生物工艺学教案及讲稿1.2.3.4
第1讲绪论
教学内容：1. 绪论
§1-1 生物技术的定义和性质
§1-2 生物技术的发展及应用概况
§1-3 生物技术的发展趋势
目的要求：1. 掌握生物工艺学的定义，特点，生物技术概念的范畴
2. 了解生物技术的发展及应用概况
3. 了解生物技术在各个领域的应用及发展趋势
教学重点和难点：1、生物技术的定义，内涵
2、生物技术的发展及应用概况
教学方法：课堂讲授为主，自学结合
内容提要及课时分配：1、生物技术的定义和性质（20′）
2、生物技术的发展及应用概况（60′）
3、生物技术的发展趋势（20′）
作业：
1. 由国际经济与发展组织（IECDO）提出的有关生物技术的定义有何特点？
2. 教材中把生物技术的发展分为四个时期，它们各有哪些主要代表性技术和产品？
主讲教师：授课班级：授课日期：2010.9.7
导入新课：
介绍生物工艺学的内涵，教材包括得主要内容，重点要学习的章节和内容，强调学习生物工艺学的重要意义。
1 绪论
1.1 生物技术的定义
⑴1919年匈牙利艾里基提出：“凡是以生物机体为原料，无论其用何种生产方法进行产品生产的生物技术”都属于生物技术；
⑵20世纪70年代末，80年代初提出的定义倾向于：必须采用基因工程等一类具有现代生物技术内涵或以分子生物学为基础的技术；
⑶国际经济合作与发展组织（IECDO）在1982年提出定义：应用自然科学和工程学的原理，依靠生物作用剂的作用，将物料进行加工以提供产品或用以为社会服务的技术；
在国际经济合作与发展组织（IECDO）提出生物技术定义的特点：
生物作用剂：指从活的或死的微生物、动物或植物的机体、组织、细胞、体液以致分泌物以及上组分中提取出来的生物催化剂——酶或其他生物活性物质；
提供的产品：可以是工业、农业、医药、食品等产品；
被作用的物料：可以是有关的生物机体或其中的有关器官，如细胞、体液以及极少量必须的无机物质；
应用的自然科学：可以是生物学、化学、物理学等以及相关的分支学科，交叉学科；
应用的工程学：可以是化学工程、机械工程、电气工程、电子工程；
1.2 生物技术的发展及应用概况
生物技术的发展分为四个时期：经验生物技术时期；近代生物技术的形成和发展时期；近代生物技术的全盛时期，现代生物技术的建立和发展时期；
1.2.1 经验生物技术时期（人类出现到19世纪中期）
生物技术的发展和利用可以追溯到1000多年（甚至4000多年）以前如酒类的酿造，豆粮
轮作的方法等，主要产品有果酒、酸奶、啤酒、大豆酿酱油，多种植物配制剂——麻沸散等。经验生物技术时期的技术为其后生物技术相关理论的建立创造了条件。
1.2.2 近代生物技术建立时期（19世纪中期至20世纪40年代）
这一时期的诞生是与显微镜的诞生和微生物的发展以及微生物学的问世密切相关的。20世纪初，人们发现某些梭菌能够引起丙酮、丁醇的发酵，随之引发了一系列初级代谢产物的生产。这一时期是人类有意识地利用某些微生物进行生产的时期，
这一时期的发酵产物的特点：都属于微生物形成的初级代谢产物，发酵以厌氧发酵居多，发酵产品主要为某些有机溶剂。
这一时期进行大规模生产的发酵产品有乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等。
1.2.3 近代生物技术全盛时期（20世纪40年代至20世纪70年代末）
1929年Flemming发现了青霉素，从此生产技术产品中增加一大类新的产品——抗生素。
第二次世界大战促进许多科学家和工程师齐心协力，攻克许多难关，实现了青霉素的工业化生产。20世纪40年代，抗生素工业成为生物发酵工业技术的支柱产业。
这一时期生物技术的发展主要成就有：青霉素的发现及其开发概况、酶反应过程和生物转化的过程的开发概况等，为基因工程的建立和新的生物技术时期的来临创造条件。
区分初级代谢产物和次级代谢产物
初级代谢产物：指微生物处于对数生长期所形成的产物，主要是与细胞生长有关的产物，如氨基酸、核酸、蛋白质、碳水化合物以及能量代谢有关的副产品，如乙醇、丙酮、丁醇等。次级代谢产物：次生代谢物的产生与产生这种产物的微生物本身的生长和生命活动并不是密切相关的，它们一般产生于微生物生长的稳定期，他们的结构往往非常复杂。
1.2.4 现代生物技术建立和发展时期（20世纪70年代末开始）
现代生物技术时期是以分子生物学的理论为先导，基因工程的技术开始能作为生物技术新产品的一种开发手段或关键技术后算起的。80年代以来，随着重组DNA技术的发展，人们可以按人类社会的需要，定向培养出有用的菌株，这为发酵工程技术引入了遗传工程的技术，使生物技术进入了一个新的阶段。
基因工程的应用首先集中于许多多肽或蛋白质的生化药物中，如胰岛素、干扰素等。这一时期生物技术的发展主要有：单克隆抗体的发展和应用；动、植物细胞培养技术的应用；杂交技术在动植物生产中的应用；转基因植物和动物的研究和开发，克隆动物的发展及取得的成就等方面。
1.3 生物技术的发展趋势
1.3.1. 深入开展人类后基因组学的研究，逐步掌握人类生、老、病、死的自然规律
有关后基因组学的研究概括讲就是：首先要将完成图的碱基对序列中所有的基因识别出来，其次要鉴别每一个基因的生物化学结构和性质，最后要搞清所有基因与人类生、老、病、死的关系。
后基因组学的研究主要包括：结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学。
1.3.
2. 逐步深入的开展基因诊断和基因治疗研究
基因诊断是通过基因工程的手段对生物体的基因组DNA片段及其转录产物进行定性和定量分析；
基因治疗是以正常基因通过病毒载体原位转入病人体内以取代原来缺陷或病变的基因，也可以是使原来丧失表达能力或使原来丧失表达能力或使机体产生免疫基因已达到抗肿瘤、抗病毒的目的。
1.3.3 加强各种生物技术新药物的研究开发
加强对重组激素、重组细胞因子、从足溶血栓物质、治疗性抗体的研究开发。
1.3.4. 人类干细胞培养或胚胎工程的发展
人类干细胞可分为两类：全能性干细胞和多能性干细胞；前者能发育成完整的个体，后者只能发育成人体某一脏器或组织，如肝脏、肾脏、心脏或骨胳、皮肤、肌肉等。人类胚胎干细胞来自早期胚胎，这些全能型干细胞后来发育成多能性干细胞。
转基因动物的发展，克隆动物的发展成就
转基因动物是通过基因工程手段获得在基因中整合了外源基因的动物。克隆动物是指通过无性繁殖的手段复制而诞生的动物，其外形和生理性状均与其供体细胞相同的动物。
加速对人类功能基因的研究开发
由于功能基因对人类的健康以及药物研究开发的关系密切，因此各国科学家相互争先把已知的功能基因进行相当深入的研究以获得发明专利权。
基因农作物为农作物方面的发展前景
转基因农作的重点发展方向是：抗虫害的转基因农作物；寻找新的抗病毒基因并将其转入一些重要农作物中；抗干旱、抗盐碱、抗重金属、抗水涝、抗寒冻等的转基因农作物；
加强与环境保护学科的合作研究
主要集中在对环境污染的生物治理。
积极开展海洋生物技术的研究
大力发展与生物技术相关的工程技术学科的研究
小结：内容包括三个部分：生物技术的定义和性质；生物技术的发展及应用概况；生物技术的发展趋势。重点掌握生物技术的定义质；生物技术的发展的四个时期及代表产品和技术，了解生物技术的发展趋势。
第二讲菌种的来源
教学内容：2-1 菌种的来源
§2-1-1 微生物的特点
§2-1-2 常见的工业微生物及作用
§2-1-3 典型微生物新种分离筛选过程
§2-1-4 微生物选择性分离的原理和发展
目的要求：1. 掌握典型微生物新种分离筛选过程，微生物选择性分离的原理和发展；
2. 了解常见的工业微生物及其用途
教学重点和难点：1、典型微生物新种分离筛选过程
2、微生物选择性分离的原理和发展
教学方法：课堂讲授为主，自学结合
内容提要及课时分配：1、微生物的特点（5′）
2、常见的工业微生物及作用（15′）
3、典型微生物新种分离筛选过程（30′）
4、微生物选择性分离的原理和发展（50′）
作业：
1. 微生物选择性分离的方法及原理？
主讲教师：授课班级：生物08班授课日期：2010.9.9
导入新课：课堂提问：初级代谢产物、次级代谢产物。
生物反应过程原理篇
2. 菌种选育
2.1 菌种的来源：
2.1.1 微生物的特点
微生物的资源非常丰富，广泛分布于土壤，水和空气中，尤其土壤中最多。
有的微生物从自然界中分离出来就能被利用，有的需要对分离到的微生菌种进行人工诱
变，得到突变株才能被利用。
微生物的特点是：种类多，分布广；生长迅速，繁殖速度快；代谢能力强；适应性强，容易培养。
2.1.2 常见的工业微生物
⑴细菌
工业常用细菌有：枯草芽孢杆菌，醋酸杆菌，棒状杆菌，端杆菌等；
用途：用于生产淀粉酶，乳酸，氨基酸和肌苷等。
⑵酵母菌
工业常用酵母菌有：啤酒酵母，假丝酵母，类酵母等。
用途：酿酒，制造面包，生产脂肪酶以及生产可食用，药用和饲料用酵母菌蛋白等。
⑶霉菌
工业常用霉菌有：藻状菌纲的根霉，毛霉，犁头霉，子囊霉纲的红曲霉，半知菌类的曲霉，青霉等。
用途：多种酶制剂，抗生素，有机酸及辎体激素等。
⑷放线菌
工业常用放线菌有：链霉菌属，小单孢菌属和诺长菌属等。
用途：产生抗生素，微生物中发现的抗生素，有60%来自放线菌。
⑸担子菌
通常所说的菇类微生物。
用途：多糖，橡胶物质和抗癌药物的开发。
⑹藻类
自然界分布极广的一类自养微生物。
人类保健食品和饲料，（螺旋藻）环境治理，产生能源。
2.1.3 典型的微生物新种分离筛选过程
分离微生物新种的具体过程大体可分为采样、增殖、纯化和性能测定
2.2.4 微生物选择性分离的原理和发展
在过去的半个世纪里曾筛选出许多产生新的有用的刺激代谢产物的菌种，这些菌种多半是利用经验式的筛选方法获得的。大多数的抗生素均由放线菌纲产生。
下面介绍以放线菌为主的分离方法原理的发展。
选择性分离方法大致分为五个步骤：①含微生物材料的选择；②材料的预处理；③所需菌种的分离；④菌种的培养；⑤菌种的选择和纯化。以上任何一个阶段都可以引入选择压力。
⑴微生物材料的选择
在选择菌种来源时，存在以下一些标准：
①对于天然材料，如土壤的选择，来源越是广泛的样品，含有目的微生物的可能性就越大，越有可能获得新的菌种；
②可寻找已适应相当苛刻的环境压力的微生物类群；
③在酸性土壤圈的放线菌类群与紧接下层的中性圈的放线菌类群有很大的不同；
④自然环境的菌群可因为人类活动而改变；
⑤更新的生态环境有待于进一步开发。
⑵材料的预处理
为了提高菌种的分离效果，人们设计了各种处理材料的方法，有物理方法、化学方法和生物方法。
为提高菌种的分离效果，设计各种与处理方法。
物理方法：加热，过路，离心，沉淀池中搅拌。
化学方法：加几丁质或碳酸钙提高PH。
诱饵法：花粉，蛇皮，人的头发，涂石蜡的棒。
⑶所需菌种的分离
所需菌种的分离效率取决于分离培养基的养分、pH和加入的选择性抑制剂。一般凭经验而不是绝对的选择。
培养基养分：几丁质（用来分离土壤或水中的放线菌），淀粉——罗素（和几丁质相类同），M3群脂(阻滞链霉素的生长，容易分离到其他霉菌)。
PH值：
(1) 6.7——7.5之间（大多数放线菌，嗜中型）
(2) 4.5——5.0（嗜酸性）
(3) 6.1——6.8（嗜碱性)
选择抑制剂：抗细菌抗生素，抗真菌抗生素；分离培养基中加入抗生素。
⑷菌种的培养
温度，时间两方面主要变量为时间。
放线菌平板通常在25-30℃；
嗜热菌通常在45-55℃；在此三者中可加入时间变量。
嗜冷菌通常在4-10℃；
分离嗜温菌如链霉菌和小单胞菌一般培养7~14天；嗜热菌如高温放线菌只需1~2天。有时培养时间短会漏掉一些新的和不寻常的菌种，因此有人在30℃和40℃将培养时间延长1个月，结果分离出一些不寻常的种属。
⑸菌落的选择
分离步骤中最容易受挫折和最耗时间的阶段，菌落的选择有三种方法：
显微镜观察分离不易区分同一属的不同种。
铺菌法会使所需菌落污染，并且只能美平板一种试验菌。
复印平板法对不长孢子的链霉菌则不能使用，也不适用于游动细菌的筛选。
采用怎样的选择菌落方式取决于筛选的最终目的。
小结：内容包括两个部分：工业常用微生物的种类及用途；微生物选择分离的原理、步骤和发展的方法。
第三讲菌种的来源
教学内容：2-1 菌种的来源
§2-1-4 重要工业微生物的分离
2-2 菌种选育
§2-1-1 自然选育
§2-1-2 诱变育种
§2-1-3 抗噬菌体菌株的选育
目的要求：1. 掌握工业微生物的分离方法，菌种选育的自然选育和诱变育种法
2. 了解抗噬菌株的选育过程
教学重点和难点：1、工业微生物的分离方法
2、菌种选育的自然选育和诱变育种法
教学方法：课堂讲授为主，自学结合
内容提要及课时分配：1、重要工业微生物的分离（30′）
2、自然选育（20′）
3、诱变育种（30′）
4、抗噬菌体菌株的选育（20′）
作业：
简述诱变育种的一般步骤？
主讲教师：授课班级：生物08班授课日期：2010.9.14
导入新课：提问微生物选择选性分离的相关内容
2.2.3 重要工业微生物的分离
筛选具有潜在工业应用价值的微生物的第一个阶段是分离，分离是指获得纯的或混合的培养物。接着筛选出那些能产生所需产物或具有某种生化反应的菌种。
在筛选所需菌种时宜考虑：（1）菌的营养特性；（2）菌的生长温度，应选择温度高于40℃的菌种；(3)菌对所采用的设备和生产过程的适应性；（4）菌的稳定性；（5）菌的产物的率；（6）容易从培养液中回收产物；
理想的分离步骤是从土壤环境开始的，土壤中富于各种分离的菌。设计的分离步骤应有利于具有工业重要特征的菌的生长。
2.2.
3.1 施加选择压力的分离方法
⑴富集液体培养
只能增加混合菌群中所需菌株数量的一种技术。
方法的原理是：给混合菌群提供一些有利于所需菌种生长或不利于其他菌型生长的条件。供给特殊基质或加入某些抑制剂。
液体培养（分批富集，连续富集）
⑵固体培养基的使用
常用于分离某些酶产生菌，其选择培养基中常含有所需的基质，以便促进酶产生菌的生长。
2.2.
3.2 随机分离方法
有些微生物的产物对产生菌的筛选没有任何选择性优势，可以用采用随机分离法获得所需菌种。
随机分离法发展了一些快速筛选方法和归纳出高产培养基成分的选择性准则如下：
⑴制备一系列培养基，其中有各种类型的养分成为生长限制因素；
⑵使用一聚合或复合形式的生长限制养分；
⑶避免使用容易同化的碳；
⑷确定含有所需的辅因子，
⑸加入缓冲液以减少pH变化。
例如：抗生素产生菌的筛选；药理活性化合物的筛选；生长因子产生菌的筛选；多糖产生菌的筛选。
2.3菌种选育
目前菌种选育常采用自然选育和诱变育种等方法，随着微生物学、生化遗传学的发展出现了转化、转导、接合、原生质体融合、代谢调控和基因工程较为定向的方法。
经典育种：自然选育和诱变育种。菌种选育常采用。
定向育种：转化，转导，接合，原生质体融合，代谢调控，基因工程。
2.3.1 自然选育
生产中，不经过人工处理，利用菌种的自然突变而进行菌种筛选的过程叫自然选育。
一般认为引起自然突变的原因有两个：多因素低剂量的诱变效应和互变异构效应。
自然突变有两种情况：菌种衰退，对生产无利的突变，
对生产有利的突变的。
自然选育优缺点：优点：是简单易行；
缺点：效率低、进展慢。
2.3.2 诱变育种
2.3.2.1 诱变育种的基本原理
变育种的理论基础是基因突变。
突变是指由于染色体和基因本身的变化而产生的遗传性状的变异。
诱发突变是指用各种物理、化学因素人工诱发的基因突变。其中诱发突变的变异幅度大大高于自然突变。
诱变因素的种类很多，有物理的、化学的和生物的三大类。
2.3.2.2 诱变育种的一般步骤
诱变育种的整个流程包括：诱变和筛选两个部分。
诱发所形成的突变与菌种本身的遗传背景、诱变剂种类及剂量的选择和合理使用方法均有密切的关系。
2.3.2.3 诱变育种工作中应该注意的几个问题
⑴选择好出发菌种
⑵复合诱变因素的使用
⑶剂量的选择
⑷变异菌株的筛选
⑸高产菌株的获得需要筛选条件的配合
2.3.2.4 几种物理、化学诱变剂的使用方法
紫外线、快中子、氮芥、亚硝酸、航天育种
2.3.3 抗噬菌体菌株的选育
2.3.3.1 噬菌体的分布
凡有寄主细胞的地方，一般容易找到相应的噬菌体。
2.3.3.2 抗噬菌体菌株的选育
细菌的抗性是基因突变的结果
⑴抗噬菌体菌株选育的几种方法
根据基因突变规律，可采用自然突变和诱发突变等。
⑵抗噬菌体菌株的特性试验
抗噬菌体性状的稳定性试验；抗性菌株的产量试验；真正抗性和溶源性的区别试验。
2.3.3.3噬菌体的防治
噬菌体感染会出现畸形菌丝，菌体迅速消失，pH上升，发酵产物停止积累，甚至下降等现象。
对于噬菌体的防治要做到以下几点：
⑴正确判断；
⑵普及有关噬菌体的知识；
⑶选育抗噬菌体菌株；
⑷消灭噬菌体；
⑸收集和保存噬菌体。
小结：内容包括两个部分：菌种的来源——重要工业微生物的分离；菌种的选育。重点掌握菌种来源——重要工业微生物的分离（施加选择压力分离法、随机分离法）。菌种自然选育和诱变育种的原理、方法及基本步骤。了解抗噬菌株的选育过程及注意事项。
第四讲菌种的来源
教学内容：2-2 菌种选育
§2- 2-4 杂交育种
§2-2-5 原生质体融合技术
§2-2-6 DNA重组技术
目的要求：1. 了解菌种选育的方法：杂交育种、原生质体融合、DNA重组技术等方法的原理
2. 了解几种育种方法的应用
教学重点和难点：1、杂交育种
2、原生质体融合技术
教学方法：课堂讲授为主，自学结合
内容提要及课时分配：1、杂交育种（50′）
2、原生质体融合技术（30′）
3、DNA重组技术（20′）
作业：微生物菌种选育的方法及特点。
主讲教师：授课班级：生物08班授课日期：2010.9.16
导入新课：
生物反应过程原理篇
2.3.4杂交育种
杂交育种是指将两个基因因不同的菌株经吻合（或接合）是遗传物质重新组合，从中分离和筛选具有新性状的菌株。
杂交育种的目的在于：（1）通过杂交使不同菌株的遗传物质进行交换和重新组合，从而改变原有菌株的遗传物质基础，获得重组体;（2）可以通过杂交把不同菌株的优良性能集中于重组体中，克服长期用诱导剂处理造成的菌株的生活能力下降等缺陷；（3）通过杂交，可以扩大变异范围，改变产品的质量和产量，甚至出现新品种；（4）分析杂交结果，可以总结遗传物质的转移和传递规律，促进遗传学理论的发展。
微生物杂交育种所使用的配对菌株称为直接亲本。直接亲本菌株应带有适应的遗传标记。常用的遗传标记有颜色、营养要求和抗药性等。
营养标记菌株是最长用的遗传标记之一。
2.3.4.1细菌的杂交
细菌的接触是导致基因重组的必要条件。
细菌杂交可以通过F因子转移、转化和转导等发生重组，但育种获得成功的报道不多。
受体细胞接受供体细胞内抽提得DNA而进行的基因重组称转化。
通过噬菌体载体，DNA从一个细胞转移到另一个细胞而进行的基因重组称转导。
细胞结合融合之后重组，质粒介导的结合作用称F因子转移。雄体（供体）部分遗传物质转移到雌体受体细胞中。
质粒自我控制转移的过程称为接合。
在E.coli中接合性质粒家族称为F因子（F为致育因子）
例A-B+lac-SMrT1s + A+B-lac+SMsT1r A+B+lac+SMT1r
2.3.4.2 放线菌杂交育种
2.3.4.2.1原理
放线菌只有一条环状染色体。大体有四种遗传体系：
（1）异核现象，
异核体：同一条军衔活细胞中含有不同基因型的细胞核。
（2）接合现象
相同细胞质里不同基因型细胞核在双方增殖过程中发生部分染色体的转移或遗传信息的交换。接合现象导致部分合子的形成。
（3）异核系的形成
部分合子形成后，接着就产生杂核的无性繁殖系（经一次单交换形成）即异核染色体组。
（4）重组体的形成
异核系不稳定，在菌落生长过程中，二体区的不同位置发生交换后，能产生重组体细孢子，能长出各类型的分离子。
2.3.4.2.2放线菌杂交技术
现常用的放线菌杂交方法主要有三种：混合培养法、平板杂交法和玻璃纸转移法。
2.3.4.3霉菌的杂交育种
2.3.4.3.1准性生殖过程
准性生殖：指真菌中部通过有性生殖的基因重组过程。
准性生殖的整个过程包括三个阶段：异核体的形成；二倍体的形成；体细胞的重组。（1）异核体的形成异核体
（2）杂合双倍体的形成
（3）体细胞重组染色体交换染色体单倍化
2.3.4.3.2霉菌杂交技术
（1）选择直接亲本；
（2）异核系的形成；
（3）双倍体的检出；
（4）分离子的检出；
2.3.5 原生质体融合技术
原生质融合：将两个亲体细胞作用释放原生质体，在使其在高渗条件下混合在PEG作用下细胞融合，使两亲本基因组发生重组。
2.3.5.1原生质融合的优越性：
优点：①去除细胞壁的障碍；②增加重组亲本的种类的数目；③增加重组的频率④配合其他方法集中优良性状；⑤可以通过钝化亲株，提高筛选效率。
2.5.2原生质体融合的一般步骤
亲株Ⅰ→原生质体Ⅰ
两者融合（PEG处理）→融合子
亲株Ⅱ→原生质体Ⅱ
2.3.5.3原生质体融合技术在微生物育种中的应用
原生质体融合方法：PEG助融、电诱导、脂质体为媒介的融合。
2.3.6DNA重组技术
DNA重组技术：按人的意志，将某一生物的遗传信息在体外经人工与载体相接，构成重组DNA分子，后转入另一生物体细胞中得以表达和遗传。
2.3.6.2工程菌的稳定性问题
2.3.6.2.1工程菌不稳定性表现
工程菌不稳定实际包括：质粒不稳定以及表达产物不稳定两个方面。
表现为以下三种形式：质粒丢失；重组质粒发生DNA片断脱落；表达产物不稳定。2.3.6.2.2解决工程均不稳定性的对策
工程菌稳定与否，与重组质粒本身的分子组成、宿主细胞生理和遗传性以及环境条件等因素有关。
常采用以下措施降低或防治工程菌的不稳定性:
（1）组建合适载体
（2）选择合适宿主
（3）施加选择压力
（4）控制基因过量表达
（5）控制培养条件
（6）质粒构建时，插入一段能改良宿主细胞省长速率的特殊DNA 片段。
（7）质粒不应有可转移因子
（8）精减质粒DNA
（9）固定化重组菌
小结：内容为菌种选育的方法：杂交育种；原生质体融合技术，DNA重组技术。重点掌握杂交育种；原生质体融合技术，DNA重组技术的原理、特点、基本步骤及注意事项。了解杂交育种；原生质体融合技术，DNA重组技术在菌种选育中的应用