1.1 基因工程
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(共22张PPT)
1.1 基因工程
基因工程
豆科植物的根瘤能够固定空气中的氮
资料一：目前，全球的氮肥生产耗费世界总电力的3%-4%，且农作物只能吸收氮肥的1/10,造成了大面积土壤和水质的污染。
资料分析引入
基因工程
蜘蛛能够吐出蛛丝
资料二：蛛丝是自然界最奇特的物质之一，它具有极强的韧度，其韧度是同样直径钢材的好几倍。但与家蚕不同，蜘蛛不能家养，因为它们会互相吞食，所以不可能建立人工饲养蜘蛛的农场。30多年来，科学家们一直试图找到利用其他生物体来制造蛛丝的办法。
基因工程
资料三
以往，治疗糖尿病的胰岛素是从动物胰腺中提取的，从100千克猪、牛等动物的胰腺只能提取3－4克胰岛素，治疗一个患者需宰杀40－50头牛，这种药物的造价就可想而知了。
微生物可以有分泌产物，且微生物繁殖速率快
设想1.能否让禾本科植物能够固定空气中的氮气？
设想2.能否让细菌“吐出”蛛丝？
设想3.能否让微生物生产出人的胰岛素、干扰素等药物？
经过多年的努力，科学家于20世纪70年代创立了可以定向改造生物的新技术——基因工程。
基因工程
概念：
基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。这种技术是在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合， 然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物。
剪切
拼接
导入
表达
基因工程的原理
提取目的基因
目的基因与运载体结合
目的基因导入受体细胞
目的基因表达
分离出质粒并用限制酶进行切割
基因工程是在分子水平的设计和施工，需要有专门的工具，生物体内有哪些专门的工具呢？
基因工程的工具
(1) 基因的剪刀 限制性核酸内切酶
限制性内切酶主要存在于微生物中，一种限制性内切酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定切点上切割DNA分子。目前已发现的限制酶有200多种。
G
A A T T C
G
C T T A A
（黏性末端）
（黏性末端）
基因工程的工具
(2) 基因的针线 DNA连接酶
其作用可将具有末端碱基互补的2个DNA片段连接在一起，即可将外源基因和载体DNA连接在一起。
G
A A T T C
G
C T T A A
外源基因
载体DNA
？ 基因进行了切割以后就有了切口，怎样才能将有切口的基因与其他基因缝合在一起呢？
基因工程的工具
(3) 基因的运输工具 运载体
作用：将目的基因送入受体细胞。
运载体具备的条件：
能在宿主细胞中复制并稳定地保存；
具有多个酶切点以便与外源基因连接；
具有某些标记基因，便于进行筛选。
常用的运载体：质粒、噬菌体和动植物病毒
？如何将外源基因送入受体细胞？
质粒
大肠杆菌质粒的分子结构示意图
电镜下质粒形态
质粒的结构特点
细胞拟核之外的小的环状DNA分子。
借宿于细菌、霉菌、酵母菌等细胞里，对细胞的正常生活几乎没有影响。
能够自主复制。
可以容易地从细胞中取出或放入。
这些特点使它能够胜任运载体的工作，携带目的基因进入细胞。
基因工程操作的工具
将目的基因片断从人体细胞内提取，
需要基因的剪刀——限制性内切酶。
将目的基因与运载体DNA连接，
需要基因的针线——DNA连接酶。
将目的基因运入大肠杆菌，
需要基因的运输工具——运载体。
基因工程的基本步骤
提取目的基因
目的基因与运载体结合
目的基因导入受体细胞
目的基因表达
分离出质粒并用限制酶进行切割
基因工程的基本步骤
1、提取目的基因
（1）从供体细胞DNA直接分离基因
① 常用方法：“鸟枪法”
② 具体做法
供体DNA
限制酶切割
DNA片段
运载体
受体细胞
DNA扩增
分离出带目的基因的DNA片段
③ 优点：操作简单
④ 缺点：工作量大，具一定盲目性
基因工程的基本步骤
（2）人工合成基因
① 反转录法：
目的基因转录的mRNA
逆转录
单链DNA
双链DNA
② 由已知的氨基酸序列合成DNA：
蛋白质的氨基酸序列
推测
mRNA序列
推测
结构基因的核苷酸序列
合成目的基因
基因工程的基本步骤
2、目的基因与运载体结合
带目的基因的DNA
质粒
相同限制酶切割
质粒与目的基因黏性末端相同
DNA连接酶
带目的基因的重组质粒
3、将目的基因导入受体细胞
（1）常用的受体细胞：大肠杆菌、枯草杆菌、土
壤农杆菌、酵母菌和动植
物细胞等。
（2）主要方法：用质粒、细菌或病毒侵染细胞
基因工程的基本步骤
4、目的基因的检测和表达
（1）为什么要检测
能够摄入重组DNA分子的受体细胞很少。
（2）检测什么
受体细胞是否有目的基因的导入
（3）表达
通过特定性状的产生与否来确定目的基因是否表达。
基因操作的基本步骤
提取目的基因
目的基因与运载体结合
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测和表达
归纳：
如何让大肠杆菌生产人胰岛素？
①从细胞中分离出DNA
①
②
③
④
⑤
⑥
②限制酶截取DNA片断
③分离大肠杆菌中的质粒
④ DNA重组
⑤用重组质粒转化大肠杆菌
⑥培养大肠杆菌克隆大量基因
1.1 基因工程
基因工程
豆科植物的根瘤能够固定空气中的氮
资料一：目前，全球的氮肥生产耗费世界总电力的3%-4%，且农作物只能吸收氮肥的1/10,造成了大面积土壤和水质的污染。
资料分析引入
基因工程
蜘蛛能够吐出蛛丝
资料二：蛛丝是自然界最奇特的物质之一，它具有极强的韧度，其韧度是同样直径钢材的好几倍。但与家蚕不同，蜘蛛不能家养，因为它们会互相吞食，所以不可能建立人工饲养蜘蛛的农场。30多年来，科学家们一直试图找到利用其他生物体来制造蛛丝的办法。
基因工程
资料三
以往，治疗糖尿病的胰岛素是从动物胰腺中提取的，从100千克猪、牛等动物的胰腺只能提取3－4克胰岛素，治疗一个患者需宰杀40－50头牛，这种药物的造价就可想而知了。
微生物可以有分泌产物，且微生物繁殖速率快
设想1.能否让禾本科植物能够固定空气中的氮气？
设想2.能否让细菌“吐出”蛛丝？
设想3.能否让微生物生产出人的胰岛素、干扰素等药物？
经过多年的努力，科学家于20世纪70年代创立了可以定向改造生物的新技术——基因工程。
基因工程
概念：
基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。这种技术是在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合， 然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物。
剪切
拼接
导入
表达
基因工程的原理
提取目的基因
目的基因与运载体结合
目的基因导入受体细胞
目的基因表达
分离出质粒并用限制酶进行切割
基因工程是在分子水平的设计和施工，需要有专门的工具，生物体内有哪些专门的工具呢？
基因工程的工具
(1) 基因的剪刀 限制性核酸内切酶
限制性内切酶主要存在于微生物中，一种限制性内切酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定切点上切割DNA分子。目前已发现的限制酶有200多种。
G
A A T T C
G
C T T A A
（黏性末端）
（黏性末端）
基因工程的工具
(2) 基因的针线 DNA连接酶
其作用可将具有末端碱基互补的2个DNA片段连接在一起，即可将外源基因和载体DNA连接在一起。
G
A A T T C
G
C T T A A
外源基因
载体DNA
？ 基因进行了切割以后就有了切口，怎样才能将有切口的基因与其他基因缝合在一起呢？
基因工程的工具
(3) 基因的运输工具 运载体
作用：将目的基因送入受体细胞。
运载体具备的条件：
能在宿主细胞中复制并稳定地保存；
具有多个酶切点以便与外源基因连接；
具有某些标记基因，便于进行筛选。
常用的运载体：质粒、噬菌体和动植物病毒
？如何将外源基因送入受体细胞？
质粒
大肠杆菌质粒的分子结构示意图
电镜下质粒形态
质粒的结构特点
细胞拟核之外的小的环状DNA分子。
借宿于细菌、霉菌、酵母菌等细胞里，对细胞的正常生活几乎没有影响。
能够自主复制。
可以容易地从细胞中取出或放入。
这些特点使它能够胜任运载体的工作，携带目的基因进入细胞。
基因工程操作的工具
将目的基因片断从人体细胞内提取，
需要基因的剪刀——限制性内切酶。
将目的基因与运载体DNA连接，
需要基因的针线——DNA连接酶。
将目的基因运入大肠杆菌，
需要基因的运输工具——运载体。
基因工程的基本步骤
提取目的基因
目的基因与运载体结合
目的基因导入受体细胞
目的基因表达
分离出质粒并用限制酶进行切割
基因工程的基本步骤
1、提取目的基因
（1）从供体细胞DNA直接分离基因
① 常用方法：“鸟枪法”
② 具体做法
供体DNA
限制酶切割
DNA片段
运载体
受体细胞
DNA扩增
分离出带目的基因的DNA片段
③ 优点：操作简单
④ 缺点：工作量大，具一定盲目性
基因工程的基本步骤
（2）人工合成基因
① 反转录法：
目的基因转录的mRNA
逆转录
单链DNA
双链DNA
② 由已知的氨基酸序列合成DNA：
蛋白质的氨基酸序列
推测
mRNA序列
推测
结构基因的核苷酸序列
合成目的基因
基因工程的基本步骤
2、目的基因与运载体结合
带目的基因的DNA
质粒
相同限制酶切割
质粒与目的基因黏性末端相同
DNA连接酶
带目的基因的重组质粒
3、将目的基因导入受体细胞
（1）常用的受体细胞：大肠杆菌、枯草杆菌、土
壤农杆菌、酵母菌和动植
物细胞等。
（2）主要方法：用质粒、细菌或病毒侵染细胞
基因工程的基本步骤
4、目的基因的检测和表达
（1）为什么要检测
能够摄入重组DNA分子的受体细胞很少。
（2）检测什么
受体细胞是否有目的基因的导入
（3）表达
通过特定性状的产生与否来确定目的基因是否表达。
基因操作的基本步骤
提取目的基因
目的基因与运载体结合
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测和表达
归纳：
如何让大肠杆菌生产人胰岛素？
①从细胞中分离出DNA
①
②
③
④
⑤
⑥
②限制酶截取DNA片断
③分离大肠杆菌中的质粒
④ DNA重组
⑤用重组质粒转化大肠杆菌
⑥培养大肠杆菌克隆大量基因