间进行了融合，形成了杂交细胞，如人-鼠、鼠等。
克隆技术
克隆的本质是无性繁殖，即不经过生殖细胞的组合，由母体直接产生新个体的繁殖方式。今天，克隆的意义已经不仅仅是无性繁殖，而是一个细胞通过培养获得两个以上的细胞、细胞群或生物的方式，称为克隆。
克隆技术的理论基础——全能性
细胞全能性:分化的细胞仍有发育的潜力，即分化的细胞仍有发育成完整植株的能力。
多细胞生物通常是由受精卵通过有丝分裂形成的。因此，有机体的每一个细胞的基因都与受精卵的基因相同。也就是说，生物体的每一个细胞都包含了物种的全部遗传物质和一个完整个体发育所必需的全部基因。
2)克隆技术的应用
动物克隆:
以“多莉”羊的出现为例，步骤如下:
1.核移植形成重组细胞。将山羊乳腺细胞核移植到B羊去核卵细胞中形成重组细胞。
胚胎移植:将重组细胞体外培养形成早期胚胎，然后植入C羊子宫。
3.绵羊多莉诞生了。
组织培养:
植物组织培养的一般过程是:在无菌条件下，切下一部分器官或组织(如芽、茎尖、根尖或花药)，在适当的人工培养基上培养。首先，这些器官或组织经过细胞分裂和去分化(从分化状态到未分化状态)形成愈伤组织。之后，愈伤组织在适当的条件下开始生长，如光照、温度和某些营养物质和激素。
植物组织培养不仅取材少、培养周期短、繁殖率高，而且便于自动化管理。目前，该技术已广泛应用于花卉果树的快速繁殖和无病毒植株的培育。例如，一个兰花茎尖可以在一年内产生400万株兰花幼苗。比如长期无性繁殖的植物，体内往往会积累大量的病毒。这会影响植物的产量或观赏价值。发现只有这些植物的根尖和茎尖不含病毒。因此，人们利用茎尖进行组织培养，获得许多植物(如马铃薯、草莓、菊花)的脱毒植株，取得了可观的经济效益。
[精选练习]
大白菜和卷心菜杂交产生的植物通常是不育的，但是科学家发现很少有杂交植物能产生种子，因为:
参考答案:染色体数量翻倍。
2.能克服远缘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
分析:植物组织培养的优势可以提高自然繁殖率低的珍稀花卉和濒危物种的无性繁殖率。动物胚胎移植可以提高动物的繁殖率。单倍体育种可以加快育种进程。细胞融合可以克服远缘杂交的不亲和性
3.下列选项中，不采用植物组织培养技术的是()
a、花药离体培养获得单倍体植株。
b .用秋水仙碱处理萌发的种子或幼苗，获得多倍体植株。
c .通过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”杂交植株。
参考答案:b
4.英国科学家威尔莫特首次从绵羊体细胞(乳腺细胞)成功克隆出一只羔羊，并将其命名为“多莉”。以下四项中，()本质上最接近这种方法。
a、将兔子的早期胚胎分割后，植入两只母兔子体内，最终发育成两只一模一样的兔子。
b .将人类抗病毒基因嫁接到烟草的DNA分子上，培育具有抗病毒能力的新品种。
c .将小鼠骨髓瘤细胞和免疫后的脾细胞融合成杂交瘤细胞。
d、人类精子和卵细胞在体外受精，当受精卵在试管中发育到胚泡阶段，植入女性子宫发育成“试管婴儿”。
参考答案:a
5、以下哪项技术与“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.在分化过程中，细胞往往因高度分化而完全失去再次分裂的能力，最终衰老死亡。但在发育和适应过程中，机体保留了一部分未分化的原始细胞，称为干细胞。一旦需要，这些干细胞会按照发育路线分裂，保证局部组织损伤的修复。根据以上材料，回答下列问题:
(1)人工获取胚胎干细胞的方法是:将细胞核移植到去核的卵子中，经过一定的处理使其发育到一定时期，从而获得胚胎干细胞。“某个时期”最有可能是()。
a、受精卵b、八胞胎c、胚泡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(可发育成各种组织器官)和多能干细胞(可发育成特化的组织器官)，因此这些细胞在个体发育中的分化顺序是()。
a、全能-专业-多功能B、全能-多功能-专业
c、全能-全能-专精D、专精-全能-全能
(3)全能干细胞发育过程中，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)干细胞在临床应用中最大的优势是移植器官与患者之间没有反应。
(6)谈谈你对干细胞研究的看法。
参考答案:(1)C (2)B (3)外部和外部(4)受精卵(5)排斥。
(6)干细胞研究对人类治疗疾病有很大帮助。比如用干细胞克隆器官用于器官移植；利用干细胞修复受损器官等。但如果用干细胞研究来克隆人类，会带来严重的社会和伦理问题，必须严肃制止。
7.近几千年来，生命科学的发展日新月异，生物学观点也在不断更新或挑战或补充。
资料一:20世纪80年代，美国生物学家奥德曼和切赫研究发现了RNA的催化功能，他们从65438年到0989年获得了诺贝尔化学奖。
数据二:1996年“疯牛病”在英国的传播成为国际关注的焦点。致病的病原体是致病蛋白，不含核酸，我们称之为朊病毒。美国生物学家普鲁辛纳因在朊病毒研究方面的突出贡献，获得1997年诺贝尔医学生理学奖。
资料三:英国克隆羊多莉的诞生在1997年引起了全世界的轰动。英国威尔穆特博士领导的研究小组成功培育了克隆羊多利，他们将高度分化的成年绵羊乳腺细胞核移植到去核的卵子中。
根据你的生物学知识，以上三种材料挑战或补充了哪些原创的生物学观点？请用简短的话解释它们。
参考答案:
生物催化的酶都是蛋白质，但是RNA催化功能的发现说明，所有的酶不一定都是蛋白质，RNA也有
酶的功能。
以前人们认为核酸是所有生物的遗传物质，但朊病毒这种不含核酸的病原体会导致“疯牛病”。
说明除了核酸应该还有其他遗传物质。
原来高度分化的成年动物的体细胞已经失去了全能性，克隆羊的成功说明了高分。
成年动物的体细胞仍然是全能的。
8.科学家发现，长期接触2，4-D(一种合成的生长素类似物)的人比没有接触过它的人更容易患某种癌症。美国科学家从一种细菌的DNA中分离出一种可以降解2，4-D的基因，将其转移到另一种细菌细胞中，获得了一种可以高效降解2，4-D的转基因细菌。
(1)2，4-D能促进双子叶植物生长并杀死双子叶植物的原因在于
。
(2)转基因细菌也能降解2，4-D，并能代代相传。遵循的生物学原理如下
。
(3)人们在生产中不直接使用最早的带有降解基因的细菌，而是培育和应用转基因。
细菌降解2，4-D的可能原因是转基因细菌与原始细菌相比具有以下特征:
。
参考答案:
低浓度的生长素促进植物生长，高浓度则抑制甚至杀死植物。
基因的功能:通过复制传递遗传信息，通过控制蛋白质合成表达遗传信息。
高效率
9.离体花药培养也属于植物组织培养。它培育的植株是倍性的，染色体数目比原种高。香蕉组织培养形成的幼苗是倍性的。与它们的亲本相比，培养基的作用在于植物组织培养之所以能成功，是因为细胞是有性的，即只要条件适宜，植物细胞就能发育成完整的植株。
解析:离体花药培养是通过植物花粉培养出一个完整的植株，花粉由减数分裂形成，染色体数目减半。香蕉以茎尖为外植体，茎尖细胞属于体细胞，染色体数目与其亲本相同。
参考答案:
单半三稠度提供相同的营养和激素。
10，2000年，110，广东济爱诊所投入运营，标志着试管婴儿技术落户广州。
(1)培养试管婴儿属于生殖模式。
(2)胚胎发育过程指从发育开始的阶段，地点是。
(3)继续将胚胎移植到女性子宫内进行后期进一步发育的原因在于
。
参考答案:
(1)性别(2)受精卵在胚胎前期是体外(体外)，后期是子宫。
(3)胚胎发育需要一定的条件，如温度、激素、营养、气体浓度等。，而子宫具备胚胎发育的一切必要条件，是胚胎发育的最佳场所。
11，看下面的材料。回答问题:
2002年6月5日至10月30日，《科学时报》报道，由美国科学家威尔费伊领导的一个小组发现，
成人骨髓中有一种干细胞，可以在培养基中无限生长，与胚胎干细胞非常相似。
是的。经过近两年的生长，一些细胞系仍然保持完整，没有衰老的迹象。研究
研究人员称这些细胞为多能成体祖细胞。
此前，一些实验室和生物技术公司发现成人皮肤、肌肉和骨髓中存在能量。
形成其他组织细胞的干细胞。研究人员表示，理论上，“多能成体祖细胞”在一定范围内。
应该能形成心肌、脑、肝、皮肤和各种神经细胞。
(1)如果培养基中培养的“多能成体祖细胞”已经传到第60代，那么这类细胞的遗传物质和成体骨髓中干细胞的遗传物质()。
A.所有相同的b .所有不同的c .他们中的大多数是相同的d .他们中的大多数是不同的
(2)由()干细胞培养的皮肤细胞是大面积烧伤患者植皮的最佳选择。
A.病人本人b .父母c .子女d .配偶
(3)在一定条件下，需要完成“多能成体祖细胞”对心肌、脑、肝、皮肤和各种神经细胞的形成。
参考答案:(1)。丙(2)。答:(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。
(1)技术的一个重要环节是去除营养细胞的细胞壁，通常的方法是。
(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。光学显微镜下观察细胞膜可以做什么？
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部溶液的浓度时；活的成熟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，这样在光学显微镜下可以清晰地观察到原生质层最外层的细胞膜。
13，我国青年科学家陈大举成功将人类抗病毒干扰基因“嫁接”到烟草的DNA分子中，使烟草获得了抗病毒能力，产生了j#转基因植株。试分析回答:
(1)人类的基因之所以可以移植到植物中，是因为。
(2)烟草有抗病毒能力，说明产于烟草。这个事实说明人和植物用的是同一套。
(3)该项目在农业、医学等方面取得了许多成果。请举出三个具体的例子。
。
参考答案:
(1)人和植物的DNA结构是一样的；(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；把人的血型基因移植到猪体内，培养出人血的猪:把干扰素基因移植到细菌体内，培养出能产生干扰素的细菌。
14，人类基因组计划的目标是绘制四张图，一张图用遗传单位代表基因之间的距离，一张图用核酸的数量，一张图显示染色体上所有DNA上大约30亿个消减对的排列顺序，还有一张图是基因转录图。这四张地图在不同的层面上，最终在分子层面上，形成了人类的“解剖图”，揭示了人类生命的决定。
国际人类基因组计划合作组织。美国赛莱拉基因信息公司。美国科学与英语杂志。
中国(自然)杂志2月1日联合公布2m1科学家提供的初步分析特别吸引人。
注:最初估计人类基因总数超过65438+万，最终确定为3万左右，而与蛋白质不同。
编码不相关的非编码区的消减对序列多达人类基因组序列的97%。
请根据上述材料回答下列问题:
(1)“人类基因组计划”需要确定人类24条染色体的基因和碱基还原序列，并试图指出是哪24条染色体。
(2)你认为完成人类基因组计划的意义是什么？
。
参考答案:
(l)22条常染色体和XY性染色体(2)①有利于疾病的诊断和治疗；②有利于生物进化的研究；③有利于培育优良的高等动植物品种；④有利于基因表达调控机制的研究。