分子生物学进化技术
进化生物学的现代发展与应用
进化生物学的现代发展与应用进化生物学是研究生物种群与物种的起源、演化、分化和多样性变化的学科。
它是生物学的一个重要分支，也是现代生命科学中的重要学科之一。
进化生物学在过去几十年中发展的非常迅速，取得了许多重要的进展和成果。
本文将介绍进化生物学的现代发展与应用。
一、分子进化生物学分子进化生物学是研究生物分子在进化过程中的变化和演化的学科。
它在进化生物学研究中扮演着越来越重要的角色。
随着分子生物学技术的不断发展，分子进化生物学的基础研究得到了很大的发展。
分子进化生物学研究主要是通过分析DNA、RNA和蛋白质的序列来比较物种之间的遗传差异和相似性，从而揭示生物的进化历史和演化关系。
分子进化生物学已经成为系统发育学和物种演化的一种基本方法和技术手段。
同时，分子进化生物学的研究成果也为基因组学、生物技术和生物医学等领域提供了基础研究和应用基础。
二、基因组学基因组学是研究生物基因组的组成、结构、功能和演化的学科。
它是进化生物学的重要分支，并且对生物学、生命科学和医学等领域具有重要的应用价值。
随着高通量测序技术的发展，基因组学研究得到了很大的发展。
如今，基因组学已经成为研究生物多样性、进化演化、基因家族、基因转录和表达等方面的一种重要手段和方法。
同时，基因组学还为生物医学、农业遗传育种、环境保护和人类起源等领域提供了重要的应用价值。
三、遗传进化学遗传进化学是研究基因和遗传信息在进化中的演化和变化的学科。
它是进化生物学的重要分支之一，也是生物学、生命科学和医学等领域中的重要学科之一。
随着分子生物学和基因组学等技术的发展，遗传进化学得到了很大的发展。
遗传进化学主要研究基因、群体遗传、表观遗传和基因互作等方面的问题，从而揭示生物物种的进化关系和演化规律。
同时，遗传进化学的应用也让我们更好地理解遗传性状、人类起源和进化、疾病遗传和预防等方面的问题。
四、生态进化学生态进化学是研究生物进化和周围环境因素相互作用的学科。
它是进化生物学和生态学两个学科的综合，对于揭示生物生态适应性、进化生态位和生物地理程度等方面的问题有重要的意义。
分子生物学的新进展与应用
分子生物学的新进展与应用随着生物科技的发展和创新，分子生物学领域也取得了巨大的突破和进展。
分子生物学是一门研究生物分子结构、功能和相互关系的学科，已经成为生命科学的核心领域之一。
本文将从几个方面介绍分子生物学的新进展和应用，包括DNA测序技术、基因编辑技术、分子诊断和药物研发等方面。
I. DNA测序技术DNA测序是分子生物学最重要的技术之一，它能够帮助科学家们了解生命的本质和进化。
近年来，随着高通量测序技术的兴起，测序速度和准确性得到了显著提高。
这种技术的最大优点是它可以很快地、准确地测定DNA序列，大大减少了研究过程中的时间和成本。
DNA测序技术的应用范围非常广泛，从基因突变分析、遗传修饰到基因表达等都可以得到非常准确的结果。
DNA测序技术被广泛应用于基因组重构和修饰，从而帮助人类治疗各种疾病。
II. 基因编辑技术基因编辑技术是分子生物学领域的一项革命性技术，它已经成为开展生物医学研究的重要手段之一，并在治疗传染病和癌症等疾病方面展现了无限的潜力。
通过基因编辑技术，科学家们可以准确地修改DNA序列，从而更好地理解基因的功能和调节机制。
同时，基因编辑技术也能够实现基因加减和突变等操作，从而用于修复或治疗患者的基因缺陷或疾病。
III. 分子诊断分子诊断技术就是利用分子生物学方法对病原体及其相关的分子进行特异性检测，从而在临床疾病诊断和治疗中起到重要作用。
相比传统的方法，分子诊断技术具有高灵敏性、高特异性和高速度等优点，能大大提高疾病诊断效率和准确性，避免了对患者的影响。
分子诊断技术的应用范围非常广泛，涉及到传染病、肿瘤以及遗传性疾病等方面。
IV. 药物研发分子生物学的发展不仅对生命科学领域产生巨大的影响，还已经成为药物研发领域的重要手段。
分子生物学的研究和成果使科学家们对很多疾病的分子机制有了更好的理解，从而设计出更加准确、高效的药物，这也为新药的开发和制备提供了一系列的技术支持。
一些新型分子靶向治疗药物已经在药物研究和临床治疗中得到成功应用，帮助人们更好地治疗疾病，提高生活质量。
分子进化学中的进化树构建方法
分子进化学中的进化树构建方法随着科技的进步和生物技术的广泛应用，分子生物学的研究逐渐深入，成为生物学、生物技术和医药学等领域的重要研究方向。
而分子进化学作为分子生物学中的一个重要分支，研究物种间的分子差异和进化关系。
其中，构建进化树是分子进化学研究中的重要工作，下面我们来了解一下进化树构建的方法。
一、进化树的基本概念进化树是描述不同物种、不同基因或不同蛋白质之间进化关系的图形化表示。
在进化树中，每一个分支代表了一个物种、一个基因或一个蛋白质序列，分支的长度表示了物种、基因或序列的进化距离，而进化距离则是衡量不同物种或不同序列之间关系的基本参数。
而构建进化树的过程则是根据分子序列数据的重构得到物种或基因的进化树。
二、进化树的构建方法构建进化树有多种方法，主要有距离矩阵法、系统发育学法、最大似然法和贝叶斯法等。
下面我们逐一介绍这些方法的基本原理。
1.距离矩阵法距离矩阵法是最早采用的一种构建进化树的方法，它基于序列之间的距离矩阵计算和聚类方法来得到进化树。
该方法首先计算所有分子序列之间的距离（距离可由序列相似性计算得出），然后根据聚类方法构建进化树。
聚类方法包括单链接聚类、均链接聚类和最大链接聚类等。
距离矩阵法的优点是构建速度快、适用性广，但是对于高变异的序列来说，该方法可能会产生误导性的结果。
2.系统发育学法系统发育学法是基于系统学原理，采用系统发生学的理论和方法来构建进化树。
该方法主要是通过分子序列的相似性构建系统发育分析矩阵，然后利用不同的计算方法（如UPGMA、NJ和ML等）推断进化树。
系统发育学法的优点是能够更准确地反映分子序列的演化，并且可以通过不同的方法比较结果，但是该方法需要大量的计算资源和长时间的计算。
3.最大似然法最大似然法是一种统计学上的方法，通过最大化序列数据与观测数据的相似度，来推断出最可能的进化树。
该方法需要整合进化模型和数据，然后计算不同进化模型下数据的似然函数，最终选择似然度最大的进化树。
生物的分子生物学和分子进化
生物的分子生物学和分子进化生物的分子生物学是研究生物体内所发生的各种分子过程和活动的科学领域。
通过深入研究分子水平上的细胞结构、基因组、蛋白质及其他生物大分子的功能，我们可以更好地理解生物的结构、功能和进化。
1. DNA结构与功能DNA是生物体内最基本的遗传物质，也是生物分子生物学的核心研究对象。
DNA由碱基对连接而成的双螺旋结构，承载了生物体的遗传信息。
DNA不仅参与了遗传信息的复制传递，还通过基因转录与翻译过程控制了蛋白质的合成，从而影响生物体内的各种生理过程。
2. 基因组学与基因表达调控基因组学研究生物体中的全部基因组信息，通过研究基因组的结构和功能，可以揭示基因与表型之间的关系，探索各种生物表型的形成机制。
另一方面，基因的表达调控也是分子生物学中的重要研究领域。
通过探究转录因子的结构和功能，以及表观遗传修饰的作用机制，我们可以了解基因表达调控的分子细节。
3. 分子进化与系统发育分子进化研究以分子遗传学的原理为基础，通过比较生物体间的DNA、RNA和蛋白质序列，揭示不同物种间的亲缘关系和演化历史。
系统发育学建立了生物物种间的进化关系树模型，通过分析物种间的分子差异来推断它们的亲缘关系。
通过分子进化和系统发育的研究，我们可以了解不同物种间的演化关系，揭示生物多样性的起源和演化过程。
4. 蛋白质结构与功能蛋白质是生物体内的重要功能分子，承担着多种生物体内化学反应的催化剂、生物体内信号转导的传递者。
研究蛋白质的结构与功能，可以揭示蛋白质分子在生物体内的作用机制，为疾病防治和药物研发提供理论依据。
总结：生物的分子生物学和分子进化是现代生物学领域中的重要组成部分。
通过深入研究生物体内分子的结构、功能和进化规律，我们可以更好地理解生命现象及其产生的机制。
分子生物学与分子进化的研究成果不仅为基础科学提供了重要的理论基础，也为生物医学领域的发展和应用提供了新的思路和方法。
分子生物学的作用
分子生物学的作用
分子生物学是研究生物体内分子结构、功能和相互作用的科学领域。
它对于理解生命的基本原理以及探索生物体内各种生物过程的机制至关重要。
以下是分子生物学在不同方面的作用：
1. 遗传学研究：分子生物学揭示了DNA是遗传信息的携带者，通过研究基因组、基因的表达和调控等，可以深入了解遗传变异、基因突变和遗传疾病的发生机制。
2. 基因工程和生物技术：分子生物学的发展使得基因工程和生物技术成为可能。
通过基因克隆、基因编辑和基因转导等技术，人们可以改良植物、动物和微生物，用于农业、药物研发和环境修复等领域。
3. 蛋白质研究：蛋白质是生物体内最重要的功能分子之一，分子生物学研究帮助我们了解蛋白质的合成、折叠、修饰和功能等方面，从而深入理解细胞活动的机制。
4. 分子诊断和治疗：分子生物学技术在医学诊断和治疗中起着重要作用。
例如，通过检测体液或组织中的特定分子标志物，可以早期发现和诊断疾病，如癌症和遗传疾病，并为个体化治疗提供依据。
5. 进化研究：分子生物学技术也被广泛应用于进化研究中。
通过比较不同物种间的基因序列、基因组结构和表达模式等，可以了解物种的亲缘关系、进化历程和适应性变化。
总之，分子生物学作为一门前沿科学，对于深入理解生命的本质、
解决生物学问题以及推动医学和生物技术的发展具有重要作用。
氨基酸序列的相似性与分子进化研究
氨基酸序列的相似性与分子进化研究分子生物学是生物学研究中最新兴、发展最快的分支之一。
氨基酸序列的比较是分子生物学的核心技术之一，也是分子进化研究中最常用的方法之一。
本文将从氨基酸序列的相似性和分子进化这两个方面来探讨分子生物学的相关问题。
一、氨基酸序列的相似性氨基酸序列的相似性是指两个或多个生物体中某种蛋白质的氨基酸序列之间的相似程度。
相似性的高低可以反映生物个体之间的亲缘关系，进而推断其进化关系。
通过比较不同生物物种的同源蛋白质氨基酸序列的相似性，可以得出以下结论：1. 相似性越高，两物种的亲缘关系越近。
例如，同属哺乳动物的猩猩和人类的差异在不到5%左右，而与非洲绿猴的差异则高达20%以上。
2. 不同物种之间的相似性还可以显示它们的共同祖先。
例如，谷氨酸脱羧酶（glutamate dehydrogenase）是生命起源较久远、在细胞代谢中广泛存在的代表性酶，根据其氨基酸序列的比较，可以得出细菌、植物和动物之间在起源时期已经分化出来的信息。
氨基酸序列的相似性比较有一些基本的方法：1. 比较相似性百分比。
这是最常见、最简单的比较方法。
具体而言，将某物种中某个蛋白质的氨基酸序列与其他物种相同蛋白质的序列对比，以相同氨基酸数占总数的比例为相似性。
2. 比较两个蛋白质的氨基酸序列中的替代和同义突变。
即突变导致的氨基酸替代和没有导致的氨基酸替代。
3. 比较基因树。
基因树是基于分子序列相似性建立的，它反映了彼此之间的亲缘关系。
构建一个基因树可以帮助揭示生物群体之间的进化历史，同时也可以预测蛋白质功能的演化。
二、分子进化分子进化是指利用分子生物学方法及工具来研究生命的进化过程和进化规律。
它的基本思想是，正是DNA、RNA和蛋白质的不断变异、选择和适应使得生物进化。
分子进化研究需要比较生物体中蛋白质的氨基酸序列或基因的核苷酸序列，然后用相似性分析、进化树分析等方法来推断它们之间的进化关系，以及基因或蛋白质的演化历史。
分子生物学技术
分子生物学技术分子生物学技术作为一种广泛应用于现代医学和生物学领域的技术，发挥着重要的作用。
本文将从分子生物学技术的定义和基本原理开始，然后介绍常见的分子生物学技术及其应用，最后讨论其在医学和生物学研究中的前景和挑战。
分子生物学技术是一系列用于研究生物分子结构、功能和相互作用的实验技术的总称。
这些技术主要依赖于分子水平上的操作和分析，包括DNA、RNA和蛋白质等生物分子的提取、纯化、扩增、修饰和检测等。
分子生物学技术的基本原理是基于生物分子的特性进行实验设计和操作，从而实现对生物体内各种生物分子的分析和研究。
常见的分子生物学技术包括聚合酶链式反应（PCR）、蛋白质电泳、核酸杂交、基因克隆、蛋白质互作研究和基因表达分析等。
聚合酶链式反应是一种用于扩增DNA片段的技术，广泛应用于基因检测、疾病诊断和DNA指纹鉴定等领域。
蛋白质电泳则用于研究蛋白质的大小、电荷和结构等特性，常用于蛋白质分离、纯化和表征。
核酸杂交是一种检测特定DNA或RNA序列的技术，用于寻找目标分子的存在和定位，由此发展出了原位杂交和北方、南方杂交等。
基因克隆技术可用于获取特定基因的大量复制，进而进行基因功能研究和蛋白质表达。
蛋白质互作研究则是通过分析蛋白质之间的相互作用关系，揭示细胞内生物分子网络的特点和功能。
基因表达分析是通过检测特定基因在细胞或组织中的表达水平，研究基因调控和生物过程。
分子生物学技术在医学和生物学研究中得到了广泛的应用。
在医学上，这些技术被应用于疾病的早期诊断、治疗和预防。
例如，通过检测患者的基因突变或基因表达水平变化，可以实现个体化的药物选择和治疗方案制定，提高治疗效果和降低不良反应风险。
此外，基因编辑技术也为治疗遗传性疾病和癌症等提供了新的途径。
在生物学研究中，分子生物学技术为科学家们提供了研究生物进化、基因功能和细胞信号传导等重要问题的工具。
通过分析生物分子之间的相互作用关系和调控机制，研究人员可以深入了解生命的本质和规律。
分子进化的原理和应用
分子进化的原理和应用在生物学领域中，进化是一个非常核心的概念，它不仅贯穿了整个生命体系的演化历程，也对现代医学、生态学甚至环境科学等领域有着至关重要的影响。
而分子进化则是近些年来被广泛应用于研究生物系统进化的一种新型手段。
那么，分子进化的原理和应用有哪些呢？一、分子进化的原理分子进化是指利用分子生物学技术，通过对生物机体基因或其分子组成物质(amino acids等)的特性进行研究，来了解生物进化的过程。
与传统的形态学、生态学、生理学等方法不同，分子进化可以突破种间物种的界限，同时也是一种高效、快速的研究手段。
在具体原理方面，分子进化主要涉及以下几个方面：1.遗传变异及遗传漂变：在生物体的DNA或RNA中，随着时间的推移，由于各种各样的因素（如复制错误、DNA双链断裂等），会产生各种不同的突变或变异。
这些变异可以是点突变、插入、缺失等不同类型，从而导致后代物种之间的差异。
2.分子进化的音基及氨基酸序列：在分子进化研究中，物种差异的大小通常以生物体DNA或RNA的氨基酸序列（蛋白质序列）的不同来描述。
此外，组成这些蛋白质的DNA序列的差异也被称作分子进化学的音基差异。
3.进化树模型：在分子进化研究中，进化树模型是一个常见的研究手段，尤其是对于不同的物种之间的关系推断。
由于生物体在分子层面上的差异，研究者可以通过组合不同的基因或蛋白质的氨基酸序列，分析它们在不同物种之间之间的共有和独有差异，然后将这些差异量化，并将其反映在一个树形图中。
二、分子进化的应用1.物种分子鉴定及分类学在传统的分类学中，通常可通过观察生物体的形态、生态乃至组织结构等特征，来对不同物种进行划分。
但随着分子生物学技术的发展，分子进化研究可以更深入地了解不同物种之间的遗传差异，从而更准确地对不同物种，甚至是生物亚型进行分类。
例如，在鸟类动物分类学中，分子进化研究可通过对鸟类的核酸和蛋白质序列的比对分析，来探究鸟类进化的历程。
另外，对于一些生物种群资源的保护，例如对于国家珍稀濒危野生动植物的保护和研究方面，分子进化研究也有着重要的应用价值。
分子进化的基本原理与方法
分子进化的基本原理与方法从微观角度来看，生命的起源和进化都是由分子水平上的物理、化学反应所驱动的。
生物分子可以通过基因突变和重组等途径来产生遗传变异，这些遗传变异会对漫长的进化过程产生影响。
分子进化学则研究生物分子的遗传变异及其在进化中的演化规律，旨在揭示生命进化的基本原理，是现代生命科学和生物技术的重要组成部分。
一、基本概念分子进化学是以生物分子为对象研究物种演化的学科，主要研究的是分子遗传学、进化生物学、生物信息学等内容。
分子遗传学是研究基因及其在进化中的演化规律，是分子进化学中的重要内容。
分子遗传学通过研究DNA，RNA及蛋白质等生物分子的遗传变异，来分析物种进化历程、种群变异和亲缘关系等问题。
在分子遗传学领域，核酸序列比较、分子进化分析以及系统发育分析都是常用的方法。
二、基本原理分子进化学的基本原理是：物种的进化是由基因水平及其在群体间的传递和演化所驱动的，基因的分子结构在漫长的进化过程中会发生变异、改变和重组，这些变异将对物种的形态和功能产生影响。
基本遗传单元是基因，基因由DNA序列编码。
其中，基因的序列比较是分子进化研究中的基础，也是识别遗传关系和物种进化的重要依据。
不同的物种可能存在共同祖先，或者由于自然或人工选择等原因，在基因序列上有趋同演化的现象，如人类和黑猩猩在某些基因上共享相同的DNA序列。
分子进化学中最基本的假设是：物种的进化是围绕着基因的演化而展开的。
基因带来的变异有时会影响生物体的形态和功能，这种影响可能是优势性的、劣势性的，也可能是中性的，但这些变异始终是随机的，是自然选择和遗传漂变的结果。
三、研究方法1.分子演化分析分子演化分析是分子进化研究的核心方法。
分子演化分析让我们可以比较基因序列、RNA序列或蛋白质序列等。
通过对不同物种的基因序列进行比较，可以分析出它们之间的遗传关系，了解它们之间的亲缘关系，进而推断它们之间的进化历史。
常见的分子演化分析包括：物种分化时的系统发生关系、进化速率的推断、化石密码学（将化石和分子演化信息相结合来推断物种历史）等。
分子生物学与人类进化研究的关系
分子生物学与人类进化研究的关系分子生物学是生物学的一个重要分支，通过研究生物分子的结构、功能和相互作用等方面的信息，可以揭示生物体内发生的各种生命现象。
而人类进化研究则是对人类起源、演化和生物多样性变化进行探究的学科。
两者在很大程度上相互关联，相互影响，共同为我们揭示了人类的演化历程和发展过程。
一、分子生物学在人类进化研究中的应用1. DNA序列分析：分子生物学技术可以通过对DNA序列的研究来探究人类进化和亲缘关系。
通过比较不同种群或个体的DNA序列，可以确定它们之间的遗传差异和相似性，从而推测它们的进化历史和演化关系。
2. 基因突变与人类进化：分子生物学的研究发现，基因突变是生物进化中的重要驱动力。
通过研究人类基因组中的突变信息，可以揭示人类进化的过程和模式，如基因突变对人类智力发展、外貌特征以及适应环境的变化等的作用。
3. 进化基因组学：分子生物学技术的发展使得我们可以对大规模基因组数据进行分析，从而揭示基因组水平上的进化模式。
通过比较不同物种的基因组，可以发现相同或相似的基因，从而研究它们的功能和演化历史。
二、人类进化对分子生物学发展的影响1. 基因突变的研究：通过对人类进化历史的研究，可以获得大量基因突变的信息，这些信息有助于分子生物学研究人类遗传疾病的发生机制。
通过深入研究人类基因突变的途径和影响，可以为疾病的诊断、治疗提供新的思路和方法。
2. 进化基因组学的发展：人类进化研究的成果推动了进化基因组学的发展，并为该领域的研究提供了大量的样本和数据。
进化基因组学研究的结果不仅可以深入了解人类的进化历史，还可以为人们更好地理解基因组的功能和演化提供依据。
3. 分子人类学的兴起：人类进化研究不仅可以揭示人类的起源和演化，还可以为分子人类学的发展提供支持。
分子人类学通过研究人类遗传变异和种群遗传结构，可以揭示人类群体的迁徙历史和遗传特征，进一步增进我们对人类多样性的认识。
总结起来，分子生物学与人类进化研究相互关联、相互促进。
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1）易错PCR法 2）随机引物延伸法
❖ DNA重组装（DNA Shuffling)方法
1）外显子、单基因和基因家族的重组装 2）随机多重组PCR法(RM-PCR)
❖ 随机片段活体突变法
线状基因和随机片段共转化酵母细胞
易错PCR方法
Random-priming recombination(RPR)
1970年M. Mandel和A. Higa发现经过氯化钙 处理的大肠杆菌容易吸收噬菌体DNA。1972年 S. Cohen发现这种处理过的细菌同样能吸收质 粒DNA。
琼脂糖凝胶电泳
1960s发明了琼脂糖凝胶电泳，可将不同 长度的DNA分离开。
DNA测序技术
•1975年F. Sanger、A. Maxam和W. Gilbert发明 了DNA快速测序技术。
Paul Berg的开创性实验
•1972年斯坦福大学的Paul Berg小组完成了首次体外重组 实验：将SV40的DNA片断与 噬菌体的DNA片断连接起来。
1980年Nobel化学奖
Boyer-Cohen实验
1973年斯坦福大学的S. Cohen小组将携带卡那霉素抗 性基因的大肠杆菌质粒与携带 四环素抗性基因的另一种大肠 杆菌质粒pSC101连接成重组 质粒，具有双重抗药性。
How DNA shuffling works - 2
Single gene shuffling
. .. . ....... library of point mutants
Similar mutants generated by error-prone PCR, random and site-directed mutagenesis
③ 能源、资源问题: 生物电池、光合菌、乙醇生 产、石油采集菌、生物冶炼。
④ 环境污染: 石油、污水, 有害金属污染, 特嗜 菌的构建。
⑤ 医疗保健: 抗衰老、防治心血管病、疟疾、传 染病、遗传病(见下)。
⑥ 战争等灾害：生物战剂、生物恐怖。
获取新基因的方法
❖ 常规的基因工程方法
已知的生物、基因和功能
通过人工合成或生物表达手段人为制造大量突变，按 照研究需要和目的进行筛选，实现试管中分子水平上的 模拟进化。
分子进化工程包含了三个连续往复的化学过程，即扩 增、突变和选择。三个过程紧密相连，使那些被选择的 分子不断扩增，并不断引进变异，进而进行新的选择。
分子进化工程的种类
分子进化工程的应用
生物制药、疫苗研制、基因治疗、农业、石 油化工、生物治疗、兽药研究、营养、生 物武器的研究等
❖ 新基因的理性设计和人工合成
根据已有基因的序列和功能进行设计
❖ 基因的直接进化（directed
evolution) 可使已有基因获得新的特性 可获得自然界中不存在的基因 可解决许多新的理论和应用问题
基因直接进化的步骤
❖突变
基因突变库的建立
❖筛选
基因突变库的活体或离体筛选
❖基因复制与遗传
建立基因突变库的方法
随
机
物
引
物
重
组
法
交错延伸PCR突变法
DNA Shuffling技术
DNA Shuffling
DNA改组 DNA洗牌 DNA搅乱重排
1994年，Stemmer等，用DNA Shuffling技术体 外快速进化蛋白——有性PCR法
1997年 ，France Aronld研究组将DNA Shuffling技术做了改进——交错延伸法
核心:
蛋白质空间结构, DNA重组, 人工定向改 造蛋白质功能域构象, 使得功能改变。 这被称为是生物技术发展的第二浪, 如通过 增加或减少人工二硫键、置换氨基酸等修饰 技术, 提高或改变活性多肽 (激素、酶、细胞 因子)
分子进化工程
分子进化工程（molecular evolution engineering）是继蛋 白质工程之后的第三代工程，是达尔文的进化论在现代 科学研究领域中核酸、小分子多肽或蛋白质以及其它有 机物分子水平上的应用。
DNA Shuffling的内涵
What is DNA shuffling?
Darwinian Evolution Natural selection of existing mutations
❖ crossovers, ❖ deletions, ❖ insertions, ❖ inversions, ❖ point mutations
•SV40 限制图谱和转录图谱的绘制
H.O.Smith
D.Natha(2n)s. （DN19A7连1接年酶）（用lHigiansdeI）I绘制SV40的限制酶谱。
1967年发现了DNA连接酶。
载体（vector）
1972年前后使用小分子量的细菌质粒和噬 菌体作载体。在细菌细胞里的大量扩增。
感受态体系
总 体 技 术 路 线
表
蛋白质工程
(Protein engineering)
实验应用：点突变体，组成型激活的突 变体，截短体等
定义:
在X衍射和晶辅助技术, 在DNA分 子水平上操作更换或改变其序列,
达到改变蛋白质分子氨基酸序列, 实现人为 改变蛋白质分子形状及功能, 使之具有新遗传
❖ 进化结果：
基因多样性：为完成同一功能所表现出的----多个基因或同一个基因（同源性）
代谢途径的多样性：同样产物，多条途径 （如木糖 木酮糖）
代谢产物的多样性：同一底物，不同产物 生物多样性
人类对自然界的要求 认识——利用——再造——改造 ——创造
基因工程 分子克隆，转基因，基因敲除 自然界存在的基因产物
遗传密码
基因
转录
翻译
蛋白质三维结构
线性多肽链 （无功能活性）
生命活动的分子基础
❖ （4）中心法则和遗传密码
1957年Crick又提出了遗传信息传递的“中心法则”
DNA
RNA
Protein
1964年Marshall Nirenberg和Gobind Khorana等终于破译了64个遗传密码
• (1). 限制性内切酶（restriction enzymes）
（1866～1945）
❖ （2） DNA是遗传物质 a、肺炎双球菌转化实验
b、噬菌体转染实验
1944年 Avery，确定了基因的分 1952年Alfred Hershy和Marsha 子载体是DNA，而不是蛋白质。 Chase进一步证明遗传物质是DNA。
1953年Watson 和Crick的DNA双螺旋学说破 天荒地用分子结构的特征解释生命现象的最基本 问题之一——基因复制的机理
（1822-1884）
35年之后，即1900年才被荷兰的H．De Vries 、 德国的C．Correns 和奥地利 E．Tschermak等植 物学家重新发现。
❖ 1909,丹麦 W.Johannsen(约翰逊)根 据希腊文 “给予生命”之义创造了基
1857～1927因（gene）一词 1910, 美国T．H．Morgan(摩尔 根)创立了遗传的染色体理论
多重组和随机多重组PCR原理图
RM-PCR法构建 随机重组装库(A)和剪接库(B)
How DNA shuffling works - 1
How DNA shuffling is done in the tube
❖ Random fragmentation of a pool of related genes; ❖ Self-priming polymerase reaction and template switching (causing crossovers); ❖ PCR amplification with primers of reassembled products
基因工程的主要内容或步骤: 1. 从生物有机体基因组中，分离 出带有目的基因的DNA片段。 2. 将带有目的基因的外源DNA片 段连接到能够自我复制的并具有 选择记号的载体分子上，形成重 组DNA分子。 3. 将重组DNA分子转移到适当的 受体细胞（亦称寄主细胞）并与 之一起增殖。 4. 从大量的细胞繁殖群体中，筛 选出获得了重组DNA分子的受体 细胞，并筛选出已经得到扩增的 目的基因。 5. 将目的基因克隆到表达载体上， 导入寄主细胞，使之在新的遗传 背景下实现功能表达，产生出人 类所需要的物质。
项目 进化速度 进化对象 进化 影响对象 突变效率 周期
常规定 向进化
缓慢进化 整个基因组
多年 完整基因组
高
DNA 快速进化 Shuffling
特定基因/ 操纵子/病毒
几天
部分基因组
低
DNA重组装原理图 (DNA shuffling)
1. DNaseI产生随机片段；2. 随机片段变性；3. 随机片段复性； 4. 延伸 反复重复2-4步后，可获得全长DNA片段
Directed Evolution Targeted selection of created mutations
What happens after DNA shuffling
➢ Generation of a large library of novel genes (chimeras) ➢ Selection for improved/desired bio-functions
❖ 广义上讲，基因工程是指重组DNA技术的产业化设 计与应用，包括上游技术和下游技术两大组成部 分。上游技术指的是基因重组、克隆和表达的设 计与构建（即重组DNA技术）；而下游技术则涉及 到基因工程菌或细胞的大规模培养以及基因产物 的分离纯化过程。
（1）遗传因子
Gregor Mendel于1865年在“布隆自然历史学会”上宣读 了他的《植物杂交实验》论文，并于1866年发表于该会 的会议录上。