3.3 基因工程的应用教学设计-2023-2024学年高二下学期生物人教版选择性必修3

教 学 流 程 学习任务 教师组织与引导 学生活动 评价任务 【新课引入】 大家看图，我们实验室做实验用到的小白鼠，它大约10厘米长，旁边的这只呢，是因为注射了外源生长激素基因，促进了小鼠的生长发育，它的体积大大增加了，基因工程可以提高动物的生长速率，那在具体生活当中它有哪些应用呢？我们这节课来学习一下。 【活动一】观察图片，思考基因工程在实际生活中的应用，比如转基因抗虫棉、转基因番木瓜等 【评价任务一】 想到日常生活中的转基因食品、动物、植物等等 【基因工程在农牧业方面的应用】 基因工程自20世纪70年代兴起后，得到了飞速的发展。我们先来学习基因工程在农牧业上的应用。 我们先从植物来说，转基因抗虫植物有很多，比如我们之前提到的转基因抗虫棉花，另外呢还有转基因玉米、大豆、水稻和马铃薯等。 那大家思考一下，利用基因工程，我们如何获得转基因抗虫植物呢？转基因抗虫棉花大家还记不记得是如何获得的？可以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，是目前防治作物虫害的一种发展趋势。抗虫基因有①Bt抗虫蛋白基因。当害虫啃植物时，Bt蛋白在昆虫的肠碱性溶液及酶的作用下被活化，降解成有毒的多肽，多肽与昆虫的上皮细胞的特异性受体结合，使细胞膜穿孔，最终害虫死亡。②蛋白酶抑制剂基因。植物要合成蛋白质，如果蛋白酶很强，把蛋白质都分解了可不是好事。为了避免，植物体内有蛋白酶抑制剂，专门抑制蛋白酶。几乎每一种植物都有蛋白酶抑制剂，有的较多，有的较少，受基因控制。含蛋白酶抑制剂较多的植物，具有天然的抗虫性，它被昆虫吃了以后，能抑制昆虫胃肠里的蛋白酶，那么昆虫吃进去的蛋白质就不能被分解吸收，昆虫体内就缺乏合成蛋白质的氨基酸，没有蛋白质，昆虫必然死亡。③植物凝集素基因。凝集素与昆虫胃肠黏膜上的蛋白酶结合，从而破坏消化吸收功能。④抗维生素H蛋白的基因。维生素H存在于绝大多数的植物中，是昆虫生长所必需的，鸡蛋中的一种蛋白质—“抗维生素H蛋白”与维生素H牢固结合，使维生素H失去活性，导致维生素H缺乏。把禽类的控制“抗维生素H蛋白”的基因转入农作物，就能杀死绝大多数昆虫。 接下来我们来介绍一下转基因抗病毒植物，有转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。那如何获得转基因抗病毒植物呢？将来源于某些病毒、真菌等的抗病毒基因导入植物中，培育出了转基因抗病植物。抗病毒基因，使用最多的是病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因。关于病毒外壳蛋白基因（CP基因），一种假说认为：CP基因在植物细胞内表达积累后，当入侵的病毒裸露核酸进入植物细胞后，会立即被这些外壳蛋白重新包裹，从而阻止病毒核酸分子的复制和翻译。 来源于某些真菌等的抗病毒基因比如几丁质酶基因、抗毒素合成基因。真菌细胞壁成分是几丁质，几丁质酶基因可以表达形成几丁质酶，瓦解真菌的细胞壁，使植物达到抗真菌的作用。 在生产生活中，去种植作物同时，也会有杂草的生产。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。同学们想一下，要怎么改变这种情况？需要通过什么方法？可以将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可以培育出抗除草剂的作物品种。这样在喷洒除草剂时，杂草会被杀死但是作物不会受到损伤。转基因抗除草剂已经成功应用于大豆、玉米、棉花、油菜、甜菜等。 刚才介绍的转基因抗虫植物、抗病植物、抗除草剂植物都是提高植物抗逆性。 思考：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？ 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。 之前我们学习过氨基酸，氨基酸分为什么？必需氨基酸和非必需氨基酸，它们的区别是什么？必需氨基酸只能从食物中获取，人自身无法合成。有哪几种呢？分别是组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸。如果食物中必需氨基酸含量高，它的营养价值就高。 利用基因工程，我们可以改良植物的品质，可以提高植物的营养价值。大家思考一下，我们要怎么提高植物的营养价值呢？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。 我国科学家培育出了赖氨酸含量提高30%的转基因玉米—高赖氨酸玉米：它的高蛋白含量极高。无论是人们食用还是作为饲料都是不错的选择。 利用基因工程，我们不仅可以提高植物的营养价值，还可以提高植物的观赏价值。科学家们发现花色素苷是影响花色的主要色素，控制花从红色至紫色、蓝色的一系列变化，其含量的增高或降低都可能改变花的颜色。我们国家的研究人员将与花色素苷代谢有关的基因反向导入矮牵牛植株，让它呈现出了自然界没有的颜色，大大提高了观赏价值。大家都知道蓝色妖姬，那花店里的它是通过什么方法获得的？对，大多都是通过染色的到的。其实呢，世界上最纯正的“蓝色妖姬”是一种转基因玫瑰品种。它是将三色紫罗兰的一种能刺激蓝色色素产生的基因植入到玫瑰花中，花瓣自然生长成蓝紫色。真正的“蓝色妖姬”并不是纯蓝色。 说完植物，接下来我们来了解一下与动物有关的基因过程的应用。 有没有同学喝完牛奶会拉肚子?是因为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，这称为乳糖不耐受。我国约有1/3的成年人乳糖不耐受。那我们通过基因工程如何解决呢？将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，乳糖酶就可以分解乳糖，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他营养成分不受影响。通过基因工程，我们就可以喝到低乳糖的牛奶。 选修一我们学过生长激素，那它的作用是什么？促进生长发育。科学家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。我国科学家将外源生长激素基因导入鲤鱼，可以从图中看到，在同等养殖条件下，转基因鲤鱼比非转基因鲤鱼明显大得多。转基因鼠也是一样。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。由于生长激素的过度表达，转基因大西洋鲑的生长速度是非转基因大西洋鲑鱼的两倍，转基因三文鱼被批直接食用，推动了转基因产品的直接食用。 目前，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。 【活动二】 是将苏云金芽孢杆菌的Bt抗虫蛋白基因导入进棉花细胞内；将具有抗虫功能的基因，导入作物，就能获得转基因抗虫植物 【活动三】 将抗病毒基因导入植物中，获得转基因抗病毒植物 【活动四】 可以通过基因工程技术将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，获得转基因抗除草剂植物 【活动五】 通过基因工程将抗旱基因导入到农作物细胞内 【活动六】 必需氨基酸和非必需氨基酸；必需氨基酸只能从食物中获取，人自身无法合成；组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸 【活动七】 将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因，导入植物 【活动八】 染色 【活动九】 有些人食用牛奶后会拉肚子 【活动十】 将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组 【活动十一】 促进生长发育 【评价任务二】了解如何获得相应的转基因植物、动物的方法。 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 【基因工程在医药方面的应用】 基因工程制药是制药行业的新军，上世纪80年代初，第一种转基因药物就是重组胰岛素。利用基因工程生产的药物有60多种。这些药品包括胰岛素、生长激素、干扰素、抗体等等。 大家看这张图片，图中这个人他患的是什么病？侏儒症。患侏儒症的原因是什么？有些人生长激素分泌量不足，会患侏儒症。如何治疗侏儒症？向人体注射生长激素。以前，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。现在可利用基因工程方法，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。 还有一种基因工程药物，干扰素。大家阅读一下资料卡，看一下传统获得干扰素的方法是什么？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，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病。此外干扰素对治疗癌症和某些白血病也有一定疗效。传统的干扰素生产方法是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。当时干扰素都是进口的，价格是300元一支，治疗一个疗程要花费2-3万，我国以候云德院士为首的研究人员，为了降低价格，也为了提高产量，做了无数实验，在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，现在90%的干扰素都是国产的，价格也下降了10倍。 目前常见的基因工程药物有胰岛素，用于治疗糖尿病。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。一个糖尿病患者1年需要的胰岛素需要杀上千头牛，我们如何利用基因工程来大量获得胰岛素呢？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%。 刚才说科学家用大肠杆菌生产胰岛素，它有什么优点呢？生产快，易操作，可大量生产。为什么呢?大肠杆菌是原核生物，基因简单，只有一个拟核和较多的质粒，并且基因工程上大多用质粒作为载体。故多用大肠杆菌生产胰岛素。那它有什么缺点吗？生产出来的没活性，还得再加工。原因:没有内质网和高尔基体，不能对蛋白质进行加工。大肠杆菌是原核生物，有这些缺点，如果我们用真核生物：酵母菌生产胰岛素，它有什么优点？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。 思考：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) 我们回忆一下基因工程的基本操作程序①目的基因的获取。用PCR扩增乙肝病毒抗原蛋白基因②基因表达载体的构建。将乙肝病毒抗原蛋白基因插入质粒，构建基因表达载体③将目的基因导入受体细胞。受体细胞是酵母菌，将该基因表达载体导入酵母菌，用什么方法呢？感受态细胞法，但是并不是用Ca2+处理，而是用醋酸锂处理，原因是因为醋酸锂可以有效地使酵母细胞壁发生变化，使外源DNA导入到酵母菌内，还可以使酵母细胞的膜对DNA更加通透，从而提高外源DNA转化的效率④目的基因的检测与鉴定。进行检测并鉴定，成功转化的酵母菌有积累产物HBsAg（乙肝表面抗原，是乙肝病毒的外壳蛋白，它的出现伴随着乙肝病毒的存在），积累产物HBsAg与HBsAg抗体之间的特异性反应可以筛选出成功转化的酵母菌，之后进行发酵培养，分离并提纯产物，获得乙肝病毒抗原蛋白。 像刚才提到的大肠杆菌、酵母菌，我们把它们称为基因工程菌。工程菌的概念是用基因工程方法，使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系。比如说像大肠杆菌，可高效率地生产出各种高质量、低成本的药品。 科学家发现，在用微生物或植物细胞产物生产一些基因工程药物时，获得的表达产物活性不佳，且提纯困难。如何解决这个问题呢？还可以利用转基因动物去生产药物。乳腺生物反应器大家知道是什么吗？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”。具体流程是将药物蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子通过显微注射的方法注射到受精卵当中，然后把它发育成胚胎，通过胚胎移植转入到母体子宫中，生长发育得到转基因动物，转基因动物最后分泌的乳汁中就有了我们所想要的相关的药物。乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物。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。 科学家已经在牛和羊中已经表达了像抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和a-抗胰蛋白酶等等药物。乳腺是基因药物最理想的表达场所，它有什么优点？(1)乳腺是外分泌器官，乳汁不进入体内循环，乳汁内的转基因蛋白不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。(2)从乳汁中获取目的基因产物，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，从乳汁中源源不断获得所需药物的同时，不影响转基因动物的繁殖。 它有没有缺点呢？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。那有没有一种分泌物，它没有乳腺生物反应器的缺点？膀胱生物反应器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。 我们下面比较一下乳腺生物反应器和基因工程菌生产药物有什么区别 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 我们目前人体器官移植手术最大一个难题其实就是缺少可移植供体。利用基因工程我们可不可以解决呢？动物基因工程除了可以生产药物之外，还可以用转基因动物作为器官移植的供体。比如说心脏，猪的心脏和人的心脏非常相似，而且与灵长类动物相比，猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒的基因要少的多，但是实现这一目标最大问题在于免疫排斥。科学家呢将器官供体基因组导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达或设法除去抗原决定基因，再结合克隆技术，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。 【活动十二】 侏儒症；生长激素分泌量不足 【活动十三】 动物体内的胰岛素基因与大肠杆菌 DNA分子重组，让大肠杆菌可以生产出胰岛素 【活动十四】 生产快，易操作，可大量生产；大肠杆菌是原核生物，基因简单， 【活动十五】 生产出来的没活性，还得再加工 【活动十六】 生产出来的有活性，不需要再加工 【活动十七】 ①目的基因的获取。用PCR扩增乙肝病毒抗原蛋白基因②基因表达载体的构建。将乙肝病毒抗原蛋白基因插入质粒，构建基因表达载体③将目的基因导入受体细胞。用感受态细胞法④目的基因的检测与鉴定。进行检测并鉴定，筛选出成功转化的酵母菌，之后进行发酵培养，分离并提纯产物，获得乙肝病毒抗原蛋白。 【活动十八】 利用转基因动物去生产药物，乳腺生物反应器 【活动十九】 产量高、质量好、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，生产成本低 【活动二十】 乳腺生物反应器必须是雌性 【活动二十一】 血液（影响生命活动）；汗液（难以收集）；唾液（产量太低）；尿液 【活动二十二】 用转基因动物作为器官移植的供体，猪的心脏 【评价任务三】 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 2.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 【评价任务四】 比较项目 乳腺生物反应器 基因工程菌生产药物 基因结构 哺乳动物基因的结构与人类结构基本相同 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 基因产物 与天然蛋白质完全相同 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 受体细胞 哺乳动物的受精卵 微生物细胞 目的基因导入方式 显微注射法 感受态细胞法 生产条件 不需要严格的灭菌，温度等外界条件对其影响不大 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 产物提取 从动物乳汁中提取，相对简单 (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 【基因工程在食品工业的应用】 利用基因工程菌，除了可以生产药物，还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。 例如，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，这两种氨基酸就可以通过基因工程实现大规模生产。我们的食物中，像口香糖中就用了阿斯巴甜。另外它广泛适用于糖尿病患者的饮食中，阿斯巴甜不像葡萄糖一样，摄入人体以后会迅速刺激胰岛。增加胰岛的负担和升高血糖，糖尿病患者可以限量吃。但是苯丙酮尿症患者不能吃，是因为苯丙酮尿症患者本来就缺乏分解苯丙氨酸的酶，不能吃含有苯丙氨酸的食物。 凝乳酶可以凝聚固化奶中的蛋白质。传统的制备凝乳酶的方法是通过杀死未断奶的小牛，然后将它的第四胃的黏膜取出来进行提取。随着人口的增长和人们饮食需求的变化，单纯依靠宰杀小牛来获得凝乳酶的方法已不能满足日益增长的市场需求。用基因工程方法怎么解决这个问题呢？科学家将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。 啤酒在进行制作时，淀粉酶会将淀粉加工转化成糖浆，加工烘烤食品要用到脂酶，脂酶能增大面包体积，对面包芯进行增白，淀粉酶、脂酶也都可以通过构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术获得的工业用酶有什么优点呢？纯度更高，而且它的生产成本显著降低，生产效率较高。 【活动二十三】将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌DNA分子中 【活动二十四】 生产成本显低，生产效率较高 【评价任务五】 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 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 除了刚才学的在农牧业、医药卫生领域、食品工业方面，基因工程在环境保护方面也发挥了重要的作用。利用基因工程可以处理环境污染。我们可以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。 另外，还可以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，它可以单独或者也可以与汽油混配制成乙醇汽油作为汽车燃料使用。 总结 基因工程的成果丰硕、应用广泛，除了前面介绍的几个方面的应用，它在其他领域也有应用，大家课后可以查阅相关资料进行了解 【评价任务六】 对基因工程应用产生兴趣，查阅相关资料进行了解 第 1 页 共 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $$