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分子生物学的产生及生物技术的发展(精)

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分子生物学 产生 生物技术 发展
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现代生物学的产生与发展 主讲人 朱朝枝 博士 教授 Email 3796826 分子生物学的诞生分子生物学的诞生二 分子生物学分子生物学产生产生的的基础基础 3 一 新科学诞生的启示新科学诞生的启示三 现代生物学的发展现代生物学的发展四 一 孟德尔遗传定律及其重新发现 二 遗传的染色体学说 三 DNA是遗传物质的证明 四 物理学对分子生物学研究的渗透 分子生物学分子生物学产生产生的的基础基础 3 一 一 孟德尔遗传定律及其重新发现 格里哥 孟德尔 Gregor Johann Mendel 1822年 1884年 是一位奥地利遗传 学家 遗传学的奠基人 又 译门德尔 1822年7月22日孟 德尔生于奥地利 约从1856年到1863年 他进行了8年的豌豆 杂交实验 孟德尔于1865年在布吕恩自然科 学研究协会上报告了他的研究结果 1866年 又在该会会刊上发表了题为 植物杂交试验 的论文 他在这篇论文中提出了遗传因子 现称基因 及显性性状 隐性性状等重要 概念 并阐明其遗传规律 后人称之为孟德 尔定律 包括分离定律及独立分配定律 孟德尔最早提出遗传因子 即基因 概念 并从生殖细胞着眼 提出了自己的见解 遗憾的是 孟德尔的这些科学发现和见 解 在当时并没有引起生物学界的注意 直到35年之后 即1900年才被荷兰的弗里 斯 德国的科伦斯 与奥地利的契马克等 植物学家重新发现 二 遗传的染色体学说 孟德尔定律的重新发现 使得人们有 可能把遗传实验的成果与19世纪细胞 学上所揭示的染色体行为联系起来考 察 为染色体学说打下牢固基础 并 使之发展为基因理论的是摩尔根及其 合作者 摩尔根 1866 1945 Morgan Thomas Hunt 美国胚胎学家 遗传学家 由于他 发现了果蝇的遗传机制 在1933年获得诺 贝尔医学或生理学奖 摩尔根的基因论是遗传学与细胞学相结 合的产物 其重大意义在于 把孟德尔 式虚构的遗传单位 遗传因子具体化 为念珠状物质微粒 这就促使人们为搞 清楚基因的化学本质而努力 三 DNA是遗传物质的证明 尽管由于摩尔根及其学派的出色工作 使 基因学说得到了普遍的承认 但直到1953 年DNA双螺旋模型提出之前 人们对于基 因的理解仍缺乏准确的物质内容 遗传信 息的载体到底是什么 仍然是一个谜 不 少科学家认为传递遗传信息的载体是蛋白 质 第一个用实验证明遗传物质是DNA分子的是 美国著名的微生物学家艾弗里 1944年 他领导的小组在研究肺炎球菌的转化试验 中 证明了DNA是遗传信息的载体 艾弗里 O T Avery 1877 1955 加拿大生 物化学家 他领导的一个小组在研究肺炎球菌的 转化试验中 证明了DNA是遗传信息的 载体 发现只有DNA 而不是蛋白质 具有转化因子的作用 1944年 他们 公开发表了他们的研究结果 这个实验的成功震动了整个生物界 证明 DNA才是遗传信息的真正载体 而蛋白质则 是由DNA的指令而合成的 这就使生物界长 期存在的认为遗传物质基础是蛋白质而不 是核酸的认识彻底改观 发现遗传物质的 化学本质是DNA 这是基因研究上一个重要 的里程碑 四 物理学对分子生物学研究的渗透 薛定谔 Erwin Schr dinger 1887 1961 奥地利理论物理 学家 量子力学的奠基人之一 1933年和英国物理学家狄拉克共 同获得了诺贝尔物理学奖 被称 为量子物理学之父 1945年 奥地利物理学 家 量子力学创始人之 一薛定谔在英国出版了 一本关于生物学的小册 子 生命是什么 副标题是 活细胞的物 理观 他认为 基因有一种类似化学分子 的稳定性 他经过分析以后认为 基因可能是一种大分子 他用量子 力学的观点论证了基因的稳定性和 突变性发生的可能性 证明突变是 分子跃迁的结果 他作出了遗传物 质是一种分子的断言 薛定谔第一次 用物理概念来 解释生命运动 人们对生命 本质的认识产 生了新的质的 飞跃 他的 生命是什么 实 际上概括了30年代以来 物理学界对生命物质运 动和遗传学问题的看法 启发人们用物理学的 思想和方法去探求生命 物质运动的本质 这对 于生物学的研究工作起 了十分积极的推动作用 分子生物学的诞生分子生物学的诞生 二 一 一 DNADNA双螺旋结构模型的建立双螺旋结构模型的建立 二 为分子生物学的诞生做出突出贡献的科 二 为分子生物学的诞生做出突出贡献的科 学家学家 一 DNA双螺旋结构模型的建立 1953年DNA双螺旋结构模型的建立 是分子 生物学诞生的标志 这一划时代成果的取 得 是数代科学家相继奋斗的结晶 是多 学科交叉 渗透的结果 二 为分子生物学的诞生做 出突出贡献的科学家 1 莱纳斯 卡尔 鲍林的工 作 莱纳斯 卡尔 鲍林 Linus Carl Pauling 1901年2月28日 1994年8月19日 美国著名 化学家 量子化学的先驱者之一 1954年因在 化学键方面的工作取得诺贝尔化学奖 1962年因反对核弹 在地面测试的行动 获得诺贝尔和平奖 成为两位获得诺 贝尔奖不同奖项的 人之一 2 威尔金斯和富兰克林的工作 莫里斯 威尔金斯 Maurice Hugh Frederick Wilkins 1916年12月15日 2004 年10月5日 出生于新 西兰 是一位英国分子 生物学家 其在伦敦国王学院期 间解开了DNA分子结 构 以及一些相关研 究 使其与克里克 沃森共同获得了1962 年的诺贝尔生理学或 医学奖 他在国王大 学的同事罗莎琳 富兰 克林 也是这项研究 的主要贡献者之一 罗莎琳 埃尔西 富兰克林 Rosalind Elsie Franklin 1920年7 月25日 1958年4月 16日 是一位英国物 理化学家与晶体学家 她所做的研究 专注于 DNA 病毒 煤炭与石墨 等物质的结构 其中她 所拍摄的DNA晶体衍射图 片 照片51号 以及 关于此物质的相关数据 是沃生与克里克解出 DNA结构的关键线索 3 沃森和克里克的工作 詹姆斯 杜威 沃森 James Dewey Watson 生于1928年4月6 日 美国生物 学家 二十世纪 分子生物学的牵 头人 与克里克共同 发现脱氧核糖 核酸的双螺旋 结构 因而获 得诺贝尔生理 医学奖 佛朗西斯 克里 克 Francis Harry Compton Crick 1916年6 月8日 2004年7 月28日 英国 生物学家 物理 学家 及神经科 学家 最重要的成就是 1953年在剑桥大学 卡文迪许实验室与 沃森共同发现了脱 氧核糖核酸 DNA 的双螺旋结构 二 人也因此与维尔金 斯共同获得了1962 年的诺贝尔生理及 医学奖 4 欧文 查哥夫的工作 欧文 查哥夫 Erwin Chargaff 奥 地利生物化学家 对核酸中的4种碱基 的含量的重新测定取得了成果 在艾 弗里工作的影响下 他认为如果不同 的生物种是由于DNA的不同 则DNA的 结构必定十分复杂 否则难以适应生 物界的多样性 他在1948 1952年4年时间内 他利用 了比列文时代更精确的纸层析法分离4 种碱基 用紫外线吸收光谱做定量分析 经过多次反复实验 终于得出了不同 于列文的结果 实验结果表明 在DNA 大分子中嘌吟和嘧啶的总分子数量相等 其中腺嘌吟A与胸腺嘧啶T数量相等 鸟嘌吟G与胞嘧啶C数量相等 三 新科学诞生的启示 启示一 尊重权威 但敢于挑战权威 启示二 多学科的交叉融合 启示三 要善于总结前人的研究成果 启示四 要敢于创新 启示五 重视知识的积累 四 现代生物学的发展现代生物学的发展 一 遗传密码的破译 1 桑格的工作 20世纪50年代DNA双螺旋结构问世不久 分子生物学的另一重大成就是1958年英国 化学家桑格 Sanger 应用纸层析方法 分析出了一种蛋白质 胰岛素所含51个 氨基酸残基的序列 第一次证明了蛋白质胰 岛素的每个分子具有一种独特的氨基酸残基 顺序 桑格 Frederick Sanger 英国 生物化学家 1918年8月13日生 于英国 桑格因确定胰岛素的分子结构 而获得1958年诺贝尔化学奖 1980年他又因设计出一种测定 DNA 脱氧核糖核酸 内核苷酸排 列顺序的方法而与W 吉尔伯特 P 伯格共获1980年诺贝尔化 学奖 桑格是第四位两次获此 殊荣的科学家 2 伽莫夫的工作 第一个提出遗传密码具体设想的不是生物学 家 而是宇宙物理学家 美籍俄国血统的伽 莫夫 G Gamov 他在读过沃森和克里克的文章后 立刻想到 核酸分子中核苷酸只有四种 而蛋白质分子 中的氨基酸却有20种 它们对应的关系不 可能是1对1的 他用排列组合的方法推算 提出三联体密码 子的概念 伽莫夫 1904 1968 Gamow George 美籍苏联物理学家 1904年3月4日 生于俄国敖德萨 伽莫夫在许多科学 领域都作出重大贡 献 在原子核物理 方面 1928 年提出 a衰变理论 1936 年提出 衰变的伽莫 夫特勒选择定则 在宇宙论中 1948年后与勒梅 特一起最早提出了 天体物理学的 大 爆炸 理论 指出 宇宙起源于原始的 热核爆炸 化学元 素依次产生于大爆 炸后的中子俘获过 程 在生物学方 面 提出遗 传密码的概 念 对此后 遗传理论的 迅速发展起 了很大促进 作用 3 遗传密码表的建立 1963年 经过多位科学家的努力 20 种氨基酸的遗传密码全部破译 1969 年 64种遗传密码的含义也全部被测 出 于是一部仿效电波传输信息的生 物遗传密码辞典问世了 4 遗传密码表建立的意义 这个遗传密码表对于生物学的意义 可以与化学上的元素周期律相媲 美 它在科学和哲学上都有重大意 义 1 它等于宣布了各种蛋白质可以在 试管中合成 所有的生物蛋白质都可 以由无机物合成 生物与非生物的界 线再一次被打破 神创论彻底破产 2 从生物大分子水平上再度说明了 物质的统一性 尽管世界上的生命形 态多种多样 但生命现象最本质的东 西却是高度统一的 二 中心法则的建立 1958年 克里克 F Crick 1916 在综合地分析了50年 代末期有关于遗传信息流转向 的各种资料的基础上 提出了 中心法则 的概念 认为记录在 DNA分子中的遗传信息被转录 到RNA上 RNA再通过一个 受 体 用信息去指导氨基酸进行蛋 白质含成 而这一过程有着严 格的方向性 即DNA RNA 蛋白质 三 生物技术的产生及其产业化 1 生物技术的产生 综合运用现代生物学 化学 工程学的手综合运用现代生物学 化学 工程学的手 段 直接或间接地利用生物体 生命体系段 直接或间接地利用生物体 生命体系 和生命活动过程生产有用物质的一门高级和生命活动过程生产有用物质的一门高级 应用技术科学 应用技术科学 1 1 基因工程 基因工程 2 2 细胞工程 细胞工程 3 3 蛋白质与酶工程 蛋白质与酶工程 4 4 发酵工程 发酵工程 2 生物技术的产业化 生物技术产业术产业 利用细细胞和生物 分子进进行药药品 农产农产 品生产产开发发 和环环境治理的产业产业 该产业该产业 技术术 由医药药生物技术术 农业农业 生物技术术 和环环境生物技术术共同组组成 1 生物技术产业化 医药 医药药生物技术术重点攻克癌症 艾滋病 老年痴呆症 帕金森病 心脏脏病 糖尿病等危害人类类的顽顽疾 2007年4月12日出版的Nature刊登了纽约 Memorial Sloan Kettering癌症中心Joan Massagu 研究组关于乳腺癌转移的最新研 究进展 文章称 在小鼠动物模型中已经证 实 通过一种简单的药物鸡尾酒疗法可以阻 止乳腺癌的转移 1982年 基因技术公司开发的基因工程人 胰岛素推向市场 这是第一个问世的重组 人体蛋白类药物 1986年 第一个基因工程疫苗 重组乙 型肝炎疫苗由美国默克公司开发成功 以 后又有多种基因工程药物和疫苗开发成功 目前基因工程药物和疫苗是生物技术药 物的主流产品 诊断试剂 诊断试剂的发展依赖于整体生物技术水平 的发展 并主要经历了以下几个阶段 早 期的化学液体诊断试剂 二十世纪50年代 放射免疫诊断试剂 二十世纪60年代酶联 免疫诊断试剂 二十世纪70 80年代单克 隆抗体试剂 二十世纪90年代PCR诊断试 剂 基因治疗 2004年1月 深圳赛百诺基因技术有限公司 将世界上第一个基因治疗产品 重组人 p53腺病毒注射液 商品名 今又生 正式 推向市场 在世界上引起了巨大反响 这 是世界基因治疗研究和产业化发展的里程 碑 组织 器官 工程 目前已研制出一些较为成熟的技术和产品 包括组织工程化骨 软骨 肌腱 皮肤 等系列组织工程产品 部分产品达到或接 近临床应用阶段 干细胞研究 在干细胞研究与应用方面也取得可喜进展 利用干细胞定向培育出血液 角膜 神 经 胰岛 肝脏 心肌等细胞产品 为下 一步用于癌症 心血管疾病 糖尿病 肝 脏疾病 帕金森病 老年性痴呆等的替代 治疗奠定了基础 2008年国内外生物技术领域研究发展迅速 干细胞研究有了新突破 可以避开伦理 学的限制开展广泛研究 人工合成生命有 了新进展 表现出了巨大的生命力和广阔 的应用前景 基因组快速测序技术的出现 使人类个性化医疗向前迈出了重要的一 步 对癌基因进行测序 发现了更多的致 癌基因和器官移植的成功实例 使人们看 到了治疗疑难病的希望 2007年 日本科学家已经 利用从胚胎里获得的细胞 让成年老鼠长出了功能健全 的牙齿 这为人们利用该技 术制造新器官作为移植物带 来了新的曙光 干细胞造心脏 2 生物技术产业化 农业 农业生物技术着眼于提高农产品的 产量和质量 2008年中国转基因作物种植面积为世界第六位 作物品种包括棉花 西红柿 杨树 牵牛花 抗 病毒木瓜和甜椒 其中 种植面积排名前三位的国家分别为 美国 6250万公顷 阿根廷 2100万公顷 和巴西 1580万公顷 中国全国生物技术作物种植面 积达380万公顷 在全球生物技术作物种植面积 超过100万公顷的八个国家中排名第六 3 生物技术产业化 环境 环境生物技术重点用于清除危险废 弃物 目前环境生物技术的主要研究内容包括四个 方面 降解污染物的工程菌和抗污染型转基因植物 的相关研究 环境友好材料生物合成技术的相关研究 危险性化合物的降解和污染场地的生物补救 研究 废物强化处理技术研究 应用环境生物技术处理污染物时 最终产 物大都是无毒无害的 稳定的物质 如二 氧化碳 水和氮气而且能一步到位 避免 了污染物的多次转移 工程菌在环境工程中应用 美国 GE 公司构造成功具有巨大 烃类分解能力的工程菌 并获专利 用于清除石油污染 人类从发现DNA的双螺旋结构到今 天 刚经历半个多世纪的时间 但生物 技术的发展是突飞猛进的 在其发展过 程中 会面临种种问题 但这是历史的 选择 它的发展及其产业化 将改变世 界的面貌 造福全人类
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