现代生命科学与生物技术-合成生物学学习资料
生命科学与生物技术
生命科学与生物技术生命科学与生物技术是研究生物学、生物技术和医学等领域的综合学科，涉及生命体的结构、功能、发育、进化、遗传、代谢、疾病以及与环境相互作用等方面，是人类最为关注的领域之一。
生命科学生命科学是一个广泛的概念，包括分子生物学、细胞生物学、生物化学、遗传学、生态学、生理学、生物物理学等多个领域。
生命科学不仅研究生命体的基本结构和功能，还探讨生命体之间及其与环境之间的相互作用与影响。
生命科学在许多领域都有广泛的应用，如环境保护、医学诊断和治疗、食品工业以及生物技术。
生物技术生物技术是利用生物学原理和技术手段，通过对生物体的细胞、基因、分子等进行研究和改造，开发符合人类需求的新技术和新产业的学科。
生物技术在医药、能源、环境、农业、食品等领域有着重要的应用价值。
常见的生物技术包括基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质工程、抗体工程等。
生命科学与生物技术的发展和应用生命科学和生物技术的迅速发展和应用，是现代科学技术的重要组成部分。
生物技术的发展不仅带来了医疗、农业、工业等领域的技术进步，也深刻影响了人类对生命和自然界的认识。
生命科学和生物技术领域已经形成了一个庞大的产业链，涵盖了科研机构、大型医药企业、生物基因技术公司等多个方面。
未来发展趋势生命科学和生物技术是高科技领域，其未来发展趋势将继续向数字化、信息化、自动化等方向发展。
随着下一代DNA测序技术的发展和普及，生物医学研究和个性化医学将得到更好的发展。
未来还将涌现更多基于生物技术的新药物、新型医疗器械、新型生产工艺等技术，这些技术将对未来的医疗健康、环境保护、生产效率等方面产生巨大影响。
同时，生命科学和生物技术的快速发展也面临着许多挑战，如伦理道德问题、法律规制问题等。
合成生物学：设计生命的新领域
合成生物学：设计生命的新领域合成生物学是一个令人兴奋的新兴领域，它将生物学、工程学和计算机科学融合在一起，旨在设计和构建全新的生物系统及其组成部分。
这个领域的核心理念是利用现代生物技术工具，如基因编辑和DNA合成，来重新设计现有生物系统的功能，甚至是创造全新的生物体。
合成生物学的发展不仅仅是科学技术的进步，更是对生命本质和进化规律的深刻探索。
首先，合成生物学通过精确的基因编辑技术，使得科学家们能够修改生物体内部的遗传信息。
这种技术不仅限于简单的基因插入或删除，还包括微调基因的表达水平，甚至重新设计细胞的整体代谢途径。
例如，研究人员可以通过修改细菌的遗传代码，使其能够产生特定的药物或化学品，这对医药和工业生产都具有重要意义。
其次，合成生物学还涉及到模块化的生物部件设计和组装。
就像工程师可以使用标准化的零件构建复杂的机器一样，合成生物学家们可以设计和组装基因组的模块，以创造新的生物功能。
这种方法不仅提高了生物体的可预测性和可控性，还为生物系统的研究和应用提供了全新的思路。
此外，合成生物学在医学、环境保护、农业和能源等领域有着广泛的应用前景。
例如，通过设计抗病虫害的作物或者改良微生物来清洁污染物，可以有效解决全球面临的各种挑战。
在医学领域，合成生物学的进展为个性化医疗和新药开发提供了新的解决方案，可能会在未来彻底改变我们对疾病的理解和治疗方式。
然而，随着合成生物学的快速发展，也伴随着一些伦理和安全的问题。
如何确保新生物体的安全性和环境友好性，以及如何处理潜在的生物安全风险，都是需要认真思考和探讨的议题。
综上所述，合成生物学作为一个跨学科的新兴领域，不仅在科技创新方面有着巨大的潜力，同时也提出了许多深刻的社会和伦理问题。
随着技术的进步和人类对生命科学理解的不断深入，合成生物学将继续为人类社会带来前所未有的机会和挑战。
现代生命科学导论--第一章(曹凯明)
生命科学学院
第一章 生命科学
一、什么是生命 二、为什么要学习生命科学 三、如何学 四、生命科学的四大主题
一、什么是生命？ ㈠生命的特征是什么？
从广义上讲，生命科学学是研究生命规律的科学。 生物学家研究生命的方法五花八门： 有研究动、植物器官结构的、 有研究不同地质年代化石的、 有研究DNA遗传信息的、 也有研究不同个体遗传差异与疾病关系等。
遗传 任何生命都有自我延续的特点，能将其所具 有的性状和特性传递给下一代，这种能够遗 传的物质被称为脱氧核糖核酸(DNA)。遗传的 信息单元为基因，其由DNA组成。细胞含有的 一套完整的DNA分子称为基因组。
生物多样性 ⑴生物学家将地球上的生物种类分成三大域：细 菌、古细菌、真核生物。 ⑵真核生物类群分为四界 ①原生生物界：主要涉及单细胞真核生物，但不包 括酵母和多细胞藻类。 ②植物界：生物特点是其细胞壁由纤维素组成，可 进行光合作用。 ③真菌界：生物的细胞壁由几丁质组成，它们可向 其他生物残骸或体内分泌各种消化酶类用以获得 所需要的营养物质。 ④动物界：生物的细胞缺少细胞壁，它们获取能量 的方式是吞食和消化其他生物。
4、生命科学的四大主题
细胞理论 ①1665年英国罗伯特· 胡克利用一台自制的可放 大30倍的显微镜观测一块软木薄片，发现软木薄 片是由很多小室构成的，各个小室都有壁隔开， 胡克给这样的小室取名为“细胞”。 ②1675年，荷兰科学家列文虎克用一台可放大 300倍的显微镜在水滴中发现了单细胞微生物， 也就是现在所说的细菌。 ③1839年，德国科学家施奈登和施旺提出所有生 物都是由细胞组成的，这一结论被称为细胞理论。
创立进化论
达尔文的《物种起源》非常有意义，这本书可以当做历史上的 阶级斗争的自然依据。——马克思 我认为《物种起源》这本书的格调是再好也没有的，他可以感 动那些对这个问题一无所知的人们。至于达尔文的理论，我准 备即使赴汤蹈火也支持。 ——英国博物学家赫胥黎
现代生物技术
重组DNA技术诞生，实现了基 因的体外操作和转移。
1990年代
人类基因组计划启动，加速了 基因组学和个性化医疗的发展 。
1950年代
DNA双螺旋结构发现，为现代 分子生物学奠定了基础。
1980年代
基因工程药物和疫苗开始进入 市场，开启了生物医药产业的 新篇章。
21世纪
合成生物学、基因编辑等新兴 领域崛起，为解决全球性问题 提供了新的解决方案。
载体的构建
将目的基因插入到载体分子中，形成重组DNA分子。
转化
将重组DNA分子导入到受体细胞中，使目的基因整合到受体细胞的基因组中。
筛选与鉴定
对转化后的细胞进行筛选和鉴定，确定目的基因的表达。
基因工程的应用实例
转基因作物
通过基因工程手段将抗虫、抗 病、抗旱等优良性状转入植物
，提高作物的产量和品质。
基因敲除与基因编辑
通过克隆技术对特定基因进行敲除或编辑， 实现基因治疗和遗传改良。
04
细胞工程
细胞工程的定义与原理
定义
细胞工程是以细胞为基本单位，在体 外进行培养、繁殖和操作，以实现人 类所需特定细胞或组织器官的技术。
原理
细胞工程基于细胞生物学和分子生物 学的理论，通过细胞培养、基因转移 、细胞融合等技术手段，实现对细胞 生长、分化、代谢等过程的调控。
02
基因工程
基因工程的定义与原理
定义
基因工程是指通过人工操作，将外源 基因导入到生物体的基因组中，从而 实现对其遗传性状的改变。
原理
基因工程基于分子生物学和遗传学原 理，通过改变生物体的遗传物质来达 到定向改良或创造新品种的目的。
基因工程的基本步骤
目的基因的获取
生物科学和生物技术
生物科学和生物技术生物科学和生物技术是现代科学和技术的重要组成部分。
生物科学主要研究生命的本质、起源、演化、结构、功能、规律和应用；生物技术则主要运用生物科学知识和技术手段进行生物制药、生物工程、现代农业、医学等领域的研究和应用。
生物科学研究的对象非常广泛，涉及到从微观到宏观的各个层次以及生命起源和演化等方面。
生物科学的理论和实践研究为生物技术的发展提供了坚实的基础。
生物技术主要包括生物制药、生物工程、现代农业、医学等领域。
生物制药是运用生物技术手段研究和制备新型药物的领域。
生物制药最早起源于使用植物和动物提取物制药的历史，随着分子生物学、生物化学、生物技术等学科的发展，生物制药已经成为新药研究的重要方向之一。
生物制药主要包括基因工程药物、单克隆抗体药物、细胞和组织工程药物等。
这些药物的研究和开发，需要采用多种复杂而精细的生物技术手段。
生物工程是利用生物学、物理学、化学等多种学科的知识和技术来设计、构建、研究和利用生物系统的学科。
生物工程包括生物反应器、生物材料、生态工程、合成生物学、生物信息学等。
生物反应器是生物工程的核心之一，主要用于进行蛋白质、酶、抗生素、氨基酸等物质的生产。
合成生物学是生物工程领域的新兴学科，旨在通过改造细胞、基因、代谢途径等方面进行有针对性的生物物质的生产和应用。
现代农业是将生物学原理和现代科技手段运用于农业生产管理的综合性学科。
现代农业的发展主要包括遗传改良、生物防治和生物肥料等方面。
遗传改良主要利用现代生物技术手段，通过重组DNA技术、基因编辑等方法对农作物的遗传信息进行改良，以达到提高产量、增强抗性等方面的目的。
生物防治主要利用生物防治剂对作物病虫害进行控制，例如使用昆虫杀菌菌、细菌杀虫剂等。
生物肥料则是利用生物制剂或微生物对土壤和作物进行生物修复和营养补充，以提高土壤质量和作物品质。
医学是运用生物科学和生物技术于人类医疗保健的学科。
医学的发展主要包括分子医学、细胞医学、基因医学等多个方面。
生命科学与生物技术
结尾
生命科学与生物技术的未来充满着无限可能， 人工智能、精准医学和生物技术的发展将为人 类带来更多的健康、幸福和可持续发展希望。 我们应紧密关注这些领域的最新进展，为促进 生命科学与生物技术的繁荣发展贡献自己的力 量。
THANKS 感谢观看
细胞信号传导
细胞表面受体 接收外界信号
细胞生长与凋亡 影响细胞生存与增殖
信号转导通路 传递信号至细胞内部
细胞周期与分裂
细胞周期的不同阶段
G1期 S期 G2期 M期
有丝分裂与减数分裂
有丝分裂产生两个相同 的子细胞 减数分裂产生四个有单 倍体的子细胞
染色体不变异与反常变异
染色体不变异为正常的 染色体数目 反常变异导致染色体异 常
●05
第五章 生物工程技术
基因克隆技术
基因克隆技术是一种利用DNA重组技术进行基 因工程操作的技术。通过构建质粒载体和应用 限制酶与连接酶，实现基因的复制、剪接和重 组，为生物技术领域的研究和应用提供了重要 手段。
基因克隆技术
DNA重组技术 利用质粒载体进行基因复制
限制酶与连接酶的应 用
实现DNA片段的粘连和连接
重视生态环境保护、资 源合理利用等问题
生物技术的应用
医药领域 基因治疗、药物研发等
环境领域 污水处理、生态修复等
农业领域 转基因作物、农药改良等
工业领域 生物材料生产、生物工程等
●02
第二章 生物信息学
生物信息学概述
生物信息学是运用数学、统计学和计算机科学 等方法研究生物学的交叉学科。它在生物学研 究中发挥着重要作用，可以帮助科学家更好地 理解生命之谜，推动生物科技的发展。生物信 息学的研究内容涉及基因组学、蛋白质组学、 代谢组学等多个方面。
合成生物学研究解析人造细胞
合成生物学研究解析人造细胞人造细胞作为一种新兴的生物技术，一直备受关注和探究。
人造细胞是通过合成生物技术手段，将DNA等生物分子组装成人工细胞，并赋予其特定功能，如能够代谢、自我修复等。
近年来，合成生物学领域在人造细胞研究方面取得了一些进展，推动了人造细胞研究的发展。
合成生物学是一门跨学科的前沿科学，它融合了生物学、工程学、信息学等众多学科，致力于通过合成生命系统来解决生命科学中的难题。
在合成生物学的研究中，人造细胞被视为实现生命合成的一个关键阶段。
在人造细胞的研究中，合成生物学家们首先需要选择基因序列，并使用生物化学技术将基因序列编码成DNA分子；其次，通过有机合成和DNA组装技术将编码DNA分子组装成人造细胞；最后，将人造细胞体内所需的相关分子（如脂质分子）注入到人造细胞内部，使其获得所需要的生物学特性。
这一过程需要综合运用基础生物学、分子生物学、生物化学等多个学科的知识和技术。
人造细胞的发展有望推动生物技术的进步。
以现有的技术水平，合成生物学家们已经成功地将大肠杆菌、黑酵母和酵母菌等微生物变成了人造细胞，其中不少微生物的功能和天然细胞相似或更加优越，同时也可以进行个人化的定制生产。
此外，通过人造细胞的研究，人们不仅可以将基因工程应用于医学治疗、药物筛选等方面，还可以为应对环境危机、制造绿色化学品等提供新的思路。
还需要指出的是，人造细胞领域也存在着诸多挑战。
其一，人造细胞的复杂性极高，需要涉及到分子生物学、生物化学、动力学等多个学科知识，所以需要强大的团队协作才能完成基础研究和技术创新。
其二，与天然生命体存在的差异，人造细胞对生理环境的要求和适应程度均存在着问题。
其三，人造细胞实现工业化生产面临巨大的挑战，需要摆脱设备成本高昂、中间操作多的困境。
因此，未来在人造细胞的发展过程中，需要持续地研发新技术，不断突破难关，才能够帮助人类更好地利用这一技术为人类服务。
综上所述，合成生物学的发展使得人造细胞研究日趋成熟。
生命科学技术与生物医学研究
生命科学技术与生物医学研究一、生命科学技术的发展概述随着现代科学的不断进步，生命科学技术也得到了空前的发展。
生命科学技术以DNA技术、蛋白质技术、基因编辑技术、转化技术、单细胞技术、系统生物学技术等为代表，得到了广泛的应用，为生物医学研究和其他领域的发展提供了巨大的帮助。
二、生命科学技术在生物医学研究中的应用1. 基因编辑技术基因编辑技术是近年来生命科学技术领域的重要进展。
基因编辑技术可以精确定位于基因组中，对DNA序列进行删除、插入、修饰等操作。
在研究中，这个技术可以用于人和动物模型中，通过基因突变实现疾病模型的建立，有效地研究疾病的发病机制、治疗策略和新药开发。
此外，这项技术还为生殖健康方面的研究提供了很大条件。
例如：CRISPR-Cas9系统的发明可以有效地制作人和动物体系中基因敲除/敲入的疾病模型，以及在实验室中制造人工合成人类基因和染色体，从而探究人类疾病的产生机制。
2. DNA技术DNA技术广泛应用于基因工程、分子诊断、分子治疗、病毒疫苗制备等领域。
在分子诊断方面，PCR技术被广泛应用于检测病原体、基因检测和DNA鉴定等领域。
同时，基于新一代DNA测序技术的证明，研究者们可以针对新型病原体在不同时间、地点、传播范围、规模等方面建立分子流行病学模型，对传染病的控制和预防提供了非常重要的思路和方案。
3. 单细胞技术随着临床医学的不断发展，对个体化治疗的需求越来越明显。
单细胞技术可以研究不同细胞对于特定调节剂的反应，对于深度挖掘疾病新机制、进行患者治疗资料采集、疗效评价、病理监测都具有重要意义。
4. 细胞培养技术细胞培养技术被广泛应用于肝脏、肾脏、心脏、肺、胰腺、乳腺等多种器官的研究中。
通过细胞培养，能够在室内体外重现细胞在体内的行为，再通过对细胞的生理和代谢进行定量化、定性化的研究，加深对细胞生命活动的了解，并为疾病诊断和治疗提供技术支持。
5. 蛋白质技术蛋白质是构成细胞的重要组成部分，在人类健康中起着举足轻重的作用。
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合成生物学与计算机工程的层次比较
4.1.2 合成生物学的发展
• 合成生物学是按照需要设计制造出具有不同性状的基因， 再将这些基因集成到细胞中，形成具有特殊功能的人 造生命
• 1911年7月8日，《柳叶刀》出现“合成生物学” 一词 • 2000年以后，这一学科迅速发展，大量科学家将注意
合成生物学与基因工程
• 都以基因为操作对象，都需要核酸酶和连接酶作为 剪切和组装的工具，都需要载体来承载基因，进行 扩大繁殖和保存
• 基因工程技术只能在较小的范围内对已经存在的生 命进行改造
• 合成生物学能够将分解的数个功能模块高并行合成 并构建代谢电路，最终得到具有复杂功能的新生命
• 合成生物学研究将降低关键技术成本，解决基因操 作的经济性问题，在工程领域得到广泛应用
• 生物能源与新材料领域：重新设计生物质路线图，获 取太阳能、清洁燃料和新能源，可降解塑料、碳纳米 管等材料
• 环境领域：设计和合成新功能微生物，用于清除水污 染、清除垃圾、处理核废料等
• 智能计算机与生物传感领域：生物机体的实时检测， 细胞机器人在动脉中检测并清除导致血栓的动脉粥样 硬化物质，探测化学和生物危险物和爆炸物的生物警 报器
硕士研究生公共课程
现代生命科学与生物技术
合成生物学
化学化工学院 黄磊
第4章合成生物学
4.1 概述 4.2 生物元器件 4.3 DNA的合成与元器件装配 4.4 合成生物的功能实现
4.1 概述
• 4.1.1 合成生物学的概念 • 4.1.2 合成生物学的发展 • 4.1.3 合成生物学的应用
• 美国麻省理工学院的Tom Knight一语道破了基因工 程的困境：“由于缺乏标准化的DNA序列组合技术， 使得每一次DNA组合反应既是解决研究题材的工具， 本身也是一项实验”
• 生物工程使用的方法和零件如果能够标准化，就能建 立相容组件的设计库。观念与制造分开后，生物工程 学家才有余力去构思更复杂的装置，利用更有效的工 具（电脑辅助设计）来控制系统的复杂度
• 基因组测序是遗传信息阅读和解码的过程，合成生 物学是测序的逆过程
• 合成生物学对生物信息学（bioinformatics）提出 了更大的挑战，其设计和优化需要新的算法进行模 拟和测试
• 合成生物的过程是以原料核酸的高速合成为基础的， 需要高效、低成本的化学合成技术提供支持
• 目前常规化学方法合成一个碱基核苷酸的商业化价 格是2元左右，新方法有望降低成本
力转向该领域 • 2004年MIT出版的Technology Review，将合成生
物学评为“将改变世界的十大新技术”之一
合成生物学国际会议
• 2004年6月：美国MIT，第1届，SB 1.0 • 2005年5月：美国UC-Berkeley，第2届，
SB 2.0 • 2007年6月：瑞士，第3届，SB 3.0 • 2008年10月：香港，第4届，SB 4.0 • 2008年5月，北京香山“合成生物学学术研
4.1.1 合成生物学的概念
• 包括人类在内的700多种生物的基因组已经被 测序，在分子水平上研究基因的结构和功能 成为现实
• 合成生物学（synthetic biology）是基于生 命系统的工程技术，旨在设计、构建自然界 不存在的生命或使已存在生命具有新功能
• 合成生物学研究如何设计和构建人工生命， 依靠人工开发的基因密码，按照预定的方式 运行生命
• 合成生物学的出现与系统生物学（systems biology）的发展密不可分；都遵从系统论， 对生物系统的整体功能进行研究
• 系统生物学将在基因、蛋白质、代谢物等多 维分子水平获得大量的细胞行为知识和建立 生物网络，为合成生统生物学的定量分析提供 模式生物
合成生物学与生物信息学、化学
讨 会”——合成生物学＝下一代的生物技术
合成生物学的标志性进展
• 长片段DNA合成技术：2004年 • 染色体移植技术：2007年 • 染色体组装技术：2008年1月，美国克雷格•文特研
究所人工全合成生殖支原体细菌完整染色体（已知 的自然界中基因组最小的生物体：485个基因，58 万个核苷酸；人类：<10万个基因，30亿碱基对） • “很多技术曾被视为对上帝的挑战，但恐怕没有一 个 像合成生物学一样，要面对直接的谴责”，《自 然》 杂志2007年写道：“上帝第一次有了对 手”——达尔文式的自然进化世界将被人造世界所 取代
相关背景
合成生物学是继人类基因组计划研究之后，生物领域 的又一热门学科，是整体系统论生物学思潮在工程学 领域的再现
合成生物学是生物发展到一定阶段随之工程化的必然 趋势
科学家希望能够设计新生物体来满足一些特殊需要:
–让细菌吃进纤维素废物，排泄出石油
–把“生物砖”类比于半导体工业中的半导体元件，组 装这些元件，让细胞干我们想让它干的事情
4.1.3 合成生物学的应用
• 合成生物学的目的是工程应用而非科学研究， 它吸引了更多的工程专家、信息专家共同研究
• 合成生物学的核心观念是，认为生命的所有零 件都能由化学方法来合成制造，进而通过工程 化方式组装成实用的生命
• 合成生物学的研究和实验仍然处在初级阶段
合成生物学的应用领域
• 生物医药领域：改造细胞，生产新型药物；重新设计 更有效、更安全的生物治疗方法
4.2 生物元器件
• 4.2.1 合成生物的单元 • 4.2.2 合成生物的设计与优化
4.2.1 合成生物的单元—基因元件与生物砖
• 基因（生物）元件（genetic element）：是具有某种特 定的生物学功能的DNA或RNA，是设计和合成生物的基 本单位
合成生物学为很多领域的研究提供新视角
• 生物学家：重建不同层次的研究对象，由此 加深对生命活动和生命过程的理解
• 化学家：创造新分子化合物 • 物理学家：发现自然状态下分子的活动行为 • 工程技术科学家：进行药物、生物材料和生
物能源等工程设计与简单、低廉、高效的制 造，满足人类和社会发展的需要
合成生物学与系统生物学