資源簡介

第3節(jié)　基因工程的應(yīng)用
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.基于基因工程在農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和食品工業(yè)應(yīng)用的實(shí)例,說明基因工程給社會(huì)帶來的巨大進(jìn)步。(科學(xué)思維)
2.基于基因工程在各方面發(fā)展的前景,參與推廣和應(yīng)用基因工程產(chǎn)品的討論,理性看待基因工程的安全性。(社會(huì)責(zé)任)
【自主預(yù)習(xí)】
一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用
主要應(yīng)用 主要過程
轉(zhuǎn)基因抗蟲植物 從某些生物中分離出具有　抗蟲功能　的基因,將它導(dǎo)入作物中培育出具有抗蟲性的作物
轉(zhuǎn)基因抗病植物 將某些病毒、真菌等的抗病基因?qū)胫参镏?培育出了轉(zhuǎn)基因抗病植物
轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物 將降解或抵抗某種除草劑的基因?qū)胱魑?可以培育出抗除草劑的作物品種
改良植物品質(zhì) 將必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因,導(dǎo)入植物中以提高氨基酸的含量;將與植物　花青素代謝　相關(guān)的基因?qū)氚珷颗Ｖ?使它呈現(xiàn)出自然界沒有的顏色
提高動(dòng)物生長速率 將　外源生長激素　基因?qū)雱?dòng)物體內(nèi),以提高動(dòng)物的生長速率
改善畜產(chǎn)品品質(zhì) 將　腸乳糖酶　基因?qū)肽膛；蚪M,使獲得的乳汁中乳糖的含量大大降低
二、基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用
應(yīng)用 基因來源或處理 成果
轉(zhuǎn)基因微生物或動(dòng)植物細(xì)胞生產(chǎn)藥物 對(duì)微生物或動(dòng)植物的細(xì)胞進(jìn)行　基因　改造 生產(chǎn)包括細(xì)胞因子、抗體、疫苗和激素等的藥物
乳腺(或乳房)生物反應(yīng)器生產(chǎn)藥物 　藥用蛋白　基因+乳腺中特異表達(dá)的基因的　啟動(dòng)子　 生產(chǎn)抗凝血酶、血清白蛋白、生長激素和α-抗胰蛋白酶等
轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作器官移植的供體 抑制　抗原決定　基因的表達(dá)或除去　抗原決定　基因 結(jié)合克隆技術(shù)培育出不會(huì)引起　免疫排斥　反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因克隆豬器官
三、基因工程在食品工業(yè)方面的應(yīng)用
1.生產(chǎn)食品工業(yè)用酶、氨基酸和維生素等。
2.基因工程大規(guī)模生產(chǎn)天冬氨酸和苯丙氨酸,制造甜味劑。
3.將　編碼牛凝乳酶　的基因?qū)氪竽c桿菌、黑曲霉或酵母菌的基因組中,生產(chǎn)凝乳酶。
四、其他應(yīng)用
培育出可以降解多種污染物的“超級(jí)細(xì)菌”來處理環(huán)境污染;利用經(jīng)過基因改造的微生物來生產(chǎn)能源。
【合作探究】
任務(wù)1　基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用
活動(dòng)1　基因工程應(yīng)用的前景
基因工程常應(yīng)用于提高植物的抗逆能力,下圖表示抗蟲棉的培育過程,請(qǐng)思考回答下列問題:
1.圖中序號(hào)①和②代表的含義是什么
提示　①代表抗蟲基因,②代表基因表達(dá)載體。
2.抗蟲棉能抗病毒、細(xì)菌和真菌嗎 為什么
提示　不能。抗蟲基因具有專一性。
3.經(jīng)上述過程培育的抗蟲棉能否取得最后的成功,最簡單的檢測(cè)方法是什么
提示　做抗蟲實(shí)驗(yàn),讓害蟲吃轉(zhuǎn)基因棉花的植株,觀察害蟲的生存狀況。
4.從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā),分析轉(zhuǎn)基因抗蟲棉與普通棉花相比在害蟲防治方面的優(yōu)越性有哪些
提示　減少了化學(xué)農(nóng)藥的使用量,降低了環(huán)境污染。
5.種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉若干年后,害蟲會(huì)不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉產(chǎn)生抗性 為什么
提示　會(huì)。害蟲會(huì)因遺傳物質(zhì)發(fā)生改變產(chǎn)生對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的抗性。
6.為提高動(dòng)物的生長速度,需將外源胰島素基因?qū)雱?dòng)物體內(nèi),應(yīng)該選擇的受體細(xì)胞是什么 并說明理由。
提示　受精卵。受精卵體積較大,操作較容易,營養(yǎng)物質(zhì)含量豐富,也能保證發(fā)育成的個(gè)體的所有細(xì)胞都含有外源胰島素基因,全能性較高。
例1　(改編)下列有關(guān)基因工程的成果及應(yīng)用的說法,錯(cuò)誤的是(　　)。
A.轉(zhuǎn)基因抗蟲、抗病植物的種植減少了農(nóng)藥的使用
B.基因工程在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用主要是培育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、品質(zhì)優(yōu)良和具有抗逆性的農(nóng)作物
C.通過基因工程技術(shù)可培育多種轉(zhuǎn)基因抗蟲植物
D.將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M可使奶牛腸道表達(dá)腸乳糖酶,從而改善牛奶品質(zhì)
【答案】　D
【解析】　基因工程中轉(zhuǎn)基因抗蟲、抗病植物的種植減少了農(nóng)藥的使用,有利于降低生產(chǎn)成本,減少農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染,A正確;基因工程的應(yīng)用很廣泛,基因工程在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用主要是培育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、品質(zhì)優(yōu)良和具有抗逆性的農(nóng)作物,B正確;通過基因工程技術(shù)可培育多種轉(zhuǎn)基因抗蟲植物,C正確;可將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M,使其乳腺表達(dá)腸乳糖酶,從而改善牛奶品質(zhì),而不是在腸道中表達(dá)該基因,D錯(cuò)誤。
對(duì)點(diǎn)練1　(改編)下列有關(guān)基因工程的敘述,錯(cuò)誤的是(　　)。
A.科學(xué)家將外源生長激素基因轉(zhuǎn)入動(dòng)物體內(nèi),能培育出生長迅速的轉(zhuǎn)基因家禽
B.將某些抗病毒的基因?qū)雱?dòng)物體內(nèi),培育出能抵抗所有病毒的動(dòng)物新品種
C.將Bt基因?qū)朊藁w細(xì)胞所獲得的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉可將抗蟲基因遺傳給子代
D.科學(xué)家利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)抑制番茄中乙烯形成酶的活性,能培育出轉(zhuǎn)基因耐儲(chǔ)藏番茄
【答案】　B
【解析】　生長激素能夠促進(jìn)動(dòng)物生長,科學(xué)家將外源生長激素基因?qū)雱?dòng)物體內(nèi),能培育出生長迅速的轉(zhuǎn)基因家禽,A正確;科學(xué)家將某些病毒的基因?qū)雱?dòng)物體內(nèi),其編碼外源性抗原的基因在動(dòng)物體內(nèi)中表達(dá)抗原蛋白,誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答,增強(qiáng)了動(dòng)物體的免疫功能,成功的培育出了抵抗相應(yīng)病毒的動(dòng)物新品種,但不能抵抗所有病毒,B錯(cuò)誤;將Bt基因?qū)朊藁w細(xì)胞所獲得的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉,因Bt基因插入了轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的基因組中,所以轉(zhuǎn)基因抗蟲棉體內(nèi)的Bt基因可以通過有性生殖遺傳給子代,C正確;乙烯能夠促進(jìn)果實(shí)成熟,而科學(xué)家利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)抑制番茄中乙烯形成酶的活性,培育出了轉(zhuǎn)基因耐儲(chǔ)藏番茄,D正確。
活動(dòng)2　目的基因的選擇
1.在植物基因工程的應(yīng)用中,你了解的目的基因有哪些
提示　抗蟲基因有Bt抗蟲蛋白基因;抗病基因有抗病毒基因和抗真菌基因;抗逆基因有調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓的基因、抗除草劑基因;優(yōu)良基因有必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因、植物花青素代謝有關(guān)的基因。
2.在動(dòng)物基因工程的應(yīng)用中,你了解的目的基因有哪些
提示　生長基因有外源生長激素基因;優(yōu)良基因有腸乳糖酶基因;用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物的基因有藥用蛋白基因;用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作器官移植的供體的有抑制或除去抗原決定基因。
3.結(jié)合你了解的目的基因,試歸納目的基因的來源和特點(diǎn)。
提示　目的基因是來自其他生物的能表現(xiàn)出優(yōu)良性狀的外源基因。
例2　(2022·鄭州期中)基因工程操作中,需要篩選和獲取目的基因。下列關(guān)于目的基因的說法,不正確的是(　　)。
A.目的基因是指用于改變受體細(xì)胞性狀或獲得預(yù)期表達(dá)產(chǎn)物等的基因
B.目的基因都有自我復(fù)制能力
C.可以根據(jù)相應(yīng)的表達(dá)產(chǎn)物,從序列數(shù)據(jù)庫中尋找目的基因
D.目的基因可以人工合成,也可以利用PCR快速獲取或擴(kuò)增
【答案】　B
【解析】　目的基因主要是能合成相關(guān)蛋白質(zhì)的基因,如胰島素基因,也可以是調(diào)控因子,A正確;目的基因通常不具有自我復(fù)制能力,B不正確;我們可以根據(jù)目的基因的堿基序列、功能、表達(dá)產(chǎn)物等信息,從基因文庫中尋找目的基因,C正確;目的基因可以人工合成(如DNA合成儀合成目的基因),也可以利用PCR快速獲取或擴(kuò)增,D正確。
知識(shí)拓展　　目的基因在轉(zhuǎn)基因生物中的作用
1.Bt抗蟲蛋白基因表達(dá)的Bt抗蟲蛋白被分解成多肽后,多肽與害蟲腸上皮細(xì)胞的特異性受體結(jié)合,導(dǎo)致細(xì)胞膜穿孔,最后造成害蟲死亡;植物凝集素基因表達(dá)的植物凝集素為糖蛋白,與害蟲腸黏膜結(jié)合,影響其營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用。
2.轉(zhuǎn)病毒外殼蛋白基因植物、轉(zhuǎn)病毒復(fù)制酶基因植物具有抗病毒作用;轉(zhuǎn)幾丁質(zhì)酶基因植物、轉(zhuǎn)抗毒素合成基因植物具有抗真菌作用。
3.轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓基因植物能通過改變細(xì)胞內(nèi)滲透壓,提高其抗鹽堿、抗旱能力;轉(zhuǎn)抗凍蛋白基因植物耐寒能力提高;轉(zhuǎn)抗除草劑基因植物抗除草劑。
4.轉(zhuǎn)必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因植物控制合成的蛋白質(zhì)含必需氨基酸多;轉(zhuǎn)控制果實(shí)成熟的基因延遲番茄成熟,有利于番茄的保鮮和長距離運(yùn)輸;轉(zhuǎn)與花青素代謝有關(guān)的基因植物改變花瓣的顏色,用于花卉栽培。
5.轉(zhuǎn)生長激素基因動(dòng)物能促進(jìn)生長,提高生長速度;腸乳糖酶基因能改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)。
對(duì)點(diǎn)練2　(2023·咸陽期末)基因工程自20世紀(jì)70年代興起以來,在農(nóng)牧業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。下列關(guān)于基因工程應(yīng)用的敘述,正確的是(　　)。
A.我國科學(xué)家培育的Bt抗蟲蛋白轉(zhuǎn)基因抗蟲棉對(duì)所有害蟲都具有較強(qiáng)的抗性
B.我國科學(xué)家將賴氨酸合成酶基因?qū)胗衩?獲得富含賴氨酸的轉(zhuǎn)基因玉米
C.我國科學(xué)家將乙烯合成相關(guān)基因?qū)敕?獲得的延熟番茄儲(chǔ)存時(shí)間大大延長
D.我國科學(xué)家將花青素代謝相關(guān)基因?qū)氚珷颗?獲得極具觀賞價(jià)值的矮牽牛
【答案】　D
【解析】　Bt抗蟲蛋白是蘇云金芽孢桿菌分泌的一種抗蟲蛋白,分解為多肽后能與害蟲腸上皮細(xì)胞上的特異性受體結(jié)合,導(dǎo)致細(xì)胞膜穿孔,造成害蟲死亡,主要針對(duì)棉鈴蟲,并不是對(duì)所有抗蟲都有較強(qiáng)的抗性,A錯(cuò)誤;我國科學(xué)家將富含賴氨酸的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胗衩?獲得富含賴氨酸的轉(zhuǎn)基因玉米,B錯(cuò)誤;乙烯會(huì)促進(jìn)果實(shí)成熟,將乙烯合成相關(guān)基因?qū)敕?獲得的番茄儲(chǔ)存時(shí)間將縮短,C錯(cuò)誤;我國科學(xué)家將花青素代謝相關(guān)基因?qū)氚珷颗?獲得極具觀賞價(jià)值的矮牽牛,D正確。
任務(wù)2　基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用
活動(dòng)3　探討幾種生產(chǎn)藥物的方式
1.通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)生產(chǎn)的藥物有什么特點(diǎn)
提示　細(xì)胞因子、抗體、疫苗和激素等,以蛋白質(zhì)類藥物為主。
2.利用工程菌生產(chǎn)的藥物蛋白可能沒有活性,為什么
提示　細(xì)菌屬于原核生物,細(xì)胞內(nèi)沒有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等細(xì)胞器,核糖體合成的肽鏈不能被進(jìn)一步加工和包裝,因而產(chǎn)生的藥物蛋白可能沒有活性。
3.在構(gòu)建乳腺生物反應(yīng)器的相應(yīng)基因表達(dá)載體時(shí),為什么要把藥用蛋白基因與乳腺中特異表達(dá)的基因的啟動(dòng)子等調(diào)控元件重組在一起
提示　只有連接了乳腺中特異表達(dá)的基因的啟動(dòng)子,才能保證相應(yīng)的目的基因只在乳腺細(xì)胞中表達(dá)。
4.動(dòng)物乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)藥物有什么限制
提示　受動(dòng)物性別以及是否處于泌乳期的限制。
5.為解決乳腺生物反應(yīng)器的局限,科學(xué)家研制了膀胱生物反應(yīng)器,構(gòu)建基因表達(dá)載體時(shí)應(yīng)如何操作
提示　將目的基因與膀胱組織中特異表達(dá)的基因的啟動(dòng)子等調(diào)控元件重組在一起。
認(rèn)知生成
乳腺生物反應(yīng)器與工程菌生產(chǎn)藥物的區(qū)別
比較內(nèi)容 乳腺生物反應(yīng)器 工程菌
含義 指外源基因在哺乳動(dòng)物的乳腺中特異表達(dá),利用動(dòng)物的乳腺組織生產(chǎn)藥物蛋白 指用基因工程的方法,使外源基因得到高效表達(dá)的菌類
受體基因結(jié) 構(gòu)與人類基 因結(jié)構(gòu)差異 動(dòng)物基因結(jié)構(gòu)與人類的基因結(jié)構(gòu)基本相同 細(xì)菌等原核生物的基因結(jié)構(gòu)與人類有較大差異
基因表達(dá) 合成的藥物蛋白與天然蛋白質(zhì)相同 細(xì)菌等原核生物合成的藥物蛋白可能沒有活性
受體細(xì)胞 哺乳動(dòng)物的受精卵 微生物細(xì)胞
目的基因 導(dǎo)入方式 顯微注射法 Ca2+處理法
生產(chǎn)條件 無須嚴(yán)格滅菌;溫度等外界條件對(duì)其影響不大 需要嚴(yán)格滅菌,嚴(yán)格控制工程菌所需的溫度、pH、營養(yǎng)物質(zhì)濃度等外界條件
藥物提取 從哺乳動(dòng)物乳汁中提取 從微生物細(xì)胞或其培養(yǎng)液中提取
生產(chǎn)設(shè)備 畜牧業(yè)生產(chǎn)、提取設(shè)備 發(fā)酵罐
例3　(2022·石家莊期中)W是一種具有特定功能的人體蛋白質(zhì)。某學(xué)習(xí)小組利用膀胱生物反應(yīng)器制備W的過程如下圖,下列有關(guān)說法不正確的是(　　)。
A.步驟①構(gòu)建的重組表達(dá)載體上應(yīng)有供重組DNA的鑒定和選擇的標(biāo)記基因
B.步驟②可以使用顯微注射技術(shù)
C.膀胱生物反應(yīng)器與乳腺生物反應(yīng)器相比具有不受年齡和性別限制等優(yōu)點(diǎn)
D.W基因只在轉(zhuǎn)基因動(dòng)物膀胱細(xì)胞中存在并表達(dá)
【答案】　D
【解析】　標(biāo)記基因是一種已知功能或已知序列的基因,能夠起著特異性標(biāo)記的作用,表達(dá)載體上應(yīng)該有標(biāo)記基因,以便于后期重組載體的篩選,A正確;步驟②是將重組載體導(dǎo)入到受精卵,顯微注射技術(shù)常用于將目的基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞,B正確;乳腺生物反應(yīng)器要求性別是雌性、年齡適宜,膀胱生物反應(yīng)器沒有這些要求,C正確;W基因?qū)氲绞芫阎蝎@得的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物,在所有體細(xì)胞中都有W基因,但只在轉(zhuǎn)基因動(dòng)物膀胱細(xì)胞中表達(dá),D不正確。
對(duì)點(diǎn)練3　(2023·菏澤期末)紅細(xì)胞生成素(EPO)是人體內(nèi)促進(jìn)紅細(xì)胞生成的一種糖蛋白,可用于治療腎衰性貧血等疾病。由于天然EPO來源極為有限,某科研團(tuán)隊(duì)采用基因工程培育轉(zhuǎn)基因羊作為乳腺生物反應(yīng)器,使其能合成EPO。下列說法錯(cuò)誤的是(　　)。
A.用顯微注射技術(shù)將含EPO基因的表達(dá)載體導(dǎo)入羊的乳腺細(xì)胞中,可得到乳腺生物反應(yīng)器
B.構(gòu)建基因表達(dá)載體時(shí),需將EPO基因與乳腺蛋白基因的啟動(dòng)子重組在一起
C.該轉(zhuǎn)基因羊中的EPO基因可在羊的乳腺細(xì)胞中表達(dá)
D.可通過PCR技術(shù)檢測(cè)EPO基因是否插入山羊基因組
【答案】　A
【解析】　用顯微注射技術(shù)將含EPO基因的表達(dá)載體導(dǎo)入羊的受精卵中,可得到乳腺生物反應(yīng)器,A錯(cuò)誤;在構(gòu)建基因表達(dá)載體時(shí),需要將EPO基因和乳腺蛋白基因的啟動(dòng)子等調(diào)控組件重組在一起,這樣才能使目的基因只在乳腺組織中表達(dá),B正確;EPO基因與乳腺蛋白基因的啟動(dòng)子重組在一起,可以在羊的乳腺細(xì)胞中表達(dá),其他細(xì)胞中不表達(dá),C正確;目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞后,能否穩(wěn)定維持和表達(dá)其遺傳特性,只有通過檢測(cè)與鑒定才能知道。可通過PCR技術(shù)檢測(cè)EPO基因是否插入山羊基因組,D正確。
【隨堂檢測(cè)】
課堂小結(jié) 課堂小測(cè)
1.農(nóng)業(yè)害蟲不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲作物產(chǎn)生抗性。 (×) 提示　害蟲仍會(huì)對(duì)抗蟲作物產(chǎn)生抗性。 2.轉(zhuǎn)基因抗蟲植物也可以抵抗各種植物疾病。 (×) 提示　轉(zhuǎn)基因抗蟲植物只能抵抗害蟲,而不能抵抗其他各種植物疾病。 3.培育轉(zhuǎn)基因抗病植物的目的基因主要來源于病毒、真菌。 (√) 4.基因工程中,要培育轉(zhuǎn)基因植物和動(dòng)物,選用的受體細(xì)胞都是受精卵。 (×) 提示　培育轉(zhuǎn)基因動(dòng)物時(shí),所選用的受體細(xì)胞一般是受精卵;培育轉(zhuǎn)基因植物時(shí),所選用的受體細(xì)胞可以是受精卵,也可以是體細(xì)胞。 5.利用工程菌可生產(chǎn)人的胰島素等某些激素。 (√) 6.乳腺生物反應(yīng)器就是把藥用蛋白基因?qū)雱?dòng)物的乳腺細(xì)胞中。 (×) 提示　應(yīng)把藥用蛋白基因與乳腺中特異表達(dá)的基因的啟動(dòng)子等調(diào)控元件重組在一起,通過顯微注射法導(dǎo)入哺乳動(dòng)物的受精卵中。 7.由大腸桿菌工程菌獲得的人的干擾素可直接使用。(×)
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