分子生物学前沿

❖ 从1981年第一只转基因(transgenic)小鼠诞生开 始，1985年第一例转基因家畜诞生，1986年第 一个转基因作物被释放到环境中进行田间实验。 2010年全球转基因植物的产值达3000亿美元。
小结：
❖ 客观事物具有统一性，因而不同学科之间存在 着一定的共性和相似性。科学作为一个有机的整 体，在各学科、各方向存在着相互渗透、相互交 叉和相互支撑的密切关系。
2.3遗传与进化
❖ 基因遗传机理的提出促成了DNA双螺旋结构模型 和“中心法则”的创立，并在此基础上发现遗传 与某些基因的表达相关。
❖ 基因表达是一个在时空上有序的生物学过程，而 且基因表达的时空有序性。基因因调控存在着多 重调控和调控网育与 进化的问题被阐明:卵子的发生和成熟、受精过程 、基因表达的时空次序、细胞分化、个体三维形 态发育、物种间的亲缘关系、分子进化速度和分 子进化方式等。
❖ 促进了思维方法学上的研究：整体，统一等
2 分子生物学的部分前沿问题
❖ 2.1动物克隆与意义
“克隆是指生命体、纯种细胞或生物大分子的无性繁殖、增 殖或复制。
1）促进人类了解生物生长发育的机理，特别是发现影响生 长和衰老的因素;
2）“治疗性克隆”提取胚胎干细胞，为移植手术生产合适 的器官;（干细胞美容的应用）
2.5 生物芯片
❖ 生物芯片(biochip)是根据分子间特异性 相互作用的原理，将生命科学领域中不连 续的分析过程利用微电子、微机械、化学 、物理及计算机技术集成于芯片表面，构 建微流体生物化学分析系统，以实现对细 胞、蛋白质、核酸及其它生物组分的准确 、快速、大信息量的检侧和分析，并实现 过程连续化、集成化、微型化。
❖ 脑科学和神经科学的发展，模型与实验之间的辩 证关系已变得明显起来。
❖ 计算模型在作出关于神经系统如何工作的特定预 测上已变得较成熟。而关于脑的生理学知识又反 过来修正模型，使它们与生物学真实更加一致。
❖ 科学使命是:揭示人脑的奥秘;防治神经系统疾病; 发展神经计算机。
2.11转基因
❖转基因(transgenosis， gene modified)是以物 理、化学或生物方法将外源克隆化遗传物质(DNA) 直接转移给实验受体细胞，并发育成生命个体或 后代的过程。
❖最近发展了几种计算机识别蛋白质功能的 新方法，这些方法的依据是相同特征的蛋 白质之间具有功能上的关联或直接作用， 如系统发生模式、mRNA表达模式及结构域 融合模式等。
2.8天然药物
❖ 天然药物是从植物、动物和微生物等天然资源中 开发出来的药物。
❖ 在中国，天然药物又称为中草药，药用植物及中 药材种类繁多，与中医一起构成了中华民族文化 的瑰宝、国粹。
2011年国培计划
分子生物学前沿动态
主讲人：严明理 湖南科技大学生命科学院
QQ:305581899
1 引言
•分子生物学(molecular Biology)是一门带动整个生命科 学的学科，是生物化学、遗传学、徽生物学、细胞学、生 物物理学等学科相结合的基础上发展起来的学科。 •分子生物学是生命科学的前沿和最活跃的学科。近年来 由于分子生物学的技术和方法不断为生命科学其他领域广 泛运用，使本学科越来越侧重于蛋白质等生物大分子及其 复合物的三维结构与功能研究方面。
❖ 生物芯片可广泛应用于基因差异表达分析、DNA侧 序、基因突变及多态性扫描、基因组DNA突变及染 色体变异检侧、肿瘤与传染病的诊断、环保监测、 药物筛选、食品监督、商品检验、司法鉴定及军事 等方面。
2.6生物材料
❖ 生物材料，也称仿生材料。 ❖ 是一门介于生物和材料之间的学科。 ❖ 生物材料的研究主要包括2个方面: (1)生物医用材料，它主要用于诊断、治疗、修复人体
❖ 天然药物按照来源可分为动植物药物、生物技术 药物及化学合成的天然药物。其中，生物工程药 物是采用基因重组、生物转化、细胞或组织培养 等技术研制的药物，又有基因工程药物、细胞工 程药物、酶工程药物及微生物药物之分。 本学科 为开发生物工程药物提供了一个崭新的技术。
2.9干细胞
❖ 干细胞(stem cell， SC)是一种具有多种分化潜能( 多能性或全能性)、能自我更新和高度增殖能力的 早期未分化细胞。它不仅能产生出与自己完全相 同的子细胞，同时还能分化成为祖细胞，也能在 人体内分化成任何细胞类型。
” ❖1953年， Watson和Crick提出DNA双螺旋模型; ❖ 1958年，Crick提出中心法则; ❖1969，年全部 (三联密码子)遗传密码被破译….
❖ 随着分子生物学的发展，促使生物化学、遗传学 以及整个生物学科发生了深刻的革命。
❖ 人类进入21世纪10多年了，分子生物学也进入了 “基因组后时代”。
❖生物芯片分基因芯片(gene chip) 、蛋白质芯片 (protein chip)和芯片实验室(lab-on-a-chip)等；
❖ 最先实现商品化的产品是基因芯片。基因芯片(gene chip )，又称DNA阵列(DNAarray )，信息时代的主角 计算机芯片有着非常相似的地方--高度的集成化；
❖ 科学方法的跨学科运用，将各自然科学、社会科学和技术 科学逐步联系起来，使得每一门学科都和整个科学的大系 统密切相连，任何一个结构层次上的重大科学突破，都可 能迅速通过研究方法的跨学科运用等多种方式扩散开来， 直到物化为改造世界的技术与产品，深刻地影响着整个科 学世界和现实世界的图景。
器官或组织更换; (2)仿生材料，天然生物材料的形成及其性能是由具有
定向生长能力的纳米微粒构成。生物材料分为生物 聚合物材料、生物陶瓷材料、生物金属材料。
生物材料的表面改造技术
❖ 植入材料与生物的相互作用仅在表面的几个原子层处， 故表面改性技术应运而生。
❖ 表面改性技术是通过对金属材料的表面改性，从而达到 改善材料性能的目的。
❖ 分子生物学的发展前沿，如哺乳动物克隆、基因 组计划、遗传与进化、生物计算机、生物芯片、 生物材料、蛋白质组、天然药物、干细胞、脑科 学以及转基因等，无一不是多学科的交叉与融合 、基础研究与应用的统一。人们由单一分析转向 综合分析，去研究生物的多样性与生命本质的一 致性，各个层次、各个领域的研究都和分子水平 上生物大分子的研究相关连。
2.10 脑科学
❖ 脑是地球生命进化的尺度。 ❖ 脑或者它的任意一部分是一片有序的物质结构，具有与有
序物质结构相关联的所有性质:温度、压力、化学电位、 电场等; ❖ 脑表现出新的性质，并且这些性质是不能在较低的组织水 平上(如分子、细胞、突触等组织水平)观察到的。 ❖ 感知与识别、学习与记忆、运动与控制、语言与思维、情 感与意识、智能与创造等是大脑的高级功能相关联的集体 体现。
❖ 干细胞分为类全能干细胞(胚胎干细胞，ES)、多 能干细胞(成体干细胞)、造血干细胞(HSC)、神经 干细胞、角膜缘干细胞等。干细胞的研究医学和 生物学领域中最引人注目的热点之一，有可能是 近几年诺贝尔奖的候选成果。
干细胞的意义
❖ 揭示许多有关细胞生长和发育的基础理论难题； ❖ 可望将其用于创伤修复、神经再生和抗衰老等临
2.7蛋白质组
❖蛋白质是体现生命体生理功能最重要的物 质。蛋白质作为一种“表型”必定有其决 定它们的物质基础(基因)。
❖蛋白质组(proteome)是指一个基因组 (genome )、一种生物或一种细胞/组织所 表达的全套蛋白质，也就是所能编码产生 的所有类型的蛋白质。
❖蛋白质组学(proteomics)是分析一个基因组 或一个细胞或组织类型所有蛋白的表达。
❖ 1990年实施“人类基因组计划”( human genomic project)是人类 认识自我一揭开人类的奥秘、追求健康、战胜疾病的伟大科学 工程。
❖ 已完成的“基因组计划” ：家猪基因组水稻、鸡，猪，马铃薯 ，白菜等。
❖ 以研究基因组结构为主要内容的“基因组学”( genomics)和以 研究基因组功能为主要内容的“后基因组学”( post-genomics) 成为研究热点。
❖与数学家、逻辑学家、非线性物理学家和计算 机科学家合作，在对浩如烟海的资料进行分析 和综合的基础上，将可能破译记载在基因组 DNA上的“遗传语言”，从而阐明控制发育 的遗传程序在染色体上的构建和操作规则，以 及在进化过程中发生的变化，最终将在分子水 平上实现遗传、发育和进化的理论大综合。
2.4 生物计算机
❖ 表面改性技术主要分为三大类:物理化学、形态学、生 物化学方法。生化方法是将具有生物活性的物质，如大 分子蛋白质或酶等有机高分子直接附着在金属基体，使 其具有更优良的生物活性。生物材料发展至今，已经解 决了诸多生物医学问题，如毒副作用、刺激性、组织粘 结、凝血、溶血等，并且在人造血浆、人工脏器等。
❖ 现代科学的细致分工，使一个学科的研究方法得 以发展得十分细致，其他学科直接或间接地加以 借鉴运用，实际上是一种思维方法的拷贝。
❖ “他山之石，可以攻玉”，借鉴和运用其他学科的科学方 法及研究新进展，可以在本学科体系内部从头发展类似的 方法，从而事半功倍。科学发展史表明，各学科之间的相 互作用可以获得巨大的成果。
3）生产转基因动物，大批量制造某些药物的生物原料; 4）为科学研究提供更适合的实验动物; 5)培育优良家畜鱼禽品种; 6)复制濒危的动物物种，保存和传播动物物种资源。
2.2基因组计划
❖ 基因组含有生物生、老、病、死的全部遗传信息，这些遗传信 息通过转录和翻译等分子生物学过程，以密码形式先mRNA， 而后再变成蛋白质。
床医学研究，（干细胞美容）。 ❖ 再造组织和器官，治疗神经系统疾病，使应用生
物学进人一个崭新的领域。 从1970小鼠胚囊中分离出小鼠胚胎干细胞，到目前 通过核移植技术获得第一例人胚胎干细胞，人们 已经充分认识到:现在将是生命再生医学年代，而 干细胞研究将在此领域内起到重大推动作用（器 官移植源的获得）。
❖“分子生物学”一词最早于1945年在 Harvey Lecture上出现。