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11生物技术与工程
高中生物技术与工程知识梳理，总结了传统发酵技术的应用、发酵工程及其应用、微生物的培养技术及应用等。
编辑于2024-01-06 20:42:26
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10生物技术与工程
1传统发酵技术的应用
1发酵的概念
发酵是人们利用微生物在适宜的条件下，将原料通过微生物代谢转化为人类所需要的产物的过程
传统发酵技术
菌种来源
原料中天然存在的，或前一次发酵保存下来的面团，乳汁等发酵物中的微生物
类型
固体发酵
半固体发酵
实质
有氧或无氧条件下物质氧化分解
结果
生产人们需要的各种发酵产物
应用
果酒，果醋，泡菜，酱油等的制作
传统发酵食品制作
腐乳制作
原理
蛋白质在蛋白酶的作用下分解为小分子的肽和氨基酸
脂肪在脂肪酶的作用下分解为甘油和脂肪酸
参与微生物
毛霉
丝状真菌
孢子生殖
异养需氧型
泡菜制作
原理
葡萄糖在酶的作用下分解为乳酸
步骤
盐水配置
用清水和食盐配制质量分数为5%~20%的盐水
煮沸冷却
菜料加工
将新鲜蔬菜洗净切成块状或条状，混合均匀并晾干
装坛
将菜料装入泡菜坛
半坛时加入蒜瓣，生姜及其他香辛料
继续装至八成满
密封
将冷却好的盐水缓缓倒入坛中，食盐水没过全部菜料，盖好坛盖
发酵
像坛盖边沿的水槽中注满水
在发酵过程中注意经常向水槽中补充水
根据室内温度控制发酵时间
物质含量变化
发酵初期
发酵中期
发酵后期
果酒和果醋的制作
1原理和条件
1果酒制作
1发酵菌种
1酵母菌
2代谢类型
1异养兼性厌氧型
3发酵过程
1有氧条件
1通过有氧呼吸大量繁殖
2无氧条件
1通过无氧呼吸产生酒精
4对氧的需求
1前期需氧
2后期不需氧
5产物检测
1闻气味
1有酒味
2品尝
3酸性条件下的重铬酸钾溶液由橙色变为灰绿色
4观察
1有气泡和泡沫
2浑浊
5测定pH
6进行酵母菌的镜检
2果醋制作
1发酵菌种
1醋酸菌
2代谢类型
1异养好氧型
3发酵过程
1氧气糖原充足时
1直接将葡萄糖转化为醋酸
2氧气充足，缺少糖源
1将酒精转化为醋酸
4对氧的需求
1一直需氧
5产物检测
1闻气味
1有酸味
2品尝
3酸碱指示剂
1 pH试纸
4观察
1无气泡和泡沫
2浑浊，液面形成白色菌膜
5进行醋酸菌的镜检
6加快果醋制作操作
1买醋，打开暴露在空气中，一段时间后表面出现一层菌膜，接种
2果酒和果醋的操作步骤及目的
1器具消毒
1操作
1将发酵瓶榨汁机等器具用洗洁精清洗干净
2用体积分数为70%的酒精消毒，晾干备用
2目的
1防止污染发酵液
2冲洗葡萄
1操作
1取新鲜葡萄，用清水冲洗1~2次再去除枝梗和腐烂的籽粒，沥干
2目的
1防止冲洗掉葡萄皮上野生的酵母菌
2防止污染发酵液
3先冲洗后去梗，避免先去梗导致表皮破损
3榨汁
1操作
1用榨汁机榨取葡萄汁并装入发酵瓶中，留有大约1/3空间，盖好瓶盖
2目的
1防止发酵液溢出
2使酵母菌可以进行有氧呼吸大量繁殖
4酒精发酵
1操作
1发酵温度严格控制在18~30℃
2时间控制在10~12天
3每隔12小时左右将瓶盖拧松一次
2目的
1创造无氧环境，进行酒精发酵
2防止好氧型微生物污染发酵液
5醋酸发酵
1操作
1打开瓶盖，盖上一层纱布
2发酵温度为30~35℃
3时间控制在7~8天
2目的
1创造有氧环境，进行醋酸发酵
2发酵工程及其应用
发酵工程的概念
利用微生物的特定功能
通过现代工程技术
规模化生产对人类有用的产品
发酵工程基本环节
选育菌种
从自然界筛选
通过诱变育种，基因工程获得
扩大培养
在发酵前需要对菌种进行扩大培养
配置培养基
根据菌种，选择原料制备培养基
灭菌
对培养基和发酵设备进行严格灭菌
接种
将菌种接种到培养基上培养
发酵
随时检测培养液中微生物数量和产物浓度
及时添加必需的营养成分
严格控制温度，pH和溶氧量等发酵条件
分离，提纯产物
微生物细胞
采用过滤沉淀等方法将菌体分离和干燥
代谢物
据产物的性质进行提取分离和纯化
获得产品
啤酒的工业化生产流程
过程
发芽
大麦种子发芽，释放淀粉酶
焙烤
加热杀死种子胚，但不使淀粉酶失活
碾磨
将干燥的麦芽研磨成麦芽粉
糖化
淀粉分解，形成糖浆
蒸煮
产生风味组分
灭菌
终止酶的进一步作用
发酵
酵母菌将糖转化为酒精与二氧化碳
消毒
杀死大多数微生物
延长保存期
终止
过滤
调节
分装啤酒进行销售
精酿啤酒与工业啤酒的区别
精酿啤酒
是否添加食品添加剂
不添加
发酵规模
小规模
发酵时间
发酵时间长
产量
产量低
价格
价格高
普通啤酒
是否添加食品添加剂
添加
发酵规模
大规模
发酵时间
发酵时间短
产量
产量高
价格
价格低
发酵工程的特点
原料
原料来源丰富
价格低廉
条件
生产条件温和
产物
产物专一
废弃物
废弃物对环境的污染小，且容易处理
发酵工程的应用
食品工业
传统的发酵产品
食品添加剂
酶制剂
医药工业
获得具有某种药物生产能力的微生物
直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品
利用基因工程将病原体的某个或几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物可以作为疫苗使用
农牧业
生产微生物肥料
农药
饲料
其他方面的应用
利用纤维废料发酵生产酒精，乙烯等能源物质
极端微生物
嗜热菌嗜盐菌，可以用来生产洗涤剂
嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量
3微生物的培养技术及应用
培养基的配制
概念
人们按照微生物对营养，物质的不同需求，配制出供其生长繁殖的营养基质
用途
培养，分离，鉴定，保存微生物或者积累其代谢产物
类型
按物理状态
液体培养基
特点
不含凝固剂，液体状态
用途
工业生产
固体培养基
特点
含凝固剂，呈固体状态
如琼脂
用途
微生物的分离，鉴定，活菌技术，菌种保藏
按用途
选择培养基
特点
允许特定种类微生物生长
同时抑制或阻止其他种类微生物生长
用途
从众多微生物中分离所需的微生物
举例
加入青霉素，分离得到酵母菌和霉菌
鉴别培养基
特点
根据微生物的代谢特点，在培养基中加入某种指示剂或化学药品，进而产生特定的颜色或其他变化
用途
鉴别不同种类的维生素
举例
用伊红-亚甲蓝培养基鉴别大肠杆菌
成分
碳源
定义
提供C元素的物质
作用
构成生物体的细胞的物质和一些代谢产物
有时还是异养生物的能源物质
来源
无机碳源
二氧化碳
碳酸氢钠
有机碳源
糖类
牛肉膏
氮源
定义
提供N元素的一些物质
作用
合成蛋白质，核酸等物质
来源
无机氮源
氮气
氨气
铵盐
硝酸盐
有机氮源
蛋白胨
无机盐
定义
为微生物提供除碳氮之外的各种重要元素，包括大量元素和微量元素
作用
为微生物提供无机营养
调节培养基pH
来源
无机化合物
氯化钠
磷酸氢钾
水
定义
生物体含量最高的无机化合物
作用
良好的溶剂
参与化学反应
来源
培养基
代谢产物
其它理化性质
pH
霉菌
酸性
细菌
中性或弱碱性
特殊营养物质
培养乳酸杆菌时，需要在培养基中添加维生素
氧气
培养厌氧微生物时，需要提供无氧条件
无菌技术
消毒
条件
较为温和的物理，化学或生物的方法
结果
仅杀死物体表面或内部的一部分微生物
常用方法
煮沸消毒法
日常用品
巴氏消毒法
不耐高温的液体
化学药品消毒法
操作空间
操作者的衣物和手
紫外线消毒法
接种室
接种箱
超净工作台
生物消毒法
定义
利用生物或其代谢物除去环境中的部分微生物的方法
灭菌
条件
强烈的理化方法
结果
杀死物体内外所有的微生物，包括芽孢和孢子
常用方法
湿热灭菌法
培养基
容器
干热灭菌法
玻璃器皿
金属用具
灼烧灭菌法
接种工具
目的
获得纯净的营养物
关键
防止杂菌污染
其他操作
实验前应对操作空间操作人员进行消毒，对所用器具和培养基进行灭菌
做好消毒和灭菌工作后，要注意避免已经灭菌处理的材料用具与周围的物品接触
为了避免周围环境中微生物的污染，接下来的许多操作都应在超净工作台上，并在酒精灯火焰附近进行
微生物的纯培养
定义
培养物
接种于培养基内，在合适条件下形成的含特定种类微生物的群体
纯培养物
由单一个体繁殖所获得的微生物
菌落
分散的微生物在适宜的固体培养基表面或内部繁殖形成的，肉眼可见的，有一定形态结构的子细胞群体
纯培养
获得纯培养物的过程
过程
配置培养基
称取去皮的马铃薯200克，切块
加水1000ml，加热煮沸
纱布过滤
加20克葡萄糖
加15~20克琼脂
用蒸馏水定容至1000ml
调节pH
如有需要，可在定容后灭菌前调节培养基pH
灭菌
培养基灭菌
湿热灭菌法
培养皿灭菌
干热灭菌法
倒平板
条件
待培养基冷却到50度左右时，酒精灯火焰附近倒平板
步骤
拔出锥形瓶的棉塞
将瓶口迅速通过火焰
用拇指和食指将培养皿打开一条稍大于瓶口的缝隙，将培养基倒入培养名立刻盖上皿盖
等待培养基冷却凝固后，将培养皿倒过来放置
注意事项
琼脂是一种多糖，在98℃以上融化，在44℃以下凝固。倒平板时高于50℃时会烫手，低于50℃时若不及时操作，琼脂会凝固
可以用手触摸盛有培养基的锥形瓶，感觉锥形瓶的温度下降到刚刚不烫手时就可以进行倒平板
接种和分离
平板划线法
原理
通过接种环在固体培养基表面连续划线的操作，将聚集的菌种逐步稀释，分散到培养基的表面，经数次划线后培养可以分散得到单菌落
接种工具
接种环
步骤
将接种环放在火焰上灼烧，直至接种环的金属丝烧红
在火焰旁冷却接种环，同时拔出装有酵母菌培养液的试管的棉塞
将试管口通过火焰
在火焰附近用接种环蘸取一环菌液
将试管口通过火焰，并塞上棉塞
在火焰附近将明盖打开一条缝隙，用接种环在培养基表面迅速划3~5条平行线，盖上皿盖
灼烧接种环带起冷却后，从第1次划线的末端开始做第2条划线
重复以上操作做345条划线上
注意不要将最后一次的划线与第1次相连
优点
可以观察菌落的特征，对混合菌进行分离
缺点
不能计数
稀释涂布平板法
系列稀释操作
时间
将细胞接种到培养基之前
步骤
通过液体稀释的方法分散细胞，随着稀释程度的增大，单位体积中的微生物细胞数量减少，细胞得以分散
涂布平板操作
步骤
取0.1ml菌液滴加到培养基表面
涂布器浸在盛有酒精的烧杯中
将涂布器在火焰上灼烧，待酒精燃尽涂布器冷却后，再进行涂布
用涂布器将菌液均匀的涂布在培养基表面
涂布时可转动培养皿，使涂布均匀
接种工具
涂布器
优点
可以计数
可以观察菌落特征
缺点
操作复杂
需要涂布多个平板
两种纯化方式的共同点
都要用到固体培养基
都需进行无菌操作
都会在培养基表面形成单个的菌落
都可用于观察菌落特征
培养酵母菌
方法
将接种后的平板和一个未接种的平板倒置，放入恒温培养箱中培养
条件
28℃左右
时间
24~48小时
微生物计数
显微镜直接计数法
原理
利用特定细菌技术板或血细胞计数板，在显微镜下计数，一定容积的样品中微生物的数量
方法
用计数板计数
缺点
不能区分死菌和活菌而使计数结果偏大
间接计数法
原理
当样品的稀释度足够高时，培养基表面生长的一个单菌落或来源于样品稀释液中的一个活菌
通过统计平板上的菌落数，就能推测出样品中，大约还有多少活菌
注意事项
为了保证结果准确，一般选择菌落数在30~300的平板进行计数
缺点
统计的菌落数往往比活菌实际数目少，这是因为当两个或多个细胞连在一起时，平板上观察到的只是一个菌落
土壤中分解尿素的细菌的分离与计数的实验操作
1实验原理
1土壤中的细菌之所以能分解尿素，是因为它们能合成尿酶
2配置饮料所为唯一氮源的培养基，能够在该培养基中生长的细菌就是能分解尿素的细菌
2实验流程
1土壤取样
1从酸碱度接近中性的潮湿土壤中挖取表层土，取距地表3~8厘米的土壤层
2样品的稀释
1通常选用一定稀释范围的样品液进行培养，以保证获得菌落数在30~300的平板适宜计数
3微生物的培养与观察
1接种
1用稀释涂布平板法接种
2培养条件
1温度在30~37℃
2培养1~2天
3观察
1根据菌落的特征区分微生物
4计数
1每隔24小时统计一次菌落数目
2选取菌落数目稳定时的记录作为结果
4计算
1计算单位体积中的菌体数
3实验结果分析与评价
1有无杂菌污染的判断
1对照组的培养皿中无杂菌生长
1未被杂菌污染
2对照组的培养皿中有杂菌生长
1被杂菌污染
2培养基是否具有筛选作用
1选择培养基上的菌落数目，远少于牛肉膏蛋白胨培养基上的菌落数目
1选择培养基具有筛选作用
3样品稀释评价
1得到三个或三个以上菌落数目在30~300的平板
1操作成功
4重复组的结果
1比较各重复组
1若选取同一种土样，统计结果应相近
5鉴定所分离的菌种
1原理
1分解尿素的细菌合成的尿酶可以将尿素分解为氨
2氨会使培养基的碱性增强
1分析
1在培养基中加入分红指示剂，培养细菌，若指示剂变红
1确定该细菌能够分解尿素
细胞工程
概述
原理和方法
应用细胞生物学，分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法
操作水平
细胞器水平
细胞水平
组织水平
目的
获得特定的细胞，组织，器官，个体或其产品
分类
植物细胞工程
植物细胞的全能性
定义
细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整生命体或分化成其他各种细胞的潜能
原因
生物体的每个细胞都含有发育成完整个体所需的全套基因
大小比较
受精卵大于生殖细胞大于体细胞
分化程度低的细胞大于分化程度高的细胞
植物细胞大于动物细胞
体现
利用植株的一片花瓣，一粒花粉，甚至一个细胞都可以繁殖出现的植株
未表现及原因
在生物的生长发育过程中，并不是所有的细胞都表现出全能性
在特定的时间和时空条件下，细胞中的基因的选择性表达
表现条件
离体
营养物质
激素
适宜的温度和pH
植物组织培养技术
定义
将离体的植物，器官，组织和细胞的培养，在人工配置的培养基上给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的技术
理论基础
植物细胞的全能性
名词解释
愈伤组织
是外植体脱分化形成的不定形的薄壁组织团块
胚状体
愈伤组织再分化形成的根，芽等
基本过程
脱分化
接种外植体
离体的植物器官，组织和细胞等
诱导愈伤组织
已分化的细胞经过诱导脱分化而形成的不定型的薄壁组织团块
再分化
诱导生芽
生长素与细胞分裂素含量比值小于1
诱导生根
生长素与细胞分裂素含量比值大于1
移栽存活
菊花的组织培养具体过程
材料选取
容易进行无性繁殖的植物
芦荟
秋海棠
月季
菊花
外植体消毒
流水冲洗
体积分数为70%的酒精消毒30秒
无菌水清洗2~3次
次氯酸钠溶液处理30分钟
无菌水洗涤2~3次
接种
将外植体切成0.5~1厘米长的小段
将外植体的1/3~1/2插入诱导愈伤组织的培养基中
用封膜或瓶盖封盖瓶口，并做好标记
接种时注意外植体的方向，不要倒插
形态学上端朝上
培养
置于18~22℃的培养箱中培养
15~20天后转接到诱导生芽的培养基上
长出芽后再转接到诱导生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗
必须先生芽再生根，如果顺序颠倒，先诱导生根就不好诱导生芽了
环境控制
高湿
弱光
恒温
炼苗
移栽前先打开封口膜或瓶盖，让试管苗在培养箱中生长几日
给予较强光照，闭瓶炼苗以促进幼苗向自养苗转化
原因
试管苗的光合作用能力弱
移栽
用流水冲洗掉根部的培养基后，将幼苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境中，带其长壮后再移栽入土
栽培
将幼苗移栽后每天观察并记录幼苗的生长情况
适时浇水，施肥，直至开花
注意事项
无菌处理
实验室中使用的培养基和所有器械都要灭菌
接种操作必须在酒精灯火焰旁进行
每次使用后的器械都要灭菌
光照处理
诱导愈伤组织期间一般不需要光照
在后续的培养过程中，每日需要给予适当时间和强度的光照
植物体细胞杂交技术
定义
将不同来源的植物体细胞，在一定条件下融合形成细胞培养成新植物体的技术
原理
体细胞杂交
细胞膜的流动性
杂种细胞培育成杂种植株
植物细胞的全能性
过程
纤维素酶，果胶酶去掉细胞壁，形成原生质体
原生质体融合
物理方法
电融合法
离心法
化学方法
PEG融合法
高钙离子-高pH是融合方法
再生出细胞壁
融合完成的标志
杂种细胞植物组织培养
数量关系
染色体数，染色体组数，基因型都直接相加
意义
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培养植物新品种
局限性
目前有许多理论和技术未解决，还不能让杂种植物按照人们的需要表现出双亲的性状
植物细胞工程的应用
植物繁殖的新途径
快速繁殖
技术手段
植物组织培养技术
原理
植物细胞的全能性
优点
高效快速地实现种苗大量繁殖
保持优质品种的遗传特性
特点
使用材料少
培养周期短
繁殖率高
适合自动化管理，有利于进行工厂化生产
作物脱毒
技术手段
植物组织培养技术
材料选取
植物顶尖分生区附近（如茎尖）
原因
此部分病毒极少，甚至无病毒
优点
脱毒作物产量高，品质好
作物新品种的培育
单倍体育种
原理
染色体变异
优点
明显缩短育种年限
过程
花药离体培养，产生单倍体植株
人工诱导染色体加倍
突变体的利用
原理
基因突变
优点
产生新基因，大幅度改良某些性状
过程
外植体脱分化，形成愈伤组织
诱变处理愈伤组织形成突变体
诱导风化突变体筛选培育出新品种
细胞产物的工厂化生产
次生代谢物
定义
子主题
种类
酚类
萜类
含氮化合物
生产的技术手段
优点
动物细胞工程
动物细胞培养
动物细胞培养的条件
营养条件
糖类，氨基酸，无机盐，维生素，促生长因子，微量元素等营养物质
通常还需血清等一些天然成分
无菌无毒的环境
培养液，培养用具进行灭菌处理
在无菌条件下进行
定期更换培养液，清除代谢物
温度，pH和渗透压
气体环境
95%的空气
其中氧气为细胞代谢所必需的
5%二氧化碳
维持培养液的pH
动物细胞培养的过程
取动物组织块分散成单个细胞
机械法
化学法
胰蛋白酶
胶原蛋白酶
加入培养液制成细胞悬液
装瓶原代培养
悬浮生长
直接离心收集
贴壁生长
先用胰蛋白酶使之分散成单个细胞，再离心收集
接触抑制
细胞密度过大，有害代谢物积累，营养物质缺乏
分瓶传代培养
原理
细胞增殖
应用
人造皮肤的构件
动物分泌蛋白的规模生产
干细胞培养及其应用
胚胎干细胞
来源
早期胚胎
特点
能分化成任何一种细胞，组织或器官，甚至成为个体
应用
分化成心肌细胞，神经元和造血干细胞等
成体干细胞
来源
骨髓，脐带血
特点
分化成特定的细胞和组织
应用
造血干细胞用于治疗白血病
神经干细胞用于治疗帕金森病，阿尔兹海默症
诱导多能干细胞
来源
体细胞
成纤维细胞
特点
能诱导分化成类似胚胎干细胞的细胞
应用
治疗镰状细胞贫血，阿尔兹海默症，心血管疾病
动物细胞融合技术
概念
使两个或多个细胞结合，形成一个细胞的技术
方法
PEG融合法
电融合法
灭活病毒诱导法
结构基础
细胞膜的流动性
结果
形成具有原来两个或多个细胞遗传信息的杂交细胞
意义
突破了有性杂交方法的局限，使远缘杂交成为可能
成为研究细胞遗传细胞免疫肿瘤和培育生物新品种等的重要方法,为制造单克隆抗体开辟了新途径
应用
单克隆抗体
制备原理
B细胞
一种b细胞只分泌一种特异性抗体
骨髓瘤细胞
能在体外大量增殖
杂交瘤细胞
既能大量增值，又能产生足够数量的特定抗体
制备过程
注射特定的抗原的免疫小鼠的脾中获取多种b细胞
培养骨髓瘤细胞
诱导融合
第1次筛选
筛选原因
诱导融合后会得到多种杂交细胞，另外还有未融合的细胞
筛选方法
用特定的选择培养基筛选
第2次筛选
筛选原因
由于小鼠在生活中还受到其他抗癌的刺激，所以经选择培养获得的杂交，流细胞中有能产生其他抗体的细胞
筛选方法
用多孔培养皿培养
克隆化培养
抗体检测
多次筛选得到能产生特定基因抗体的细胞群
注射到小鼠腹腔中或在体外培养，获得单克隆抗体
应用
作为诊断试剂
在多种疾病的诊断和抗原体检测中发挥重要作用
运输药物
抗体药物偶联物通过浆细胞毒素与能特异性识别肿瘤抗原的单克隆抗体结合，实现了对肿瘤细胞的选择性杀伤
结构
抗体
接头
药物
动物体细胞核移植技术和克隆动物
概念分析
供体
动物一个细胞的细胞核
受体
去掉细胞核的卵母细胞
结果
重新组合的细胞发育成新胚胎，继而发育成动物个体
原理
动物体细胞具有全能性
哺乳动物核移植类型
胚胎细胞核移植
较易成功
体细胞核移植
过程
取供体牛体细胞培养
从屠宰场收集牛卵巢采集卵母细胞，体外培养到减数分裂二中期卵母细胞
去核
对象
纺锤体一染色体复合物
方法
在穿透卵母细胞透明带的情况下
显微注射法
最普遍使用的方法
在没有穿透卵母细胞透明带的情况下
去核
梯度离心法
DNA变性
紫外线短时间照射
化学物质处理
供体细胞注入去核卵母细胞
电融合法处理，使供体和进入受体卵母细胞形成重构胚
用物理或化学方法激活重构胚，使其完成细胞分裂和发育进程
胚胎移植到代孕母牛，最后得到克隆牛
应用前景
畜牧业
加速家畜遗传改良进程，促进优良促群繁育
医药卫生
作为生物反应器生产医用蛋白
转基因克隆动物的细胞组织和器官可以用于异种移植
人核移植胚胎干细胞经过诱导分化，形成相应的细胞组织器官可用于器官移植
科学研究
研究克隆动物可使人类更深入地了解胚胎发育及其衰老过程
克隆一批遗传背景相同的动物，可以通过它们之间的对比来分析致病基因
克隆特定疾病模型的动物，为研究致病机制和开发相应的药物提供帮助
保护濒危物种
增加濒危物种的存活数量
存在问题
成功率非常低
绝大多数克隆动物存在健康问题，表现出遗传和生物缺陷
胚胎工程
概念分析
操作对象
生殖细胞
受精卵
早期胚胎细胞
技术种类
体外受精
胚胎移植
胚胎分割
早期胚胎培养
操作水平
主要集中在细胞水平上
理论基础
哺乳动物受精和早期胚胎发育的规律
受精
准备阶段
精子获能
在雌性动物的生殖道内完成
将精子培养在人工配制的获能液中使其获能
获能液
成分
因动物种类不同而有所差异
常见主要成分
肝素
钙离子载体
卵子的准备
发育到减数分裂二中期才有收集能力
受精阶段
第1步
主要过程
精子释放多种酶，溶解卵细胞膜外的一些结构（如透明带等），接触卵细胞膜
生理反应
透明带反应
作用
防止后来的精子进入透明带，是防止多精入卵受精的第一道屏障
第2步
主要过程
精子入卵，尾部脱落
生理反应
卵细胞膜反应
作用
拒绝其他精子再进入卵内，是防止多精入卵受精的第2道屏障
第3步
主要过程
精子核膜破裂后形成新核，卵子被激活完成减数分裂2，排出第2极体
受精的标志
形成雄原核和雌原核
观察到两个极体
第4步
主要过程
雌雄原核充分发育，相向移动，彼此靠近，核膜消失
个体发育的起点
形成合子
胚胎早期发育
过程
受精卵
胚胎发育的起点
桑葚胚
细胞分裂方式为有丝分裂
细胞数量增多
胚胎总体积不变或略有缩小
每个细胞体积变小
囊胚
内细胞团
发育成胚胎的各种组织
滋养层
发育成胎膜和胎盘
原肠胚
外胚层
原肠胚表面的细胞层
中胚层
由一部分细胞在内外两个胚层之间形成
内胚层
由原肠胚乡内迁移的细胞形成
方式
卵裂
方式
有丝分裂
变化
有机物
胚胎没有和母体建立联系，不能从母体获取有机物，而呼吸消耗抑制进行，因此有机物总量减少
细胞数目和体积
胚胎总体积不变或略有减少，但细胞数目增多，每个细胞体积减小
细胞中DNA含量
伴随细胞分裂，细胞数目增多，总dna含量增多，但每个细胞中核DNA含量保持相对稳定
孵化
概念
囊胚进一步扩大，会导致透明带破裂，胚胎从其中伸展出来的过程
意义
如果不能正常孵化，胚胎就无法继续发育
胚胎工程技术
体外受精
过程
卵母细胞的采集和培养
采集到的卵母细胞要培养到m2期才能成熟
精子的采集和获能
采集到的精子要进行获能处理才能受精
受精
获能的精子和培养成熟的卵子，在适当的培养液中完成受精作用
意义
提高动物繁殖能力的有效措施
为胚胎移植提供可用的胚胎
胚胎移植
概念
对象
转基因，核移植，体外受精获得的胚胎
过程
移植到同种，生理状况相同的雌性动物的体内
供体
提供胚胎的是遗传性状优良，生育能力强的个体
受体
接受胚胎的是具有健康的体质，正常的繁殖能力的个体
结果
发育成新个体
繁殖类型
有性繁殖
由受精卵发育而成
无性繁殖
由核移植技术形成的重组细胞发育而成
由胚胎分割获得
不同动物胚胎移植的时间不同
桑葚胚前
小鼠
家兔
桑葚胚或囊胚
牛
羊
原肠胚
几乎所有动物都不能到原长胚阶段移植，因为此时细胞分化程度高，移植成功率很低
过程
优良供体母牛
特点
遗传性状优良
生产能力强
操作
优良供体母牛超数排卵
应用外源促性腺激素，诱发卵巢排出比自然情况下更多的成熟卵子
优良公牛发情配种或人工授精
收集胚胎并检查
正常繁殖或两三个月后进行另一次移植
胚胎冷冻（-196℃）保存
胚胎移植
受体母牛
特点
有健康的体质
有正常的繁殖能力
操作
受体母牛进行同期发情处理
应用孕激素或前列腺素
为胚胎移植前后提供相同生理环境
对受体进行妊娠检查
产生具有优良性状的后代
生理学基础视角
胚胎能够移入受体
哺乳动物发情排卵后，同种动物的供，受体生殖器官的生理变化是相同的
胚胎能被收集
哺乳动物的早期胚胎形成后，在一定时间内不会与母体子宫建立组织上的联系，而是处于游离状态
胚胎在受体内存活
受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应
胚胎正常发育
供体胚胎可与受体子宫建立正常的生理和组织联系，且供体胚胎的遗传特性不受影响
意义
充分发挥雌性优秀个体的繁殖能力
大大缩短了供体本身的繁殖周期
显著提高供体后代数
胚胎分割
概念
对象
早期胚胎
方法
机械方法
目的
获得同卵双胎或多胎
特点
来自同一胚胎的后代，具有相同的遗传物质
实质
可以看作动物无性繁殖或克隆的方法之一
仪器设备
体视显微镜
显微操作仪
材料
发育良好，形态正常的桑葚胚或者囊胚
若分割囊胚阶段的胚胎时，要将内细胞团均等分
意义
促进优良动物品种的繁殖，产生的遗传性状相同的后代，是进行遗传学研究的宝贵材料
胚胎移植前进行性别鉴定，遗传病筛查等，对于人工控制动物性别，动物繁育健康后代具有重要作用
基因工程
概述
手段
按照人们的愿望，通过转基因等技术赋予生物新的遗传特性
目的
创造出更符合人们需要的新的生物表型和生物产品
水平
分子水平
由于在DNA分子水平上进行设计和施工，因此又叫做重组DNA技术
基因工程的基本工具
限制性内切核酸酶
来源
主要来自原核生物
种类
分离的限制酶有数千种
特点
识别双链DNA的特定核苷酸序列
使每一条链中的特定部位的磷酸二酯键断开
作用
断开两个核苷酸之间的磷酸二酯键
结果
产生粘性末端和平末端
DNA连接酶
作用
将双链DNA片段缝合起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键
种类
E.coli DNA连接酶
来源
大肠杆菌
功能
只缝合黏性末端
T4 DNA连接酶
来源
T4噬菌体
功能
缝合粘性末端和平末端
载体
种类
质粒
环状双链DNA分子
噬菌体 动植物病毒
特点
有一个或多个限制酶切割位点
携带外源DNA片段的质粒进入受体细胞后，能在细胞中进行自我复制或整合到受体，DNA上随受体DNA同步复制
常有特殊的标记基因，用于重组DNA分子的筛选
作用
携带外源DNA片段进入受体细胞
基因工程的基本操作程序
目的基因的筛选与获取
目的基因
在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产品等的基因
筛选合适的目的基因
从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选，是较为有效的方法之一
利用序列数据库和序列对比工程进行筛选
目的基因的获取
人工合成目的基因
利用PCR特异性的快速扩增目的基因
原理
DNA半保留复制
概念
根据DNA半保留复制的原理，在体外提供参与DNA复制的各种组分和反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术
条件
一定的缓冲溶液
镁离子
激活DNA聚合酶
DNA模板
2种引物
一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸
4种核苷酸
耐高温的DNA聚合酶
能自动调控温度的仪器
过程
变性
温度超过90℃时，双链DNA解聚为单链
复性
当温度下降到50℃左右时，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合
延伸
当温度上升到72℃左右时，溶液中的4种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链
产物鉴定
琼脂糖凝胶电泳
数量关系
DNA分子数
2^n
含引物a或b的DNA分子数
2^n-1
同时含引物a,b的DNA分子数
2^n-2
共消耗的引物数量
2^（n+1）-2
通过构建基因文库来获取目的基因
基因表达载体的构建
地位
基因工程的核心
目的
使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以传给下一代
使目的基因能够表达和发挥作用
组成及作用
目的基因
编码蛋白质的基因或具有调控作用的因子
启动子
RNA聚合酶识别和结合的部位
能驱动基因转录出mRNA
终止子
转录的终点,在转录过程中起调节作用
标记基因
供重组DNA分子的筛选
构建过程
质粒和DNA分子用同一种限制酶或能产生相同末端的限制酶切割
DNA连接酶，连接成重组质粒
将目的基因导入受体细胞
转化
定义
目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程
变异类型
基因重组
实例
肺炎链球杆菌转化实验
农杆菌转化法
生物种类
植物
方法
农杆菌转化法
花粉管通道法
受体细胞
体细胞
受精卵
转化过程
将目的基因插入Ti质粒的T-DNA中
农杆菌导入植物细胞
整合到受体细胞的染色体DNA上表达
动物
方法
显微注射法
受体细胞
受精卵
转化过程
将含有目的基因的表达载体提纯
取卵（受精卵）
显微注射
受精卵发育
获得具有新性状的动物
微生物
方法
钙离子处理方法
受体细胞
原核细胞
转化过程
钙离子处理细胞
使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态
基因表达载体导入
目的基因的检测与鉴定
分子水平检测
目的基因是否插入
PCR等技术
mRNA
PCR等技术
蛋白质
抗原抗体杂交
个体生物学水平鉴定
个体
抗虫、抗病接种实验
DNA的粗提取与鉴定和DNA片段的扩增与电泳鉴定
DNA的粗提取与鉴定
基本原理
DNA不溶于酒精，某些蛋白质溶于酒精
初步分离DNA和蛋白质
DNA能溶于物质的量浓度为2mol L^-1的氯化钠溶液
溶解DNA
一定温度下DNA遇二苯胺试剂呈现蓝色
鉴定DNA
操作流程
取材,研磨
去除滤液中的杂质
在漏斗中垫上纱布，将研磨液过滤到烧杯中
在4℃冰箱中放置几分钟后（或直接将研磨液倒入塑料离心管中，离心5分钟）
再取上清液
DNA的析出
在上清液中加入等体积的遇冷的体积分数为95%的酒精溶液
动作要轻缓，以免加剧DNA分子的断裂，导致DNA分子不能形成絮状沉淀
静置2~3分钟
用玻璃棒沿一个方向搅拌，卷起丝状物
动作要轻缓，以免加剧DNA分子的断裂，导致DNA分子不能形成絮状沉淀
用滤纸吸去上面的水分（或将溶液倒入塑料离心管中离心5分钟，弃上清液，将管底的沉淀物晾干）
DNA的鉴定
将丝状物或沉淀物用二摩尔每升的氯化钠溶液溶解
加入二苯胺试剂
混匀后置入沸水中，加热5分钟
冷却后观察颜色变化
DNA的扩增及电泳鉴定
实验基础
PCR原理
DNA热变性英语
电泳
原理
DNA分子具有可解离的基团，这些基团可以带上正电荷或负电荷
定义
在电场的作用下，这些带电分子会向着与它所带电荷相反的电极移动
常见电泳
琼脂糖凝胶电泳
迁移速率的影响因素
凝胶的浓度
DNA分子的大小和构象
pcr操作步骤
移液
用微量移液器按照配方或PCR试剂盒的说明书，向微量离心管中依次加入各组分
混合
盖严离心管的盖子
离心
将微量移液管放在离心机中，离心约10秒，使反应液集中在管的底部
反应
设置好PCR仪的循环程序
将装有反应液的微量离心管放在PCR仪中进行反应
Dna的电泳鉴定
凝胶中的dna分子通过染色，可以在波长为300纳米的紫外线下被检测出来
基因工程的应用
基本对象
乳腺生物反应器
含义
让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达
利用动物的乳腺组织生产药物蛋白
基因表达
合成的药物蛋白与天然蛋白相同
受体细胞
动物受精卵
目的基因导入方式
显微注射法
生产条件
不需要严格灭菌
温度等外界条件对其影响不大
药物提取
从动物乳汁中提取
工程菌
含义
指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的微生物
基因表达
细菌合成的药物蛋白可能没有活性
受体细胞
微生物细胞
目的基因导入方式
钙离子处理法
生产条件
需要严格灭菌
严格控制工程菌所需的温度，pH，营养物质浓度等外界条件
药物提取
从微生物细胞或其培养液中提取
具体领域
农牧业
培养抗性植物
抗虫植物
从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因
抗病植物
来源于某些病毒，真菌等的抗病基因
抗除草剂植物
降解或抵抗某种除草剂的基因
改良植物的品种
将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量
参与植物花青素代谢相关基因导入矮牵牛，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高了它的观赏价值
提高动物的生长速率
如导入外源生长激素基因
改善畜产品的品质
将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他营养成分不受影响
医药卫生领域
生产药物
微生物和动植物的细胞
对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物
哺乳动物批量生产药物
科学家将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控文件重组在一起，通过显微注射的方法导入哺乳动物的受精卵中制成乳腺生物反应器或乳房生物反应器
建立移植器官
在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达或设法除去抗原决定基因
结合克隆技术，培育出不会产生免疫排斥反应的转基因克隆器官
食品工业
利用基因工程菌生产食品，工业用酶，氨基酸和维生素等
科学家将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌，黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶
加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食品要用到的脂肪酶等，也都可以通过构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产
蛋白质工程
概述
基础
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
手段
基因改造
改造现有蛋白质
基因合成
制造新的蛋白质
目的
改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求
过程
从预期的蛋白质功能出发
设计预期的蛋白质结构
推测应有的氨基酸序列
找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列，或合成新的基因
获得所需要的蛋白质
实质
定向改造或生产人类所需要的导致
结果
可产生自然界中不存在的蛋白质
地位
蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第2代基因工程
应用
医药
原理
利用蛋白质工程研发药物
实例
如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在一定条件下，可以延长保存时间
工业
原理
蛋白质工程被广泛用于改进酶的活性或开发新的工业用酶
实例
枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业，丝绸工业等
农业
科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食产量
生物技术的安全性与伦理问题
转基因产品的安全性
转基因成果
微生物
减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期
构建高产优质的基因工程菌，生产氨基酸
用基因工程菌生产药物
转基因动物
培养生长迅速营养品质优良的转基家禽，家畜
培育抵抗相应病毒的动物新品种
建立某些人类疾病的转基因动物模型
转基因植物
培育具有抗虫，抗病，抗除草剂和耐储藏等新性状的作物
对转基因产品安全性的争论
争论原因
价值观取向不同
国家或社会
政治制度
意识形态
宗教信仰
经济发展水平
历史背景
传统文化
伦理道德观念
争论内容
转基因技术
转基因食品的安全性
争论方式
辩论会
理性看待转基因技术
前提
清晰的了解转基因技术的原理和操作规程
看到人们的观点受到许多复杂的政治，经济和文化等因素的影响
要靠确凿的证据和严谨的逻辑进行思考和辩论
我国对转基因技术的态度
研究上要大胆，坚持自主创新
推广上要慎重，做到确保安全
管理上要严格，坚持依法监管
我国相关部门制定了一系列的政策法规并成立相关机构
维护了消费者对转基因产品的知情权和选择权
保证了转基因技术和已经上市的转基因产品的安全性
为保障农业转基因生物安全提供重要的技术支撑
克隆人
克隆分类
生殖性克隆
目的
产生独立生存的新个体
水平
个体水平
争论
赞同
科学研究有自己内在的发展规律，社会应该允许科学家研究
现在人们的伦理道德观念还不能接受这一切，但是人的观念是可以改变的
大多数反对
生殖性克隆人有违人类尊严
在人为的制造在心理上和社会地位上都不健全的人，严重地违反了人类伦理道德，是克隆技术的泛滥
克隆技术还不成熟，面临着流产，死胎和畸形儿的问题
我国态度
不赞成，不允许，不支持，不接受任何生殖性克隆人实验
治疗性克隆
目的
治疗疾病
水平
细胞或组织水平
我国态度
我国政府重视治疗性克隆所涉及的伦理问题，主张对治疗型克隆进行有效监控和严格审查
联系
都属于无性生殖
产生新个体或新组织，遗传信息相同
试管婴儿和设计试管婴儿
试管婴儿
技术手段
不需进行遗传诊断
实践应用
解决不孕不育问题
设计试管婴儿
技术手段
胚胎移植前需进行遗传诊断
实践应用
用于治疗白血病，贫血病等疾病
联系
体外受精
经体外早期胚胎发育
在进行胚胎移植
都是有性生殖
禁止生物武器
常规武器与生物武器的判断
常规武器
核武器，化学武器等大规模杀伤破坏武器以外的武器
进行战争的基本手段
生物武器
以生物战剂杀死有生力量和破坏植物的武器统称
生物武器的种类和特点
种类
致病菌类
炭疽杆菌
鼠疫菌
霍乱弧菌
伤寒杆菌
痢疾杆菌
病毒类
天花病毒
动物痘病毒
生化毒剂类
肉毒杆菌毒素
经过基因重组的致病菌等
重组蜡状杆菌
新型鼠痘病毒
特点
易得到
制备容易
花费小
难以发现
生物战剂气溶胶无色无味，不容易被发现
若在夜间或多雾时偷偷使用，就更难及时发现
传播途径多
呼吸
饮食
皮肤接触
昆虫叮咬
致病性，传染性强
一旦发生病例，易在人群中迅速传染流行，造成人员伤亡，甚至造成社会恐慌
污染面广
现代生物武器可将生物战剂分散成气溶胶状，可造成大面积污染
受自然条件影响大
温度
地形
风向
生物专一性
生物武器可以使人，牲畜感染得病，并能危及生命
不破坏无生命物体
武器装备
建筑物
有潜伏期
在适当条件下，有的致病微生物可以存活相当长的时间
炭疽杆菌芽孢在阴暗潮湿的土壤中甚至可以存活十年
治疗困难
《禁止生物武器公约》
1972年4月
苏联美国英国分别在其首都签署了《禁止生物武器公约》，并于1975年3月生效
1984年11月
我国也加入了这一公约
1998年6月
中美两国元首重申了在任何情况下不发展，不生产，不储存生物武器，并反对生物武器及其技术和设备的扩散
2010年
在第65届联合国大会上，我国政府主张全面禁止和彻底销毁生武器等各类大规模杀伤性武器