基因工程及其在食品工业中应用优品文档.ppt

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概述,基因工程,(Genetic engineering),，又称,分子克隆,(Molecular cloning),或,重组,DNA,技术,(Recombinant DNA Technology),，其涵义为：,用酶学方法，将异源基因与载体,DNA,在体外进行重组，将形成的重组子转入受体细胞，使异源基因在其中复制表达，从而改造生物特性，大量生产出人类所需要的产物的高新技术。,2025/11/10 周一,转基因西红柿,2025/11/10 周一,抗虫害作物,2025/11/10 周一,2025/11/10 周一,番木瓜优良抗病品种,2025/11/10 周一,金大米,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,地雷探测草,拟南芥,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,不会引起过敏的大豆,2025/11/10 周一,转基因芥菜可减轻土壤污染,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,彩色玉米,2025/11/10 周一,巨型鲑鱼,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,荧光鱼,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,超级奶牛,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,培育出人耳的小鼠,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,转基因猪,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,基因工程,这个事实说明，在转基因食品上，基因飘移经常发生，特别是在同一物种、不同品种之间。,Ecoli DNA连接酶：只能将双链片段互补的黏性末端连接,因为某种限制性内切酶只能识别单一切点，若载体上有一个以上的酶切点，则切割重组后可能丢失某些片段，若丢失的片段含复制起点区，则进入受体细胞后便不能自主复制。,EcoRI、SmaI限制酶,为了避免转基因污染影响整个玉米的遗传多样性，墨西哥政府曾经规定，不种转基因玉米。,一个载体若只有某种限制酶的一个切点，则酶切后既能把环打开接纳外源DNA片段，又不会丢失自己的片段。,催化ATP上的-磷酸转移至DNA或RNA的5-OH上，主要作为DNA的5-末端标记，标记待测的DNA片段。,Copyright Jiangyong,第一例转基因动物的问世,酶的来源：Haemophilus influenzae d,前几年有报道说，“转基因鱼”很快就会端上百姓的餐桌。,1944年确认了遗传的物质基础是DNA。,1944年确认了遗传的物质基础是DNA。,1953年J Watson 和F CricK提出了DNA双螺旋结构模型，,1958年M Messelson 和F Stahl证实了DNA半保留复制的机制，揭示了生物界遗传性状能世代遗传的分子奥秘。,重要的里程碑：双螺旋结构的确立,1962年,W Szybalski和E Szybalski,用人类,DNA,去转化人类细胞,发现,Ca,2+,有刺激,DN,A转移入细胞的作用，是人工转移遗传物质给其它细胞的第1次尝试。,1965年,Jacob f 基因操纵子.,1968年,Nirenberg M,遗传密码.,1967年Nirenberg,提出遗传工程可用于人类的基因治疗。,60,年代分子生物学作为一门独立学科正式出现,70,年代初,Graessmann和Dicumako,莫定了用显微注射法转移基因。,1972,年,Grahant,等对磷酸钙介导的,DNA,转移过程进行了详细的,研究，使这技术能被普遍接受和应用。,1972年,P.Berg:构建第一个DNA重组分子,2种病毒DNA的重组,1973年,S.S.Cohen:,第一个基因克隆实验,基因工程的开始,1977年，基因工程产品的出现,H.W.Boyer,第一个基因工程产品(SS),somatostatin,生长素释放抑素,70年代出现基因工程并有初步成果,基因重组技术,80年代的代表性研究领域,基因工程产品的开发应用,定点突变的研究与应用,癌基因的发现,DNA-蛋白质分子相互辨认,PCR技术的出现,人类基因组计划开始酝酿,90年代,基因诊断技术渐趋成熟,基因治疗合法化,人类基因计划的启动,分子生物学各分支学科的建立与发展,从20世纪50年代起，分子生物学领域的研究成果共获得40项诺贝尔医学-生理科学奖，说明分子生物学在生命科学研究中的重要性,根据桑格法开发的DNA自动定序机使一周（24小时运转）解读100万甚至几百万个碱基成为可能。它为“人类基因组计划”立下了汗马功劳,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,理论基础,DNA是遗传物质的证明,DNA双螺旋结构和中心法则的确立,遗传密码的破译,工程技术,基因转移载体的发现工具酶的发现,DNA合成和测序技术的发现,DNA体外重组的实现,重组DNA表达实验的成功,第一例转基因动物的问世,PCR技术的发明,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,第二节 工具酶,已学：基因工程的“专用工具”,基因的剪刀,限制性核酸内切酶,基因的针线,DNA连接酶,基因的运输工具,运载体,一、分子手术刀-限制性核酸内切酶(限制酶),磷酸二酯键,E,co,RI、S,ma,I,限制酶,人类基因组计划开始酝酿,转基因植物的种植可能带来以下几种危害：,切割的化学键为磷酸二酯键。,Copyright Jiangyong,1、转基因食品可能会给人类身体健康带来某些损害属名）（种名）（菌株）,绿色和平组织将转基因食品妖魔化,水葫芦是上个世纪初引进的，上个世纪末大家才认识到它的危害。,具有某些标记基因，以便进行筛选。,事 例,第五节 转化、增殖和表达,生物安全是指现代生物技术研究、开发、应用，以及转基因生物跨国转移，可能对生物多样性、生态环境和人体健康产生潜在不利影响。,给猪注射猪生长激素，提高其瘦肉含量；,因为某种限制性内切酶只能识别单一切点，若载体上有一个以上的酶切点，则切割重组后可能丢失某些片段，若丢失的片段含复制起点区，则进入受体细胞后便不能自主复制。,因为某种限制性内切酶只能识别单一切点，若载体上有一个以上的酶切点，则切割重组后可能丢失某些片段，若丢失的片段含复制起点区，则进入受体细胞后便不能自主复制。,1944年确认了遗传的物质基础是DNA。,一、利用基因工程改造食品微生物,提醒,切割的化学键为磷酸二酯键。,在切割目的基因和运载体时要求用同一种限制酶，目的是产生相同的黏性末端。,将一个基因从DNA分子上切割下来，需要2个限制酶，同时产生4个黏性末端,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,限制性核酸内切酶(限制酶),来源：主要从原核生物中分离,化学本质：蛋白质,作用：能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。,特性：特异性。即限制酶识别特定的脱氧核苷酸序列，切割特定位点,切割后的DNA末端：黏性末端；平末端,限制性核酸内切酶的命名,(1),根据酶相应来源的微生物的学名，取其属名的第一个大写字母和种名的头两个字母,(,小写,),组成酶的基本名称,(,斜体,),；,(2),若微生物有不同的株系，取其株系的第一个字母加于酶名称之中；,(3),用大写的罗马数字来区分存在于同种微生物中具有不同酶切活性的内切酶。,例如：从流感嗜血杆菌,d,株中先后分离到,3,种限制性内切酶，分别命名为,Hind,、,Hind,和,Hind,。,酶的来源：,Haemophilus influenzae d,（属名）（种名）（菌株）,限制性核酸内切酶种类,已经发现的限制性核酸内切酶有三类,类：由3种不同亚级构成，兼具修饰酶活性和依赖于ATP的限制形内切酶活性，结合于特定的DNA序列位点，随机切断识别位点以外的DNA序列。,类：与类酶相似，是多亚级蛋白质，既有内切酶活性，又有修饰酶活性，切断位点在识别序列周围25-30bp范围内，酶促反应除Mg2+外，也需要ATP供给能量。,类：只由一条肽链构成，仅需Mg2+，切割DNA特异性最强，且就在识别位点范围内切断DNA。,二、分子缝合针-DNA连接酶,常用,种类,T,4,DNA连接酶：既能“缝合”双链DNA片段互补的黏性末端，也能“缝合”双链DNA的平末端（效率低）,Ecoli DNA连接酶：只能将双链片段互补的黏性末端连接,三、,DNA,聚合酶,催化聚合脱氧核苷酸，使之逐个接到引物上去，最后形成新的,DNA,。,主要用来作,DNA,探针的体外标记，即缺口翻译；也用于酶法测定,DNA,序列。,四、碱性磷酸酯酶,催化从单链或双链,DNA,和,RNA,分子中除去,5-,磷酸残基，即脱磷酸作用。可以防止载体,DNA,自我环化，从而提高重组效率。,五、,T4,多聚核苷酸激酶,催化,ATP,上的,-,磷酸转移至,DNA,或,RNA,的,5-OH,上，主要作为,DNA,的,5-,末端标记，标记待测的,DNA,片段。,六、,S1,核酸酶,从具有单链末端的双链,DNA,分子中除去单链生成钝端，以及打开双链,cDNA,合成中生产的发夹结构。,七、反向转录酶,用于催化合成与某种已知,RNA,互补的,DNA,链，以获得目的基因，在基因克隆中也是一种不可缺少的工具。,第三节 目的基因的制备,目的基因的制备方法,一、生物学法,二、化学合成法,三、基因文库法,四、,PCR,扩增法,常用载体,质粒,噬菌体的衍生物,动植物病毒,第四节 基因载体,作为基因载体应具备的条件：,(1),本身是一个复制子，能自我复制；,(2),相对分子质量要小，小分子,DNA,易处理，限制性内切酶切点少，适于接受目的基因,(,外源基因,),；,(3),能给寄主细胞,(,受体细胞,),提供可选择标记、可供辨认的表形特征，以便人们进行筛选。,(4),只有单一限制性内切酶切点，经某一限制性内切酶切割后，既可以把质粒,DNA,闭环打开以接纳外源,DNA,片段，又不会丢失自己的片段。,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,2025/11/10 周一,(1)载体是基因运输工具，在基因操作过程中，使用载体有,两个目的,：一是用它作为运载工具，将目的基因送到宿主细胞中去；二是利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。,(2),种类,：质粒(既存在于原核生物细菌中，也存在于真核生物酵母菌中)、噬菌体的衍生物、动植物病毒。,(3),本质,：DNA(其中质粒为环状DNA分子),(4)作为载体必须具备,三个条件,：,能在宿主细胞内稳定保存并大量复制。有1个或多个限制酶切点，以便与外源基因连接。,具有某些标记基因，以便进行筛选。,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,注意问题,(1)一般来说，天然载体往往不能同时具备载体必须具备的条件，所以在基因工程中需要根据不同的和需要，对载体进行人工改建。现在所使用的质粒载体几乎都是经过改建的。,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,(2)作为载体必须具有多个限制酶切点，而且每种酶的切点,最好只有一个,。因为某种限制性内切酶只能识别单一切点，若载体上有一个以上的酶切点，则切割重组后可能丢失某些片段，若丢失的片段含复制起点区，则进入受体细胞后便不能自主复制。一个载体若只有某种限制酶的一个切点，则酶切后既能把环打开接纳外源DNA片段，又不会丢失自己的片段。,2025/11/10 周一,Copyright Jiangyong,(3)大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌等细菌中都有质粒。它存在于细菌的细胞质中，上面一般含几个到几百个基因，控制着细菌的抗药性、固氮、抗生素合成等性状。由于土壤农杆菌很容易感染植物细胞，使细胞生有瘤状物。所以科学家培育转基因植物时，常常用土壤农杆菌中的质粒做载体。,(4)注意与,细胞膜,上载体的区别，两者的化学本质和作用都不相同。第五节 基因重组,将目的基因和载体,DNA,在体外连接构建形成重组子。,黏性末端连接法：直接粘接法,加尾粘接法,平头连接法,第五节 转化、增殖和表达,一、转化,1.,受体细胞,：指在转化、转导中接受外源基因的细胞。,受体细胞应具备的性能：,具有接受外源,DNA,能力；,应为限制性内切酶缺陷型菌株或者为,DNA,重组型菌株；,在标记上和载体相对应；,有利于表达，如选择核糖体对,mRNA,识别专一性较低的突变株；,不适于在人体内或在非培养条件下生存，有利于安全。,常用受体细胞：,细菌：大肠杆菌、枯草杆菌,放线菌：链霉菌,酵母菌,2.,感受态：感受态是指受体细胞能吸收外源,DNA,分子而有效地作为转化受体的某些生理状态。,转化效率影响因素：,对数生长期的细胞转化能力最强；,氯化钙处理和电处理能提高转化效率；,原生质体转化。,3.,扩增检筛,用含抗生素的培养基进行初筛，然后通过原位杂交、电泳等方法筛出带有目的基因的转化子。,二、基因表达,基因表达：通过,DNA,重组技术使特定基因片段在受体细胞内大量增殖，拷贝数目大大增加，并使特定基因进一步转录、翻译为相应的蛋白质,(,或酶,),，甚至进而获得它们的代谢产物，这一过程称为基因表达。,操作,在绿色纸上写上,GGCTCCCGGGAATTCATTTTG,CCGAGGGCCCTTAAGTAAAAC,在红色纸上写上,TCCCGGGAATTCCCGGGAATTCTA,AGGGCCCTTAAGGGCCCTTAAGAT,如果用EcoR限制酶，情况?用什么酶连接？,如果用Sma限制酶，情况?用什么酶连接？,操作中涉及到的用具和材料分别,绿色纸,红色纸,剪刀,透明胶条,连接好的绿红纸条,基因工程的基因操作步骤,第七节 基因工程在食品工业中应用,一、利用基因工程改造食品微生物,二、转基因动物食品,三、转基因微生物食品,一、利用基因工程改造食品微生物,应用：,提高食品产品品质。,简化工艺，缩短生产周期。,食品的抗菌和防腐保鲜。,食品级酶制剂的生产菌的改良。,生产保健食品有效成分。,食品微生物快速检测。,实例：,改良面包酵母，使其麦芽糖透性酶及麦芽糖酶含量提高；,将大麦中的,-淀粉酶基因转入啤酒酵母中并实现高速表达，,使啤酒酵母具有,-淀粉酶活性；,将霉菌的淀粉酶基因转入E.coli，进一步转入酵母单细胞中，使之直接利用淀粉生产酒精。,二、转基因动物食品,实例：给母牛注射牛生长激素（,bovine somatotropin,，,BST,），提高母牛产奶量；,给猪注射猪生长激素，提高其瘦肉含量；,动物生长激素（,porcine somatotropin,，,PST,），可加速动物生长、改善饲养动物的效率、改变营养品质。,三、转基因植物食品,基因工程改造马铃薯提高其固形物含量；,提高大豆、油菜植物油中不饱和脂肪酸的含量；,改善谷物蛋白质中的氨基酸比例；,延缓果蔬成熟、控制果实软化、提高抗病和抗冻力。,四、食品与基因工程产业化,利用基因工程生产凝乳酶：,小牛凝乳酶基因在大肠杆菌中表达；,在酵母菌中表达。,1、转基因食品,可能,会给人类身体健康带来某些损害,五、转基因食品的安全性,目前对转基因食品的安全性评价主要集中在两个方面，一个是转基因食品,毒性安全性,，另一个是转基因食品,环境安全性,。,（,1,）、有毒物质,抗性选择标记基因,可能编码出对人体有直接毒性的蛋白质,，或者编码出的蛋白质所具有的催化功能对宿主的代谢具有潜在毒性作用，并出现滞后效应或长期效应。,（,2,）、过敏性,转基因植物可能会表达出,过敏蛋白,，可能会对过敏体质的人产生过敏反应。,（,3,）转基因农作物表达出的某些蛋白质，可能会潜移默化的影响人的,免疫系统,，从而对人体健康造成隐性的损伤。,（,4,）改变农作物品质的基因及其表达产物，可能会改变宿主体内的,代谢途径,，从而改变转基因食品的营养成分。,例如，,已经发现一种基因工程大豆会引起严重的过敏反应；用基因工程细菌生产的食品添加剂色氨酸曾导致,37,人死亡和,1500,多人残废。最近发现，在美国许多超级市场中的牛奶中含有在牧场中施用过的基因工程的牛生长激素。,一著名的基因工程公司生产的西红柿耐储藏、便于运输，但它们含有对抗抗生素的抗药基因，这些基因可以存留在人体内。,事 例,转基因玉米闯了祸,!,2002，11，19,美国农业部宣布，内布拉斯加州谷仓中1.36万吨食用大豆被隔离，,原因是,ProdiGene公司在这批大豆中混入了含有药用蛋白的转基因玉米。,这下满意了吧？,2,、,转基因食品环境安全性,转基因植物的种植可能带来以下几种危害：,（,1,）转基因植物演变成农田杂草的可能性。,a.,科学家赋予了转基因植物某些全新的性状，增强了它们与其他生物的生存竞争能力，它可能会使本地区本来生活力就很纤弱的个体或物种加速从地球上消失。即转基因植物可能会成为某一地区新的优势种，成为,“,入侵生物,而成为杂草,”,。,b.,抗除草剂基因等可能会通过花粉传播或近缘杂交进入到杂草或半驯化植物中，结果产生出超级杂草。,事 例：,美国俄亥俄州大学的科学家们就发现，如果野草与转基因农作物杂交，将令野草长得更茁壮，产籽更多。,（,2,）基因漂移到近缘野生种的可能性,比如：加拿大有一种转基因作物，是耐除草剂的油菜。这种油菜才种植几年，当地就发现了无人种植的抗多种除草剂的油菜，有人称之为“超级杂草”，要杀死它们比较困难。这个事实说明，在转基因食品上，基因飘移经常发生，特别是在同一物种、不同品种之间。,（,3,）诱发病虫产生抗性。,具有抗虫功能的转基因植物，其体内产生的抗虫蛋白可能使害虫产生抗性，使害虫变得更加难以防治。,总之,转基因农作物可以看做人造的外来物种，进入自然以后，就有可能对环境产生影响。而外来物种入侵的生态效应，不是短期内可以看到的，有的要到,40,年以后才能发现。那时候，再想消灭它，几乎不可能。,比如，,水葫芦,对上海的生态就影响很大。水葫芦是上个世纪初引进的，上个世纪末大家才认识到它的危害。有专门研究水葫芦的教授告诉我，中国每年打捞水葫芦花费最少,1,亿元，甚至多达,5,亿元。,正是由于以上种种,忧虑，人们对转基,因食品充满了恐惧,和担心。,法国环绿色和平组织摧毁5 个转基因作物基地,GM抗议者在英国,绿色和平组织领导者被捕1999,绿色和平组织将转基因食品妖魔化,绿色和平组织抗议雀巢咖啡事件,生物安全,是指现代生物技术研究、开发、应用，以及转基因生物跨国转移，可能对生物多样性、生态环境和人体健康产生潜在不利影响。特别是各类转基因生物活体释放到环境中，可能会对生物多样性构成潜在的风险和危险。,3 对生物安全吗！,1,、科学家赋予了转基因生物某些全新的性状，增强了它们与其他生物的生存竞争能力，它可能会使本地区本来生活力就很纤弱的个体或物种加速从地球上消失。即转基因生物可能会成为某一地区新的优势种，成为“,入侵生物,”。,2,、载体介导的外源基因可能发生横向转移，重组出新的菌株或病毒。,3,、具有抗虫功能的转基因植物，其体内产生的抗虫蛋白可能使害虫产生抗性，使害虫变得更加难以防治？现在也已发现具有抗病毒功能的转基因植物，可以使相应的病毒出现抗性。,4,、转基因植物可能会变成野生种类，或者它侵入新的生态区域，破坏了生态平衡后而成为杂草。,5,、,抗除草剂基因等可能会通过花粉传播或近缘杂交进入到杂草或半驯化植物中，结果产生出超级杂草。,美国俄亥俄州大学的科学家们就发现，如果野草与转基因农作物杂交，将令野草长得更茁壮，产籽更多。,更为严重的是,墨西哥玉米问题,。玉米起源于墨西哥。为了避免转基因污染影响整个玉米的遗传多样性，墨西哥政府曾经规定，不种转基因玉米。但是，后来由于种种原因，美国转基因玉米到了墨西哥，数量还不少（有些是作为救济物资进入的）。玉米的基因污染在该国两个州之间的一些地区终于发生了。美国科学家在,自然,杂志上发表了基因污染的分子证据，此后，在该杂志上，科学家之间展开了激烈的争论。,2002,年，墨西哥环境部门公布了一份报告，确认了基因污染的事实，其中，有些地区玉米的基因污染比例达到了,35,。,转基因生物可能对生态环境稳定性造成破坏，对环境造成污染，这也是公众疑虑的重要内容。,（三）、对环境安全吗！,1,、改变了生物的多样性和群落结构，生态系统的稳定性可能会遭到破坏。转基因生物是自然界中不存在的“人工制造”的生物，它们所具有的强大的生存竞争将使处于脆弱平衡状态的农田生态系统等遭到破坏。,例：抗除草剂作物的推广，可导致本地区杂草物种多样化的减少，破坏当地的生态平衡。,2,、转基因植物中，如含有对人体有害蛋白或过敏蛋白的花粉，有可能通过蜜蜂采集进入蜂蜜中，最后再通过食物链进入人体。,3,、重组,DNA,进入水体、土壤后，将流向何方？存活多久？他们会不会与细菌杂交，出现对人体有害的、新的致病菌？现在已知,DNA,在土壤中至少可以存留,40,万年。,1992,年意大利科学家就发现，被认为最安全的大肠杆菌,K12,菌株，进入下水道后竟可以存活,72,小时，在这么长时间里它完全可以与其他细菌进行基因交换。,前几年有报道说，“转基因鱼”很快就会端上百姓的餐桌。今天，农业部门的官员证实，转基因鱼的商品化生产到现在还没被批准，因为可能存在安全问题。这是有道理的。因为，转基因鱼即使被封闭在小池塘里，一旦遇到洪水冲击，转基因鱼流失，也有可能污染其他的鱼。所以，国际国内对此都非常慎重。,事 例,六、如何管理转基因食品,基于转基因食品潜在安全的不确定性，世界各国政府都加强对转基因食品进行管理。主要原则是：,一、执行严格的安全评价制度；,二、标识制度，即在转基因食品包装上加贴标识。,感谢观看,