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生物工程概论


名词解释
生物技术:生物技术是应用自然科学及工程学的原理,依靠微生物、动物、植物体作为反
应器将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。 Any technological application that uses biological systems, dead organisms, or derivatives thereof, to make or modify products or processes for specific use

酶工程:是指利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能,或对酶进行修饰改造,借助
生物反应器和工艺过程,将相应的原料转化成人类所需产品的一项技术

酶分子修饰:通过各种方法使酶分子的结构发生某些改变,从而改变酶的某些特性和功能
的技术过程称为酶分子修饰

发酵工程:通过微生物的生命活动来获得人们所需物质的技术过程。 细胞工程:是指应用细胞生物学和分子生物学的方法,通过类似于工程学的步骤,在细胞
整体水平或细胞器水平上, 按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质以获得新型生物或特种 细胞产品的一门综合性科学技术。

基因工程: (核酸的分离、提取、体外剪切、拼接重组以及扩增与表达等技术)也叫基因
操作、遗传工程,或重组体 DNA 技术。一般说来所谓的基因工程是指在体外将核酸分子插 入病毒、质粒或其它载体分子,构成遗传物质的新组合,并使之参入到原先没有这类分子的 寄主细胞中内,而能持续稳定的繁殖

蛋白质工程:指在研究蛋白质分子结构及其与生物功能之间关系的基础上, 对编 码该蛋白的基因进行有目的的设计和改造, 并通过基因工程等手段进行表达和分 离,最终获得更优良的蛋白质。 细胞融合: Cell fusion)又称体细胞杂交(Somatic hybridization) ( ,是指将不同来源的原
生质体(除去细胞壁的细胞)相融合并使之分化、再生、形成新物种或新品种的技术

胚胎工程: 以体外受精和体外早期胚胎发育为基础包括卵子切割、 性别控制、 嵌合体制作、
细胞核移植、转基因操作等定向控制、改造和创新遗传性状的技术。由于所有这些技术都是 在胚胎发育过程中进行的,所以人们又把这些生物技术统称为胚胎工程或者叫做发育工程

胚胎融合:又叫胚胎嵌合,是将两枚或两枚以上的胚胎(同种或异种动物)的部分或全部
细胞融合在一起,使之发育成一个胚胎,然后移植到受体母畜体内让其继续发育形成

愈伤组织:由外植体组织增生的细胞产生的一团不定型的疏散排列的薄壁细胞 限制性内切酶 RE:一类在细菌中发现的,能识别 DNA 的特异序列,并在特定位点上或
基因周围切割 DNA 分子的酶蛋白分子,存在于细菌细胞内

克隆载体:是携带目的基因进入宿主细胞,并在宿主细胞内进行扩增、表达的一种工具

质粒(plasmid):一种能自主复制的,裸露的小型双链环状 DNA 分子,在细菌中以独立
与染色体以外的方式存在。既可以用于目的基因克隆,也可用于基因的表达。 Plasmid, a small, circular double-stranded DNA molecule capable of independent replication within the cell

转化:所谓的转化,是指将质粒、噬菌体 DNA 或以它们为载体构建的重组体导入宿主细
胞,从而使宿主细胞获得新表型的过程

转染:所谓转染,是指病毒、噬菌体或以其构建的重组体侵染进入宿主细胞的过程 基因组文库(genomic library) 包含有该基因组全部 DNA 的克隆组,其中一个克隆是 :
含有该基因组的一个小片段的重组子的宿主细胞。

DNA 重组:DNA recombination, that is, in fact, the molecular cloning include a series of
technical, the ultimate purpose is to put a creature of the genetic information into another organism.

种质保存(germplasm conservation):是指利用天然环境或人工创造的适宜环境来保
存种质资源,使个体所含有的遗传物质保存其遗传完整性,且具有高的生命活力,并能通过 繁殖将其遗传特性传递下去

人工种子:就是最外面包裹一层有机薄膜的植物胚状体 看护培养:是指用一块活跃生长的愈伤组织来看护单个细胞,使其持续分裂和增殖的一种
培养方法

组织工程:是应用细胞生物学和工程学原理,将人体某部分的组织细胞种植和吸附在一种
生物材料的支架上进行人工培养繁殖、扩增,然后移植到人体内所需要的部位,从而达到器 官修复或再造的治疗目的的一种技术。

问答题
29、The advantages of biotechnology
不可取代 irreplaceable 快速、精确 Fast and accurate 低耗、高效 consumption, high efficiency 副产物、副作用小 By-products, small side effects 安全性好 safety

28、Characteristic of Gene
1.Different genes have the same material base 不同基因具有相同的物质基础 2.Genes can be cut 基因是可以切割的 3.Gene is be transferable 基因是可以转移的 4.corresponding relation between genes and Peptide 多肽与基因之间存在对应关系

5.The genetic code is universal 遗传密码是通用的 6.Through the genetic gene can copy information to the next generation 基因可以通过 复制把遗传信息传递给下一代

30、The feature of the biotechnology
生物技术三个特点: 1)生物技术的多学科性和综合性 2)微生物、动植物作为生物催化剂,有别于化学催化剂 3)最终目的将生物反应开发成为工业生产的工艺过程,即生物反应过程(Bioprocess) 1) biotechnology multidisciplinary sex and comprehensive 2) microbe, animals and plants as a biological catalyst, different from chemical catalyst 3) the final purpose biological reaction is the industrial development manufacturing process,That is biological reaction process (Bioprocess).

14、生物技术的主要内容
基因工程:核酸的分离、提取、体外剪切、拼接重组以及扩增与表达等技术。 细胞工程:细胞的离体培养、繁殖、再生、融合,细胞核、质、器的移植改建。 酶工程:利用酶的特异催化功能,借助固定化,生物反应器等新技术生产特定产品的 技术 发酵工程:为微生物提供最适宜的发酵条件,生产特定产品的技术 蛋白质工程:天然蛋白的改造,设计优良蛋白

13、现代生物技术的技术特征,技术内容及产品
技术特征:以重组 DNA 技术为核心的一个高技术综合体系 技术内容:重组 DNA 及转化基因技术; 细胞和原生质体融合技术; 酶或细胞的固定化技术; 植物脱毒和快速繁殖技术; 动物和植物细胞的大量培养; 动物胚胎工程技术; 现代微生物发酵(高密度、连续发酵) ;现代生物反应工程和分离工程技术; 蛋白质工程; 海洋生物技术 产品: 基因工程药物、疫苗和注射用单克隆抗体(例:胰岛素、人生长激素、抗血 友病因子、干扰素 TNF) 转基因:抗虫、草病等农作物产品

6、生物工程与生物技术的区别
生物技术是一种方法和手段;技术是泛指以生产实践知识和经验以及自然科学原则为 基础而发展起来的各种工艺操作放飞和技能。 生物工程是一个综合体,完整的系统;工程是将自然科学的原理应用于工农业生产部 门而形成的各种学科的总称。 技术和工程都是自然科学因生产实践而派生出来的两个分支。生物技术比生物工程包 含面更广泛。

15、生物技术上中下游的关系
上游加工----最重要的是提供和制备高产优质和足够数量的生物催化剂。 即应用常规选 育、基因工程、细胞工程和酶工程手段获得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等 下游加工-----从反应液中提取目的产物加工精制成合格产品 中游加工-------生物反应器为中心 生物化学工程------包括中下游两部分

16 利用生物技术改造作物可达到的目的
1、改变物种的性状 2、增加作物抗病虫害能力 3、提高作物的产量 4、改善食品的营养成分

10、植物天然抗病机制
1、非寄主抗性(non-host resistance) ,即不被某些病原菌侵染。 2、结构屏障 —— 如角质、腊质、木质素、栓质等 3、 防卫反应 —— 植物体识别入侵的病原菌而诱导产生的一系列防卫反应, 包括局部 反应和系统防卫

22、生物技术在食品工业发展中的应用
1、食品原料和微生物的改良,提高食品营养价值及加工性能 2、生产各种功能食品有效成分、新型食品和添加剂 3、可直接应用于食品生产过程中物质的转化 4、工业化生产预定的食品或食品的功能成分

23、生物技术在医药行业中的应用
1、疫苗的开发 2、基因诊断和治疗 3、生物制药

24、生物技术在农业中的应用
种植业:1、植物雄性不育与杂种优势的利用 2、植物抗逆性的研究 3、生物农药与生物控制 4、植物细胞工程的应用 5、分子标记辅助育种 养殖业:1、动物转基因技术与分子育种 2、动物繁殖新技术 3、生物技术在动物饲料工业上的应用 4、畜禽基因工程疫苗的生产 5、胚胎干细胞技术在养殖业中的应用

25、生物技术在在环境中的应用

生物技术与环境修复 环境监测与评价 生物技术在环境污染物治理中的应用: 1、对废气的控制处理 2、运用固定化酶和固定化细胞技术处理废水 3、生物技术处理固体废物、城市生活垃圾

26、The advantages of plasmid
Small Size High copy number in cells Easy to manipulate Easy to transfer into cells

7、基因重组操作过程
(1)获得目的基因; (2)与克隆载体连接,形成新的重组 DNA 分子; (3)用重组 DNA 分子转化受体细胞,并能在受体细胞中复制和遗传; (4)对转化子筛选和鉴定; (5) 对获得外源基因的细胞或生物体通过培养, 获得所需的遗传性状或表达出所需要的产 物

1、基因重组载体的类型及各自特点
质粒:能自主复制的,裸露的小型双链环状 DNA 分子,在细菌中以独立与染色体以外 的方式存在。既可以用于目的基因克隆,也可用于基因的表达。其大小从 1kb 到 200kb; 入-噬菌体载体(入-phage vector) :一类细菌病毒,用于建立基因文库和 cDNA 文库。 5`端有 12nt 的粘性末端且互补,称为粘末端(cohesive end, cos) 。有两个限制酶切点。 柯斯质粒(cosmid) :又叫黏粒。是将入噬菌体的 COS 区黏性末端与 Pbr322 质粒组合 的杂种载体系列。 ①具有抗药性和复制起始点(源于质粒载体) ; ②具有 MCS; ③带有 cos 位点,只有两个 cos 位点之间的 DNA 序列长度为野生型入-DNA 大小的 75%~105%时,才能被包装成具有侵染力的噬菌体。 ④该载体本身很小,因此可携带大片段的外源基因 丝状噬菌体载体——M13:可复制,最终释放出的重组 M13 噬菌体的基因为+ssDNA; 可用作模板进行序列分析; 还可用于制备单链探针。 酵母人工染色体载体(YAC) :可容纳 1000kb 以上的外源 DNA 片段, 一来可以保证基因结构的完整性; 二来可以大大地减少核基因库中所需的克隆数 细菌人工染色体载体(BAC) :在细菌细胞中用于克隆外源 DNA 大片段的克隆载体。

27、Characteristics of Cloning Vectors
Small Size to facilitate isolation and handling Ori: an origin of replication Selection markers:

Vector existence (antibiotic resistance genes) Insertion of DNA fragments (Gene inactivation marker, LacZ) Cloning sites in non-essential regions : to enable DNA to be inserted Sequencing priming sites (T4/T7 promoter)

The goals of protein engineering
Design proteins with specified functions Increase activity of enzymes Increase binding affinity 亲和力 and specificity of proteins Increase protein stability Design proteins which bind novel ligands strategies 策略 : De Novo design 重新 Rational design 合理 Directed evolution 定向诱变

18、生物酶工程的主要内容
1、用 DNA 重组技术(基因工程技术)大量生产酶(克隆酶) ; 2、对酶基因进行修饰,产生遗传修饰酶(突变酶) ; 3、设计新的酶基因,合成新酶;

2、固定化酶的制备
固定化酶是指用物理或化学方法处理水溶性的酶,其在一定空间内呈闭合锁状存在,仍 具有酶活性,能连续的进行反应,反应后的酶可以回收重复使用。 载体结合法:将酶结合在非水溶性载体上,从而固定化酶的方法。 物理吸附法 离子结合法 共价结合法 包埋发:将酶包裹在有限空间内的方法,从而固定化酶。 格子型包埋法 微胶囊型包埋法 交联法:借助多功能试剂与酶分子中的氨基或羧基发生反应,使酶蛋白质分子之间发生 交联,形成不溶于水的网状结构,从而制成固定化酶。

9、酶分子改造的必要性
通过对酶分子的改造可以达到以下有利目的: 提高酶的活力 activity 增强酶的稳定性 stability 降低或消除酶的抗原性 immunological property 对各类失活因子的抵抗力增强 半衰期延长 最适 PH 的范围变大 通过酶分子的改造,可以研究和了解酶分子中主链、侧链、组成单位、金属离子和各种物 理因素对酶分子空间构象的影响 structure。因此酶分子的改造是必要的。

31、The research areas of the cell engineering
High quality 高品质 plant rapid cultivation and breeding 优质植物快速培育与繁殖 Animal embryo engineering rapid propagation, and endangered 濒临灭绝的 species. 动 物胚胎工程快速繁殖优良、濒危品种

produce active products, drugs useing the method of animal and plant cell culture 利用 动植物细胞培养生产活性产物、药品 The cultivation of the new species of plants and animals 新型动植物品种的培育 Tissue engineering for medical organs transplanted or repair 供医学器官修复或移植的 组织工程 the biological reactor for transgenic animals and plants in engineering 转基因动植物的 生物反应器工程 Rare animals and plants resource conservation and protection 珍稀动植物资源的保存与 保护 the research in genetics, developmental biology 在遗传学、发育学等领域的理论研究 In energy, environmental protection and other areas of application 在能源、环境保护等 领域的应用 19、植物组织培养的基本步骤为 1、培养材料的采集 2、培养材料的消毒 3、制备外植体 4、接种和培养 5、根的诱导 6、组培苗的练苗移栽

21、植物茎尖培养脱毒原理
病毒侵染植物体后, 植物分裂和病毒增殖之间存在竞争, 在迅速分裂的生长点与分生组 织处,正常核蛋白的合成占优,而在植物细胞伸长期间,病毒核蛋白合成占优。由此造成了 病毒在植物体内的分布不均

11、植物组织脱毒方法有
茎尖培养脱毒法 特点:需要有较高的剥离技术、组织块越小,越难成功 热处理脱毒法 特点:培养块较大 微体嫁接离体培养脱毒法 特点:可以用很小的组织块 珠心组织培养脱毒法 特点:利用无维管束的原理

5、细胞融合方法并举例
生物法——仙台病毒法(动物细胞融合) 化学法——PEG 结合高 Ca2+、pH 诱导法(动物、植物、微生物细胞融合) 物理法——电融合诱导法(动物、植物、微生物细胞融合)

3、发酵工程的基本过程(流程图)

20、离体培养,保存的方法
继代培养保存(常温保存) 限制生长保存(低温保存) 超低温保存

4、动物细胞培养的方式
帖附型细胞:贴附有两种含义: 1、细胞之间相互接触 2、细胞与细胞外基质结合 非帖附型细胞:非贴附型细胞可在培养液中悬浮生长,因此也叫悬浮型细胞 特点:悬浮 培养细胞,细胞密度较高,培养效率较高,操作容易,易于大规模培养,但可用于悬浮培养 的细胞种类较少。


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