3.3基因工程的应用 课件 2023—2024学年高二下学期生物人教版选择性必修3

3.3 基因工程的应用 选择性必修3 生物技术与工程 引入 1982年科学家将外源生长激素基因导入小鼠受精卵中，获得比普通小鼠生长速度快2-4倍，体形大一倍的转基因“硕鼠” 基因工程在农牧业方面的应用 1．转基因抗虫植物 转基因抗虫玉米（上方）与对照（被害虫侵害的玉米） 转基因抗虫水稻（绿色植株）与 对照（被害虫侵害的黄色植株） 转基因抗虫棉 转基因抗虫大豆 转基因抗虫马铃薯 （2）目的基因：具有抗虫功能的基因 ①Bt抗虫蛋白基因 ②蛋白酶抑制剂基因 ③植物凝集素基因 ④抗维生素H蛋白的基因 基因工程在农牧业方面的应用 1．转基因抗虫植物 从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，导入作物，使其具有抗虫性。 （1）方法： 转基因抗病毒番木瓜（右）与对照（被病毒侵染的番木瓜） 转基因抗病毒甜椒（右）与对照（被病毒侵染的甜椒） 基因工程在农牧业方面的应用 2．转基因抗病毒植物 基因工程在农牧业方面的应用 2．转基因抗病毒植物 （2）目的基因： 来源于某些病毒的抗病毒基因：病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因 来源于某些真菌的抗病毒基因：几丁质酶基因、抗毒素合成基因。 将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出转基因抗病植物。 （1）方法： 基因工程在农牧业方面的应用 3．转基因抗除草剂植物 施用除草剂后的转基因抗除草剂玉米田 （1）现状：大多数除草剂在杀死杂草的同时，还会损伤作物，使作物减产。 （2）方法：将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可培育出抗除草剂的作物品种。 我国西北地区的主要气候特点是年降雨量小，从而影响粮食的产量，如果从基因工程的角度考虑，如何避免粮食减产呢？ 思考 根据气候特点，必须具有的功能是抗旱，我们就需要通过基因工程将具有抗旱功能的基因导入到农作物细胞内。 思考 基因工程在农牧业方面的应用 4.改良植物的品质 利用转基因技术改良植物的营养价值 科学家们将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因，导入植物，或改变这种氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。 基因工程在农牧业方面的应用 4.改良植物的品质 利用转基因技术提高植物观赏价值 转基因矮牵牛 蓝色妖姬 真正的“蓝色妖姬” 有些人由于乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后会出现腹泻等不适症状 将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖含量大大降低，其他营养成分不受影响。 基因工程在农牧业方面的应用 5．改善畜产品品质 乳糖不耐受： 怎样应用基因工程技术解决乳糖不耐受问题？ 将外源生长激素基因导入动物体内，以提高动物的生长速率。 转生长激素基因鲤鱼（下）与非转基因鲤鱼（上） 6．提高动物的生长速率 基因工程在农牧业方面的应用 课程导入 2015年11月，第一种用于食用的转基因动物—转基因大西洋鲑（俗称“三文鱼”)在美国获得批准上市。 基因工程技术已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面。 转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排） 基因工程在农牧业方面的应用 1.“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物。（ ） 2.以下关于植物基因工程应用的说法，正确的是( ) A.我国转基因抗虫棉是转入了植物凝集素基因培育出来的 B.可用于转基因植物的抗虫基因只有植物凝集素基因和蛋白酶抑制剂基因 C.抗真菌转基因植物中，可使用的基因有几丁质酶基因和抗毒素合成基因 D.提高作物的抗盐碱和抗干旱的能力，与调节渗透压的基因无关 习题 × C 习题 3.我国科学家将苏云金杆菌的Bt抗虫基因转入普通棉花细胞内，成功在植株中检测到Bt抗虫蛋白，该蛋白对棉铃虫等害虫具有显著毒性。下列叙述错误的是（　　） A．该研究说明基因具有特定的遗传效应 B．该研究说明不同生物之间共用一套遗传密码 C．栽种抗虫棉可以大大减少农药的用量，保护生态环境 D．Bt抗虫基因在棉花细胞中的表达不需要ATP提供能量 习题 D 习题 基因工程在医药卫生领域的应用 1．微生物或动植物细胞生产药物 目前生产的部分基因工程药物 基因工程在医药卫生领域的应用 1．微生物或动植物细胞生产药物 基因工程方法：将人的生长激素基因导入大肠杆菌中，使其生产生长激素。人们从450 L大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于6万具尸体的全部产量。 传统方法：要获得生长激素，需解剖尸体，从大脑的底部摘取垂体，并从中提取生长激素。 基因工程在医药卫生领域的应用 1．微生物或动植物细胞生产药物 基因工程方法：1980-1982年，科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，是传统的生产量的12万倍。1987年干扰素大量投放市场。1993年我国批准生产重组人干扰素α-1b，它是我国批准生产的第一个基因工程药物，目前主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等。 干扰素是动物或人体细胞受到病毒侵染后产生的一种糖蛋白。干扰素具有干扰病毒复制的作用， 传统方法：从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取出1mg干扰素。 基因工程在医药卫生领域的应用 1．微生物或动植物细胞生产药物 基因工程方法：1979年，科学家将动物体内的胰岛素基因与大肠杆菌 DNA分子重组，并在大肠杆菌内实现了表达。1982年，美国一家基因公司用基因工程方法生产的胰岛素投入市场，售价降低了30%-50%。 胰岛素：用于治疗糖尿病 传统方法：传统胰岛素的提取主要从猪、牛等家畜的胰腺中提取，每100kg胰腺只能提取4-5g胰岛素。用该方法生产的胰岛素产量低，价格昂贵，远不能满足社会需要。 基因工程在医药卫生领域的应用 1．微生物或动植物细胞生产药物 大肠杆菌生产胰岛素 优点： 酵母菌生产胰岛素 优点： 重组人胰岛素注射液 生产快，易操作，可大量生产 生产出来的没活性，还得再加工 缺点： 酵母菌是真核生物，基因复杂。真核系统表达的蛋白通常更接近人体蛋白 根据前面学过的基因工程的操作程序，说出通过基因工程方法用酵母菌生产乙肝疫苗的过程是怎样的?(提示:乙肝病毒抗原蛋白基因) 思考 ④检测并鉴定，筛选出成功转化的酵母菌，进行发酵培养，分离并提纯产物，获得乙肝病毒抗原蛋白。 （HBsAg：乙肝表面抗原） ①用PCR扩增乙肝病毒抗原蛋白基因 ②将乙肝病毒抗原蛋白基因插入质粒，构建基因表达载体 ③将该基因表达载体导入酵母菌，将酵母菌制备成感受态细胞，用醋酸锂处理 目的基因的筛选和获取 基因表达载体的构建 将目的基因导入受体细胞 目的基因的检测与鉴定 基因工程在医药卫生领域的应用 1．微生物或动植物细胞生产药物 基因工程菌：用基因工程方法，使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系 大肠杆菌 酵母菌 1.工程菌在降解有毒有害化合物、吸收环境重金属、分解泄露石油、处理工业废水等方面发挥着重要作用。下列属于工程菌的是( ) A.通过X射线处理后，青霉素产量明显提高的青霉菌 B.通过细胞杂交技术获得繁殖快的酵母菌 C.为抗虫棉培育提供抗虫基因的苏云金杆菌 D.通过转基因技术培育的能够分解多种石油成分的细菌 习题 D 2．下列有关基因工程的应用中，可能对人类产生不利影响的是（　　） A．制造“工程菌”用于药品生产 B．制造“超级菌”分解石油、农药 C．重组DNA诱发受体细胞突变 D．导入外源基因替换缺陷基因 习题 C 将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控原件重组，获得转基因动物。转 基因动物进入泌乳期后，通过分泌乳汁来生产所需要的药品。称为“乳腺生物反应器”。 （1）乳腺生物反应器 基因工程在医药卫生领域的应用 2．用转基因哺乳动物生产药物 胚胎移植 乳腺中特异表达的基因的启动子 药用蛋白基因 动物受精卵 胚胎 子宫 转基因动物 重组 显微注射 发育 生长发育 药物 泌乳期分泌乳汁 （3）已在牛和山羊等乳腺生物反应器中获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α -抗胰蛋白酶等重要医药产品。 （2）基因表达载体导入的是受精卵，而不是乳腺上皮细胞，这样由受精卵发育成的个体细胞中均含有目的基因，但由于目的基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控原件重组在一起，所以目的基因只在乳腺细胞中表达。 基因工程在医药卫生领域的应用 2．用转基因哺乳动物生产药物 (1)转基因蛋白不会影响转基因动物本身的生理代谢反应 (2)产物产量高、质量好、易提纯，表达的蛋白质已经过充分的修饰加工，具有稳定的生物活性 (3)生产成本低，源源不断获得所需药物的同时，不影响转基因动物的繁殖 乳腺成为基因药物最理想的表达场所的原因 A.乳腺生物反应器必须是雌性，雌性动物泌乳期有间隔 B.有些蛋白不能在乳腺里表达 C.某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同 ①可以从动物一出生就收集产物，不论动物的性别和是否处于生殖期。 ②从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。 膀胱生物反应器 乳腺生物反应器缺点 比较乳腺生物反应器和基因工程菌生产药物的区别 比较项目 乳腺生物反应器 基因工程菌生产药物 基因结构 基因产物 受体细胞 目的基因导入方式 生产条件 产物提取 哺乳动物基因的结构与人类结构基本相同 与天然蛋白质完全相同 哺乳动物的受精卵 显微注射法 不需要严格的灭菌，温度等外界条件对其影响不大 从动物乳汁中提取，相对简单 细菌或酵母菌等生物的基因结构与人类基因结构有较大差异 细菌细胞内缺少内质网、高尔基体等细胞器，合成的蛋白质可能不具有生物活性 微生物细胞 感受态法 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 (一般经过工业发酵后)从微生物细胞(或发酵液)中提取，相对复杂 28378 (2) - （3）怎样应用基因工程技术解决移植时可能产生的免疫排斥问题？ （1）为什么猪的器官可以作为替代的移植器官？ 猪的心脏构造、大小、血管分布与人的极为相似；猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒要远少于灵长类动物。 用基因工程技术对猪的器官进行改造：在器官供体的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。结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。 免疫排斥 （2）最大难题： 基因工程在医药卫生领域的应用 3．用转基因动物做器官移植的供体 1.下列关于乳腺生物反应器的叙述，错误的是( ) A.乳腺生物反应器是一种转基因动物 B.乳腺生物反应器的乳腺细胞中有特异性启动子 C.乳腺生物反应器的体内不只有乳腺细胞中含有目的基因 D.利用乳腺生物反应器生产产品不受动物年龄、性别的影响 习题 D 1.阿斯巴甜 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，这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产。广泛适用于糖尿病患者的饮食中。 基因工程在食品工业的应用 2.凝乳酶 奶酪的生产需要凝乳酶来凝聚固化奶中的蛋白质。 （2）基因工程技术： 将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉、酵母菌的基因组中，再结合工业发酵批量生产凝乳酶。 （1）传统方法： 杀死未断奶的小牛，将其第四胃的粘膜取出来提取。 基因工程在食品工业的应用 基因工程在食品工业的应用 3.淀粉酶、脂酶 加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食物需要的脂酶等也可通过构建基因工程菌，结合发酵技术大量生产。 基因工程获得的工业用酶的纯度更高，生产成本显著降低，生产效率较高。 优点： 1.1990年，科学家将牛的凝乳酶基因转入到大肠杆菌中，通过工业发酵来批量生产凝乳酶。下列说法错误的是( ) A.凝乳酶基因和凝乳酶的基本组成单位不同 B.大肠杆菌中的高尔基体参与凝乳酶的加工 C.合成凝乳酶时，两种生物共用一套密码子 D.双缩脲试剂检测凝乳酶基因，无紫色出现 B 习题 2.下列关于基因工程的应用的叙述，正确的是( ) A.将药用蛋白基因注射入牛的乳腺细胞，从牛乳汁中获得所需的药品 B.基因工程改造后的个体与未经改造的同种个体之间已产生生殖隔离 C.利用基因工程生产的甜味剂对人体无害，在食品中可以大量添加 D.基因工程可以改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量 D 习题 3．下列有关基因工程的成果及应用的说法，错误的是（    ） A．基因工程可实现基因在不同种生物之间转移 B．利用基因工程技术，将人产生胰岛素的基因转入大肠杆菌后，大肠杆菌内表达出的胰岛素与人的胰岛素结构相同 C．基因工程在给人类生产和生活带来益处的同时，也使人们产生关于其安全性方面的担忧 D．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 B 习题 基因工程在其他方面的应用 导入多种降解污染物的基因，进入同一个细菌中，培养出的“超级工程菌”，用于处理工业和生活污水处理，治理重金属土壤污染。 利用经过基因改造的微生物来生产能源。生物乙醇是通过基因工程改造后的微生物，把秸秆、木质纤维素转化为燃料酒精。 处理环境污染 生产能源 $$