Transcript 细胞全能性
现代生物技术内容的复习 合肥九中 王艳艳 植物细胞工程 理论基础？―――细胞全能性： 概念? 原因（物质基础）? 各种细胞全能性大小比较? 是不是所有的细胞具有? 理论上，什么样的细胞具有，而实际上? 细胞的全能性 植物细胞表现出全能性的必要条件是什 么？（离体状态，一定的营养物质？激 素？和其他一些外界条件？ ） 生物体内已经分化的细胞为何不能表达 出全能性？ 植物组织培养的成功证明了? 植物组织培养的基本过程 离体的植物器官、组织 或细胞（外植体） ↓脱分化 愈伤组织 ↓再分化 根、芽 ↓ 植物体 植物体的什么部位适合 做外植体?是不是一定要 用体细胞？ 离体的植物器官、组织 或细胞能不能直接拿来 做植物组织培养？ 在植物组织培养过程 中，为什么要进行一系 列的消毒，灭菌，并且 要求无菌操作？ 植物组织培养的基本过程 离体的植物器官、组织 或细胞（外植体） ↓脱分化 愈伤组织 ↓再分化 根、芽 ↓ 植物体 需要什么条件才能发 生脱分化？ 脱分化的概念? 愈伤组织的特点? 离体的器官、组织或 细胞如果不进行脱分 化处理，能否培养成 完整植物体？ 植物组织培养的基本过程 离体的植物器官、组织 或细胞（外植体） ↓脱分化 愈伤组织 ↓再分化 根、芽 ↓ 植物体 再分化的概念? 决定植物细胞脱分化、 再分化的关键因素是 什么？ 植物组织培养有哪些应用？ 离体的植物器官、组织 或细胞（外植体） ↓脱分化 愈伤组织 ↓再分化 根、芽 ↓ 植物体 培育无病毒植物 （怎样获得无病毒植株？） 单倍体育种 （花药离体 培养阶段） 大规模的植物细胞培养 －－生产药物、食品添 加剂、香料、色素和杀 虫剂等 植物组织培养有哪些应用？ 离体的植物器官、组织 或细胞（外植体） ↓脱分化 愈伤组织 ↓再分化 根、芽 ↓ 植物体 制造人工种子；（？ 什么是人工种子？人 工种子应由哪几部分 构成？有哪些优点？） 快速繁殖（哪些植物 需要？） 植物体细胞杂交基本过程 什么是原生质体？ 为何要制备原生质体？ 如何制备？ 如果将去除细胞壁的 植物细胞放在等渗溶 液中，细胞呈现什么 形状？理由是什么？ 人工诱导原生质体融 合的方法？ 植物体细胞杂交基本过程 原生质体融合后就形 成杂种细胞？ 植物体细胞杂交和植 物组织培养有何区别 和联系？ 动物细胞培养 基本过程 多细胞动物和人体的 细胞都生活在？内环 境可以为细胞提供? 体外培养的细胞需要 什么样的环境条件？ 动物细胞培养所用的 培养液的成分是？ 动物细胞培养基本过程 取材？ 为什么动物细胞要分 散成单个细胞培养？ 如何分散？ 动物细胞培养基本过程 进行动物细胞传代培 养时用胰蛋白酶分散 细胞，说明细胞间的 物质主要是什么成分？ 用胃蛋白酶行吗？ 胰蛋白酶真的不会 把细胞消化掉吗？ 动物细胞培养基本过程 为什么要定期用胰蛋 白酶把培养细胞从瓶 壁上脱离？ 原代培养与传代培养 的概念？ 细胞株和细胞系的概 念？ 动物细胞培养的应用 从动物细胞培养的目的看其应用： 用于检测有毒物质――――检测原理？ 优点？ 大规模地生产蛋白质生物制品，如病毒 疫苗、干扰素、单克隆抗体等； 为皮肤大面积烧伤的病人提供移植用的 皮肤――优点？ 动物细胞融合 人工诱导动物细胞融 合的方法有？ 动物细胞融合与精子 和卵细胞的融合有什 么不同？ 诱导融合后的细胞是 不是就是杂种细胞？ 融合后的细胞会表现 出什么样的表型特征？ 单克隆抗体的制备 运用了动物细胞工程 的什么技术手段？ 制备单克隆抗体时， 为什么要选用B淋巴 细胞和骨髓瘤细胞融 合形成杂交瘤细胞？ 关键环节？ 单克隆抗体 单克隆抗体的概念及特点？（化学性 质单一、特异性强、灵敏度高，产量也 大大高于血清抗体） 单克隆抗体的应用？ 体细胞核移植技术 例：1997年，美国威斯康星州的一个奶牛场有一 头名叫卢辛达（Lucinda）的奶牛，年产奶量 为30.8 t，创造了世界奶牛产奶量最高新纪 录。目前世界各国高产奶牛场奶牛，年平均产 奶量一般为十几吨，而我国奶牛产奶量年平均 水平仅为3～4 t。 （1）能利用体细胞核移植技术克隆高产奶牛 卢辛达吗？ （2）如果将克隆高产奶牛卢辛达的任务交给 你，你将如何对它进行克隆？ 体细胞核移植技术 在体细胞的细胞核移植到受体卵母细胞 之前，为什么必须先去掉受体卵母细胞 的核？ 用于核移植的供体细胞一般都选用传代 10代以内的细胞，想一想，这是为什么？ 你认为用上述体细胞核移植方法生产的 克隆动物，是对体细胞供体动物进行了 100%的复制吗？为什么？ 哺乳动物的克隆 用到哪些现代生物技 术？ 为什么用去核卵细胞 或卵母细胞？ 克隆动物的成功证明 了？ 克隆动物的意义？ 植物组织培养 主要原理 培养基的物理质 细胞的全能性 细胞增殖 固体 液体 少量水、矿质元素、蔗 糖 维生素、植物激 素、有机添加剂如甘氨 酸和琼脂等 一般是培育成植株也可 只培育成胚状体用于制 人工种子 培养基的成分 培养结果 培养目的（用途） 动物细胞培养 快速繁殖、培养无病毒 植株制成人工种子、大 规模培育转基因植物， 生产生物制品 较多水、无机盐、葡萄糖、 维生素、氨基酸及动物血 清 培育成细胞株或细胞系 获得细胞或细胞产品，如 生产单抗，用于皮肤移植， 检测有毒物质等 都需要适宜的温度、酸碱度和无菌条件 也有植物细胞培养 动物细胞融合技术（基本相 同） 植物体细胞杂交技术 细胞膜的流动性 原理 培养基的物理性质 方法 诱导融合的手段 融合过程 筛选 目的 液体 固体 去掉细胞壁后诱导原生质体融合 使体细胞分散后直接诱导细胞 融合 ( 同 ( 同前)还可用灭活 的病毒诱导 物理法：离心、振动、电刺激 化学法：常用的如诱导剂聚乙二 醇（PEG） 包括膜融合、质融合和核融合，其中膜融合是细胞融合的关键，核 融合是在杂种细胞的第一次有丝分裂时进行的，植物体细胞融合完 成的标志是杂种细胞产生出新的细胞壁 都需要 再通过植物组织培养过程获得杂种 植株 再通过动物细胞培养过程制 备单抗 发酵工程的内容 1． 菌种的选育： 为何要选育? 如何从自然界分离菌 种？ 如何选育？ 谷氨酸发酵中选择什 么样的菌种来进行谷 氨酸的发酵生产？为 什么？如何获得这样 的菌种？ 发酵工程的内容 2.培养基的配制 需注意什么问题？（培 养基配制的三个基本原 则；尽量降低成本） 谷氨酸发酵生产的培养 基的原料和分类？ 该培养基从化学成分和 物理性质上属于何种类 型的培养基？（天然、 液体培养基） 这种培养基在工业生产 上有何好处？ 发酵工程的内容 3．灭菌： 灭菌的目的？ 杂菌指什么？ 什么东西需灭菌？ 灭菌方法？ 发酵工程的内容 4.扩大培养和接种： 为何要进行扩大培 养?怎样进行？和发 酵过程所需的条件是 否一致？ 接种时应注意什么？ 发酵工程的内容 5．发酵过程： 为什么说发酵过程是发 酵的中心环节？ 需检测哪些项目？ 需控制哪些发酵条件？ 控制的原因？这些条件 为何会变化？怎样控制？ 实际生产中为何常用连 续培养的方法? 发酵工程的内容 谷氨酸发酵过程的条 件控制？ 谷氨酸发酵过程的前 期处理? 发酵、发酵工程及发 酵过程概念的差异？ 发酵工程的内容 6．分离提纯： 分离提纯的方法？ 如何制成味精？（从 发酵工程的两大类产 品联系其应用） 发酵工程的应用 1.在医药方面： （ 1）发酵工程能生产人们所需的药 品。例如：通过青霉发酵能生产青霉 素。 （ 2）通过发酵工程能生产基因药品。 例如：将合成的人的胰岛素基因转移到 大肠杆菌细胞内构建成“工程菌”，再 通过培养“工程菌”即可获得人的胰岛 素。 2在食品工业方面： （ 1）发酵工程能为人们提供丰富优质 的传统发酵产品。 如：生产呻酒，果酒等。 （ 2）发酵工程能生产各种食品添加剂： 酸味剂：柠檬酸、乳酸等。 鲜味剂：谷氨酸等。 色 素：β-胡萝卜素等。 甜味剂：高果糖浆等。 3．发酵工程能为解决人类粮食短缺问题 开辟新途径。 例如：通过发酵可获得大量的微生物 菌体——单细胞蛋白。20世纪80年代中 期全世界的单细胞蛋白年产量已达 2.0x107t，广泛用于食品加工和饲料中。 生产一些营养物质如维生素、氨基酸等 基因工程的概念 基因工程的别名 基因拼接技术或DNA重组技术/遗 传工程 操作环境 生物体外 操作对象 基因 操作水平 DNA分子水平 基本过程 剪切→拼接→导入→表达 结果 人类需要的基因产物 基因工程的基本步骤： 1．提取目的基因： 什么是目的基因？ 获取目的基因的方法 有哪些？ 图中所示的方法为？ 基因工程的基本步骤： 2．目的基因与运载体 结合： 运载体的作用? 运载体必须具备的条 件是什么？ 运载体的种类？ 最常用的运载体是什 么？ 基因工程的基本步骤： 为何要使用同一种限 制酶来分别切割目的 基因和质粒？（作用 特点？这体现了酶的？ 专一性） 也决定了限制酶具有？ （多样性）结果？ 为什么要使用DNA连 接酶？ 基因工程的基本步骤： 要想将某个特定基因 与质粒相连，需要用 几种DNA限制性内切 酶和几种DNA连接酶 处理？ 为什么细菌中限制酶 不剪切细菌本身的 DNA？ 基因工程的基本步骤： 3．将目的基因导入受 体细胞： 将目的基因导入受体 细胞的途径？ 将含目的基因的重组 质粒导入细菌受体细 胞的过程中常用到哪 种化学试剂？其作用 是什么？ 常用的受体细胞有哪 些？ 基因工程的基本步骤： 4．目的基因的检测和 表达： 在目的基因的检测过 程中，检测的对象是 什么？ 为何要进行检测？举 例说明如何检测? 转基因生物形成的标 志？ 生物工程各分支领域之间的关系 人们通常将基因工程和细胞工程看做生 物工程的上游处理技术，将发酵工程和 酶工程看做生物工程的下游处理技术 。 基因工程和细胞工程可以为发酵工程和 酶工程提供菌种 。 无论从微生物得到酶或用遗传工程菌获 得产品，都必须依赖发酵工程技术 。 生物工程各分支领域之间的关系 酶工程可以为基因工程、细胞工程和发 酵工程提供所需的工具酶。 酶工程中酶的生产一般要通过发酵工程 来进行。 细胞工程最主要和基础的技术是动植物 细胞的培养技术，而基因工程中受体细 胞的培养和筛选，胚胎工程中动物细胞 的培养都需要细胞培养的技术。 现代生物技术内容与生命的物 质基础和结构基础 组成细胞的元素和化合物―― 植物组织培养、动物细胞培养、基因工 程和发酵工程中微生物的培养都需要提 供一定的营养物质：培养基比较(植物组 织培养的,动物细胞培养的,发酵工程的， 基因工程的)且都需要灭菌（或消毒）和 无菌操作 细胞的显微结构与亚显微结构―― 细胞工程中就要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或 获得细胞产品：植物体细胞杂交要去除细胞 壁，要诱导融合的原生质体再生出细胞壁；细 胞融合证明细胞膜具有流动性；细胞器移植； 核移植等 基因工程中的质粒； 发酵工程中更是离不开微生物细胞 细胞的增殖—— 基因工程，发酵工程中微生物的培养要 涉及微生物的分裂 植物组织培养和动物细胞培养都要发生 真核细胞的有丝分裂； 细胞的分化与细胞的全能性―― 植物组织培养，植物体细胞杂交，胚胎分 割，克隆动物，试管婴儿 细胞的癌变―― 单克隆抗体的制备，“生物导弹”，动物 细胞培养中的细胞系 细胞的衰老――动物细胞培养中的取材， 细胞代数问题，细胞株、细胞系等 现代生物技术与生物的新陈代 谢 1．酶与现代生物技术： （1）生物工程本身需要酶：如基因工程 中需限制酶、DNA连接酶等；细胞工程 中需纤维素酶、果胶酶，胰蛋白酶等； 发酵工程酶工程更是离不开酶 （2）生物工程生产酶：基因工程为一些 特定酶的生产提供菌种，通过发酵工程 可以获得特定的酶 （3） 酶的专一性与多样性在生物工程中 有体现――如限制酶的作用特点及种类，DNA 连接酶的特定作用，去除植物细胞壁的酶解 法，动物细胞工程中胰蛋白酶的运用，微生物 代谢旺盛和其体内酶的种类繁多密切相关 （4） 酶的催化作用需要适宜的条件―― 植物组织培养、动物细胞培养、基因工程和发 酵工程的微生物培养中都需要提供合适的温度 和酸碱度 2．细胞的代谢产物： 细胞的代谢废物―― 有害代谢废物的积累是细胞培养、发酵 工程中需要注意的问题 微生物（包括转基因菌种）、植物细胞、 动物细胞的一些特定的代谢产物――是 现代生物技术的产品 3．新陈代谢的类型： （1） 植物组织培养的培养基中有蔗糖， 且培养的一段时间内要求无光――异养； （2） 动物细胞培养――说明其代谢类型？ （3） 发酵工程中培养的微生物多为异 养需氧型，也有异养厌氧型，要根据所 培养的微生物的不同代谢类型提供培养 条件 现代生物技术与生命活动的调 节 1植物的激素调节――植物组织培养中要用到 生长素、细胞分裂素 2．动物的激素调节――动物细胞培养所用的 培养基中要含有动物血清 3．微生物代谢的调节――运用于微生物菌种 的选育（如诱变选育出不能合成高丝氨酸脱氢 酶的黄色短杆菌用于生产赖氨酸；通过一定的 手段使谷氨酸棒状杆菌的细胞膜通透性增大利 于谷氨酸的生产）；发酵过程中温度和酸碱度 的人工调控 生物工程与生殖 （1）核移植、体外受精、胚胎移植、胚胎分 割、胚胎干细胞的培养等技术对动物的生殖提 供了帮助，动物胚胎移植能够提高动物的繁殖 率：(可属于细胞工程?)如试管婴儿、试管牛 ―――有性生殖；克隆羊―――无性生殖 （2）植物组织培养技术可用于快速繁殖试管 苗，培养无病毒植株，制人工种子等，植物组 织培养的优势能够提高自然繁殖率比较低的名 贵花卉、濒危物种等的无性繁殖率。 一般情况是无性生殖，但外植体是花药对话， 即进行的是花药离体培养就属于有性生殖 （3）基因工程和细胞融合能够克服远缘 杂交的不亲和性，实现亲缘关系较远的 种间杂交。细胞工程不仅可以在植物与 植物之间、动物与动物之间、微生物与 微生物之间进行杂交，甚至可以在动物 与植物与微生物之间进行融合，形成前 所未有的杂交物种。 （4） 微生物的生殖： 一般利用其无性生殖及繁殖速度快： 发酵工程中的扩大培养及发酵过程中的微生物 （包括工程菌）繁殖：发酵工程正是利用了微 生物繁殖速度快这一特点，通过人工培养在短 时间内快速繁殖产生大量后代，从而获得大量 的代谢产物或单细胞菌体本身。如培养酵母菌 时根据不同需要控制条件使它进行不同的生殖 方式。 基因工程中利用微生物本身的快速繁殖在短时 间内获得大量的目的基因。 （5）病毒增殖――― 借用病毒增殖过程中的侵染细胞的途径 可以将目的基因导入受体细胞； 利用灭活的病毒诱导动物细胞融合； 而在发酵工程中及细胞工程中要防止病 毒的增殖，所以需要灭菌或消毒,及取用 不含病毒等外植体进行植物组织培养来 获取无病毒植株 现代生物技术与遗传和变异 1． 遗传的物质基础： 基因是有遗传效应的DNA片段，生物的体细胞 中含有全套的遗传信息，基因通过一定的路径 表达来体现生物的性状，细胞中含有一定的基 因就有可能表现一定的性状，所有的生物共用 一套遗传密码子，所以某种真核生物的基因不 仅可以在其他真核生物细胞中表达，也可以在 原核生物细胞中表达――细胞的全能性；基因 工程，细胞融合有价值的基础； 原核生物的基因与真核生物的基因结构 上有差异 ，真核生物的基因含有不表达 的DNA片段，不能直接用于基因的扩增 和表达，因此在获取真核细胞中的目的 基因时一般不用人工合成基因的方法。 可遗传的变异的来源与现代生 物技术中的育种问题 （1）生物工程与育种的关系： 增加育种方式，可以做到定向育种，培 育出传统的育种方式不可能培育出的品 种，大大提高育种速度。 生物工程本身需通过育种获得菌种 （2）基因突变――诱变育种的原理，可获取发 酵工程中所需的菌种，另外基因工程中也需要 一些特定的菌种 基因重组―――基因工程，细胞工程中进行了 人工的基因重组，可以造就定向的变异，可以 根据人们的意愿改造生物的遗传特性,甚至创 造新的生命类型。能够克服远缘杂交不亲和的 障碍，不受物种生殖隔离的限制，可以使人、 动物、植物、微生物的基因进行人为地相互转 移。 染色体数目的变异―――单倍体育种： 先进行花药离体培养获得单倍体植株， 再利用秋水仙素使其染色体加倍获得纯 合体。大大缩短育种年限。使育种质量 与进程大大提高。 （3）植物组织培养：可以获得无病毒品种 现代生物技术与生态问题 1．生态因素： 非生物因素―――光、温度、氧和水等是细胞 工程、发酵工程中需考虑的和调控的。 生物因素―――种间关系中的竞争、寄生关系 是细胞工程、发酵工程中消毒和灭菌的原因； 种内关系中的种内斗争是影响到发酵过程中微 生物数量变化的因素之一 2.种群数量的变化―――根据影响微生物 群体生长的相关因素，在发酵工程中注 意营养物质的供给，有害代谢产物的积 累，发酵条件的控制。如连续培养方法 的运用可以有助于延长稳定期、提高代 谢产物的产量。 有利于生态环境的方面： （1）开发生物技术杀虫新方法:防治效率高，专 一性强，不污染环境， 转基因生物天敌： 微生物杀虫剂 农用抗生素 （2）治理环境污染：利用基因工程、细胞工程 可获得同时能分解多种有毒物质的新型菌种， 如“超级细菌”可用于治理石油污染 有利于生态环境的方面 （3）培育转基因固氮生物进行生物固氮，减 少化肥使用量.避免带来了土地板结，肥力下 降；本身化肥的生产和使用还会导致环境污 染，因此减少了环境污染。 （4) 环境监测：如利用DNA探针可以检测水中 病毒含量；利用动物细胞培养技术对影响有毒 有害物质检测 （5）保护濒危物种，保护生物多样性：植物 组织培养，克隆动物，试管动物 （6） 利于物质循环：例如发酵工程中常利用 一些工农业的废弃物做培养基的原料 不利于生态环境的方面 1.转基因作物的高额利润会促使种植者放弃那些 经济价值较低但对农业生态系统具有特别重要 意义的其他作物。 2.转基因作物的环境安全性问题 基因污染：转基因作物本身成为杂草的可能 性；具有除草剂耐性因子的转基因作物的遗传 因子可能通过授粉和种子迁移传播给野生植物。 获得这些耐性后的野生植物有可能会变成对一 般除草剂有耐性的“超级”杂草。为了清除这 些杂草，将不得不使用更强大的，浓度更大的 除草剂，这必然会引起土壤板结、土质变坏、 药物残留等，从而对生态环境造成破坏。 转基因作物可能产生新的病毒或疾病； 转基因作物对非目标生物的危害 转基因作物作为外来种对新环境的入侵， 使生物多样性受到威胁； 转基因作物对生态系统及生态过程的影 响； 其他一些不可预计的风险。 现代生物技术与人体健康 （一）有利方面 制备基因工程疫苗 ： 疾病快速诊断技术 ： 可利用单克隆抗体诊断 药箱、DNA探针、酶传感器等快速 准确诊断各 种疾病，如血糖快速测试仪化验血糖灵敏度高、 速度快 疾病治疗：药物的生产，基因治疗 提供营养物质：如氨基酸，维生素等；转基因 食物 水质监测：如多酚氧化酶传感器，DNA探针检 测水中病毒 （二）转基因食物的食用安全性问题： 1．标记基因的传递可能引起的抗生素耐 性 2．转基因食品引起食物过敏的可能性 3．毒性方面 4．因为交换遗传物质，可能产生新的有 害生物或增强有害生物的危害性，甚至 引起疾病的流行 5．伦理方面 6．有些影响，还需要经过很长时间才能 表现和监测出来。 科学是把双刃剑 生物安全是指对由现代生物技术的开发 和应用可能产生的负面影响即对生物多 样性保护和持续利用、生态环境保护和 人体健康产生潜在有害影响所采取的有 效预防和控制措施，从而达到保护生物 多样性、生态环境和人体健康的目的。 因此，生物安全日益引起人们的重视。 微生物的五大共性 体积小，面积大； 吸收多，转化快； 生长旺，繁殖快； 适应强，易变异； 分布广，种类多 微生物与现代生物技术 微生物与基因工程： ①充当基因工程运载体：微生物本身（如病毒 和噬菌体），微生物细胞中的质粒； ②基因工程中的工具酶，几乎均来自各种微生 物； ③作为基因工程中的受体，至今用得最多的都 是具有优越体制、培养容易和能高效表达供体 性状的各种微生物细胞； 目的基因导入受体细胞也是借鉴微生物侵染细 胞的方式 ④基因工程的直接成果往往可以获得“工程菌” ⑤尽管基因工程中的供体可以是其他任何生物 对象，但是，微生物却是一种常用的独特基因 供体，而且整个微生物界将是一个最为富饶的 供体基因库。如微生物可以提供抗虫、抗病毒、 抗干旱、抗盐碱、抗高温等多种抗性基因 微生物与细胞工程： 灭活的病毒可以诱导动物细胞融合； 微生物自身的细胞工程――可以诱导不 同的亲菌体融合，筛选后获得“工程细 胞” 微生物为细胞工程提供工具酶 细胞工程中的灭菌和消毒 微生物与发酵工程： 发酵工程的主角就是各种具有特定基因（可以 是天然具有的，也可能是通过诱变或转基因技 术、细胞工程技术获得的）的微生物菌种，通 过发酵工程，微生物可以为人类提供各种各样 的产品，包括各种 特殊的代谢产物及微生物菌 体本身； 在发酵工程中需注意消灭除菌种以外的其他微 生物，灭菌和无菌接种是其中非常重要的步骤 请指教 谢谢大家