4.2基因工程及其延伸技术应用广泛-教学设计

教学设计
课程基本信息
学科 生物学 年级 高二 学期 春季
课题 蛋白质工程是基因工程的延伸
教学目标
1. 通过对蛋白质工程的实例分析教学，引导学生归纳概括改造蛋白质及生产新蛋白的方法，形成蛋白质工程的基本思路，概述蛋白质工程的基本原理； 2.在案例教学过程中，渗透蛋白质工程与基因工程的关系，认识到蛋白质工程是根据人类需要生产目标蛋白，是基因工程的延伸技术； 3.讲解蛋白质工程的多项应用实例，让学生认同现代生物技术发展给人类带来的诸多利好。
教学内容
教学重点： 1.蛋白质工程的概念与原理。
2.蛋白质工程的应用实例。
教学难点： 1.蛋白质工程与于基因工程之间的联系。 2.蛋白质工程的基本流程与方法
教学过程
【情境导入】血友病的症状、病因、治疗手段的介绍。资料：根据缺乏的凝血因子种类不同，血友病有多种类型。其中，甲型血友病最为常见，占80%以上。甲型血友病患者血液中缺乏凝血因子Ⅷ(简称FⅧ )。患者大多需采取注射FⅧ进行预防性治疗。凝血因子Ⅷ来源： ①从血浆中分离提纯； ②利用基因工程技术制备。 提问：天然凝血因子仍存在蛋白稳定性差、易降解、产量低等诸多问题。如何开展后续研究和改进？ 【任务一】材料分析：科研人员通过分子生物学实验、X-晶体衍射实验等技术认识到成熟的F Ⅷ由5段肽链组成，共含2332个氨基酸，其结构如下图：
研究过程中还发现，A2区内部多个谷氨酸和天冬氨酸带有较多电荷，影响了活化过程中A2区与A1区或A3区的相互作用，进而影响了凝血活性与热稳定性。 根据材料，你能否提出一些后续研究的思路？我们可否通过现代生物技术，实现FⅧ的改良？ （思考2分钟） 【学生答案】 小宇：破译凝血因子的蛋白质氨基酸序列，通过人工化学合成，替换对应的氨基酸，再进行活性和稳定性检验。 乐乐：改变凝血因子基因序列，再利用基因工程技术使其表达出“新”凝血因子…… 【教师讲解】（由学生评价上述两个思路的优缺）直接改变蛋白质结构的操作技术难度大；无法遗传给子代，且难以持续生产。改变基因更加容易，且可遗传给子代，可实现持续生产。 【知识衔接】通过讲解基因表达合成蛋白质的过程，进行逆向思维。根据结构与功能相适应的观点，对蛋白质功能进行预期设计，通过改变多肽链氨基酸种类、数目和排列顺序等实现蛋白质结构的改良，进一步推演mRNA序列、改造基因结构。 同时介绍蛋白质结构与功能改造所需要依赖的的工具，例如X射线衍射技术——分析蛋白质晶体结构；晶体学技术——获得蛋白质的结晶体；计算机技术——建立蛋白质三维结构模型等。 【任务二】拓展思考：若经过计算机模拟发现，将F Ⅷ的A2区272位的谷氨酸替换为丙氨酸，可提高凝血活性与热稳定性。请尝试模拟基因序列的推演过程。（思考2分钟） 【教师讲解】明确目的序列后，可通过人工化学合成或在原基因基础上改造（如：基因定点突变技术等）来获得改造的目的基因。详细介绍定点突变中的重叠延伸技术，如图示： 【任务三】新知建构：教师梳理案例中从发现问题到解决问题的过程： 1、基因工程的局限性： （1）只能产生自然界已经存在的蛋白质； （2）天然蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要 2、蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系的研究 3、提出蛋白质结构改造思路 4、改造编码的基因结构 5、通过基因工程技术实现蛋白质的生产 根据上述梳理，尝试归纳蛋白质工程的概念。（思考20秒） 【教师归纳】蛋白质工程的概念：以蛋白质分子的结构规律及其生物功能关系作为基础，通过设计和改造基因，从而改变氨基酸序列，最终获得特定功能的蛋白质，以满足人类生产和生活需要。 与基因工程的联系：蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。 【拓展】近30年以来，科研人员不断地对FⅧ的蛋白质结构进行改良与探索，实现了改良型重组F Ⅷ在产量和稳定性上的较大提升。2021年7月，首款国产改良型“重组人凝血因子Ⅷ”获批上市，为大量血友病患者带去福音。 【蛋白质工程的应用与发展】 一、医疗领域：稳定性更高的干扰素、降低排异反应的人鼠嵌合抗体； 二、其他领域：以绿色荧光蛋白为基础改造的各色荧光蛋白；将蛋白酶改造为更好用的洗涤添加剂； 三、蛋白质从头设计：2018年美国华盛顿州大学的David Baker教授在杂志《Science》上发文实现了荧光激活的β-桶蛋白的从头设计。 这都显示着蛋白质工程为生产生活提供了诸多利好，蛋白质工程的发展前景十分广阔。 【课后任务】收集资料，了解更多蛋白质工程的应用实例，并基于蛋白质工程的基本概念和原理，表明自己的观点并展开讨论。