《生物制药》课程实验大纲.docx

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《生物制药》课程实验大纲

《生物制药》课程实验大纲

编号：

课程名称：

生物技术制药

英文名称：

BiologicalPharmaceuticalTechnology

实验指导书名称：

生物制药实验指导书

一、学时学分

总学时：

32学分：

2实验学时：

8

二、实验目的

本课程实验的目的是使学生掌握生物技术制药中的基因工程制药、抗体制药、细胞工程制药、酶工程制药、微生物工程制药的基本原理、主要方法和技术，从而使学生能够将理性知识与感性认识有机地结合起来，在实验中更深地理解基础理论，提高学生的综合能力与创新意识以及分析问题和解决问题的能力。

同时通过实验，培养学生观察、思考、分析问题和解决问题的能力，实事求是，严肃认真的科学态度，以及勤俭节约、爱护公物的良好作风。

三、实验基本原理

纯培养技术、无菌操作技术、分子生物学基本原理及技术、免疫学原理及技术、细胞工程原理及技术、蛋白质工程原理。

四、实验基本要求

在实验内容的安排上，注意使学生加深对生物制药工艺基本理论的理解。

实验的难易程度适中，严谨全面。

根据实验指导书完成课内实验任务，客观认真填写实验数据并进行结果分析、每次实验及时上交实验报告。

五、考核与报告

实验考核以平时实验预习报告、实验态度、实验操作及实验处理几部分组成，占该门课程成绩30％，实验报告按实验指导书提供的统一格式进行书写。

六、主要仪器设备

CO2培养箱、20W紫外灯、红灯、血球记数板、搅拌器、高速冷冻离心机、冷冻干燥箱、真空干燥箱、高压灭菌装置、超净工作台、倒置显微镜、冰箱、液氮罐、精密天平、微量加样器、烤箱、细菌过滤器、10L气升式发酵罐、摇床、显微镜（带油镜）、紫外及可见光分光光度计、电泳仪、pH计等。

七、实验项目与内容提要

序号

实验

名称

内容

提要

每组人数

实验时数

实验要求

实验类别

备注

01

甲甲壳质、壳聚糖的制备

采用虾壳做原料，制备甲壳质和壳聚糖

3

4

选开

验证

02

液体深层发酵生产抗生素

学习微生物制药的液体深层发酵技术，掌握抗生素效价的检测及发酵产物的鉴定

3

4

选开

综合

03

抗生素的分离和鉴定（薄层层析法）

采用薄层层析法分离各种抗生素（如链霉素、卡那霉素等），以枯草芽孢杆菌作为生物显影菌株确定斑点位置，求得Rf值，进行鉴定。

3

4

必开

综合

04

植物细胞/组织培养与细胞活性鉴定

采用无菌操作的方法，培养植物愈伤组织（MS培养基），和采用液体悬浮培养的方法培养植物悬浮细胞，掌握鉴定细胞死活的方法。

3

4

选开

验证

八、适用专业

生物技术

九、实验地点

生物与食品工程学院实验室

实验一甲壳质、壳聚糖的制备

【实验目的】

了解制备甲壳质、壳聚糖的工艺流程；

掌握甲壳质的提取、制备原理及壳聚糖的检测方法。

【实验原理】

甲壳质存在于甲壳类动物（如虾、蟹）的外壳，昆虫表皮，软体动物（如贝类、乌贼）的器官、菌类（如菇类、霉菌）的细胞壁。

自然界每年合成量高达100亿吨，仅次于植物纤维素。

甲壳质是1823年法国科学家Odier首次从蟹壳中提取出来的，由于甲壳质的性质非常稳定，溶解性很差，限制了它的应用。

经一个多世纪世界各地科学家对它在结构上进行改良、修饰，并开发应用研究，它的衍生物壳聚糖在工业、农业、畜产、渔业、食品、化妆品及医药行业上得到广泛应用，尤其是近十多年来，壳聚糖的动物试验及临床观察得到科学家们的肯定，誉为人类第六生活要素（蛋白质、脂肪、维生素、矿物质和壳聚糖）。

是一种功能性食品。

从虾壳提取甲壳质，工艺主要是将虾壳的成份分离，虾壳中含有无机盐（主要为碳酸钙）蛋白质和甲壳质。

利用碳酸钙能溶于盐酸的机理，将其离析。

蛋白质在碱性条件下能被水解生成短肽及氨基酸，它们能溶于水，与甲壳质分离。

本实验首先采用盐酸浸泡虾壳除去钙质，接着利用氢氧化钠煮沸除去蛋白，之后水洗；用高锰酸钾与硝酸氧化脱色干燥得白色制品为甲壳质。

甲壳质在碱性条件下脱去乙酰基，生成聚胺糖。

工业上很难100％脱去乙酰基，所以工业制得的实际上是甲壳质和聚葡胺糖两个结构单元的结合，称为壳聚糖。

壳聚糖结构中有胺基（－NH2），具碱性，因此，它能溶于很多酸，如硫酸、盐酸、胃酸等，可以用游离氨基含量的来检测乙酰基的脱去程度。

【仪器、材料与试剂】

1实验材料与试剂

虾壳；

3％~4%的氢氧化钠；50％的氢氧化钠；5％~6%的盐酸；5%的高锰酸钾；1%的硝酸；1mol/L的盐酸；0.1mol/L的氢氧化钠；溴酚兰指示剂。

2仪器设备

烧杯1000mL；三角瓶500mL；三角瓶100mL；大试管夹；水浴锅；烘箱；碱式滴定管；铁架台；磁力搅拌器；电炉等。

【实验步骤】

1虾壳处理：

将虾壳洗净，粉碎，称重。

2甲壳质制备：

用5％~6%的盐酸于室温（20℃）浸泡虾壳24小时，不断搅拌。

盐酸体积（ml）与虾克重量（g）比为10（V/W=10）；

取沉淀水洗3次后加入3％~4%的氢氧化钠（V/W=10）煮沸1~2小时，取沉淀水洗；

加0.5%的高锰酸钾搅拌反应约1小时，沉淀水洗;

再加入1%的硝酸于60℃~70℃反应30~40分钟，产物水洗、干燥、称重。

3壳聚糖的制备：

于烧瓶中加入上述甲壳质10克再加入90-100ml的浓度为10％的NaOH，沸水浴反应30-40分钟后，停止反应干燥称重。

4游离氨基含量的测定：

方法1：

精确称取壳聚糖0.30克，置于20ml的锥瓶中，移取30ml0.1mol/L的盐酸溶液，室温下溶解（若粘度太大可加少许蒸馏水）。

加入2滴溴酚兰指示剂，以0.1mol/L的氢氧化钠溶液滴定至紫色，平行滴定三份，按下式计算游离氨基含量：

方法2：

采用分光光度法检测壳聚糖的含量，检测壳聚糖的含量/纯度（选做）。

【结果与分析】

计算甲壳质的提取率和游离氨基含量并分析与理论值之间的差异。

【思考题】

甲壳质的提取过程中用了哪些试剂，各起到了什么作用？

实验二液体发酵法生产链霉素（选做）

【实验目的】

1、学习液体发酵的方法；

2、学习链霉素的发酵方法及抗生素的检测和鉴定方法。

【实验原理】

瓦克斯曼（SelmanA.Waksman）于1943年分离到一株灰色链霉菌（Streptomycesgriseus），能产生对革蓝氏阳性细菌和蓝氏阴性细菌都有抗菌作用的一种新的抗生素－链霉素。

链霉素和其它抗生素一样氏微生物的次级代谢产物。

链霉素属于氨基糖苷类抗生素。

灰色链霉菌在下述条件下产生链霉素。

对细胞足够的供氧；存在低浓度无机磷酸盐；足够的葡萄糖和足够高浓度的含氮物质。

在发酵培养基上，链霉素的发酵分3个阶段：

生长阶段，菌丝形成，需氧量极大，在两天内形成链霉素不多；成熟阶段，菌丝及重量保持稳定，葡萄糖及其他碳源在培养基中消失，形成链霉素；老化阶段，有许多链霉素形成，然后链霉素产生停止，浓度下降，pH上升，菌丝自溶，需氧量减少，此时停止发酵。

在中性溶液中，链霉素成为3价阳离子故可用阳离子交换树脂吸附，然后进行洗脱和收集。

二次洗脱液要通过高交联度的氢型树脂，以除去阳离子、无机杂质和小分子的有机杂质。

精制液用硫酸或氢氧化钡调至pH4.5～5.0，再加入适量的活性碳，常温下脱色，可得到链霉素精制液。

纸层析是鉴别抗生素的方法之一，常用8个溶剂系统进行纸层析，层析后进行生物显色并绘制层析图谱，根据层析图谱对未知抗生素进行鉴定。

本实验采用其中一个溶剂系统，并用标准链霉素溶液作为对照对发酵液进行鉴定。

【仪器、材料与试剂】

（一）仪器

1、5L发酵罐

2、恒温摇床

3、冷冻离心机

4、高压灭菌锅等

（二）材料

1、灰色链霉菌StreptomycesgriseusAS4.1095（链霉素产生菌，中国菌种保藏中心）

2、大肠杆菌E.coliK12S（用于生物显色）

3、金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus,用于生物显色）

4、豌豆

5、正丁醇

6、三角瓶（50Ml）

7、新华3号滤纸

8、层析缸（30cm×10cm）

9、搪瓷盘（25cm×15cm×5cm）

10、毛细管

11、培养皿

（三）试剂

1、牛肉膏蛋白胨固体培养基：

牛肉膏3g，蛋白胨10g，NaCl5g，琼脂20g，水1000mL，pH7.4～7.6，121℃高压蒸汽灭菌30min

2、豌豆培养基：

葡萄糖10g，蛋白胨5g，豌豆提取液1L（以NH2计，100mL含12～14mg），pH7.0～7.2。

高压蒸汽灭菌（105℃，30min）

3、查氏培养基

4、链霉素标准溶液（10mg/mL）：

将链霉素溶于去离子水中，无菌滤膜过滤后备用

5、展层溶剂系统：

水饱和的正丁醇

【实验步骤】

1、斜面孢子的制备

用接种环挑取冰箱中保藏的菌种接种于豌豆培养基斜面培养基上，于27℃恒温培养箱中培养6～7d，即可得到斜面孢子。

2、母瓶培养液的制备

用接种环挑取斜面培养基表面上的孢子接种于灭菌的含有50mL豌豆培养基的三角瓶中，于27℃摇瓶200r/min培养72h即成母瓶培养液。

3、种子培养液的制备

无菌操作取2mL母瓶培养液接种于含有100mL豌豆培养基的三角瓶中，于27℃恒温摇床200r/min培养3～4d。

4、发酵培养

（1）三角瓶发酵培养：

取4mL种子培养液接种于含有200mL豌豆培养基的500mL大三角瓶中，于28℃恒温摇床200r/min培养12～15d进行链霉素发酵。

（2）发酵罐发酵培养：

在5L发酵罐中装入3L豌豆培养基，灭菌后接入60mL种子培养液，在控制条件下进行链霉素发酵。

5、发酵液预处理

发酵结束后，将发酵液在低温条件下12000r/min离心，上清即为含有链霉素的样品，如果不进行链霉素的分离纯化，可直接对发酵液进行抗生素抑菌实验和纸层析生物显色分析鉴定。

6、发酵液抑菌实验

在牛肉膏蛋白胨固体培养基平板上均匀涂布大肠杆菌或金黄色葡萄球菌，待其表面干燥后将小钢管垂直置于平板表面，取发酵液0.1mL注入小钢管中，于37℃恒温培养24h后观察结果。

7、链霉素的纸层析鉴定

（1）点样：

在距新华滤纸（25cm×19cm）底端2.5cm处划一道横线，用毛细管将发酵清液和标准链霉素溶液（10mg/mL）点在滤纸的横线上。

每个样品之间距离2cm。

（2）层析：

将点好样的滤纸做成圆筒状，置于含有展层溶剂系统的层析缸中，于20～25℃上行扩展20～25cm后取出，挥发除净溶剂。

（3）显影（生物显影法）：

将滤纸贴在接种有大肠杆菌或金黄色葡萄球菌的琼脂平板上，置冰箱中（10℃，4h），使滤纸上的抗生素渗透到平板上，然后于30～35℃培养16～20h，根据平板上样品抑菌区的位置判断抗生素的类型。

【结果与分析】

观察链霉素发酵液对细菌的抑制作用及链霉素纸层析生物显色图谱。

发酵液离心上清抑菌结果，可观察到明显的抑菌圈，说明发酵液中含有抗菌物质。

发酵液和标准链霉素纸层析后经生物显色结果，可观察到抑菌圈的位置在相同的位置，初步说明发酵液中的抗菌物质为链霉素。

【实验安排】

第一天：

配制试剂、灭菌，接种斜面孢子

（斜面孢子的制备、母瓶培养液的制备、种子培养液的制备、发酵培养液的接种：

在教师指导下由学生利用课余时间完成。

全过程大约需要26～28d）。

第二天：

发酵液预处理、发酵液抑菌实验（24h后观察记录结果）和链霉素的纸层析及观察记录结果。

实验三抗生素的分离和鉴别（薄层层析法）

【实验目的】

掌握薄层层析法分离抗生素的原理与方法；

了解生物显影法在抗生素鉴定中的应用。

【实验原理】

薄层层析是一种微量而快速的层析方法。

把吸附剂或支持剂均匀的涂布于玻璃板（或涤纶片基）上成一薄层，把要分析的样品加到薄层上，然后用合适的展层剂进行展开而达到分离、鉴定和定量的目的。

为了使要分析的样品中的各组分得到分离，必须选择合适的吸附剂。

硅胶、氧化铝和聚酰胺由于它们的吸附性能良好，是应用最广泛的吸附剂，硅藻土和纤维素则是分配层析中最常用的支持剂。

在吸附剂或支持剂中添加合适的粘合剂后再涂布，可使薄层粘牢在玻璃板上。

在吸附层析中，虽用相同的吸附剂和溶剂系统，但不同性质的抗生素由于其吸附能力的差异，比移植（Rf）也不同。

因此，即使是性质极为接近的同组抗生素的各个组分，在合适的溶剂系统中展开，也能达到分离的目的。

通过薄层色谱分离后的化合物经生物显迹确定斑点的位置后，可求得其Rf值，将该Rf与同一薄层上标准品的Rf作比较就可初步鉴别样品中的抗生素。

【实验用品】

（一）器材

1、硅胶GF254

2、玻璃板（100mm×200mm）

3、层析缸（20个）

4、测度盘（19.5cm×34cm的玻璃板筐）

5、微量注射器、滤纸、玻璃等

6、烘箱（2台）、培养箱（2台）、灭菌锅（1台）、超净工作台（1台）

（二）试剂配制

1、展层溶剂系统：

正丁醇：

乙酸：

水（3：

1：

1）

2、生物显影用培养基：

蛋白胨6g，酵母膏3g，牛肉膏1.5g，琼脂20g，水1000mL，pH6.5（灭菌后）。

生物显影时，测度盘内培养基分上下两层，上层培养基须另加0.5%的葡萄糖。

3、生物显影用枯草杆菌芽孢悬浮液将枯草杆菌（Bacillussubtilis1ATTC6633）接种在肉汤琼脂大斜面培养基上（2支），37℃培养7d。

用0.85％生理盐水将枯草杆菌芽孢洗下，再用灭菌玻璃珠将芽孢分散，用0.85％生理盐水稀释成12×108/mL芽孢悬液。

将此悬液于65℃水液中保温30min，冷却后保存于冰箱内，可使用一个月。

使用前，最好先作抑菌试验，以确定每100mL上层培养基需加入芽孢悬液的量。

（三）材料

枯草芽孢杆菌（BacillussubtilisTATTC6633）；链霉素、卡那霉素等抗生素纯品及粗制抗生素样品若干种（链霉素或卡那霉素粗制品）。

【实验步骤】

1、薄层的制备

制薄层用的玻板预先用洗液洗净并烘干，玻板表面要求光滑。

将硅胶GF254和双蒸水（硅胶：

双蒸水＝10：

25）于烧杯中搅拌均匀后用玻棒迅速涂布铺平，轻轻振动玻板，使其分布均匀，铺成厚度0.25mm的薄层板，在空气中凉干（或在60℃烘箱中烘干）后移至110℃烘箱中活化1h，取出置干燥器中备用。

2、点样

距薄板一端2cm处每隔2cm作一记号（用铅笔轻轻点一下，切不可将薄层刺破），用50uL微量注射器取抗生素纯品或粗制品（分别溶于少量的甲醇中，浓度为0.5mg/mL）溶液在记号处点样，点样量为20uL。

注意控制样点扩散直径不超过3mm。

3、展开

将薄板点样一端放入盛有展开剂的层析缸中（注意样点不可直接与展开剂相接触），展层至溶剂前沿距顶端1～2cm处时取出薄板，在溶剂前沿处作记号。

空气中凉干，除尽溶剂。

4、生物显影

往测定盘内倒入生物测定培养基150mL，放平。

待凝固后再倒入60mL带枯草杆菌的上层培养基，完全凝固后，将层析过的层析板（点样的一面）直接贴在琼脂表面，放置15min，取下层析板，将盘置于37℃恒温培养箱中培养，约16h后取出观察实验结果。

5、结果处理

用笔描下抑制圈所在的位置和形状，计算各抗生素样品的Rf值。

【思考题】

1、薄层色谱的Rf值是鉴别化合物的主要参数，请指出再薄层色谱过程中影响化合物Rf值的主要因素有哪些？

2、假设某试样的Rf值与标准品相同，请问能否据此确定该试样与标准抗生素同质？

实验四植物细胞/组织培养（略）与细胞活性的鉴定

一、目的

练习以碱性染料中性红和荧光染料（FDA，FM4-64）进行活体染色的方法。

通过活体染色及质壁分离，进行细胞死活的鉴定。

二、原理

用某种对植物无害的染料稀溶液对活细胞进行染色称活体染色。

中性红是常用的活体染料之一。

在中性或微碱性环境下，植物的活细胞能大量吸收中性红并向液泡排泄，液泡一般呈酸性，进入液泡的中性红解离出大量阳离子而呈樱桃红色,原生质及壁不染色。

死细胞的液泡已消失因而不产生液泡着色现象，中性红阳离子却与带一定负电荷的原生质及细胞核结合而使原生质及细胞核染色。

细胞的荧光染色是目前细胞生物学常用的方法，FDA与FM4-64在酯酶的作用下水解释放出荧光素，从而发出荧光。

活细胞细胞膜酯酶活性较高，能水解FDA释放荧光素，从而显示出荧光；而死细胞的酯酶丧失活性，不能水解FDA，不能显示出荧光。

FM4-64在荧光显微镜下红色，经酯酶水解后，显示无色。

因而，活细胞红色消失或较暗，死细胞红色较强，以区分细胞的死活。

成长的细胞是一个渗透系统，活的原生质具有选择透性，原生质内部包含着一个大液泡，具有一定的溶质势。

当细胞与外界低水势溶液接触时，细胞内的水分外渗，原生质随着液泡一起收缩而发生质壁分离；其后，当与清水（或高水势溶液）接触，细胞又因液泡的吸水膨胀而发生质壁分离复原。

死细胞因其原生质的选择透性已遭破坏，故与低水势溶液接触时不产生质壁分离。

三、材料、仪器设备及试剂

1.材料：

洋葱鳞茎；大麦种子。

2.仪器设备：

刀片；镊子；吸水纸；酒精灯；载玻片；盖玻片；胶头滴管；显微镜；荧光显微镜或荧光灯。

3.试剂：

0.8mol/L蔗糖液；0.03％中性红溶液；荧光素二乙酸酯（fluoresceindiacetate，FDA）；

N-（3-triethylammoniumpropyl）-4-（6-[4-（diethylamino）phenyl]hexatrienyl）pyridiniumdibromide（缩写FM4-64）

四、实验步骤

1.制片染色

用尖头镊子撕取洋葱（玉葱）鳞片内表皮薄片，浸到0.03％中性红溶液或FDA溶液中10～15min进行染色。

2.观察

2.1将染色后的植物材料放到载玻片上，盖好盖玻片，在盖玻片的一侧滴加无离子水（或pH略高于7.0的自来水），另一侧放吸水纸吸干，以洗净撕片外粘附的中性红溶液或FDA/FM4-64溶液，然后在显微镜下观察，可以看出液泡染成樱桃红色或发出荧光；原生质层（细胞质和细胞）则无色透明紧贴细胞壁（在细胞的角隅上可以看见）。

2.2在第1项观察后，接着从盖玻片的一边滴2滴0.8mol/L蔗糖液,在盖玻片的另一边用吸水纸吸盖玻片下的水，将蔗糖液引入盖玻片下浸渍植物材料，并立即镜检，可以看到细胞很快发生质壁分离。

先是凹形质壁分离，而后变为凸形质壁分离。

2.3在第2项观察后，接着在盖玻片的一边加入2～3滴无离子水，在另一边用吸水纸吸去糖液，将无离子水引入盖玻片底，立即镜检可以看到带有液泡的原生质体重新吸水膨大，最后充满整个细胞腔，即质壁分离复原（复原缓慢进行时，细胞仍可正常存活；如果进行很快，则会因原生质机械破坏而死亡）。

2.4将一片经中性红染色的植物材料放在载玻片上，加一滴无离子水后加盖玻片，在酒精灯火焰上微微加热，然后在显微镜下观察，可以看到细胞质凝结成不均匀的凝胶状，与细胞核一起染成红色。

然后按（2.2）法加0.8mol/L蔗糖液也不发生质壁分离。