初步发展（1676-1861年）
Edward Jenner 首创接种牛痘
预防天花，是免疫学发展的 代表，但当时解释不了其机制。 列文虎克发明显微镜
奠定阶段（1861-1897年）
彻底否定了“自然发生学说”；
证实细菌能利用糖和铵合成蛋白质；
杰 出 贡 献 证实了发酵是由细菌引起的； 在免疫学上提出预防接种;
（生物化学奠基人）
1897年
Fleming 1928年
Avery 1944年 肺炎球菌转化实 验，确定DNA是 遗传物质
无细胞酵母菌 “酒化酶”推翻 巴斯德胚种学说
生物工程发 展的里程碑： 进入生化水 平研究阶段
发现青霉素对 细菌的抑制作 用,青霉素发 现推动微生物 工业化培养技 术猛进
标志着分子生 物学的形成
生物工程的五大体系
快速无性繁殖 Rapid asexual reproduction
单个 细胞 营养培养基 克隆植株
生物工程的五大体系
植物组织与细胞培养
• 次生代谢产物生成 Secondary metabolites
从培养的植物细胞中提取所需的代谢产物。
优点
比栽培原料作物更易控制最佳生产条件 培养物为无菌、无虫材料，能保证产品质量 工艺操作较为简单，可减少劳动费用，提高生产力
绪论
生物工程的发展简史
生物工程的内容
朦胧阶段（9000年前-1676年）
有考古证据证明在公元7000年前， 我们的祖先就开始 酿酒作为饮品。
其他以微生物发酵为基础的生产，如发酵乳制品（包括乳酪、酸奶等）和各种东 方食品如酱油、印尼豆酵饼等同样有着古老的渊源 我国汉代酿酒作坊（上图）
公元前2300年，埃及人 酿造啤酒 （左图）
药科大学，等
生物工程的五大体系
• 细胞工程 -- 应用细胞生物学和分子生物学方法，在细胞水平 进行的遗传操作。广义的细胞工程包括利用离体培养细胞的
特性 ，生产有价值的生物品，或快速繁殖珍贵的植株。
• 当前细胞工程所涉及的主要技术领域有细胞培养、细胞融合、 细胞拆合、染色体操作及基因转移等方面。通过细胞工程可 以生产有用的生物产品或培养有价值的生物个体，并可以产 生新的物种或品系。
生物工程概论
生物工程
生物 科学
工程学
生物工程
生物工程是运用现代生物科学的理论与方法，按照人类的需要改造 和设计生物的结构和功能，以便更经济、更有效、更大规模地生产人类所 需要的物质和产品的技术。
生物工程概论 生物技术与生物工程 Biotechnology and Bioengineering
• 生物技术侧重于利用生物学方法解决生物体本身的问题(更 类似于生命科学研究-基础生物学研究) • 生物工程则侧重于利用工程学方法解决生物学问题（更强 调突出的应用属性-生物学和工程学等理论技术的结合加以 应用）
生物工程的五大体系
从生物质到生物柴油
北京化工大学开发的酶法发酵生产生物柴油已在秦皇岛和上海实 现了生物柴油的万吨级产业化；
生物酶法生产生物柴油产业化装置 清华大学与湖南海纳百川生物 工程有限公司合作，建成了 全球套酶法工业化生产生物柴 油装置，运行结果表示该酶法 新工艺在经济上与目前的化学
工艺相比具有很强的竞争力。
生物工程的五大体系
蛋白质工程 Protein engineering
• 以蛋白质为对象为研究及应用目的的生物工程，必须突破
以下几个难点：
基因结构的改变
基因的高效表达 翻译后的蛋白修饰 新蛋白的提纯及活性保留
• 代表机构：
中科院各相关研究所，南开大学，上海交通大学等
生物工程的五大体系
蛋白质工程的产生原因
生物工程的五大体系
体细胞杂交/细胞融合技术 Cell fusion
• 通过生物学、化学或物理学的方法，使两个不同种类的 体细胞融合在一起，从而产生具有两个亲本遗传性状的
新细胞. A 童鱼——世界上第一条没有父母的鱼
“鲫鲤核质杂交鱼” B Dolly 羊的诞生
生物工程的五大体系
植物组织与细胞培养 Plant tissue & cell culture
生物工程的五大体系
转基因动物
抗蓝耳病（猪繁殖与呼吸综合症PRRS）转基因猪
生物工程的五大体系
抗CD20单克隆抗体是治疗B淋巴细胞瘤的特效药，价格昂贵，一个疗程需要1.6万美元。
世界首批抗CD20单克隆抗体转基因牛 中国农业大学培养的转基因牛产抗CD20单克隆抗体达到2g/L,能够大大降低药物 价格，为此类癌症患者带来福音。
• 代表机构：中科院各相关研究
所、清华大学、北京大学
生物工程的五大体系
酶工程研究的两个热点
• 酶分子的改造与修饰
通过这种改造来改变酶的物化性质及其生物活性，甚至赋
予新的功能，提高其在不良环境中的稳定性，扩大酶的应
用范围。
• 酶抑制剂的开发研究
所谓酶抑制剂是指能引起酶分子活力下降甚至完全丧失的 物质.
• 组织培养/快速无性繁殖 利用植物组织、植物细胞的全能性(totipotent)，进行快速 无性繁殖。 • 优点 可固定杂种优势 免除制种环节
对珍贵植物的引种生产具有特别意义
• 举例 组织培养法再生兰花；人工种子
生物工程的五大体系 组织培养 Tissue culture
叶肉组织
愈伤组织
新植株
• 基因工程在原则上只能生产自然界已存在的
蛋白质。
• 蛋白质工程就是为了生产出符合人类生产和生 活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白 质。
生物工程的五大体系
蛋白质工程的基本原理
DNA合成 基因 氨基酸序列 mRNA 转录 翻译 分子设计 蛋白质 预期功能 生物功能
DNA
多肽链
折叠
三维结构
生物工程的五大体系
生物工程概论
生物工程与人类的生活
食物短缺 能源危机
人类面临 的问题
资源枯竭 环境污染 疾病危险
生物工程的内容
高效益
可带来高额利润
高智力
高投入 高竞争 高风险
具有创造性和突破性
生物工程 的特点
前期研究和开发需要 大量的资金投入
时效性竞争非常激烈
激烈的竞争带来高风险
高势能
对社会各方面影响极大
第一章
江南大学，等
发酵工程
现代啤酒的发酵生产工艺
生物工程的五大体系
纯培养厌氧分批 补料发酵技术
分批补料发酵生产乳酸， 使得乳酸的发酵水平达 200g/L，光学纯度达97.4% 可满足聚乳酸的生产需要；
生物工程的五大体系
生物高分子材料生产
绿色可降解环保型聚 乳酸树脂具有环境友 好型的优势，并能够 胜任大部分合成塑料； 建成一条我国第一， 世界第二的年产5000t 绿色可降解环保型聚 乳酸树脂工业示范线， 收率达到理论收率的 90%，分子量大于10 万。
20世纪70年代
推动生命科学 基因工程 工程菌的构建 的发展促进许 多重大理论问 题的突破
人类基因 组计划
更促进了生物 的发展
工程发展
第一章
绪论
生物工程的发展简史 生物工程的内容
生物工程的内容
生物工程的五大体系
• 基因工程（遗传工程）Genetic engineering • 细胞工程 Cell engineering • 酶工程 Enzyme engineering • 发酵工程（微生物工程）Fermentation engineering • 蛋白质工程 Protein engineering
生物工程的五大体系 生物燃料
目前生物法生产乙烯新增产值5.76亿，新增利润7654万元乙烯的生物炼 制技术的成熟促使一系列大宗化学用品的生物法的发展。
对现有500t/a秸秆乙醇 中式生产线技术改造
生物法生产大宗化学用品具有很强的潜力和很大的利润，更具有经济环保的优良性质。
生物工程的五大体系
生物肥料
生物工程的五大体系
发酵工程 Fermentation engineering
• 定义
是工程学与微生物学的结合；利用微生物的特性，通过 现代化工程技术，生产有用物质或直接将其应用于工业化生 产的一门技术. 包括菌种选育、菌种生产、代谢产物发酵和分离以及微 生物机能的利用等.
• 代表机构：中科院微生物所&过控所，华东理工，华南理工，
绿色化学品：生物表面活性剂 化工中间体：微生物发酵产长链二元酸、多元醇 等 乳链菌肽（NisinZ） ：生物防腐剂 等等
生物工程的五大体系
酶 工 程 Enzyme engineering
• 定义:利用酶的特异催化功能，将一种物质转化为
另一种物质的技术.
酶制剂在工业上的大规模应用，主要由酶的生产、 酶的分离纯化、酶的固定化和生物反应器四个部分组成。
生物工程的五大体系
组织工程皮肤获得产 品注册证书 防钙化生物瓣膜获得 国家生产批号
生物工程的五大体系
基因工程 Genetic engineering
• 定义
将不同生物的外源DNA(基因）插入到载体分子上，形成 “杂种”DNA分子，导入受体细胞中扩增和表达，获得目的
产物或新功能.
• 代表机构：
几乎每个生物工程与技术学科的大学与研究所
成熟期（分子生物学水平研究阶段1953年~至今）
美国生物学家沃森（Watson ）和英国晶体结构分析家克里 克（Crick ）合作，提出DNA结构的双螺旋模型，并在 1962年与英国学者维尔金斯（Wilkins M.H.F.）共获诺 贝尔生理学或医学奖。
Watson和Crick （分子生物学奠基人）
生物工程概论
张彦婷 郑州大学生命科学学院 zhangyt@
课程简介
• 教材：《生物工程概论》，陶兴无主编，化学工业出版社