第三章 环境污染治理基因工程技术ppt课件.ppt

'细胞学说的建立与发展1665年1838年1839年1858年点击图片查看详细内容 1665年1665年,英国科学家胡克用自己设计与制造的的简易显微镜观察栎树软木塞切片时，发现其中有许多小室，他把这些小室称为细胞，实际上胡克当时看到的是细胞壁。这是人类发现细胞的第一步。 1674年荷兰学者用设计较好的显微镜观察了许多动植物的活细胞和原生动物，在观察鱼的红细胞时描述了细胞核的结构。 1838年1838年，德国植物学家施莱登使用分辨率达1µm的显微镜，观察了大量的植物组织后提出：“植物，不论发展到多么高级，都是由充分个体化的、各自独立的、分离的物体组成的聚合物，这些物体就是细胞。” 1839年，德国动物学家施旺通过对鱼、蛙、猪、等多种多细胞的系统观察后提出：“细胞是有机体，整个动物和植物都是细胞的集合体，它们依照一定的规律排列在动植物体内。”1839年 1858年，德国医生和病理学家魏尔肖指出：“细胞只能来自细胞，细胞是一个相对独立的生命活动的基本单位。这被认为是对细胞学说的重要补充。”1858年 1861年，舒尔茨提出了原生质理论，认为有机体的组织单位是一小团原生质，这种物质在一般有机体中是相似的。1883年，VenBeneden发现动物细胞的减数分裂。随着显微镜原理和装置的重大发展，各种细胞器被相继发现。此后，实验细胞学和细胞学的分支等得到了快速发展。 显微镜的发明发现的各种细胞雨水中的微生物列文·虎克自制的显微镜（300×） 普通光学显微镜的构造目镜粗准焦螺旋镜筒细准焦螺旋转换器物镜镜臂聚光器反光镜镜座 电子显微镜的发明电子显微镜下的蚊子最早的电子显微镜高电压下电子流波长很短（100000×）卢斯卡（ErnstRuska）20C30s 常用的电子显微镜透射电子显微镜 常用的电子显微镜扫描电子显微镜大肠杆菌 其他显微镜1）荧光显微镜尼康E800荧光DIC显微镜荧光显微镜照片（微管呈绿色、微丝红色、核蓝色） 其他显微镜2）激光共聚焦扫描显微镜 其他显微镜3）相差显微镜草履虫相差显微图肉毒梭菌相差显微图 其他显微镜4）暗野显微镜梅毒螺旋体暗视野显微图团藻和水绵暗视野显微图原理图 原理可观察到的范围查看生物体的器官组织结构或生物细胞的内部构造透射电子显微镜电子穿透薄切片，然后经电磁“透镜”放大细胞内部的超微结构扫描电子显微镜电子射到样品表面发射出更多的二次电子，放大样品的表面形态荧光显微镜落射式光源通过物镜投射于样品上，经紫外线照射发出荧光细胞中的某些物质（叶绿素、微管等）激光共聚焦扫描显微镜用激光作扫描光源，逐点、逐行、逐面快速扫描成像，扫描的激光与荧光收集共用一个物镜，物镜的焦点即扫描激光的聚焦点1.观察细胞形态2.细胞内生化成分的定量分析、光密度统计以及细胞形态的测量相差显微镜把透过标本的可见光的光程差变成振幅差，从而提高了各种结构间的对比度，使各种结构变得清晰可见未经染色的标本和活细胞暗视野显微镜聚光镜中央的挡光片使照明光线不直接进人物镜，只允许被标本反射和衍射的光线进入物镜成像小至4~200nm的微粒子 第四章环境污染治理基因工程技术4.1细胞学说与分子生物学4.2细胞融合技术与环境污染治理4.3基因工程与环境污染治理4.4基因工程技术的安全性问题 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础1.遗传学说的3大理论发现（1）20世纪40年代发现了生物的主要遗传物质是DNADNA由四种核苷酸ATGC组成，世界上有150万种生物，即有150万种DNA分子。物种的物征或遗传信息就贮存在DNA的线性分子中。证据1.肺炎双球菌的转化实验(R型菌转化为S型菌的转化因子是S菌的DNA.)2.噬菌体侵染细菌的实验(噬菌体的DNA在遗传中起遗传物质作用,DNA是遗传物质.) 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础1.遗传学说的3大理论发现（2）20世纪50年代证明了DNA的双螺旋结构A=TG=C由一条链的顺序可决定另一条链的顺序 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础1.遗传学说的3大理论发现（3）20世纪60年代确定了遗传信息的传递方式DNA调节基因转录翻译阻遏物RNA聚合酶无法结合启动子活化阻遏物启动子操纵子结构基因启动子操纵子RNA聚合酶结合启动子诱导物解遏物RNA聚合酶翻译结构基因β-半乳糖苷酶运转蛋白质转乙酰酶翻译遗传信息以密码方式传递，每3个核苷酸组成1个密码子，代表1个氨基酸。 (1)是:(2)是:(3)是:(4)是:转录DNA复制翻译逆转录中心法则4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础1.遗传学说的3大理论发现（3）20世纪60年代确定了遗传信息的传递方式 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础转录(transcription)是以DNA中的一条单链为模板，游离碱基为原料，在DNA依赖的RNA聚合酶催化下合成RNA链的过程。mRNA,tRNA,rRNAmRNA:携带遗传信息，在蛋白质合成时充当模板的RNAtRNA:是具有携带并转运氨基酸功能的一类小分子核糖核酸。一种tRNA只能携带一种氨基酸，但一种氨基酸可被不止一种tRNA携带rRNA:与蛋白质结合而形成核糖体，是mRNA的支架，使mRNA分子在其上展开，实现蛋白质的合成 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础翻译：以mRNA为模板,以tRNA为运载氨基酸工具,合成有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程.逆转录：以RNA为模板合成DNA的过程，是RNA病毒的复制形式，需逆转录酶的催化。其过程先以RNA为模板，合成RNA/DNA杂化双链，然后水解RNA链，再以剩下的DNA单链为模板合成DNA双链。 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础2.DNA的分子结构富兰克林1920年生于伦敦，15岁就立志要当科学家，但父亲并不支持她这样做。她早年毕业于剑桥大学，专业是物理化学。1945年，当获得博士学位之后，她前往法国学习X射线衍射技术。她深受法国同事的喜爱，有人评价她“从来没有见到法语讲的这么好的外国人”。1951年，她回到英国，在伦敦大学国王学院取得了一个职位。 在那时候，人们已经知道了脱氧核糖核酸（DNA）可能是遗传物质，但是对于DNA的结构，以及它如何在生命活动中发挥作用的机制还不甚了解。就在这时，富兰克林加入了研究DNA结构的行列——在相当不友善的环境下。她负责起实验室的DNA项目时，有好几个月没有人干活。同事威尔金斯不喜欢她进入自己的研究领域，但他在研究上却又离不开她。他把她看作搞技术的副手，她却认为自己与他地位同等，两人的私交恶劣到几乎不讲话。在那时的科学界，对女科学家的歧视处处存在，女性甚至不被准许在大学的高级休息室里用午餐。她们无形中被排除在科学家间的联系网络之外，而这种联系对了解新的研究动态、交换新理念、触发灵感极为重要。 富兰克林在法国学习的X射线衍射技术在研究中派上了用场。X射线是波长非常短的电磁波。医生通常用它来透视，而物理学家用它来分析晶体的结构。当X射线穿过晶体之后，会形成衍射图样——一种特定的明暗交替的图形。不同的晶体产生不同的衍射图样，仔细分析这种图形人们就能知道组成晶体的原子是如何排列的。富兰克林精于此道，她成功的拍摄了DNA晶体的X射线衍射照片。富兰克林拍摄的DNA晶体的X射线衍射照片，这张照片正是发现DNA结构的关键 此时，沃森和克里克也在剑桥大学进行DNA结构的研究，威尔金斯在富兰克林不知情的情况下给他们看了那张照片。根据照片，他们很快就领悟到了DNA的结构——现在已经成为了一个众所周知的事实——两条以磷酸为骨架的链相互缠绕形成了双螺旋结构，氢键把它们连结在一起。当沃森等人的论文发表的时候，富兰克林已经离开了国王学院，威尔金斯似乎很庆幸这个不讨他喜欢的伙伴的离去。然而富兰克林的贡献是毋庸置疑的：她分辨出了DNA的两种构型，并成功的拍摄了它的X射线衍射照片。沃森和克里克未经她的许可使用了这张照片，但她不以为忤，反而为他们的发现感到高兴，还在《自然》杂志上发表了一篇证实DNA双螺旋结构的文章。 这个故事的结局有些伤感。当1962年沃森、克里克和威尔金斯获得诺贝尔生理学或医学奖的时候，富兰克林已经在4年前因为卵巢癌而去世。按照惯例，诺贝尔奖不授予已经去世的人。此外，同一奖项至多只能由3个人分享，假如富兰克林活着，她会得奖吗？性别差异是否会成为公平竞争的障碍？后人为了这个永远不能有答案的问题进行过许多猜测与争论。今天，科技界对富兰克林的工作给予很高评价，对威尔金斯是否有资格分享发现DNA双螺旋结构的殊荣存在很大争论。 与没有获得诺贝尔奖相比，富兰克林的早逝更加令人惋惜。她是一位才华横溢的女科学家，然而知道她和她的贡献的人寥寥无几。沃森在《双螺旋》一书中甚至公开诋毁富兰克林的形象与功绩，歪曲她与威尔金斯之间的恩怨。许多关于双螺旋的书籍和文章根本不提及富兰克林，尽管克里克在很多年后承认“她离真相已经只有两步”。她是这倾斜的世界中女科学家命运的代表。 声誉逐渐得到公认去年2月，英国为了纪念她对发现DNA结构的贡献而设立了一个奖章。据报道，英国贸易与工业大臣帕特里厦·休伊特在一次关于女性与科研工作的讲话中说，她将通过英国皇家学会设立“富兰克林奖章”，奖励像罗莎琳德·富兰克林那样在科研领域做出重大创新的科学家。这一奖项每年评选一次，获奖者可以得到3万英镑的奖金。休伊特说，男性和女性科学家都可以角逐富兰克林奖章，但她希望该奖项能够重点起到提升女性在科研领域的形象的作用。        历史上对于女科学家的歧视并不仅有这一个例子。1967年，苏珊·贝尔和她在剑桥大学的导师休伊什共同发现了脉冲星，但是1974年的诺贝尔物理学奖只发给了休伊什。迄今只有10位女性获得了科学方面的诺贝尔奖，科学界对女科学家的歧视依然存在，种种社会原因使许多有科学才能的女性缺少发挥其专长的机会。 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础2.DNA的分子结构（1）组成元素：C、H、O、N、P（2）基本单位：脱氧核苷酸DNA的结构层次磷酸脱氧核糖含氮碱基腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）AGCT 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础2.DNA的分子结构脱氧核苷酸的种类AGCT 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础2.DNA的分子结构问题：DNA分子的空间结构有哪些特点呢？沃森和克里克认为：DNA分子的空间结构是规则的双螺旋结构。DNA分子的结构模式图 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础2.DNA的分子结构连接 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础2.DNA的分子结构DNA分子双螺旋结构的主要特点：（1）DNA分子是由两条链组成的，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。（2）DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧。（3）两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，并且碱基配对有一定的规律：A一定与T配对，G一定与C配对。碱基之间的这种一一对应的关系，叫做碱基互补配对原则。 DNA分子结构的主要特点:DNA分子是有条链组成，盘旋成结构。交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；排列在内侧。碱基通过连接成碱基对，并遵循原则。反向平行双螺旋脱氧核糖和磷酸碱基对氢键碱基互补配对2 AAATTTGGGGCCCATC你注意到了吗？两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的。长链中的碱基对的排列顺序是千变万化的。 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础3.基因的表达与调控具有一定遗传效应的DNA分子中的特定核苷酸序列称为基因（gene），是遗传物质的最小功能单位。基因gene基因是遗传信息的功能单位。基因表达就是将基因所携带的遗传信息释放出来指导生物体性状表达的过程。基因表达过程是十分复杂的，具有不同的形式和精确的调控。 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础3.基因的表达与调控基因通过转录和翻译等过程形成具有特定功能的蛋白质的过程。基因表达（geneexpression）在生物体内，大部分遗传性状都是直接或间接通过蛋白质表现出来的。DNA→RNA→protein 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础3.基因的表达与调控原核生物基因表达调控原核生物主要是在转录水平上调控基因的表达关键是控制启动子与基因之间的操纵位点单细胞的原核生物对环境条件具有高度的适应性，可以迅速调节各种基因的表达水平，以适应不断变化的环境条件 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础3.基因的表达与调控真核生物基因表达调控真核生物有复杂的染色体结构，基因组分散在多个染色体上真核生物基因调控水平多，层次多DNA水平上的调控，转录水平的调控，转录后调控，翻译水平上的调控，翻译后调控激素与基因调控基因调控易存在变异失灵现象，产生胚胎发育变异、癌变等 4.1细胞学说与分子生物学4.1.2遗传的分子基础4.基因突变是产生遗传变异的主要原因之一，DNA序列的改变称为突变，突变序列产生后，可通过正常的DNA复制和细胞分裂传给子细胞。突变点突变：在个别碱基对上发生突变，通常只影响个别基因。大突变：可能涉及整个基因以致多个基因的一长段DNA序列的改变引起基因突变的物质：物理诱变剂（各种射线），化学诱变剂（碱基类似物，嵌入剂，化学修饰剂） 4.1细胞学说与分子生物学4.1.3DNA重组技术1.自然界生物的基因重组按照人的意愿，在体外对DNA分子进行重组，再将重组分子导入受体细胞，使其在细胞中扩增和繁殖，以获得该DNA分子的大量拷贝，表达相关基因的产物，是进行基因功能研究的基本方法。基因重组同源重组:两个DNA分子之间交换同源序列的重组方式。非同源重组：非同源DNA片段的交换或拼接。特殊位点重组异常重组 4.1细胞学说与分子生物学4.1.3DNA重组技术1.自然界生物的基因重组同源重组:两个DNA分子之间交换同源序列的重组方式。同源重组过程包括两个同源DNA双螺旋分子的联会、交叉、断裂重接3个步骤。同源重组可产生各种新的基因组合，因而使物种得到进化。 4.1细胞学说与分子生物学4.1.3DNA重组技术1.自然界生物的基因重组非同源重组：非同源DNA片段的交换或拼接。特殊位点重组具有一段相同的特殊序列的两个非同源DNA分子之间的片段交换。异常重组DNA分子不需要同源序列或特殊相同序列的重组 4.1细胞学说与分子生物学4.1.3DNA重组技术2.DNA重组技术技术流程DNA分子的切割DNA分子的连接DNA片段的分离DNA序列的检测DNA序列的扩增 4.1细胞学说与分子生物学4.1.3DNA重组技术2.DNA重组技术DNA分子的加工与工具酶工具酶：DNA重组技术，需要利用一些酶在体外对DNA进行切割、连接等基因操作，这些酶常被称为工具酶。限制性核酸内切酶，DNA连接酶，逆转录酶，DNA聚合酶Ⅰ，碱性磷酸酶，末端转移酶，TaqDNA聚合酶 4.1细胞学说与分子生物学4.1.3DNA重组技术2.DNA重组技术DNA分子的加工与工具酶（1）限制性内切酶是DNA重组技术的基本工具能识别和切割双链DNA分子特异序列的核酸水解酶在细菌体内与相伴存在的修饰酶（甲基化酶）共同构成细菌的限制－修饰体系，起限制外来DNA、保护自身DNA的作用可分为I型、II型、III型 4.1细胞学说与分子生物学4.1.3DNA重组技术2.DNA重组技术DNA分子的加工与工具酶（2）修饰酶如甲基化酶，分子克隆的重要工具酶许多细菌有限制－修饰系统限制（降解）外来DNA，并通过对自身DNA的修饰而起保护作用 4.1细胞学说与分子生物学4.1.3DNA重组技术2.DNA重组技术DNA分子的加工与工具酶（3）连接酶作用于双链DNA分子而不能将二个单链DNA分子连接DNA连接酶是重要的基因重组的工具酶DNA重组技术常用T4噬菌体DNA连接酶 4.1细胞学说与分子生物学4.1.3DNA重组技术2.DNA重组技术DNA片段的分离凝胶电泳技术 4.1细胞学说与分子生物学4.1.3DNA重组技术2.DNA重组技术DNA的检测核酸杂交技术和基因作图技术核酸杂交技术：利用一段已知序列并带有放射性同位素32P等标记的多聚核苷酸作探针，检测复杂的核酸分子混合物中是否存在与之互补的目标序列的技术。核酸分子杂交是核酸分析的重要方法，是鉴定重组DNA的最通用方法， 核酸杂交技术杂交方法适用范围菌落印迹杂交检测细菌体固定在膜上后，经裂解释放的DNA斑点杂交检测未经凝胶电泳分离的，固定在膜上的DNA或RNA原位杂交直接检测细胞或组织中的DNA或RNASouthern印迹杂交检测经酶切、凝胶电泳分离的，已转移到膜上的DNANorthern印迹杂交检测经凝胶电泳分离的，已转移到膜上的RNA 核酸杂交技术基本原理采用加热处理或加碱处理，使溶液中的双螺旋分子解离成两条单链，即变性反应。当溶液冷却或pH恢复中性时，分开的两个互补链又会相互以氢键结合恢复成双螺旋分子，即复性反应。 4.1细胞学说与分子生物学4.1.3DNA重组技术2.DNA重组技术DNA的检测基因作图技术指制作基因图谱的过程，分子水平的基因作图主要包括限制性作图和DNA序列测定。限制性作图用各种限制酶将DNA分子剪切成不同大小的片段，再分离检测这些片段，最后确定和绘制出DNA分子上各种限制性内切酶识别位点分布图。 基因作图技术限制性作图 基因作图技术DNA序列测定基本原理利用含双脱氧核糖的核苷酸不能再连接核苷酸的特性，在体外进行DNA标记、合成，通过凝胶电泳分离和放射性自显影，再从胶片分带上直接读出碱基序列。自动测序仪测序法(ABI)自动测序系统包括电泳分离系统、荧光检测装置、计算机成像系统及分析软件组合。 序列图谱(ABIPRISM377) 4.1细胞学说与分子生物学4.1.3DNA重组技术2.DNA重组技术DNA序列的复制（克隆与扩增）将带有目的基因的DNA片段与带有某种抗生素基因的载体质粒DNA剪接成重组质粒将重组质粒导入寄主细胞放入加抗生素的培养基中培养 4.1细胞学说与分子生物学4.1.3DNA重组技术2.DNA重组技术DNA序列的复制（克隆与扩增）通过酶促反应大量复制特定DNA序列——DNA聚合酶链式反应（PCR）1944年出生,美国人.因为发明"聚合酶链式反应"法而获得1993年的诺贝尔化学奖 4.2、细胞工程与环境污染生物处理细胞工程（cellEngineering）是运用精巧的细胞学技术，有计划地改造细胞遗传结构，培育出人们所需要生物品种或具有某些新性状细胞群体。细胞工程包括：细胞培养：取出，特制培养器生长细胞融合（杂交，质融－核融）细胞重组（活细胞组件重装配，核移植（显微仪）+细胞器移植（叶绿体、线粒体胞饮摄入））遗传物质转移（基因在细胞水平上转移：载体法+微注射法） 原生质体融合构建工程菌外界理化融合因子的诱导下细胞质壁分离后去掉细胞壁所余下的部分动植物间均可杂交 1980s开始原生质体融合构建环境工程菌生物降解中，微生物细胞间互生现象普遍：可通过原生质体融合技术，可将多个细胞优势集中到一个细胞内。例如，构建苯环化合物降解菌产碱假单胞菌PseudomonasalcaligenesCO：可降解苯甲酸酯和3-氯苯甲酸酯，但不能利用苯、1-4-二氯苯甲酸酯；恶臭假单胞菌PseudomonasputidaR5-3：可降解苯甲酸酯和甲苯，但不能利用3-氯苯甲酸酯、1-4-二氯苯甲酸酯；融合后：融合子CB1-9可以同时降解上述四种污染物。 4.3、基因工程与环境污染生物治理定向改造生物的新科学—基因工程基因工程（GeneEngineering）将一种生物DNA某个遗传密码片断连接到另外一种生物DNA链上，将DNA重组，导入受体细胞进行无性繁殖，基因得以表达，就可按照人类愿望，设计出新遗传物质并创造出新生物类型的生物科学技术。 基因工程的基本过程载体控制降解人工合成物的酶的遗传特性的质粒—降解性质粒 基因工程菌降解卤代芳烃基因工程菌分解尼龙基因工程菌分解多糖基因工程菌抗金属基因工程菌降解除草剂基因工程菌降解杀虫剂基因工程菌……… 例：油类泄露的基因工程修复1989年3月24日,ＥxxonValdez号油轮在阿拉斯加的威廉姆海湾触礁,泄露原油达4200万Ｌ,污染了海水和附近海岸。处理：自然界存在的烃类降解微生物。将Ｎ、Ｐ的亲油性肥料播撒到海岸上,利用潮汐活动和偶发的风暴,保证肥料和油类的结合。16个月后,60%-70%油类被降解。1990年对其他区域投加了肥料,1991年对依旧含有油类区域进行了处理。基因工程方法处理：将降解芳烃、萜烃、多环芳烃和脂肪烃的质粒转移到降解脂烃的假单胞菌体内,得到同时降解4种烃类的“多质粒超级基因工程菌”。能把原油中约2/3烃消耗掉。只要几个小时就分解完全。 例，抗金属基因工程菌假单胞杆菌R4染色体抗镉基因，转移到大肠杆菌HB101中，使其能在100mg/L含镉液体中生长，富有抗镉遗传特征（中山大学生物系）中国仓鼠细胞含排除重金属离子的屏蔽基因，将其植入芜青植物体内，生长的芜青可将土壤中镉金属滞留在植物根部，阻止它到达茎、叶、果实部位。'