结合DNA特性的机械设计
实验一DNA提取
实验一D N A提取公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]实验一 DNA的小量制备小量法提取植物基因组DNA（CTAB法）1 实验目的：随着基因工程等分子生物学技术的迅速发展及广泛应用，人们经常需要提取高分子量的植物DNA，用于构建基因文库、基因组 southern 分析、酶切及克隆等，这是研究基因结构和功能的重要步骤。
本实验目的是学习从植物材料中提取和测定DNA 的原理并掌握CTAB 提取DNA 的方法，进一步了解DNA 的性质。
2 实验原理细胞中的DNA 绝大多数以DNA-蛋白复合物（DNP）的形式存在于细胞核内。
提取DNA 时，一般先破碎细胞释放出DNP，再用含少量异戊醇的氯仿除去蛋白质，最后用乙醇把DNA 从抽提液中沉淀出来。
DNP 与核糖核蛋白（RNP）在不同浓度的电解质溶液中溶解度差别很大，利用这一特性可将二者分离。
以NaCl 溶液为例：RNP 在L NaCl中溶解度很大，而DNP 在其中的溶解度仅为纯水中的1％。
当NaCl 浓度逐渐增大时，RNP的溶解度变化不大，而DNP 的溶解则随之不断增加。
当NaCl 浓度大于1mol/L 时，DNP的溶解度最大，为纯水中溶解度的2 倍，因此通常可用L NaCl 提取DNA。
为了得到纯的DNA 制品，可用适量的RNase 处理提取液，以降解DNA 中搀杂的RNA。
关于植物总DNA 的提取主要有两种方法：1． CTAB 法：CTAB（十六烷基三甲基溴化铵，hexadecyltrimethylammonium bromide, 简称CTAB）：是一种阳离子去污剂，可溶解细胞膜，它能与核酸形成复合物，在高盐溶液中（LNaCl）是可溶的，当降低溶液盐的浓度到一定程度（ mol/L NaCl）时从溶液中沉淀，通过离心就可将CTAB 与核酸的复合物同蛋白、多糖类物质分开，然后将CTAB 与核酸的复合物沉淀溶解于高盐溶液中，再加入乙醇使核酸沉淀，CTAB 能溶解于乙醇中。
纳米机器人结构体系与工作原理
结构体系与工作原理
2009年度“十大科学新闻”评选候选新闻：
12.科学家研制出纳米齿轮
6月22日，新加坡科学技术研 究局材料研究与工程研究所的科学家， 研制出世界首个附在原子轴上的分子级 齿轮，其大小仅为1.2纳米，旋转也能 收到精确控制。制造出原子大小的齿轮 并不困难，但实现对微型齿轮运动的精 确控制却并非易事。这些科学家通过对 位于原子轴上的纳米齿轮及扫描隧道显 微镜尖端间的电子连接进行操控，实现 了对齿轮旋转的良好控制，从而解决了 无序运动这一科学难题。
ATP酶
结构体系与工作原理
有没有可能实现仿照人类尺度机械的纳米机械？
所谓的微机电系统发展非常迅速。但这些机械的 功能还相当简单，它们是微小机械，不是纳米级的机械。 第一个真正的纳米尺度的机电系统仅仅在过去几年中才出 现，并且只是实验性质的。
一个至关重要的问题是摩擦和粘性，微型器件表 面积比率更大。表面效应变得比宏观器件更加显著。如果 值得做，这样的问题最终会被解决，但是现在它带给人们 的是困难的技术挑战。毫无疑问，我们将会发展出更复杂 的纳米机械以及类似人类尺度机械的纳米机械模型，但是 在我们制造出任何实际用途的纳米器件之前，还有很长的 一段路要走。也没有任何理由认为纳米机械一定要和人类 尺度机械相似。
目前依照纳米机器人的结构构成以及研究进展，纳米机器人主要可 分为三代：
第一代是生物系统和机械系统的有机结合体，例如用碳纳米管做结 构件，分子马达作为动力组件，DNA关节作为连接件等；
第二代是直接利用原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分 子装置，例如直接用原子、DNA片段或者蛋白质分子装配成生物纳米机器 人；
纳米齿轮
Thank you!!!
结构体系与工作原理 纳 米 机 器 人 概 念 图
biocomputer
The first case of Biocompers
被引用2749次
To solve the Hamiltonian path problem
汉弥尔顿路径问题（Hamiltonian path problem）属于数 学中的图论。此问题是用来决定一个图上的汉弥尔顿 路径。为NP完全问题。为旅行推销员问题的特殊案例。 问题的具体描述是指，给定一个城市的集合和它们之 间的道路，找到一个旅行指南集合，在一个给定的城 市开始，到一个给定的城市结束，而且途径且仅途径 一次其他的城市。
一个有限状态的决策机
生物计算机中的逻辑运算
The internal structure of an RNAibased biocomputer
生物计算机中的逻辑运算
The computer logic relations between biological inputs
Some cases of Biocomputers
DNA 计算机历史 (2)
2001年11月，以色列科学家成功研制成世界第一台DNA计算机，它的输出、输入和软 硬件全由在活性有机体中储存和处理编码信息的DNA分子组成。该计算机不过一滴水 大小，比较原始，也没有任何相关应用产生，但这是未来DNA计算机的雏形。次年， 研究人员又作了改进，吉尼斯世界记录称之为“最小的生物计算设备”。 2002年2月，DNA计算机的研究则更进一步，日本奥林巴斯（Olympus） 公司宣布，该 公司与东京大学联合开发出了全球第一台能够真正投入商业应用的DNA计算机。他们 开发的这种DNA计算机有分子计算组件和电子计算机部件两部分组成。前者用来计算 分子的DNA组合，以实现生化反应，搜索并筛选出正确的DNA结果，后者则可以对这些 结果进行分析。 DNA计算机已经成为当前世界许多国家科研人员研究的热点之一，而且取得了突破性 进展，但主要还处在理论研究和应用探索阶段。
纳米机器人(1)
纳米机器人(1)
德国Darmstadt科技大学 的Cavalcanti运用进化竞 争代理(agent)和遗传算 法(GA)，结合先进图形 仿真技术进行纳米机器 人的装配自动化研究。
纳米机器人(1)
3.1.2 机载导航系统：内部传感器。 一个带有化学传感器的纳米机器人可以探测并根 据特定的化学物质进行追踪，找到目的地。光谱 传感器，能够从周围采样，探知周围物体发出的 光谱，发现所要寻找的部位。
纳米机器人(1)
3.1 导航机制
3.1.2 机载导航系统：内部传感器
举例：纳米生物传感器
•3.1 导航
•3.2 动力
3.3 •
移动方式
纳米机器人(1)
• 3.1 导航机制
导航可以分为外部导航和机载导航。
3.1.1 外部导航系统：发送探测信号来定位。 可以使用很多不同的方法指示纳米机器人到达正确 的位置。其中一种是让纳米机器人发出超声波脉冲 信号，使用者通过使用带有超声波传感器的特殊设 备来检测信号，从而跟踪纳米机器人的位置，指引 它去往目的地。其他检测方法也包括放射性染料、 X射线、无线电波或热量等。
3.2.4 鞭毛马达
鞭毛马达位于细胞的包膜上，由10种以上的蛋白质群体组成，由相应的 定子、转子、轴承、万向接头等组成。 鞭毛马达是通过膜内外的粒子电 化梯度来驱动的，该力称为质子推动力PMF（Proton Motive Force）
纳米机器人(1)
3.3 移动方式
DNA的粗提取与鉴定
答：蒸馏水对于鸡血细胞来说是一种低渗液体， 水分可以大量进入血细胞内，使血细胞胀裂， 再加上搅拌的机械作用，就加速了鸡血细胞的 破裂(细胞膜和核膜的破裂. )，从而释放出DNA
2、植物细胞
①植物细胞需要先用一定的洗涤剂和食盐溶解 细胞膜 讨论：加入洗涤剂和食盐的作用分别是什么？
则溶于酒精，将DNA与蛋白质进一步分离。
（2） DNA对酶、高温和洗涤剂的耐受性
① 蛋白酶——水解蛋白质，对DNA没有影响 ② 高 温——大多数蛋白质不能忍受60～80℃ 而DNA在80℃以上才会变性 ③ 洗涤剂——瓦解细胞膜，但对DNA没有影响
瓦解细胞膜（破坏膜中的蛋白质分子）
（二）DNA的鉴定
②使DNA从溶液中析出： DNA不溶于酒精溶液， 但是细胞中的某些蛋白质可以溶于酒精溶液。利 用这一原理，可以进一步提取出含杂质较少的 DNA。
③ 鉴定：DNA遇二苯胺（沸水浴）会染成蓝色， 因此，二苯胺可以作为鉴定DNA的试剂。
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二、实验设计
（一）实验材料的选取 从下列材料中选取2～3种
菜花、香蕉、猕猴桃、洋葱、豌豆、菠菜； 鱼卵、猪肝、鸡血、哺乳动物的红细胞； 在液体培养基中培养的大肠杆菌
.
.
讨论： 为什么要加50mL的冷酒精？ 答：抑制核酸水解酶的活性，防止DNA降解 降低DNA分子的运动，使DNA易形成沉淀析出 低温有利于增加DNA分子的柔韧性，减少其断 裂
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2. DNA的鉴定
⑴ 向两支试管中分别加入 2mol/L NaCl 溶液5ml ⑵ 其中一支试管中加入DNA丝状物 ⑶ 各加入二苯胺试剂4ml ⑷ 混匀后，置于沸水浴中加热5min ⑸ 待冷却后，比较两只试管中溶液的颜色变化
国内外核酸自动提取仪常见品牌分类及特点
中国医疗核酸检测行业自动化进程及国内外核酸自动提取仪常见品牌浅析国内在核酸检测方面的自动化进程尚且远远落后于美国日本等国，很多医院仍然在进行手动提取检测的模式。
因为大多数核酸检测的目的基因是HBV、HCV、HIV等传染性病毒，这种检测方法大大增加了一线操作人员的感染风险，且工作效率低下，无法完成大量样本的快速检测。
目前国内医疗资源紧张，很多病人都反映在医院看病难，速度慢，等待时间长，价格贵等等。
这和我国医疗机构的自动化进程普遍较低也有关系。
试想，一个熟练的核酸提取及检测人员每次仅能进行20~30个样本的提取检测，每次提取需要1~2个小时，面对数以千记的需要检测的病人，想要完成检验，要么需要很长的时间，要想缩短时间，就要大量增加人手，显然就会增加医疗成本。
要解决这些问题，推动国内医疗检测行业的自动化进程是非常有必要的。
要推进核酸检测类别的自动化进程，就需要引入自动化仪器，目前国内外很多仪器厂商都致力于生产开发改进核酸自动提取仪。
国外主流品牌有以下几个：贝克曼库尔特SPRI-TE作为小型化的自动提取，提供高质量，高效率，可重复的磁珠核酸提取，专门为小实验室设计。
Vidiera NsP则更倾向于血站，CDC，大型医院实验室等大客户。
贝克曼库尔特是提供和QIAGEN签约的extraction reagents，而且提取的核酸可以同LightCycler,* Cobas* Taqman* or 96-well Thermowell Plate等联用去做定量检测的结果。
产品性能：SPRI-TE自动化处理1-10个样品即开即用的试剂UV去除污染Vidiera NsP全自动样品提取96 样本提取需要2.5小时阳性样本追踪预制样本提取和用户定义样本提取雅培雅培m2000系统是由雅培加拿大公司研发成功的，旨在用于医学诊断实验室样品的自动提取，可以和m2000 rt联用。
目前可以应用的检测有RT HIV-1, RT HBV, RT HCV 和RT CT/NG。
生物反应器的设计
生物反应器的设计
● 位置： 上伸轴，下伸轴
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2. 挡板 ● 主要功能：
使沿壁旋转流动的液体折向轴心， 消除搅拌时形成的旋涡。 ● 尺寸： 挡板的宽度通常为罐内径的1/8-1/12。 ● 位置： 在器壁设有几块垂直挡板。一般安装4-6块。
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3. 换热装置 ● 主要功能：
将发酵过程中生物氧化产生的热量和机械搅拌产生 的热量及时移去，以保证发酵的正常进行。
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结构原理： 塔身为圆柱形，空气在反应器内经数次分裂与聚集，
一方面延长了空气与培养液的接触时间，另一方面不断 形成新的气液界面，减小了液膜阻力，提高了溶氧效果。 类型：
最有代表性的是鼓泡式发酵罐和气升式反应器。
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(三) 鼓泡式发酵罐 又称空气搅拌高位反应器，通常有多层筛板。
原理：无须机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升 时的动力带动液体运动，达到混合效果。
8. 按催化剂类型： 微生物反应器（发酵罐），酶反应器
9. 按培养对象： 微生物细胞反应器，植物细胞反应器，动物细胞反应器
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间歇操作
特征： 反应物料一次加入一次卸出； 反应器物系的组成仅随时间而变化，即底物浓度和产 物浓度及细胞浓度只随反应时间而变化。 因此它是一个非稳态过程。
适合于：多品种，小批量，反应速率较慢的反应过程。
人教版教学教案生物选修3基因工程DNA重组技术
质粒
2基因工程的
本操作程序
为什么要获得目的基因 为什么要把目的基因 与载体结合 受体细胞是指什么
为什么要进行检测
步骤知序列：人工合成
利用PCR技术扩增 聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction)
原核细胞的基因结构
编码区
能够转录为相应的信使RNA，进而指导蛋白质的合 成，也就是说能够编码蛋白质的区段 位置 编码区上游紧靠着转录起点 启动子
不能编码蛋 非编 白质的区域， 码区 调控遗传信 息的表达 终止子
功能 引导RNA聚合酶与基因的 正确部位结合 位置 编码区下游紧靠着转录的 终点的位置 功能 阻碍RNA聚合酶的移动， 并使其从DNA模板链上脱 离下来
AGGTCACGTCG TCCAGTGCAGC RNA聚合酶
一 原核细胞的基因结构
与RNA聚合酶 结合位点
AGGTCACGTCG TCCAGTGCAGC AGGU CACGU CG
RNA聚合酶
一 原核细胞的基因结构
与RNA聚合酶 结合位点
AGGTCACGTCG TCCAGTGCAGC AGGUCACG UC G
一、原核生物的基因结构
非编码区
编码区 非编码区
RNA聚合酶 结合位点
原核细胞基因结构示意图
一 原核细胞的基因结构
非编码区
编码区
非编码区
与RNA聚合酶 结合位点
RNA聚合酶是一种蛋白 质，能识别并与调控序 列中的结合位点结合， 能催化DNA转录为RNA
一 原核细胞的基因结构
与RNA聚合酶 结合位点
组成原核基因的核苷酸序列可以分为不同的区段， 有的能转录为相应的信使RNA，进而指导蛋白质的合成， 这样的区段叫编码区，有的区段不能转录为相应的信使 RNA，也就是不能编码导蛋白质，这样的区段叫非编码 区。非编码区是由编码区上游和编码区下游组成的，在 非编码区上有调控遗传信息表达的核苷酸序列，其中最 重要的是位于编码区上游的RNA聚合酶结合位点。 RNA聚合酶是由多个肽链构成的蛋白质，它的作用 是催化DNA转录为RNA，RNA聚合酶能够识别调控序列中 的结合位点，并与之结合。转录开始后，RNA聚合酶沿 DNA分子移动，并以DNA分子一条链作为摸板合成RNA， 转录完毕后，RNA链释放出来，RNA聚合酶从DNA模板链 上脱落下来。
结构与功能的相互关系
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机械设计中的结构与功能关系
结构与功能的关系：结构决定功能，功能影响结构
机械设计中的结构与功能关系：通过优化结构来实现功能的最大化
机械设计中的结构与功能关系的应用：如汽车发动机、飞机翅膀等
机械设计中的结构与功能关系的重要性：对于提高机械性能、延长使用寿命等方面具有重要意义
机械结构：如齿轮、链条等，需要根据其传动功能和耐磨需求进行设计
电子结构：如电路板、芯片等，需要根据其信号处理功能和集成度需求进行设计
结构与功能的相互关系在生物体中的体现
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生物体的结构与功能关系
生物体结构与功能的适应性
生物体的结构与其功能相适应，以适应环境变化
生物体的结构变化会影响其功能，如基因突变、细胞分化等
功能变化对结构的影响
功能变化可能对结构的材料和制造工艺提出新的要求
功能变化可能导致结构需要调整
功能变化可能影响结构的稳定性和可靠性
功能变化可能影响结构的维护和维修方式
实例分析
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生物结构：如骨骼、肌肉等，需要根据其生理功能和运动需求进行设计
建筑结构：如桥梁、房屋等，需要根据其承载能力和使用需求进行设计
建筑设计中的结构与功能关系的影响：良好的结构与功能关系可以提高建筑的使用寿命和舒适度，同时也可以降低建筑的维护成本和能耗。
建筑结构与功能的相互影响
建筑结构对功能的影响：不同的建筑结构会影响建筑的使用功能和空间布局。
建筑功能对结构的影响：不同的建筑功能需求会导致不同的建筑结构设计。
建筑结构与功能的协调：在建筑设计中，需要协调建筑结构与功能的关系，以实现最佳的建筑效果。
DNA粗提取与鉴定实验讲解
A
D
二、DNA粗提取实验流程
1.实验材料的选取 选用 含量相对较高的生物组织。 DNA 2.破碎细胞，获取含DNA的滤液 (1)动物细胞的破碎——以鸡血为例 蒸馏水 ，同时用玻璃棒 在鸡血细胞液中加入一定量的 搅拌，过滤后收集 即可。 滤液 (2)植物细胞的破碎——以洋葱为例 先将洋葱切碎，然后加入一定量 _______________ 洗涤剂和食盐 ；进行充 研磨 __，过滤后收集研磨液。 分 搅拌 和
思考：用猪的血液与鸡的血液提取DNA哪个效果更好？ 用鸡的血液；因为鸡血细胞核DNA含量丰富，材料易得，而猪 的红细胞无细胞核DNA含量少。
思考：
1.为什么加入蒸馏水能使鸡血细胞破裂？ 蒸馏水对于鸡血细胞来说是一种低渗液体，水分可以大量进
入血细胞内，使血细胞胀裂，再加上搅拌的机械作用，就加速
了鸡血细胞的破裂(细胞膜和核膜的破裂)，从而释放出DNA。 2.加入洗涤剂和食盐的作用分别是什么？ 洗涤剂是一些离子去污剂，能溶解细胞膜，有利于DNA的释放； 食盐的主要成分是NaCl，有利于DNA的溶解。 3.在处理植物组织时需要进行研磨，其目的是什么？如果研磨 不充分，会对实验结果产生什么影响？ 破碎细胞壁，使DNA更多地溶解在NaCl溶液中,研磨不充分会使
③两次析出
第一次：用0.14 mol／L 的NaCI溶液含杂质多
第二次：用冷却的95％的酒精 第七步
第三步
④六次搅拌：第一、二、三、五、七步 其中除第八步外，其余均要朝一个方向搅拌，在第三、五步 搅动还要轻缓，玻璃棒不要直插烧杯底部，这样才能保证得 到完整的DNA
讨论：实验结果不明显，可能是什么原因？
思考：
1.过滤时应当选用滤纸还是尼龙布？ 选用尼龙布进行过滤 2.方案二与方案三的原理有什么不同？ 方案二是利用蛋白酶分解杂质蛋白，从而使提取的DNA与蛋 白质分开；方案三利用的是DNA和蛋白质对高温耐受性的不 同，从而使蛋白质变性，与DNA分离。 3.为什么反复地溶解与析出DNA，能够去除杂质？