生物技术与医药 Biotechnology and Medicine

1. 生物技术与医药Biotechnology and Medicine 王凤山 Wang Feng-shan 山东大学药学院生化与生物技术药物研究所

2. 第一节 生物技术一、生物技术的定义(Definition of Biotechnology)

3. 生物技术与其他学科的关系The relationship of biotechnology and other subjects

4. 二、生物技术的发展The history of biotechnology （一）传统生物技术 • 1000多年以前人们就开始应用生物技术 • 公元前6000年前，苏米尔人即古代巴比伦人就已会酿造啤酒 • 公元前5000年~公元前4000年（即仰韶时期）我国的先人在就利用小口尖底瓮保温发酵酿制谷芽酒 • 我国的酱油距今已有3000年的历史 • 1857年巴斯德证明发酵是由于微生物的作用 • 1917年匈牙利工程师Karl Ereky提出生物技术这个词

5. 二、生物技术的发展The history of biotechnology （二）近代生物技术 • 1928年Fleming发现了青霉素 • 20世纪40年代抗生素工业成为生物技术产业的支柱产业 • 20世纪50年代氨基酸发酵工业出现 • 20世纪60年代酶制剂工业开始形成规模 • 20世纪70年代出现了以基因克隆为代表的现代生物技术 近代生物技术的特征是微生物发酵技术

6. 传统与近代生物技术的主要步骤

7. 传统与近代生物技术的主要研究内容 • 菌种的筛选与诱变 • 适合菌种生长的培养基及培养条件 • 生物反应器的设计与制造 • 发酵产物的纯化

8. （三）传统与近代生物技术的局限性 • 提高产量的幅度非常有限 • 传统的诱变和选择的方法过程烦琐、耗时长、费用高、筛选克隆多 • 只能提高微生物一种已有的遗传性质，不能赋予这种微生物其他遗传特性

9. （四）现代生物技术1. 现代生物技术的出现The emerge of modern biotechnology • 1953年Watson和Crick发现了DNA双螺旋结构，奠定了现代分子生物学的基础 • 1973年美国加利福尼亚大学旧金山分校的Herbert Boyer 教授和斯坦福大学的Stanley Cohen教授共同完成的基因工程实验为标志

10. Boyer and Cohen

11. DNA双螺旋结构Double helix structure of DNA

12. Boyer and Cohen 的策略

13. 2.现代现代生物技术的主要研究内容The content of modern biotechnology • 基因工程(Genetic engineering) • 细胞工程(Cell engineering) • 酶工程(Enzyme engineering) • 发酵工程(Fermentation engineering) • 蛋白质工程、抗体工程、糖链工程、生物转化等

14. （1）基因工程Genetic engineering 基因工程又叫遗传工程，是现代生物技术的核心和主导。 所谓遗传工程就是从生物体中把生物遗传物质（基因或DNA分子）分离出来，或人工合成一段基因，用人工的方法对遗传物质进行搭配、组合，然后转入某生物的细胞内，从而通过改变其遗传物质的结构来改变它的遗传特性，使它定向地产生所需的生物品种。 由于它在DNA分子水平上动手术，又称为DNA重组技术、分子水平杂交技术或称基因操作。

15. 基因克隆示意图

16. 基因工程Genetic engineering 基因工程可以跨越生物远缘不能杂交的鸿沟，实现物种，甚至动物、植物、微生物之间的基因杂交，所获得的生物产品或生物新品种在医药、卫生、农业、畜牧业和环境保护具有广阔的应用前景。

17. （2）细胞工程Cell engineering 细胞工程是指将一种生物细胞中携带的全套的遗传信息的基因或染色体整个地转入另一种生物细胞，从而改变其细胞的遗传特性，改造了生物的性状与功能，从而创造了新的生物类型。 由于细胞工程是在细胞水平上动手术，又可称为细胞操作技术。

18. 细胞工程的内容The content of cell engineering • 细胞培养（cell culture) • 细胞融合(cell fusion) • 细胞重组（cell recombination） • 杂交瘤技术（单克隆抗体）(hybridoma technique) • 原生质体融合技术(protoplast fusion technology) • 组织培养技术( tissue culture technology)

19. 细胞培养（Cell culture) 指将动物、植物或微生物的细胞或组织经无菌处理后置于人工培养基上，使细胞增殖，进而按需要培养的技术。

20. 细胞融合技术Cell fusion technology 细胞融合技术是将两个不同种类的细胞，通过化学的、生物的或物理的办法，使它们彼此融合在一起，从而产生出兼有两个亲体的遗传性状的细胞。这实质上是无性杂交，故又称其为体细胞杂交。

21. 细胞重组（cell recombination） 指在体外条件下，运用一定的实验技术从活细胞中分离出各种细胞的结构或组成部件，再把它们在不同的细胞之间重新进行装配，成为具有生物活性的细胞，主要有核移植、叶绿体移植、核糖体重建和线粒体装配等技术。 世界上第一例经体细胞核移植成功的动物—多莉的培育过程如图。

22. 杂交瘤技术（单克隆抗体）(hybridoma technique) 是指将产生抗体的细胞与具有无限增殖能力的骨髓瘤细胞相融合，通过有限稀释法及克隆化，使杂交瘤细胞成为纯一的单克隆细胞系，由于这种杂交瘤细胞产生的抗体是针对一个抗原决定簇的抗体，又是单一的淋巴细胞克隆产生的，故又称为单克隆抗体，

24. 组织培养技术Tissue culture technology • 人或动物的组织培养 • 植物的组织培养 • 2001年2月26日，在北京展览馆'国家863科技成果展'上一只长'人耳'的老鼠正与公众见面。'裸鼠'由上海组织工程研究与开发中心成功培育，"体外再生耳廓形状软骨"(俗称"体外再生耳朵")意味着"耳朵"不仅可以大规模生产，也可直接移植到病人身上。

25. （3）发酵工程Fermentation engineering 发酵工程是通过现代技术手段，利用微生物的特殊功能生产有用的物质，或直接将微生物应用于工业生产的一种技术体系。这项技术主要包括菌种选育、菌种生产、代谢产物的发酵，以及微生物机能的利用等技术。 发酵工程已用于多种产品如酒类、抗生素、氨基酸、微生素、激素、工业用酶等生产。近年来，随着基因工程、细胞工程和酶工程技术向发酵工程的渗透，更拓宽了它的应用领域。

26. 发酵工程的具体过程示意图

27. （4）酶工程Enzyme engineering 酶工程是利用酶的催化特性，通过化工技术进行物质转化的工程技术。 它主要包括酶的开发和生产、酶的分离和纯化、酶的固定化、反应器的研制及酶的应用等内容。

29. （5）蛋白质工程Protein engineering 蛋白质工程是一门从改变基因入手，制造新型蛋白质的技术。 其过程是：先找到一个合成与这种新型蛋白质的基因接近的基因；然后，修改这个基因（用定位突变技术修改这个基因的核酸顺序）；再把修饰好的基因植入细菌或生物的细胞里，让细菌产生出人们想要的新型蛋白质。

30. 用基因的点突变技术改变IFN-的结构和稳定性用基因的点突变技术改变IFN-的结构和稳定性

31. 它与基因工程的区别在于，前者是利用基因拼接技术用生物生产已存在的蛋白质，后者则是通过改变基因顺序来改变蛋白质的结构，生产新的蛋白质。它与基因工程的区别在于，前者是利用基因拼接技术用生物生产已存在的蛋白质，后者则是通过改变基因顺序来改变蛋白质的结构，生产新的蛋白质。 因此，蛋白质工程又被称为第二代基因工程，也被称为第二代生物技术。

32. 第二节 生物技术与药物研究一、生物技术与药物发现 • 生物技术是药物发现的重要技术手段，现代生物技术的发展深刻地影响着药物发现的策略与研究模式，使得药物的发现取得了快速进展并获得了突破性的成果： • 一方面，基因组学、蛋白质组学、转录组学等新兴学科的崛起和发展为药物的发现提供了更为广泛而深刻的理论基础； • 另一方面，计算机辅助药物设计、分子对接和虚拟筛选、高通量筛选等技术的发展和完善，为药物发现提供了新的技术手段和有力工具，极大地拓宽了药物发现的途径。

33. （一）现代组学与药物发现1．基因组学（genomics）（一）现代组学与药物发现1．基因组学（genomics） • 基因组学是研究基因组的结构、功能及表达产物的学科，包括三个不同的亚领域，即结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学。 • 人类基因组计划的实施和完成提供了更多基因变异与药物个体效应差异之间的关联证据，为从基因水平研究药物反映的个体差异提供了物质基础和技术支持。因此，近年来在药物研究中提出了基因组药物学（或称基因组药理学，pharmacogenomics）的新概念，为新型药物的研究创造了新的契机。 • 未来的药物不仅要以所治疗疾病的类型作为研究的基础，同时将全面考虑患者的病理特点，包括患者个体的基因特点、代谢特点和功能变化特点，使药物的应用真正实现“量体裁衣”，达到最佳的个体化治疗效果。

34. 2．蛋白质组学（proteomics） • 蛋白质是基因表达的最终产物，只有完全注释基因组序列所编码的蛋白功能，才能真正实现基因组研究的价值。 • 蛋白质组学是阐明生物体各种生物基因组在细胞中表达的全部蛋白质的表达模式及功能模式的学科，包括鉴定蛋白质的表达、存在方式（修饰形式）、结构、功能和相互作用等。

35. 蛋白质组学可以全面检测疾病发生与发展过程中以及药物干预过程中蛋白质表达谱和蛋白质-蛋白质相互作用的变化，从而发现影响疾病或药物作用的关键的具有特异功能的蛋白质，并对这些蛋白进行一级结构和三维结构测定，综合分析其生物学功能，推测新的、潜在的药物作用靶标。 • 蛋白质组学的研究也能促进人们根据功能蛋白质的空间结构及其变化规律合理设计药物或对其进行结构改造，从而产生新的药物。因此，蛋白质组学是基因组和药物发现的桥梁和纽带。

36. 3．转录组学（transcriptomics） • 转录组学是一门在整体水平上研究细胞中基因转录的情况及转录调控规律的学科。简而言之，转录组学是从RNA水平研究基因表达的情况。 • 转录组学通过分析转录谱中的共调节基因，阐明基因选择性表达所依赖的复杂调控信号网络，提示基因组中与某一生命现象或病理状态相关的基因； • 基于这些信号网络寻找和发现调控基因的未知生物学功能，提示药物潜在的作用靶点及其发挥作用的分子机制。 • 转录组学研究在指导新药设计与合成、新药筛选等药物发现过程中也具有重要的应用价值。

37. 4．代谢组学（metabonomics） • 代谢组学以生物体液(包括尿液、血液、汗液、胆汁、脑脊液等)、细胞提取物以及组织提取物为主要研究对象，通过动态评价机体生物液体中内源性和/或外源性代谢产物的浓度与功能，即代谢产物谱的变化，来研究评价药物对机体产生的生物学作用及机体对药物的代谢途径、代谢特点等。

38. 代谢产物是机体继基因激活、转录、翻译、修饰等一系列生命活动之后的最终信号载体之一。代谢产物是机体继基因激活、转录、翻译、修饰等一系列生命活动之后的最终信号载体之一。 • 因此，代谢组学研究有可能更为准确而全面地揭示药物对机体所产生的生物学效应以及机体对药物的作用。 • 代谢组学为基因组学、转录组学和蛋白质组学研究的有力补充。 • 代谢组学技术还可以广泛地参与药物的早期药理学活性及毒性筛选、先导化合物的选择与优化以及药物的临床前安全性评价。

39. （二）与药物发现密切相关的生物新技术 1．生物芯片技术 （biochip, microarray） • 生物芯片技术是指通过在微小基片（硅片或玻璃）表面固定大量的分子识别探针，或构建微分析单元或检测系统，对标记化合物、核酸、蛋白质、细胞或其他生物组分进行准确、规模化的快速筛选或检测。 • 目前，生物芯片主要包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片等。

41. 2．表面等离子共振技术（ surface plasmon resonance, SPR） • 表面等离子共振技术是近年来发展起来的一种以芯片为基础的光学生物传感器系统，它不需要荧光或放射性标记物，分子结合与分离时可产生光强度变化。 • 分子结合到一个固相化的生物靶分子上，当分析物溶液通过传感器芯片时，结合到靶分子上的分子可被即时检测。

42. 3．转基因技术 （transgene technology） • 转基因技术通常包括基因敲入和基因敲除两种方式。 • 其显著特点是：分子及细胞水平操作，组织及动物整体水平表达。 • 转基因技术的出现为研究药物对机体整体的作用提供了很好的技术手段，在药物发现过程中其主要应用价值体现在以下几个方面。

43. 从分子水平上去研究和认识疾病To study and understand diseases on molecular level 在过去，有许多的疾病如遗传性疾病、癌症等，由于对其发病机理认识不清，医学工作者对这些疾病的治疗只能采取用药治疗的方法，难以根治，多年来一直视为不治之症，显得人们在这些疾病面前束手无策。 现代生物技术产生以后，使人们能够从基因的水平上对这些疾病进行研究，找到了发病机理，在研究治疗手段时就能有的放矢。

44. 建立基于特殊疾病的整体动物模型，实现药物的体内活性筛选 • 药物作用靶标的鉴定和确认：基因组、蛋白质组以及生物芯片等主要从细胞和分子水平寻找和发现药物的作用靶标；而转基因动物能够模拟人体的内环境，从而能更准确地实现对药物作用靶标的鉴定和确认。 • 药代动力学及药物临床前评价：特定的转基因动物能够帮助研究人员在药物发现过程中尽早地了解药物的代谢特征及其毒理学特点，从而决定是否继续开展或终止药物的后续开发活动。目前，转基因动物被广泛用于神经系统疾病、癌症、心血管疾病等多种疾病治疗药物的相关研究中。

45. 4．RNA干扰技术（RNA interference, RNAi） • RNAi 是指将与mRNA 对应的正义RNA（sense RNA）和反义RNA（anti-sense RNA）组成的双链RNA （dsRNA）导入细胞诱导靶mRNA发生特异性的降解而导致基因沉默的现象，又称为转录后基因沉默，

46. 5．生物信息学技术 （bioinformatics） • 生物信息学是综合运用数学、计算机与网络技术以及生物学等手段对各种生物信息进行收集、加工、储存、分析、整理和归纳，并对生物信息做出解析的学科。 • 生物信息学的研究内容主要包括：① 建立、贮存并管理大量的生物学信息库，包括基因组序列、基因多态性、基因表达调控、蛋白质结构与功能、特征性代谢产物谱、疾病相关基因和/或蛋白质、生物标志物信息库等；② 开发计算机算法和统计学方法，分析确定数据库中大量数据的相关性；③ 应用已知的生物学信息预测或分析生物大分子或小分子化合物的结构与功能。 • 生物信息学可应用于药物发现的全过程，包括药物分子设计、药物靶点的发现与确认、药物筛选以及药物临床前评价等。

47. 6．组合生物合成技术（combinatorial biosynthesis） • 组合生物合成是以天然复杂结构化合物及具有明确药理活性的天然小分子化合物为底物，以具有生物催化活性的工业微生物、植物细胞、分离酶为反应工具，通过一次培养、多次培养转化及酶转化、合成的方式，建立单一或多反应体系，利用催化功能不同的生物催化剂对天然活性先导化合物的不同活性或毒性基团进行不同形式的分子结构修饰和改造，或者是利用底物选择性比较宽泛的生物催化剂催化多种天然活性先导化合物发生类似的催化反应，从而快速高效地合成大量结构类似的生物转化产物，从而形成分子结构多样性的化合物库。

48. 7．高通量筛选技术 （high throughput screening，HTS） • 高通量药物筛选是自20世纪后期起发展起来在传统的筛选技术基础上，应用先进的分子生物学、细胞生物学、计算机、自动化控制等高新技术，建立的一套适合于药物筛选的技术体系。

49. 8．高内涵筛选技术（high content screening, HCS） • HCS是指在保持细胞结构和功能完整的条件下，尽可能同时检测被筛选样品对细胞生长、分化、迁移、凋亡、代谢途径及信号转导等多个环节的影响，涉及的靶点包括细胞的膜受体、胞内成分、细胞器和离子通道等，即从单一实验中获得大量与候选物药理学活性相关的信息及其潜在的毒性作用。

50. 9．虚拟筛选技术（visual screen） • 虚拟筛选是指利用计算机强大的计算能力，针对重要疾病治疗靶标的生物大分子的三维结构或定量构效关系（QSAR）模型，采用三维药效基团模型搜寻或分子对接的方法，从现有化合物数据库中寻找发现与靶标生物大分子结合或符合QSAR的化合物。 • 虚拟筛选的目的是从大量化合物中寻找发现有苗头的化合物，集中目标，从而减少待筛选化合物的数量，缩短研究周期，降低研究成本。