生物技術

本書專為希望在該領域的各個方面尋找參考的學生和專業人士而設計，旨在幫助新學生或新員工快速上手。

一場不到 20 年的歷史科學革命，已經改變了我們的食物和對環境的反應。

將自然中最優秀的展現出來。

什麼是生物技術？

農民和麵包師是生物技術的先驅。還記得奶奶新鮮出爐的麵包嗎？爺爺如何儲存那些特別大的辣椒或西紅柿的種子？你的祖父母在實踐生物技術。也許你現在還在做同樣的事情，這就是生物技術的根本。

定義“生物技術”

工程學原理在生命科學領域的應用，以及技術的應用——生物工程。

利用生物體制造產品。
對生物過程的研究、應用和控制。
以上任何一項或其衍生物的應用，用於製造或修改產品或工藝以用於特定用途。

利用微生物（如細菌或酵母）或生物物質（如酶）來執行特定的工業或製造過程。應用包括生產某些藥物、合成激素和大量食品，以及有機廢物的生物轉化和石油洩漏的清理。

克隆、基因操作、細胞融合和突變。

對生物體的遺傳物質進行直接修改，並且精度不斷提高，這使得能夠在極其不同的生物體之間轉移基因，這些基因組合在非技術手段下不可能發生，從而可以獲得更快、更具體的成果。

從本質上講，就是“做得更多、更快”，在數百年來的已知和已做的事情的基礎上，並超越它們。

生命——定義為

運動: （雖然一些生物體可能保持非運動狀態，或者一些生物體即使在活著的時候也可能表現出其位置上的微不足道的運動）
生長: （在多細胞生物體的情況下，在達到生長峰值之前，其質量、體積和/或細胞數量方面的增加）
進食: （雖然自養生物可以製造自己的食物，例如大多數植物（除了食肉植物）能夠透過光合作用在光照下在葉綠體中製造自己的食物）
繁殖
對刺激的反應
存在代謝: （能夠進行對生存至關重要的代謝生化反應，例如糖酵解）
存在遺傳物質: （例如真核生物中的 DNA）
與環境的非生物和生物成分相互作用
穩態

產品

傳統

啤酒/葡萄酒（參見發酵）
酵母
乙醇
乳酪
印度煎餅

蛋白質治療

赫賽汀
粒細胞集落刺激因子
胰島素 - 1982 年，美國製藥公司禮來公司第一個將基因工程人胰島素推向市場
生長抑素
生長激素

農業

蘇雲金芽孢桿菌（Bt）作物Bt 作物
除草劑耐受性
抗病性
抗蟲性

工業/環境

危險廢物
廢水處理
生物修復

其他

塑膠
生物製漿
轉基因生物（GMO）

21 CFR 58

非臨床實驗室研究的良好實驗室規範

http://www.access.gpo.gov/nara/cfr/waisidx_02/21cfr58_02.html

21 CFR 11

聯邦法規第 21 章（21 CFR 第 11 部分）電子記錄；電子簽名

http://www.fda.gov/ora/compliance_ref/part11/

聯邦法規第 21 章第 210 和 211 部分

第 210 部分 - 藥物的生產、加工、包裝或持有方面的現行良好操作規範；總則

第 211 部分 - 成品藥物的現行良好操作規範

http://www.fda.gov/cder/dmpq/cgmpregs.htm

SOP

SOP（標準操作程式）

經管理層批准
不要在 SOP 中放入資料
以六年級水平的文字編寫
清晰、最新、完整
簡單、簡潔、準確
存檔位置？

筆記本

筆記本

沒有寫下來的東西，就等於沒有做。
頁面簽名
你能讀懂它嗎？
黑色或藍色墨水
頁面編號
在前面留一些頁面用於目錄
GLP/GMP 規定要求
由證人簽署
可追溯性

完整性和可追溯性的檔案

你做了什麼
你為什麼要做
結果
是否引用了早期工作？
也用於質量

生物技術產品成功的關鍵

確定未滿足的臨床需求
探索和評估商業價值
評估可行性和努力

勞動力可用性
熟練勞動力
電力
附近有好的大學
1. 用於再培訓
2. 用於新想法

國內外勞動力庫
原材料
市場營銷
1. 明確的趨勢和需求

FDA 批准

記錄儲存

庫存控制日誌
工藝步驟
SOP
等等
如果沒有寫下來，就等於沒有做
1. 熱愛它
2. 實踐它
臨床試驗
1. GMP 適用於
  1. 生產
  2. 加工
  3. 包裝
  4. 儲存
2. 每個流程的驗證
3. PAT（過程分析技術）
質量應在設計中和透過設計構建

環境問題
1. 能源的使用
2. 水的使用
3. 環境法
4. 廢物流

我們擁有這項技術嗎？

要求

安全
身份和強度
質量和純度
工廠
我們能測量嗎
1. pH 值
2. 曝氣
3. 擋板
4. 葉輪
5. 培養基
6. 種子培養
我們比競爭對手更優秀嗎？
1. 為什麼？

流程

開發/上游/下游流程

開發

需求/市場分析
選擇解決方案
工藝開發
瞭解生長需求
計算生物量的產量
進行小規模測試

發酵

化學

酵母

高生物量產量
將分泌蛋白質

畢赤酵母
真菌
哺乳動物細胞

上游

培養基製備

發酵？

找到最佳條件

昂貴、勞動密集、開放式、耗時

限制條件

原材料、批次間差異、運輸成本、儲存

種子製備

尋找細胞系

組成、生長動力學、產量、種子庫

母種庫MSB

原始儲存細胞

工作種庫WSB

用於實際發酵

下游

漿料處理
分泌產物
汙染
產品純化
分離/純化/滅菌

如何？

板框式 大容量過濾 螺旋繞式

       Plugs up easily
       Usually not used for bulk filtration

儲存

技術人員：所需技能

生物技術技術人員必須具備解決問題和滿足客戶需求的技能，以便能夠清晰地傳達可能的轉化。他們必須維護一個可以被其他人閱讀的筆記本。以清晰的方式展示結果，並與他人合作以實現目標。

實驗室技能

技術人員必須使用該行業的工具，這與任何其他行業沒有什麼不同，我們是農民，但我們的畜群是微小的野生動物。為了照顧好我們的畜群，我們必須測量其環境的某些方面。

溶質、溶劑和溶液

溶質 = 幹物質
溶劑 = 你用來混合的東西
溶液 = 溶質 + 溶劑

pH 值

測量

探頭和儀表

最準確，更昂貴的裝置，儲存在緩衝液中，檢查是否堵塞

石蕊試紙

pH 值的非常粗略的測量

現場套件

pH 兩個字母代表“氫的強度”

宇宙中最豐富的元素是氫，它約佔所有物質的 3/4！

強酸釋放更多質子，H+（氫離子）；強鹼釋放更多 OH-（氫氧根離子）。中性物質的 H+ 和 OH- 含量相等，例如純淨水（蒸餾水）。

>7 鹼性 -- 7 中性 -- <7 酸性

根據您的定義，酸是氫離子或質子供體，鹼是氫離子受體、氫氧根離子供體或電子受體。

酸在水溶液中產生 H+ 離子，而鹼在水溶液中產生 OH- 離子。

pH 電極與電池的比較

儲存在緩衝液中，而不是 H2O 中。

汞管適用於金屬和生物製品，最高可達 80 攝氏度。

大多數組合式 pH 電極使用的常見銀-氯化銀參比電極具有飽和氯化銀的氯化鉀鹽橋。

在大多數樣品中效果良好，但在含有蛋白質或相關物質的生物樣品中則不然。

校準

跨度誤差完美 pH 電極與實際 pH 電極在 25 攝氏度下的差異，每 pH 單位產生 59.12 毫伏。

偏移誤差

實際讀數與完美讀數的差異是偏移誤差。

pH 7.0、25 攝氏度下的訊號為 0 毫伏。

三點校準

pH 值為 4、7 和 10。

在您將要使用的範圍內進行校準。

緩衝液和試劑製備

化學家使用緩衝液來調節反應的 pH 值。緩衝液將溶液穩定在特定 pH 值。當新增少量酸或鹼時，緩衝液會抵抗 pH 值變化。

KPO4

KPO4 緩衝液強烈推薦用於大多數 P450 測定（微粒體或重組酶），但 CYP 2C9 和 2A6 除外，在這種情況下，Tris 緩衝液系統更合適。

TRIS 緩衝液

生物化學家使用 TRIS 緩衝液來控制生理範圍（約 7 至 8 pH）內的 pH 值，因為磷酸鹽會與測試樣品中的生物物質發生不良的副反應。

“Good” 緩衝液

這些緩衝液受到研究界的好評，因為“Good” 緩衝液無毒、易於純化，並且其 pKa 通常在 6.0 到 8.0 之間，這是大多數生物反應發生範圍。

“Good” 緩衝液還具有以下特點：膜穿透性最小，在 240-700 奈米範圍內吸收最小，並且鹽、濃度或溫度的影響最小。

pKa = 解離常數

在化學和生物化學中，解離常數或電離常數是一種特定型別的平衡常數，用於解離（電離）反應。化學和生物化學中的解離是複合物、分子或鹽分離或分裂成較小分子、離子或自由基的通用過程，通常以可逆方式進行。解離與締合和重組相反。

問題

離子強度
溫度
反離子

菌落瓊脂平板培養

什麼是瓊脂？

從某些海洋藻類中提取的一種膠狀物質。

生長培養基
碳源
碳水化合物
蛋白質
氮源

兩種型別

簡單
複雜

製備最小瓊脂所需的成分

礦物質
H2O
維生素
前體
可能導致您的產品 - 誘導劑的化合物
新增以誘導基因表達的化合物

LB（Luria-Bertani）培養基

瓊脂平板

血液

含有來自動物（例如綿羊）的血液細胞。大多數細菌都可以在這種培養基上生長。

巧克力

它含有裂解的血液細胞，用於培養苛求的（挑剔的）呼吸道細菌。

甘露醇鹽

目的甘露醇鹽瓊脂是一種選擇性和鑑別性生長培養基。

亮綠

抑制革蘭氏陽性菌麥氏培養基

這種型別的瓊脂被使用，因為它是最耐受的培養基之一 - 很難以汙染，並且大腸桿菌通常以紅色菌落的形式生長。

（幾乎所有形成孢子的細菌都是革蘭氏陽性菌，但它們不能在麥氏培養基上生長，因為培養基中含有去汙劑（膽鹽），很少有革蘭氏陰性菌能夠耐受平板的初始乾燥或製作麥氏培養基所需的沸騰溫度。此外，雖然真菌孢子能夠耐受乾燥，但它們不能耐受沸騰。）

這是一種僅允許革蘭氏陰性菌生長的瓊脂。

澱粉

瓊脂平板是一個無菌的培養皿，其中含有瓊脂和營養物質，用於培養細菌或真菌。

新黴素瓊脂

含有抗生素新黴素。

沙氏培養基

用於真菌。它含有慶大黴素，並且具有低 pH 值，可以殺死大多數細菌。

LB

+ 複雜 + pH 7.2

紫外/可見光光譜法

常見的紫外/可見光分光光度計以下是常用的分光光度計列表：GeneSys 20 HP8452A 二極體陣列 Spectronic 20

紫外-可見光光譜法或紫外-可見光分光光度法（UV/VIS）涉及光子的光譜學（分光光度法）。它使用可見光以及鄰近的近紫外 (UV) 和近紅外 (NIR) 範圍的光。在這個能量空間區域，分子會發生電子躍遷。

A=elc

A=吸光度
e=摩爾吸光係數
l=光程（釐米）
c=濃度（M）

實驗室計算

+ - 製備無菌固體和液體培養基

滅菌方法

滅菌技術有很多種。其中一些是 1. 物理滅菌 2. 化學滅菌

在物理滅菌下，a) 熱 b) 過濾 c) 電離輻射等，在熱滅菌中，i. 溫度高於 100 攝氏度 ii. 溫度為 100 攝氏度 iii. 溫度低於 100 攝氏度。

i. 溫度高於 100 攝氏度其中涉及兩種方法 a. 溼熱滅菌 b. 乾熱滅菌

移液

對重複性勞損 (RSI) 的日益關注
採用正確的移液技術對於分析的準確性和您的健康至關重要。
汙染預防
護理

測量/混合

使用天平校準/記錄

紫外/可見光光譜法

   * http://www.scienceofspectroscopy.info/
   * Use correct Reagent
   * Use correct Wavelength

凝膠電泳

凝膠電泳是一種根據大小、電荷和其他物理特性分離大分子（核酸或蛋白質）的方法。研究人員通常可以控制凝膠頂部和底部的電荷。DNA帶負電荷，因此要將其透過凝膠，頂部必須設定為-，底部設定為+。

材料

兩種基本型別: 瓊脂糖和聚丙烯醯胺

瓊脂糖

瓊脂糖是一種從海藻中提取的天然膠體，非常脆弱，容易在操作過程中被破壞。瓊脂糖凝膠具有非常大的“孔”尺寸，主要用於分離分子量大於 200 kDaltons 的非常大的分子。瓊脂糖凝膠的處理速度比聚丙烯醯胺凝膠快，但解析度較差。

瓊脂糖是一種線性多糖（平均分子量約為 12,000），由基本重複單元瓊脂糖二糖組成，瓊脂糖二糖包含交替的半乳糖和 3,6-脫水半乳糖。瓊脂糖通常以 1% 到 3% 的濃度使用。瓊脂糖是由糖分子鏈組成的，從海藻中提取。

您可能已經看到 TBE 或 TAE 這些術語。

它們是電泳中兩種常用緩衝液的名稱。

"T" 代表 Tris，一種有助於維持溶液穩定 pH 值的化學物質。

"E" 代表 EDTA，它本身是另一個縮寫詞。EDTA螯合（吞噬）二價陽離子，如鎂。這很重要，因為大多數核酸酶需要二價陽離子才能發揮活性，您當然不希望任何遊離的核酸酶在您的樣本透過凝膠時降解您的樣本，對吧？

最後，"B" 或 "A" 代表硼酸或醋酸，它們為緩衝液提供適當的離子濃度。

聚丙烯醯胺

聚丙烯醯胺凝膠電泳 (PAGE) 技術由 Raymond 和 Weintraub (1959) 引入。

聚丙烯醯胺是用於皮膚電極和軟性隱形眼鏡的相同材料。

提供各種電泳條件

透過控制百分比（從 3% 到 30%），可以獲得精確的孔徑，通常從 5 到 2,000 kdal。聚丙烯醯胺凝膠可以以單一百分比或具有不同梯度的方式澆鑄。與瓊脂糖凝膠相比，聚丙烯醯胺凝膠具有更大的靈活性，並且條帶更清晰。

分光光度計

吸光度
透射率
比色
400 到 700 奈米
指根據溶液對光的吸收或透射率，或根據液體中顏色的強度來測量溶液濃度。

離心

速度
距離旋轉中心
RCF= 相對離心力

因素

         o Higher RCF the faster the sedimentation
         o viscosity
         o size of particle
         o difference b/w particle and medium

應用

         o Separation
         o + - Safety
               + Never exceed Max speed of rotor
               + Never use a cracked tube or bottle
         o + - Maintenance
               + Clean with mild detergent
               + air dry rotor
               + Check rotor O-rings

型別

+ - 低速

               + rpm<10k
               + g<8000

+ - 高速

               + rpm<30k
               + g<100k
               + refrigeration used

+ - 超速離心機

               + rpm<120k
               + g<700k
               + refrigeration used
               + vacuum

+ - 微型離心機

               + tabletop
               + rpm<15k
               + g<21k
               + 1-2ml volumes

零件

               + + - rotors
                     # horizontal
                     # + - fixed angle
                           * b/w 15 & 40 degrees
                     # vertical

試管/瓶

                     # glass
                     # stainless steel
                     # polycarbonate
                     # + - Teflon
                           * expensive
                     # + - polypropylene
                           * What most people use

無菌技術

無菌技術是指防止不需要的微生物汙染純培養的方法。

在微生物實驗室中，應該只處理單一物種的生物體，用於轉移、生長和實驗微生物的所有材料都必須滅菌。培養基和玻璃器皿通常使用高壓滅菌器進行滅菌。

在工作之前和之後，實驗室檯面需要用消毒劑清潔。

進入和離開實驗室時，應該洗手。

接種工具和試管頂部需要在火焰上滅菌

接種環 - 像鉛筆一樣握住

發酵罐設計和應用

員工特點

電腦技能

流行的作業系統和檔案管理
Excel
PowerPoint
Word
Linux

人際交往能力

精力和興趣

我能為您做些什麼？

您的資格

持續學習的願望

腦力

在當今世界，它是“敏銳或死亡”。

因為我們是現狀的生物。我們喜歡事物保持現狀，謝謝。變化讓我們不安。如果它有效（或者實際上看起來有效），不要修復它。

持續教育/其他領域的交叉授粉

基礎微生物學

細胞識別

腸道管

細胞生長

對數期

細胞維護和儲存

冷凍儲存

http://nalgenelab.nalgenunc.com/techdata/technical/manual.asp

在冷凍和冷凍乾燥（凍幹）過程中保護生物分子是一個非常重要的實際問題，特別是在製藥行業。

   wide variety of compounds as cryoprotectants

糖類經常用於此目的
它們被發現可以保護蛋白質在冷凍和乾燥壓力下。
它們還被證明可以防止細胞在冷凍和乾燥過程中受損。

基礎分子生物學

生物體設計

基因分析

菌株驗證應用

基因工程

"遺傳學家和科學作家史蒂夫·瓊斯認為，人類不擁有，也永遠不會擁有跨人類主義者所尋求的技術。他曾經開玩笑說，遺傳密碼的字母A、C、G和T應該被替換為H、Y、P和E。瓊斯聲稱，像基因工程這樣的技術永遠不會像人們普遍認為的那樣強大。"

-http://en.wikipedia.org/wiki/Transhumanism

大腸桿菌分子生物學中的主力軍

西奧多·埃舍裡希從結腸中分離出一種微生物，後來為了紀念他，將其命名為埃舍裡希大腸桿菌。

大腸桿菌
1. HB101
  1. 相當安全
  2. 需要
  3. 37 攝氏度
  4. 食物
  5. H2O
  6. 維生素

大腸桿菌是糞便大腸菌群的一種亞群，存在於溫血動物的腸道和糞便中。

它被用作潛在病原體存在的指標。大腸桿菌有許多不同的菌株，被分類為超過 170 個血清群。

儘管大多數大腸桿菌菌株是無害的，並生活在健康人類和動物的腸道中，但大腸桿菌 O157:H7 菌株會產生強效毒素，並可能導致嚴重疾病。

它在地下水中的存在是糞便汙染的常見指標。

（"腸道"是描述生活在腸道中的生物體的形容詞。 "糞便"是描述生活在糞便中的生物體的形容詞，因此它通常是"腸道"的同義詞。）這個名字來自它的發現者西奧多·埃舍裡希。

蛋白質基本分離

蛋白質分離
蛋白質分析

組織培養基本知識

培養
細胞系
培養方法
動物處理

色譜基本知識

高效液相色譜系統

高效液相色譜（HPLC）

HPLC 是一種流行的分析方法，因為它易於學習和使用，不受樣品化合物揮發性或穩定性的限制

現代 HPLC 具有許多應用，包括分離、鑑定、純化和定量各種化合物

高效液相色譜（HPLC）教科書 http://hplc.chem.shu.edu/NEW/HPLC_Book/

氣相色譜-質譜聯用儀

美國生物技術熱點地區

RTP - 研究三角園區，成立於 1959 年，位於北卡羅來納州達勒姆杜克大學、羅利州立大學和北卡羅來納大學教堂山分校之間。
波士頓
奧爾巴尼
南舊金山

縮略語/定義

GLP

GLP 良好實驗室規範

GMP

良好生產規範 http://www.fda.gov/cder/dmpq/cgmpregs.htm

生物殺菌劑

   Kills cells
   Disinfectant

生物統計學

   Chemical that stops cell growth - does not kill.

上清液

從罐中去除的液體，一旦固體沉澱下來。通常是材料（如細胞）沉澱或離心後留下的澄清液體。

懸浮液離心後沉澱物上方剩餘的物質。

本華夏公益教科書的作者

湯姆·馬約利 tmaioli

什麼是生物技術？

產品

傳統

蛋白質治療

農業

工業/環境

其他

21 CFR 58

21 CFR 11

聯邦法規第 21 章第 210 和 211 部分

SOP

筆記本

生物技術產品成功的關鍵

流程

開發

上游

找到最佳條件

限制條件

尋找細胞系

下游

技術人員：所需技能

實驗室技能

溶質、溶劑和溶液

pH 值

測量

校準

緩衝液和試劑製備

菌落瓊脂平板培養

什麼是瓊脂？

瓊脂平板

血液

巧克力

甘露醇鹽

亮綠

新黴素瓊脂

沙氏培養基

LB

紫外/可見光光譜法

實驗室計算

滅菌方法

移液

測量/混合

紫外/可見光光譜法

凝膠電泳

分光光度計

離心

因素

應用

型別

零件

試管/瓶

無菌技術

發酵罐設計和應用

員工特點

電腦技能

人際交往能力

持續學習的願望

腦力

持續教育/其他領域的交叉授粉

基礎微生物學

細胞識別

細胞生長

細胞維護和儲存

冷凍儲存

基礎分子生物學

生物體設計

基因分析

菌株驗證應用

基因工程

大腸桿菌 分子生物學中的主力軍

蛋白質基本分離

組織培養基本知識

色譜基本知識

美國生物技術熱點地區

縮略語/定義

GLP

GMP

生物殺菌劑

生物統計學

上清液

大腸桿菌分子生物學中的主力軍