3.3基因工程的应用的学案

3.3基因工程的应用的学案
【学习目标】
1.举例说出基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。
2.认同基因工程的应用价值并关注基因工程的进展。
3.举例说明转基因矮牵牛的培养流程和乳腺生物反应器的培育过程。
【学习重难点】
【教学重点】基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。
【教学难点】乳腺生物反应器。
【预习新知】
基因工程在农牧业方面的应用
1．改良植物品种
(1) 转基因抗虫植物
a.方法：从某些生物中分离出具有 的基因导入作物中。
b.实例：转基因抗虫 、玉米、大豆、 和马铃薯等。
(2)转基因抗病植物
a.方法：将来源于某些 等的抗病基因导入植物。
b.实例：转基因抗病毒 、番木瓜和烟草等。
(3)转基因抗除草剂植物
a.方法：将 的基因导入作物。
b.实例：转基因抗除草剂 、 、油菜和甜菜等。
(4)改良植物的品质
a.提高营养价值
方法：将必需氨基酸含量多的 编码基因导入植物
实例： 含量提升30%的转基因玉米
b.提高观赏价值
方法：将与植物 代谢相关的基因导入矮牵牛
实例：转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色变异
2.改良动物品种
(1)提高动物的生长速率
a.方法：将外源生长激素基因导入 。
b.实例： 提高42%-115%的转基因鲤鱼。
(2)改善畜产品的品质
a.方法：将 基因导入奶牛基因组。
b.实例：大降低牛奶中 的含量，解决乳糖不耐受问题。
基因工程在医药卫生领域的应用
(1)技术方法
①对微生物或动植物的细胞进行　 　 ，使它们能够生产药物。
②利用乳腺生物反应器生产药物：将　 　 基因与乳腺中特异表达的基因的
　 　 等调控元件重组在一起，通过　 　 导入哺乳动物的受精卵中，培育出的转基因动物通过　 　 生产所需要的药物。
③培育移植器官：在器官供体的基因组中导入某种　 　 抑制 　 基因的表达或设法除去　 　 基因，然后再结合　 　 技术，培育出不会引起　 　 反应的转基因克隆器官。
(2)实例：重组人干扰素、促红细胞生成素、抗凝血酶、血清白蛋白等。
基因工程在食品工业方面的应用
1.阿斯巴甜是一种普遍使用的甜味剂,主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成,这两种氨基酸就可以通过基因工程实现大规模生产。
2.科学家将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中,再通过 　工业发酵 批量生产凝乳酶。
3.通过 　构建基因工程菌 ,然后用发酵技术大量生产食品工业用酶。相比从天然产物中提取的酶,用基因工程技术获得的工业用酶的纯度更高,而且它的生产成本显著降低 ,生产效率较高。除上述应用外,基因工程还能培育出可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理　环境污染 ,利用经过基因改造的微生物来生产能源等。
【易错提示】
1．动物基因工程的目的主要是改良畜产品的品质或者是用转基因动物生产药物。
2．高产青霉菌是诱变产生的，不属于基因工程菌。
3．乳腺生物反应器的操作过程中，构建基因表达载体时，目的基因首端要连接乳腺蛋白基因的启动子等调控组件，否则目的基因在乳腺上皮细胞中不能转录。将构建好的基因表达载体导入受精卵，而不是乳腺上皮细胞，这样由受精卵发育成的个体体细胞均含有目的基因(如药用蛋白基因)，但该基因只在乳腺上皮细胞中表达。
4．与乳腺生物反应器相比，膀胱生物反应器的优点是从转基因动物一出生就可以收集产物，不用考虑动物的性别和是否正处于生殖期。膀胱生物反应器最显著的优势在于从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。
【深化探究】
利用乳腺生物反应器和工程菌生产药物
1．乳腺生物反应器的操作过程
2．乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别
比较内容 乳腺生物反应器 工程菌
含义 指让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白 指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系
受体基因结构与人类基因结构差异 动物基因结构与人类的基因结构基本相同 细菌和酵母菌的基因结构与人类有较大差异
基因表达 合成的药物蛋白与天然蛋白质相同 细菌合成的药物蛋白可能没有活性
受体细胞 动物受精卵 微生物细胞
目的基因导入方式 显微注射法 感受态细胞法
生产条件 不需严格灭菌；温度等外界条件对其影响不大 需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞或其培养液中提取
生产设备 畜牧业生产、提取设备 发酵生产、提取设备
合作探究：(1)为了生产药物，常把药用蛋白基因构建的表达载体导入大肠杆菌或酵母菌细胞中构建工程菌，选用细菌或酵母菌作为受体细胞的优点有哪些？
提示：细菌和酵母菌繁殖快，多为单细胞，遗传物质相对少，生产能力大等。
(2)继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反应器的研究也取得了成功。科学家培育出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。在研制膀胱生物反应器时，应使药用蛋白基因在什么细胞中特异表达？它与乳腺生物反应器有什么相同和不同点？
提示：应使药用蛋白基因在膀胱上皮细胞中特异表达。相同点是收集药用蛋白较容易，且不会对动物造成伤害。不同点是乳腺生物反应器必须是处于生殖期的雌性动物才可生产药用蛋白，而膀胱生物反应器则是任何生长期的雌雄动物均可生产。
【巩固训练】
1.苏云金杆菌会合成Bt抗虫蛋白，在棉铃虫的碱性肠道环境中，Bt抗虫蛋白在特定酶的作用下产生毒性，导致棉铃虫死亡。我国科学家利用花粉管通道法成功培育出转Bt基因的抗虫棉。下列说法错误的是( )
A.可根据苏云金杆菌的DNA特定序列设计引物，用PCR技术扩增获得Bt基因B.需要构建含Bt基因的基因表达载体，然后将基因表达载体导入棉花细胞
C.Bt基因可以整合到棉花染色体上，抗虫棉自交后代不会发生性状分离
D.Bt抗虫蛋白具有高度专一性，对害虫天敌、人畜均无毒性，在环境中易分解
2.中国科学家将黄肥尾蝎的神经毒素基因（AaIT基因）导入能寄生在许多害虫体内的绿僵菌中，增强了绿僵菌致死害虫的效应，从而可有效控制虫害；将长穗偃麦草的Fhb7基因导人小麦，其表达产物可减轻赤霉菌对小麦的感染。下列说法错误的是( )
A.将Fhb7基因导入小麦，可采用农杆菌转化法
B.将Fhb7基因导入小麦，可影响赤霉菌对小麦的寄生能力
C.只有将目的基因导人防治对象，才能达到生物防治目的
D.用绿僵菌工程菌减少虫害，不改变绿僵菌与害虫的种间关系
3.科学家培养的转基因奶牛的乳腺细胞能够合成并分泌人凝血因子，这是动物乳腺生物反应器研究的重大进展。下列叙述正确的是( )
A.在该转基因牛中，人凝血因子基因只存在于乳腺细胞，而不存在于其他体细胞中
B.“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人凝血因子基因
C.人凝血因子基因开始转录后，DNA聚合酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA
D.转基因奶牛需要进入泌乳期才能批量生产人凝血因子
4.下列关于基因工程在食品工业方面的应用的叙述，错误的是( )
A.用于形成阿斯巴甜的主要氨基酸可以通过基因工程大规模生产
B.基因工程获得凝乳酶时，需将编码凝乳酶的基因导入受体菌的基因组中
C.相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术获得的工业用酶的纯度较低
D.生产淀粉酶和脂酶时，可通过构建工程菌，用发酵技术大量生产
5.植物生物反应器主要以整株植物、植物组织或植物悬浮细胞为加工场所,生产药物蛋白。叶绿体遗传转化体系是近年发展起来的一种新的植物生物反应器。叶绿体转化是以同源重组原理将外源目的基因整合到目标叶绿体基因组中的一种方式,是一种高表达、安全性极高的遗传转化方法。下列相关叙述错误的是( )
A.植物生物反应器涉及的现代生物学技术是基因工程和植物细胞工程
B.构建的基因表达载体中含有叶绿体特异启动子,使得目的基因只能在叶绿体中表达
C.植物叶绿体表达体系可以防止转基因作物的目的基因通过花粉在自然界中扩散
D.把目的基因导入叶绿体DNA中,将来产生的配子一定含有此目的基因
6.下列关于用转基因动物作器官移植供体的研究的叙述,错误的是( )
A.器官短缺和免疫排斥是目前制约人体器官移植的两大难题
B.猪的内脏构造、大小和血管分布与人的极为相似
C.灵长类动物体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒少于猪
D.科学家正试图在器官供体基因组中导入某种调节因子以抑制抗原决定基因的表达,或设法除去抗原决定基因
7.有关基因工程的成果及应用的说法,错误的是( )
A.用基因工程方法培育的抗虫植物也能抗病毒
B.基因工程可提高动物的生长速率是由于外源生长激素基因的表达
C.外源基因在乳腺细胞中表达可让哺乳动物批量生产药物
D.基因工程在农业上的应用主要是培育高产、品质优良和具有抗逆性的农作物
8.已知生物体内有一种蛋白质（P），该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。如果将P分子中第158位的丝氨酸变成亮氨酸，第240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质（P1）不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。回答下列问题：
（1）从以上叙述可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的________进行改造。
（2）以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有改造________基因或合成________基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括________的复制，以及遗传信息在不同分子之间的流动，即：________________________。
（3）蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期的蛋白质功能出发，通过________和________，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，据此获得基因，再经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对蛋白质的生物________进行鉴定。
参考答案
1.答案：C
解析：苏云金杆菌会合成Bt抗虫蛋白，所以可以根据苏云金杆菌的DNA特定序列设计引物，用PCR技术扩增获得Bt基因，A正确；为了使Bt基因能够表达和发挥作用，需要构建基因表达载体，然后将基因表达载体导入棉花细胞，B正确；Bt基因可以整合到棉花染色体上，由于只有1条染色体上含有抗虫基因，因此该抗虫棉自交后代会发生性状分离，C错误;Bt抗虫蛋白在特定酶的作用下产生毒性，具有高度专一性，对害虫天敌、人畜均无毒性，其本质是蛋白质，所以在环境中易分解，D正确。
2.答案：C
解析：将Fhb7基因导入小麦可用农杆菌转化法，A正确；将Fhb7基因导入小麦，其表达产物可减轻赤霉菌对小麦的感染，所以影响了赤霉菌对小麦的寄生能力， B正确；要想达到生物防治的目的，不一定要将目的基因导入防治对象，如题干所述，可将目的基因导入能寄生在多种害虫体内的绿僵菌中，这种方法同样可以达到生物防治的目的，C错误；生物的种间关系是协同进化的结果，通过绿僵菌工程菌减少虫害，不改变绿僵菌与害虫的种间关系，D正确。
3.答案：D
解析：根据题意，在该转基因工程中，人凝血因子基因导入的受体细胞是牛的受精卵，由该受精卵发育形成的个体的各种体细胞（成熟的红细胞除外）中都存在人凝血因子基因，A错误；“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞合成更多的人凝血因子，B错误；人凝血因子基因开始转录后，RNA聚合酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA，C错误；转基因奶牛需要进入泌乳期才能批量生产人凝血因子，D正确。
4.答案：C
解析：阿斯巴甜主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可以通过基因工程大规模生产，A正确；基因工程获得凝乳酶时，需将编码凝乳酶的基因导入受体菌，如大肠杆菌、黑曲霉等的基因组中，B正确；相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术获得的工业用酶的纯度较高，C错误；生产淀粉酶和脂酶时，可通过构建工程菌，用发酵技术大量生产，D正确。
5.答案：D
解析：A、植物生物反应器首先需要用基因工程技术将目的基因导入植物细胞,其次需要采用植物细胞工程技术将转基因植物细胞培育成转基因植株或转基因植物组织或转基因植物悬浮细胞,因此涉及基因工程和细胞工程技术。A正确;
B、要使得目的基因只能在叶绿体中表达,则构建的基因表达载体中要含有叶绿体特异性启动子,B正确;
C、由于受精卵中的细胞质几乎全部来自卵细胞,因此植物叶绿体表达体系可以防止转基因作物的目的基因通过花粉在自然界中扩散,C正确;
D、把目的基因导入叶绿体DNA中,叶绿体DNA存在于细胞质中,在配子产生过程中并不遵循遗传定律,所以将来产生的配子中不一定含有该目的基因,D错误。
6.答案：C
解析：猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远远少于灵长类动物,C错误;为解决免疫排斥问题,科学家正试图除去器官供体基因组中的抗原决定基因,或在其基因组中导入某种调节因子,以抑制抗原决定基因的表达,D正确。
7.答案：A
解析：用基因工程方法培育的抗虫植物只能抗虫，不能抗病毒，A错误；可将外源生长激素基因导入动物细胞内，使动物细胞合成、分泌生长激素，从而提高动物的生长速率，B正确；将外源基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起可制得乳腺生物反应器，转基因动物进入泌乳期后，外源基因在乳腺细胞中可以表达，产生相应的基因产物，从而使哺乳动物本身变为“批量生产药物的工厂”，C正确；基因工程在农业上的应用主要是培育高产、稳产、品质优良和具有抗逆性的农作物，满足人类的生产生活需要，D正确。
8.答案：（1）氨基酸序列；
（2）P；P1；DNA和RNA（或遗传物质）；DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质（或转录、逆转录、翻译）
（3）设计预期的蛋白质结构；推测应有的氨基酸序列；功能
解析：（1）从题中所述可知，将P分子中第158位的丝氨酸变成亮氨酸，第240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸后，该蛋白质的功能发生了改变，此过程是通过对构成蛋白质的氨基酸的排列顺序进行改造，进而改变了蛋白质的结构，从而改变了蛋白质的功能。
（2）在蛋白质工程中，目的基因可以以P基因序列为基础，对生物体内原有的P基因进行改造，也可以通过人工合成法合成新的P1基因。中心法则的内容如下图所示：
由图可知，中心法则的全部内容包括：DNA以自身为模板进行的复制，DNA通过转录将遗传信息传递给RNA，最后RNA通过翻译将遗传信息表达成蛋白质；在某些病毒中RNA可自我复制（如烟草花叶病毒），某些病毒能以RNA为模板逆转录合成DNA（如HIV），这是对中心法则的补充。
（3）蛋白质工程的基本途径是：预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列或合成新的基因→获得所需要的蛋白质，经过该过程得到的蛋白质，需要对其生物功能进行鉴定，以保证其发挥正常作用。