第四节 基因工程的发展前景
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课件15张PPT。第四节 基因工程的发展前景一、基因工程的应用1、动植物的遗传育种
2、疾病防治
3、生态环境保护4、光合作用和生物固氮5、蛋白质工程6、人类基因组科学、发育生物学、神经生物学二、科学家在基因工程方面的最新尝试
1、光合作用（1）什么是光合作用？（2）如何提高光合效率？内因：
外因：色素、酶光照、二氧化碳、矿质元素、水（3）以上哪些可通过基因工程来实现提高光合效率？二、科学家在基因工程方面的最新尝试
1、光合作用二磷酸核酮糖羧化酶功能；
改造方向：
结果：通过羧化作用固定二氧化碳，
催化底物加氧反应提高该酶的羧化酶活性
降低其加氧酶活性提高植物对二氧化碳的固定速率二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶可以催化二磷酸核酮糖与二氧化碳的羧化反应或与氧气的氧化反应。二、科学家在基因工程方面的最新尝试
2、生物固氮（2）生物固氮由哪些生物来完成？（1）氮元素在植物细胞中有何作用？（3）生物固氮有何意义？（4）如何应用基因工程让非豆科植物能固氮？（5）为什么科学家尚未培育出有固氮能力的豆科植物？二、科学家在基因工程方面的最新尝试
3、生物反应器（1）什么是生物反应器？用来生产蛋白质药物（包括疫苗）的动植物（2）已获得哪些成就？二、科学家在基因工程方面的最新尝试
4、蛋白质工程（第二代基因工程）
（1）定义：
（2）蛋白质工程与基因工程的异同利用基因工程技术对天然蛋白质进行改造，以便获得具有理想生物学功能的蛋白质相同点：
不同点：两者都是分子水平的操作合成自然界不存在的蛋白质天然存在的蛋白质改造基因目的基因导入受体细胞并表达对现有蛋白质进行改造，对创造新的蛋白质还未成功已被广泛应用二、科学家在基因工程方面的最新尝试
4、蛋白质工程（第二代基因工程）（3）优点：
（4）实例：提高蛋白质的活性、稳定性、产率提高T4溶菌酶的热稳定性点突变异亮氨酸
半胱氨酸二硫键1．水蛭素改造
水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。2、干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素的抗病毒活性为106 U/mg，只相当于天然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的β-干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，β-干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸（第17位、31位和141位），推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第17位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产的β-干扰素的抗病性活性提高到108 U/mg，并且比天然β-干扰素的贮存稳定性高很多。三、基因工程的未来1．基因工程与蛋白质工程的区别是 （ ）
A．基因工程合成的是天然的蛋白质，蛋白质工程合成的不一定是天然存在的蛋白质
B．基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程不对基因进行操作
C．基因工程是分子水平操作，蛋白质工程是细胞水平（或性状水平）
D．基因工程完全不同于蛋白质工程A 结束 根瘤菌：原核单细胞代谢类型是异养需氧型侵入豆科作物根部后不断繁殖可刺激根薄壁细胞分裂、组织膨大成根瘤
2、疾病防治
3、生态环境保护4、光合作用和生物固氮5、蛋白质工程6、人类基因组科学、发育生物学、神经生物学二、科学家在基因工程方面的最新尝试
1、光合作用（1）什么是光合作用？（2）如何提高光合效率？内因：
外因：色素、酶光照、二氧化碳、矿质元素、水（3）以上哪些可通过基因工程来实现提高光合效率？二、科学家在基因工程方面的最新尝试
1、光合作用二磷酸核酮糖羧化酶功能；
改造方向：
结果：通过羧化作用固定二氧化碳，
催化底物加氧反应提高该酶的羧化酶活性
降低其加氧酶活性提高植物对二氧化碳的固定速率二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶可以催化二磷酸核酮糖与二氧化碳的羧化反应或与氧气的氧化反应。二、科学家在基因工程方面的最新尝试
2、生物固氮（2）生物固氮由哪些生物来完成？（1）氮元素在植物细胞中有何作用？（3）生物固氮有何意义？（4）如何应用基因工程让非豆科植物能固氮？（5）为什么科学家尚未培育出有固氮能力的豆科植物？二、科学家在基因工程方面的最新尝试
3、生物反应器（1）什么是生物反应器？用来生产蛋白质药物（包括疫苗）的动植物（2）已获得哪些成就？二、科学家在基因工程方面的最新尝试
4、蛋白质工程（第二代基因工程）
（1）定义：
（2）蛋白质工程与基因工程的异同利用基因工程技术对天然蛋白质进行改造，以便获得具有理想生物学功能的蛋白质相同点：
不同点：两者都是分子水平的操作合成自然界不存在的蛋白质天然存在的蛋白质改造基因目的基因导入受体细胞并表达对现有蛋白质进行改造，对创造新的蛋白质还未成功已被广泛应用二、科学家在基因工程方面的最新尝试
4、蛋白质工程（第二代基因工程）（3）优点：
（4）实例：提高蛋白质的活性、稳定性、产率提高T4溶菌酶的热稳定性点突变异亮氨酸
半胱氨酸二硫键1．水蛭素改造
水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。2、干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素的抗病毒活性为106 U/mg，只相当于天然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的β-干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，β-干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸（第17位、31位和141位），推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第17位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产的β-干扰素的抗病性活性提高到108 U/mg，并且比天然β-干扰素的贮存稳定性高很多。三、基因工程的未来1．基因工程与蛋白质工程的区别是 （ ）
A．基因工程合成的是天然的蛋白质，蛋白质工程合成的不一定是天然存在的蛋白质
B．基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程不对基因进行操作
C．基因工程是分子水平操作，蛋白质工程是细胞水平（或性状水平）
D．基因工程完全不同于蛋白质工程A 结束 根瘤菌：原核单细胞代谢类型是异养需氧型侵入豆科作物根部后不断繁殖可刺激根薄壁细胞分裂、组织膨大成根瘤