热点06 合成生物学与生物制造-2025年高考生物【热点·重点·难点】专练（新高考通用）

热点06合成生物学与生物制造 目录 1.热点解读：热点命题方向解读、核心考点明晰 2.关联教材：链接教材掌知识、基础打牢应万变 3.命题趋势：明考情知方向、巧预测押热点 3.创新演练：知情境、练突破（30min限时练) 热点解读 1.技术突破方面：基因编辑技术不断革新，如CRISPR-Cas系统的优化和新的编辑工具的探索，使基因编辑更加精准、高效和多功能。同时，DNA合成与组装技术成本降低、效率提升，能够实现更长片段、更复杂基因线路的构建，推动了复杂生物系统的设计与构建。 2.应用拓展方面：在医药领域，除了利用合成生物学生产药物、抗体和疫苗外，还在开发个性化细胞疗法，如CAR-T细胞疗法的进一步优化和新的细胞治疗技术的探索。在能源领域，通过改造微生物生产生物燃料，如生物乙醇、生物柴油等，以寻求可持续的能源解决方案。在环保领域，合成生物学可用于构建能够降解污染物的工程微生物，治理土壤污染、水污染等环境问题。 3.产业发展方面：合成生物学与生物制造相关企业不断涌现，吸引了大量的资本投入，产业规模持续扩大。各国政府也纷纷出台政策支持合成生物学的发展，将其作为提升国家生物经济竞争力的关键领域，推动产业集群的形成和发展。 4.伦理与安全方面：合成生物学涉及对生物体的改造和创造，引发了一系列伦理、法律和社会问题的讨论。例如，如何确保合成生物的安全性，防止其对生态环境和人类健康造成潜在风险；如何规范基因编辑等技术的应用，避免出现伦理争议等。 关联教材 1.生物学类 《分子生物学》：涉及基因的结构与功能、DNA复制、转录和翻译等基础知识，是理解合成生物学中基因操作和生物系统构建的基础。 《细胞生物学》：讲解细胞的结构与功能、细胞代谢、细胞信号转导等内容，为合成生物学中细胞工程和代谢工程的学习提供理论支持。 《微生物学》：介绍微生物的分类、生理、遗传等知识，微生物是合成生物学和生物制造中常用的宿主和工具，如大肠杆菌、酵母等在药物生产、生物燃料制备等方面有广泛应用。 2.工程学类 《生物工程原理》：阐述生物产品大规模生产的工程原理和技术，包括生物反应器的设计、发酵工艺的优化等，与生物制造中的工业化生产密切相关。 《化工原理》：涵盖流体力学、传热、传质等化工基本原理，在生物制造中涉及到物质的分离、纯化等单元操作，是实现生物产品规模化生产的重要理论基础。 3.化学类 《有机化学》：介绍有机化合物的结构、性质和反应机理，在合成生物学中，许多生物合成途径涉及到有机化学反应，有机化学知识有助于理解和设计这些途径。 《生物化学》：研究生物大分子的结构与功能、生物代谢途径等，是合成生物学中解析和改造生物代谢网络的基础，为生物制造中目标产物的合成提供理论依据。 命题趋势 命题趋势明考情知方向 1.跨学科综合命题加强：将生物学、工程学、化学等多学科知识融合，考查学生综合运用知识解决实际问题的能力。例如，以某种生物药物的合成过程为背景，要求学生分析其中涉及的基因编辑、细胞培养、生物反应器设计以及产物分离纯化等多方面的知识。 2.基于真实案例的情境命题：以合成生物学与生物制造领域的最新科研成果或产业应用案例为素材，设置问题考查学生对知识的理解和应用。如以利用合成生物学技术生产新型生物材料为例，让学生分析其生产原理、优势以及可能面临的问题和解决方案。 3.关注伦理与社会问题：命题可能会涉及合成生物学与生物制造带来的伦理、法律和社会影响等方面的内容，要求学生进行思考和讨论。比如，探讨基因编辑技术在人类生殖领域应用的伦理争议，或者合成生物释放到环境中可能引发的生态安全问题等，培养学生的批判性思维和社会责任感。 4.创新与实践能力的考查：注重考查学生的创新思维和实践能力，如让学生设计一种基于合成生物学的生物制造方案，以解决某个具体的生产或环境问题；或者分析现有技术的不足，提出改进和创新的思路，体现对学生创新和实践能力的重视。 创新演练（建议用时：30分钟） 一、单选题 1．合成生物学是当前生物学领域的研究热点之一，我国科学家利用经基因改造的酵母菌，以玉米秸秆（主要成分是纤维素）为原料合成淀粉和蛋白质。下列叙述错误的是（　　） A．酵母菌能进行光合作用合成淀粉 B．人体消化道无法消化吸收纤维素 C．淀粉和纤维素都是由葡萄糖组成 D．该技术为人类粮食生产提供新思路 【答案】A 【分析】绿色植物通过叶绿素捕获太阳光，利用光提供的能量，在叶绿体中合成淀粉等有机物，并且把光能转化为化学能，储存在有机物中，这个过程叫作光合作用。叶片是植物进行光合作用主要器官，叶肉细胞中含有大量的叶绿体，叶绿体是进行光合作用的主要部位，叶绿体中含有叶绿素，可吸收光能，为光合作用提供能量。 【详解】A、酵母菌是单细胞真菌，没有叶绿体，不能进行光合作用，A错误； B、纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，在自然界中分布最广、含量最多，占植物界碳含量的50%以上。人体消化道内不存在纤维素酶，不能消化纤维素，因此纤维素不能给人体提供能量，B正确； C、淀粉、纤维素均属于多糖，都是由葡萄糖组成，C正确； D、我国科学家利用经基因改造的酵母菌，以玉米秸秆（主要成分是纤维素）为原料合成淀粉和蛋白质，该技术为粮食生产提供新思路，D正确。 故选A。 2．如果说基因测序是读基因，那么合成生物学就是写基因。2017年3月我国科学家在合成生物学领域取得了重大突破，完成了酿酒酵母的 4 条染色体的人工合成。下列分析错误的是（    ） A．酵母菌是真核生物，染色体主要由DNA和蛋白质组成 B．酵母菌细胞在有氧和无氧条件下都能存活，与其遗传物质有关 C．原核细胞无染色体，但可以存在DNA-蛋白质复合物 D．人工合成染色体，需要核苷酸、氨基酸、磷脂和ATP等原料 【答案】D 【分析】1、染色体的主要成分是蛋白质和DNA，其中蛋白质的基本组成单位是氨基酸，DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸。 2、DNA分子的复制方式为半保留复制。 【详解】A、酵母菌是真核生物，染色体主要由DNA和蛋白质组成，A正确； B、酵母菌细胞在有氧和无氧条件下都能存活，与其遗传物质有关，B正确； C、原核细胞无染色体，存在DNA一蛋白质复合物，如RNA聚合酶与DNA结合形成复合物，C正确； D、染色体的主要成分是蛋白质和DNA，蛋白质的基本组成单位是氨基酸，DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸。因此人工合成染色体，需要的原料是氨基酸和脱氧核苷酸，D错误。 故选D。 3．2018年中科院覃重军团队将包含16条染色体的酿酒酵母人工拼接为只有1条巨大染色体的SY14菌株，该菌能进行正常的生命活动，这在合成生物学领域具有里程碑意义。下列有关叙述错误的是（　　） A．把酵母菌的16条染色体人工拼接为1条巨大染色体属于染色体变异 B．在拼接过程中需要切除15个着丝粒和30个端粒 C．1条染色体可以执行16条染色体的全部功能说明了该条染色体含该酵母菌的全部基因 D．人工合成和拼接染色体的成功为研究与治疗染色体疾病、癌症和衰老等提供了模型 【答案】C 【分析】1、染色体结构变异包括染色体的缺失、重复、倒位和易位。 2、紧扣题干信息“将包含十六条染色体的酿酒酵母人工拼接为只有一条巨大染色体的SY14菌株”答题。 【详解】A、把酵母菌的16条染色体人工拼接为1条染色体属于染色体变异，A正确； B、16条染色体有16个着丝点和32个端粒，拼接成一条染色体有1个着丝点和两个端粒，需要切除15个着丝点和30个端粒，B正确； C、因在拼接过程中切除了一些基因，虽然一条染色体能执行16条的功能，不一定含有该酵母菌的全部基因，C错误； D、染色体疾病是由于染色体结构或数量导致的、癌症是由于端粒分裂过程中不减少导致细胞不断分裂，而衰老是由于分裂一次端粒减少一部分，导致上面的基因减少，引起衰老，人工能成功的合成和拼接染色体，为研究与治疗染色体疾病、癌症和衰老等提供了模型，D正确。 故选C。 4．合成生物学是生物科学的一个新兴分支学科，其研究成果有望破解人类面临的健康、能源、环境等诸多问题，比如为食品研发赋能：开发多种功能的替代蛋白、糖类和脂质等。下列有关蛋白质、糖类和脂质的叙述错误的是（    ） A．蛋白质可以与糖类结合成复合物，在信息传递方面具有重要的作用 B．蛋白质的组成元素有C、H、O、N等，糖类和脂质的组成元素有C、H、O C．蛋白质、糖类和脂质中的脂肪都属于能源物质，其中糖类是主要的能源物质 D．等质量的脂肪和糖类相比，脂肪氧化分解释放的能量更多 【答案】B 【分析】磷脂的组成元素为C、H、O、N、P，蛋白质的组成元素为C、H、O、N等，糖类的组成元素为C、H、O。脂肪与糖类相比，脂肪分子中C、H的比例高于糖类，脂肪氧化分解时消耗氧气多，则等质量的脂肪氧化分解释放的能量更多。 【详解】A、蛋白质和糖类结合成糖蛋白，糖蛋白在信息传递方面具有重要的作用，A正确； B、蛋白质的组成元素为C、H、O、N等；糖类的组成元素为C、H、O；脂质有多种，其中磷脂的组成元素有C、H、O、N、P，B错误； C、蛋白质、糖类和脂肪都是能源物质，其中糖类是主要的能源物质，脂肪是重要的储能物质，C正确； D、脂肪中的H元素含量更多，所以等质量的脂肪与糖类相比，脂肪氧化分解释放的能量更多，D正确。 故选B。 5．中国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H，其以糖蜜（甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖）为原料，在实验室通过发酵生产出PHA等新型高附加值可降解材料，从而提高了甘蔗的整体利用价值。具体的工艺流程如下图示。下列说法错误的是（    ） A．为了筛选出耐高浓度蔗糖的菌株H，可在液体培养基中将蔗糖作为唯一碳源，并不断提高其浓度 B．为统计培养液中H菌的数目，可在培养过程中定期取样借助血球计数板进行计数 C．发酵工程的中心环节是分离、提纯产物 D．若在适宜营养物浓度、温度和pH条件下发酵，菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期且产生了少量的乙醇，可以通过增加搅拌棒的转速等方式改善 【答案】C 【分析】在微生物学中，将允许特定种类的微生物生长，同时抑制或阻止其他种类微生物生长的培养基，称为选择培养基。虽然各种培养基的具体配方不同，但一般都含有水、碳源（提供碳元素的物质）、氮源（提供氮元素的物质）和无机盐。 【详解】A、由题干信息分析可知，为提高甘蔗的整体利用价值，需提高嗜盐单胞菌H对蔗糖的耐受能力和利用效率，故在液体培养基中将蔗糖作为唯一碳源，并不断提高其浓度，A正确； B、可以利用血球计数板对微生物进行计数，故为统计培养液中H菌的数目，可在培养过程中定期取样借助血球计数板进行计数，B正确； C、发酵工程的中心环节是在发酵罐内发酵，C错误； D、若在适宜营养物浓度、温度和pH条件下发酵，菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期且产生了少量的乙醇，这说明发酵过程中氧气不足，使菌种进行无氧呼吸产生了乙醇，可以通过增加搅拌棒的转速（增加氧气）等方式改善，D正确。 故选C。 6．合成生物学是生物科学的一个新兴分支学科，其研究成果有望破解人类面临的健康、能源、环境等诸多问题，比如为食品研发赋能：开发多种功能的替代蛋白、糖类和脂质等。下列有关蛋白质、糖类和脂质的叙述正确的是（　　） A．脂肪分子中C、H的比例高，O的比例低，是细胞的主要能源物质 B．糖原和淀粉的功能不同是因为其基本单位的排列顺序不同 C．细胞中各种蛋白质的合成过程都需要核糖体和线粒体参与 D．细胞膜、细胞质、细胞核中均含有由糖类参与形成的化合物 【答案】D 【分析】糖类分为单糖、二糖和多糖，二糖包括麦芽糖、蔗糖、乳糖，麦芽糖是由2分子葡萄糖形成的，蔗糖是由1分子葡萄糖和1分子果糖形成的，乳糖是由1分子葡萄糖和1分子半乳糖形成的；多糖包括淀粉、纤维素和糖原，淀粉是植物细胞的储能物质，糖原是动物细胞的储能物质，纤维素是植物细胞壁的组成成分。 【详解】A、细胞中的主要能源物质是糖类，脂肪是良好的储能物质，A错误； B、糖原和淀粉的单体都是葡萄糖，其排列顺序不影响糖原和淀粉的功能，即二者的空间结构不同，因而其功能不同，B错误； C、原核细胞中没有线粒体，故不是所有蛋白质的合成都需要线粒体参与，C错误； D、细胞膜上有糖蛋白，细胞质和细胞核中都有RNA，RNA中有五碳糖，因此，细胞膜、细胞质、细胞核中均含有由糖类参与形成的化合物，D正确。 故选D。 7．酶为生活添姿彩。下列关于酶的应用，描述错误的是（    ） A．胃蛋白酶能溶解血凝块，促进伤口愈合 B．脂肪酶可处理废弃油脂，制造生物柴油 C．溶菌酶能溶解细菌细胞壁，起杀菌作用 D．果胶酶能分解细胞壁，提高果汁澄清度 【答案】A 【分析】酶是活细胞产生的具有生物催化能力的有机物，大多数是蛋白质，少数是RNA；酶的催化具有高效性（酶的催化效率远远高于无机催化剂）、专一性（一种酶只能催化一种或一类化学反应的进行）、需要适宜的温度和pH值（在最适条件下，酶的催化活性是最高的，低温可以抑制酶的活性，随着温度升高，酶的活性可以逐渐恢复，高温、过酸、过碱可以使酶的空间结构发生改变，使酶永久性的失活）。 【详解】A、胃蛋白酶的作用是在胃中对蛋白质进行初步消化，其最适pH值约为1.5 - 2.2，是一种酸性环境下发挥作用的酶。而伤口处的环境接近中性，胃蛋白酶在这种环境下活性极低甚至失活，不能溶解血凝块并促进伤口愈合，A错误； B、脂肪酶可以催化脂肪水解，废弃油脂主要成分是脂肪，脂肪酶能将其分解为脂肪酸和甘油等，可用于制造生物柴油，B正确； C、细菌细胞壁的主要成分是肽聚糖等，溶菌酶能够水解细菌细胞壁中的肽聚糖，破坏细菌细胞壁结构，从而起到杀菌作用，C正确； D、植物细胞壁的成分主要有纤维素和果胶等，果胶酶能分解果胶，使细胞壁软化、松散，有助于提高果汁的澄清度，D正确。 故选A。 8．酶可为生活添姿彩，下列关于酶的叙述错误的是（    ） A．脂肪酶可用于制造生物柴油 B．果胶酶可用于提高果汁产量 C．溶菌酶与抗生素混合使用能增强抗菌消炎效果 D．青霉素酰化酶改造氨卞青霉素能抑制抗药性的形成 【答案】D 【分析】酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，大多数酶是蛋白质，少数是RNA。作用机理是降低反应的活化能。酶的特性有：高效性、专一性和作用条件较温和。 【详解】A、脂肪酶可以催化脂肪水解产生甘油和脂肪酸，制造生物柴油，A正确； B、果胶酶能分解果肉细胞壁中的果胶，提高果汁产量，使果汁变得清亮，B正确； C、溶菌酶能催化水解细菌细胞壁，抗生素能抑制细菌细胞壁的形成，若混合使用，可增强对细菌的抑制作用，C正确； D、青霉素酰化酶能将形成抗药性的青霉素改造成杀伤性更强的氨苄青霉素，D错误。 故选D。 二、非选择题 9．近期，美国的一个研究团队使用合成生物学和工程学手段在哺乳动物细胞中恢复了必需氨基酸的生物合成。该研究提供了开创性证据，表明哺乳动物系统可能允许恢复必需氨基酸生物合成途径。该项研究以中国仓鼠卵巢（CHO）细胞系作为模型系统，CHO细胞系在缺乏任何一种必需氨基酸的培养基上均不能生长。研究人员从大肠杆菌中挖掘基因（编码通常不在动物细胞中产生的酶），设计了密码子优化的生物合成途径，这些途径以3 000碱基为单位从头合成，在酵母菌中组装，然后导入 CHO 细胞中筛选培育出能合成缬氨酸的仓鼠，流程如图所示。回答下列问题： (1)缬氨酸的合成基因和2，3-二羟基-3-异戊酸基因需先在酵母菌中组装，推测其目的是 ；将从酵母菌中获得的目的基因导入 CHO细胞前需先构建成A，目的基因应插入质粒的位置是 。 (2)进行过程③前卵母细胞要去核处理，原因是 ；去核的卵母细胞除具有体积大、易操作，含营养物质丰富等特点外，还含有 的物质，有利于培养获得克隆动物。 (3)体外培养 CHO 细胞、卵母细胞、重组细胞时，培养液中加入中国仓鼠血清的作用是 。 (4)过程⑤一般需将重组胚胎培养至一定时期后移植到代孕仓鼠体内，代孕仓鼠与供体仓鼠需处于同期发情期，目的是 。 (5)研究人员做进一步相关研究，将转基因获得的CHO细胞系（pMTIV）均分为三组，并与对照细胞（pCtr1）分别置于不含缬氨酸的培养基中进行培养，结果如图1所示；图2为单独培养 CHO 细胞系的情况。图1中可得出的实验结论是 ；根据图2实验结果可得出的实验结论是 。 【答案】(1) 获得大量的目的基因 启动子和终止子之间 (2) 使重组细胞中的核基因全部来自含有目的基因的CHO细胞 激发CHO细胞全能性发挥的物质 (3)满足动物细胞培养过程中对营养的需求 (4)使移入的胚胎处于几乎相同的生理环境中，有利于移植胚胎的成活 (5) 转基因细胞系能合成缬氨酸 转基因细胞系合成缬氨酸的速率表现为上升后相对稳定 【分析】基因工程技术的基本步骤： 1、目的基因的获取：方法有从基因文库中获取、利用PCR技术扩增和人工合成； 2、基因表达载体的构建：是基因工程的核心步骤，基因表达载体包括目的基因、启动子、终止子和标记基因等； 3、将目的基因导入受体细胞； 4、目的基因的检测与鉴定： 【详解】（1）缬氨酸的合成基因和2，3-二羟基-3-异戊酸基因需先在酵母菌中组装，推测其目的是获得大量的目的基因，；将从酵母菌中获得的目的基因导入 CHO细胞前需先构建成A，即目的基因表达载体，目的基因应插入质粒中的启动子和终止子之间，以便目的基因的表达。 （2）进行过程③前卵母细胞要去核处理，这样可以使重组细胞中的核基因全部来自含有目的基因的CHO细胞；去核的卵母细胞除具有体积大、易操作，含营养物质丰富等特点外，还含有激发CHO细胞全能性发挥的物质，因而有利于动物细胞核表达全能性，获得克隆动物。 （3）体外培养 CHO 细胞、卵母细胞、重组细胞时，培养液中需加入中国仓鼠血清，其目的是满足动物细胞培养过程中对营养的需求，因而目前对动物细胞增殖过程中所需要的营养物质的种类尚未研究清楚。 （4）过程⑤一般需将重组胚胎培养至一定时期后移植到代孕仓鼠体内，代孕仓鼠与供体仓鼠需处于同期发情期，这样可以实现移入的胚胎处于几乎相同的生理环境中，有利于移植胚胎的成活。 （5）与对照组相比，实验组的细胞能在不含缬氨酸的培养基上生长，说明目的基因表达成功，即转基因细胞系能表达缬氨酸；图2实验结果说明转基因细胞系能合成缬氨酸，且合成速率表现为上升后相对稳定，若要大量合成缬氨酸，还需要进一步改造。 10．学习以下材料，回答(1)~(4)题。 合成生物学新进展 合成生物学指对已有生物系统进行修改或进行人工设计改造，从而合成自然界不存在或未发现的生物系统等。利用合成生物学，人们对细菌基因组进行改造并利用这些改造的细菌来发酵生产药物(如胰岛素)或其他有用物质(如生物燃料)，但发酵罐中的细菌可能被病毒污染或逃逸到自然界，造成潜在危害。 目前科学家合成大肠杆菌基因组，用同义序列替换所有UCC和UCA的丝氨酸密码子对应的 DNA序列，并进一步删除了与UCG和UCA 密码子对应的tRNA基因;并设计添加诱骗tRNA基因，该诱骗tRNA会把UCG和UCA从原本的丝氨酸识别为亮氨酸，从而合成了一种能够抵抗迄今已知所有天然病毒感染的大肠杆菌X。 研究团队还在改造的大肠杆菌上添加了两个独立的保障措施。第一个保障措施是防止水平基因转移。水平基因转移是指遗传物质被水平转移给非子代的其他细胞，这是一种不断发生的自然现象。研究团队在大肠杆菌X中将亮氨酸的密码子替换成了UCC或UCA，如果大肠杆菌X的遗传物质水平转移到了其他生物体中，那么这些生物体的天然 tRNA仍然将UCG和UCA转换为丝氨酸，从而得到一堆没有进化优势的乱码蛋白。同样，如果改造的大肠杆菌的诱骗tRNA 基因被水平转移到了其他生物体，那么这些诱骗tRNA会将代表丝氨酸的密码子误读为亮氨酸密码子，从而杀死细胞，防止进一步传播。也就是说，任何逃逸的诱骗tRNA基因都“走不远”，因为它们对自然生物体有毒。这也是第一种能够阻止转基因生物的基因水平转移到天然生物的技术。第二个保障措施是大肠杆菌X必须依赖实验室制造的非天然氨基酸生存，这种非天然氨基酸在自然界并不存在。 合成生物学的大门正在徐徐打开，而新的探索才刚刚开始。 (1)该研究在 ( DNA/RNA/蛋白质)上进行操作，重构了遗传密码系统，从而合成大肠杆菌X，其遗传信息的传递 (违背/不违背)中心法则。 (2)大肠杆菌X能够抵抗迄今已知所有天然病毒感染的原因包括 。 A．诱骗tRNA可使遗传信息正确的情况下基因表达异常 B．丝氨酸转变为亮氨酸可对蛋白质的结构产生影响 C．基于合成生物学，大肠杆菌X重构了遗传密码系统 D．大肠杆菌X本身需要诱骗tRNA才能完成基因表达 (3)大肠杆菌X中能够水平基因转移的物质包括拟核中的 DNA 和 ，大肠杆菌X水平基因转移难以稳定存在的原因是 。 (4)依据文章所述，该研究可以应用于哪些方面? 【答案】(1) DNA 不违背 (2)ABC (3) 质粒 遗传密码重构，在新的细胞里，难以合成正常的蛋白质；诱骗tRNA可使新细胞原本的基因表达紊乱，最终新细胞会死亡 (4)这项研究能够在利用合成生物学技术生产药物或其他有用物质时避免病毒污染带来的巨大损失。而且，该技术还可以用于转基因生物中，能够防止转基因的逃逸及其可能带来的潜在危害 【分析】分析题意：合成生物学指对已有生物系统进行修改或进行人工设计改造，从而合成自然界不存在或未发现的生物系统等。大肠杆菌X属于合成生物学的应用产物，是一种能够抵抗迄今已知所有天然病毒感染的大肠杆菌。 【详解】（1）由题干信息科学家合成大肠杆菌基因组，用同义序列替换所有UCC和UCA的丝氨酸密码子对应的 DNA序列，可知该研究是在DNA上进行操作，进而重构了遗传密码系统，从而合成大肠杆菌X，其遗传信息的传递不违背中心法则，仍能完成DNA复制、转录和翻译等过程。 （2）大肠杆菌X中将亮氨酸的密码子替换成了UCC或UCA，如果大肠杆菌X的遗传物质水平转移到了其他生物体中，那么这些生物体的天然 tRNA仍然将UCG和UCA转换为丝氨酸，从而得到一堆没有进化优势的乱码蛋白，即丝氨酸转变为亮氨酸可对蛋白质的结构产生影响；如果改造的大肠杆菌的诱骗tRNA 基因被水平转移到了其他生物体，诱骗tRNA会将代表丝氨酸的密码子误读为亮氨酸密码子，从而杀死细胞，即诱骗tRNA可使遗传信息正确的情况下基因表达异常；基于合成生物学，大肠杆菌X重构了遗传密码系统，从而合成了一种能够抵抗迄今已知所有天然病毒感染的大肠杆菌X。综上所述，ABC正确，D错误。 故选ABC。 （3）水平基因转移是指遗传物质被水平转移给非子代的其他细胞，大肠杆菌X中的基因包括拟核中的环状DNA分子和细胞质中的质粒，由于遗传密码重构，在新的细胞里，难以合成正常的蛋白质以及诱骗tRNA可使新细胞原本的基因表达紊乱，最终新细胞会死亡等原因使大肠杆菌X水平基因转移难以稳定存在。 （4）依据文章所述这项研究能够在利用合成生物学技术生产药物或其他有用物质时避免病毒污染带来的巨大损失。而且，该技术还可以用于转基因生物中，能够防止转基因的逃逸及其可能带来的潜在危害。 11．以乳酸为主要原料可合成聚乳酸，是一种可生物降解的材料，有广泛应用。为了提高乳酸产量，科研人员以光合生物制造技术构建聚球藻细胞工厂来生产乳酸，图1表示一个天然缺乏乳酸合成途径的聚球藻细胞经改造后的乳酸合成途径，途径①中LdhD是合成乳酸所需的NADH依赖型乳酸脱氢酶，来自保加利亚乳酸菌，途径②中LdhDs是NADPH依赖型的乳酸脱氢酶，虚线部分代表改造后新增的代谢过程。 (1)如图1所示，聚球藻无核膜包被的细胞核，能进行光合作用，由此可见生物进行光合作用必须具备的内部条件有 。 (2)在改造后的聚球藻中，可能发生的能量转换有 （答出2点）。 (3)经培养后发现，构建了途径①的聚球藻生产乳酸的效率不高，有可能是因为 。 (4)耐热地衣芽孢杆菌中也有活性较高的LdhD，图2为来自保加利亚乳酸菌和耐热地衣芽孢杆菌的LdhD酶活性比较，试分析将耐热地衣芽孢杆菌的LdhD基因转入聚球藻，是否可以进一步提高其产乳酸的能力，为什么？ 。 【答案】(1)光合色素、相关酶 (2)光能转换为活跃化学能、活跃化学能转换为稳定化学能、稳定化学能转换为热能、稳定化学能转换为活跃化学能 (3)聚球藻胞内环境不适合LdhD发挥作用、转入的基因在聚球藻内表达效率低、乳酸转运蛋白效率低下，细胞内乳酸积累抑制合成速率 (4)不能，若在一般温度下培养，耐热地衣芽孢杆菌LdhD酶活性低于保加利亚乳酸菌该酶的活性，不能提高聚球藻产乳酸的能力。若在较高温度下培养，耐热地衣芽孢杆菌LdhD酶活性远高于保加利亚乳酸菌该酶的活性，但聚球藻本身的光合作用等生理活动可能无法正常进行，生成乳酸所需的原料等不足，产乳酸能力也不能提高 【分析】1、分析题图1：改造后的聚球藻细胞可以吸收光能进行光合作用，光合作用产生的有机物进行无氧呼吸第一阶段生成丙酮酸后，丙酮酸可在相应酶的催化作用下合成乳酸。 2、NADH即还原型辅酶Ⅰ，具有还原性，在细胞呼吸过程中产生。NADPH是还原性辅酶Ⅱ，也具有还原性，在光合作用（光反应）中产生。 【详解】（1）聚球藻无核膜包被的细胞核，为原核生物，原核生物只有唯一的细胞器核糖体，没有叶绿体，聚球藻能进行光合作用，其细胞内含有光合色素和与光合作用有关的酶，由此可见生物进行光合作用必须具备的内部条件有光合色素和相关酶。 （2）由图1可知，改造后的聚球藻细胞可以吸收光能，将光能转换为NADPH中活跃化学能，NADPH中活跃化学能可以转换为暗反应产生的有机物中稳定的化学能，聚球藻细胞还可以进行无氧呼吸，将稳定化学能转换为热能和ATP中活跃的化学能。 （3）根据题意可知，途径①中LdhD是合成乳酸所需的NADH依赖型乳酸脱氢酶，来自保加利亚乳酸菌，改造后的聚球藻胞内环境与保加利亚乳酸菌胞内环境不同，可能聚球藻胞内环境不适合LdhD发挥作用，导致途径①的聚球藻生产乳酸的效率不高；或者转入的基因在聚球藻内表达效率低，也可能会导致 LdhD合成数量减少，进而聚球藻生产乳酸的效率不高；由图1可知，也可能是乳酸转运蛋白效率低下，导致细胞内乳酸积累，使细胞内pH值下降，抑制乳酸合成速率。 （4）由图2分析可知，若在一般温度下培养，耐热芽孢杆菌LdhD酶活性低于保加利亚乳酸菌该酶的活性，不能提高产乳酸能力。若在较高温度下培养，耐热地衣芽孢杆菌LdhD酶活性远高于保加利亚乳酸菌该酶的活性，但球聚藻本身的光合作用等生理活动可能无法正常进行，生成乳酸所需的原料等不足，产乳酸能力也不能提高，因此将耐热地衣芽孢杆菌的LdhD基因转入聚球藻，不能提高其产乳酸的能力。 12．人工肾能部分替代真正的肾脏起作用。患者的血液在中空纤维中向一侧流动，一种称为透析液的水溶液在中空纤维外向相反方向流动。血液中的小分子废物通过血液透析膜（中空纤维壁）进入到透析液中。血液从患者臂部或腿部的血管通路流入人工肾，经过人工肾得到净化后，又流回静脉（见下图）。    (1)人工制造的血液透析膜模拟了生物膜的 特性。 (2)为了防止某些盐类等有用物质随着废物离开血液，透析液中的酸碱度和渗透压（溶液浓度）应与正常血液中的血浆基本相同。血浆渗透压的大小主要与 的含量有关。 (3)血浆中每种成分的参考值都有一个变化范围，除了说明个体之间存在差异外，还说明内环境中理化性质及化学成分含量 。正常机体通过 调节机制使得各个器官、系统协调活动，共同维持内环境稳态。 (4)内环境除了构成细胞赖以生存的液体环境外，其作用还体现在 。 【答案】(1)选择透过 (2)蛋白质和无机盐 (3) 在一定范围内波动 （不是恒定不变的） 神经−体液−免疫 (4)是细胞与外界环境进行物质交换的媒介 【分析】细胞膜可以让水分子自由通过，细胞要选择吸收的离子和小分子也可以通过，而其他的离子、小分子和大分子则不能通过，因此细胞膜是一种选择透过性膜。 【详解】（1）透析型人工肾中的血液透析膜模拟了生物膜的选择透过性，这体现了生物膜的选择透过特性。 （2）血浆渗透压的大小主要与蛋白质和无机盐的含量有关。 （3）血浆中每种成分的参考值都有一个变化范围，除了说明个体之间存在差异外，还说明内环境中理化性质及化学成分含量在一定范围内波动 （不是恒定不变的）。正常机体通过神经―体液―免疫调节机制使得各个器官、系统协调活动，共同维持内环境稳态。 （4）内环境除了构成细胞赖以生存的液体环境外，其作用还体现在是细胞与外界环境进行物质交换的媒介。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！11 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$ 热点06合成生物学与生物制造 目录 1.热点解读：热点命题方向解读、核心考点明晰 2.关联教材：链接教材掌知识、基础打牢应万变 3.命题趋势：明考情知方向、巧预测押热点 3.创新演练：知情境、练突破（30min限时练) 热点解读 1.技术突破方面：基因编辑技术不断革新，如CRISPR-Cas系统的优化和新的编辑工具的探索，使基因编辑更加精准、高效和多功能。同时，DNA合成与组装技术成本降低、效率提升，能够实现更长片段、更复杂基因线路的构建，推动了复杂生物系统的设计与构建。 2.应用拓展方面：在医药领域，除了利用合成生物学生产药物、抗体和疫苗外，还在开发个性化细胞疗法，如CAR-T细胞疗法的进一步优化和新的细胞治疗技术的探索。在能源领域，通过改造微生物生产生物燃料，如生物乙醇、生物柴油等，以寻求可持续的能源解决方案。在环保领域，合成生物学可用于构建能够降解污染物的工程微生物，治理土壤污染、水污染等环境问题。 3.产业发展方面：合成生物学与生物制造相关企业不断涌现，吸引了大量的资本投入，产业规模持续扩大。各国政府也纷纷出台政策支持合成生物学的发展，将其作为提升国家生物经济竞争力的关键领域，推动产业集群的形成和发展。 4.伦理与安全方面：合成生物学涉及对生物体的改造和创造，引发了一系列伦理、法律和社会问题的讨论。例如，如何确保合成生物的安全性，防止其对生态环境和人类健康造成潜在风险；如何规范基因编辑等技术的应用，避免出现伦理争议等。 关联教材 1.生物学类 《分子生物学》：涉及基因的结构与功能、DNA复制、转录和翻译等基础知识，是理解合成生物学中基因操作和生物系统构建的基础。 《细胞生物学》：讲解细胞的结构与功能、细胞代谢、细胞信号转导等内容，为合成生物学中细胞工程和代谢工程的学习提供理论支持。 《微生物学》：介绍微生物的分类、生理、遗传等知识，微生物是合成生物学和生物制造中常用的宿主和工具，如大肠杆菌、酵母等在药物生产、生物燃料制备等方面有广泛应用。 2.工程学类 《生物工程原理》：阐述生物产品大规模生产的工程原理和技术，包括生物反应器的设计、发酵工艺的优化等，与生物制造中的工业化生产密切相关。 《化工原理》：涵盖流体力学、传热、传质等化工基本原理，在生物制造中涉及到物质的分离、纯化等单元操作，是实现生物产品规模化生产的重要理论基础。 3.化学类 《有机化学》：介绍有机化合物的结构、性质和反应机理，在合成生物学中，许多生物合成途径涉及到有机化学反应，有机化学知识有助于理解和设计这些途径。 《生物化学》：研究生物大分子的结构与功能、生物代谢途径等，是合成生物学中解析和改造生物代谢网络的基础，为生物制造中目标产物的合成提供理论依据。 命题趋势 命题趋势明考情知方向 1.跨学科综合命题加强：将生物学、工程学、化学等多学科知识融合，考查学生综合运用知识解决实际问题的能力。例如，以某种生物药物的合成过程为背景，要求学生分析其中涉及的基因编辑、细胞培养、生物反应器设计以及产物分离纯化等多方面的知识。 2.基于真实案例的情境命题：以合成生物学与生物制造领域的最新科研成果或产业应用案例为素材，设置问题考查学生对知识的理解和应用。如以利用合成生物学技术生产新型生物材料为例，让学生分析其生产原理、优势以及可能面临的问题和解决方案。 3.关注伦理与社会问题：命题可能会涉及合成生物学与生物制造带来的伦理、法律和社会影响等方面的内容，要求学生进行思考和讨论。比如，探讨基因编辑技术在人类生殖领域应用的伦理争议，或者合成生物释放到环境中可能引发的生态安全问题等，培养学生的批判性思维和社会责任感。 4.创新与实践能力的考查：注重考查学生的创新思维和实践能力，如让学生设计一种基于合成生物学的生物制造方案，以解决某个具体的生产或环境问题；或者分析现有技术的不足，提出改进和创新的思路，体现对学生创新和实践能力的重视。 创新演练（建议用时：30分钟） 一、单选题 1．合成生物学是当前生物学领域的研究热点之一，我国科学家利用经基因改造的酵母菌，以玉米秸秆（主要成分是纤维素）为原料合成淀粉和蛋白质。下列叙述错误的是（　　） A．酵母菌能进行光合作用合成淀粉 B．人体消化道无法消化吸收纤维素 C．淀粉和纤维素都是由葡萄糖组成 D．该技术为人类粮食生产提供新思路 2．如果说基因测序是读基因，那么合成生物学就是写基因。2017年3月我国科学家在合成生物学领域取得了重大突破，完成了酿酒酵母的 4 条染色体的人工合成。下列分析错误的是（    ） A．酵母菌是真核生物，染色体主要由DNA和蛋白质组成 B．酵母菌细胞在有氧和无氧条件下都能存活，与其遗传物质有关 C．原核细胞无染色体，但可以存在DNA-蛋白质复合物 D．人工合成染色体，需要核苷酸、氨基酸、磷脂和ATP等原料 3．2018年中科院覃重军团队将包含16条染色体的酿酒酵母人工拼接为只有1条巨大染色体的SY14菌株，该菌能进行正常的生命活动，这在合成生物学领域具有里程碑意义。下列有关叙述错误的是（　　） A．把酵母菌的16条染色体人工拼接为1条巨大染色体属于染色体变异 B．在拼接过程中需要切除15个着丝粒和30个端粒 C．1条染色体可以执行16条染色体的全部功能说明了该条染色体含该酵母菌的全部基因 D．人工合成和拼接染色体的成功为研究与治疗染色体疾病、癌症和衰老等提供了模型 4．合成生物学是生物科学的一个新兴分支学科，其研究成果有望破解人类面临的健康、能源、环境等诸多问题，比如为食品研发赋能：开发多种功能的替代蛋白、糖类和脂质等。下列有关蛋白质、糖类和脂质的叙述错误的是（    ） A．蛋白质可以与糖类结合成复合物，在信息传递方面具有重要的作用 B．蛋白质的组成元素有C、H、O、N等，糖类和脂质的组成元素有C、H、O C．蛋白质、糖类和脂质中的脂肪都属于能源物质，其中糖类是主要的能源物质 D．等质量的脂肪和糖类相比，脂肪氧化分解释放的能量更多 5．中国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H，其以糖蜜（甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖）为原料，在实验室通过发酵生产出PHA等新型高附加值可降解材料，从而提高了甘蔗的整体利用价值。具体的工艺流程如下图示。下列说法错误的是（    ） A．为了筛选出耐高浓度蔗糖的菌株H，可在液体培养基中将蔗糖作为唯一碳源，并不断提高其浓度 B．为统计培养液中H菌的数目，可在培养过程中定期取样借助血球计数板进行计数 C．发酵工程的中心环节是分离、提纯产物 D．若在适宜营养物浓度、温度和pH条件下发酵，菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期且产生了少量的乙醇，可以通过增加搅拌棒的转速等方式改善 6．合成生物学是生物科学的一个新兴分支学科，其研究成果有望破解人类面临的健康、能源、环境等诸多问题，比如为食品研发赋能：开发多种功能的替代蛋白、糖类和脂质等。下列有关蛋白质、糖类和脂质的叙述正确的是（　　） A．脂肪分子中C、H的比例高，O的比例低，是细胞的主要能源物质 B．糖原和淀粉的功能不同是因为其基本单位的排列顺序不同 C．细胞中各种蛋白质的合成过程都需要核糖体和线粒体参与 D．细胞膜、细胞质、细胞核中均含有由糖类参与形成的化合物 7．酶为生活添姿彩。下列关于酶的应用，描述错误的是（    ） A．胃蛋白酶能溶解血凝块，促进伤口愈合 B．脂肪酶可处理废弃油脂，制造生物柴油 C．溶菌酶能溶解细菌细胞壁，起杀菌作用 D．果胶酶能分解细胞壁，提高果汁澄清度 8．酶可为生活添姿彩，下列关于酶的叙述错误的是（    ） A．脂肪酶可用于制造生物柴油 B．果胶酶可用于提高果汁产量 C．溶菌酶与抗生素混合使用能增强抗菌消炎效果 D．青霉素酰化酶改造氨卞青霉素能抑制抗药性的形成 二、非选择题 9．近期，美国的一个研究团队使用合成生物学和工程学手段在哺乳动物细胞中恢复了必需氨基酸的生物合成。该研究提供了开创性证据，表明哺乳动物系统可能允许恢复必需氨基酸生物合成途径。该项研究以中国仓鼠卵巢（CHO）细胞系作为模型系统，CHO细胞系在缺乏任何一种必需氨基酸的培养基上均不能生长。研究人员从大肠杆菌中挖掘基因（编码通常不在动物细胞中产生的酶），设计了密码子优化的生物合成途径，这些途径以3 000碱基为单位从头合成，在酵母菌中组装，然后导入 CHO 细胞中筛选培育出能合成缬氨酸的仓鼠，流程如图所示。回答下列问题： (1)缬氨酸的合成基因和2，3-二羟基-3-异戊酸基因需先在酵母菌中组装，推测其目的是 ；将从酵母菌中获得的目的基因导入 CHO细胞前需先构建成A，目的基因应插入质粒的位置是 。 (2)进行过程③前卵母细胞要去核处理，原因是 ；去核的卵母细胞除具有体积大、易操作，含营养物质丰富等特点外，还含有 的物质，有利于培养获得克隆动物。 (3)体外培养 CHO 细胞、卵母细胞、重组细胞时，培养液中加入中国仓鼠血清的作用是 。 (4)过程⑤一般需将重组胚胎培养至一定时期后移植到代孕仓鼠体内，代孕仓鼠与供体仓鼠需处于同期发情期，目的是 。 (5)研究人员做进一步相关研究，将转基因获得的CHO细胞系（pMTIV）均分为三组，并与对照细胞（pCtr1）分别置于不含缬氨酸的培养基中进行培养，结果如图1所示；图2为单独培养 CHO 细胞系的情况。图1中可得出的实验结论是 ；根据图2实验结果可得出的实验结论是 。 10．学习以下材料，回答(1)~(4)题。 合成生物学新进展 合成生物学指对已有生物系统进行修改或进行人工设计改造，从而合成自然界不存在或未发现的生物系统等。利用合成生物学，人们对细菌基因组进行改造并利用这些改造的细菌来发酵生产药物(如胰岛素)或其他有用物质(如生物燃料)，但发酵罐中的细菌可能被病毒污染或逃逸到自然界，造成潜在危害。 目前科学家合成大肠杆菌基因组，用同义序列替换所有UCC和UCA的丝氨酸密码子对应的 DNA序列，并进一步删除了与UCG和UCA 密码子对应的tRNA基因;并设计添加诱骗tRNA基因，该诱骗tRNA会把UCG和UCA从原本的丝氨酸识别为亮氨酸，从而合成了一种能够抵抗迄今已知所有天然病毒感染的大肠杆菌X。 研究团队还在改造的大肠杆菌上添加了两个独立的保障措施。第一个保障措施是防止水平基因转移。水平基因转移是指遗传物质被水平转移给非子代的其他细胞，这是一种不断发生的自然现象。研究团队在大肠杆菌X中将亮氨酸的密码子替换成了UCC或UCA，如果大肠杆菌X的遗传物质水平转移到了其他生物体中，那么这些生物体的天然 tRNA仍然将UCG和UCA转换为丝氨酸，从而得到一堆没有进化优势的乱码蛋白。同样，如果改造的大肠杆菌的诱骗tRNA 基因被水平转移到了其他生物体，那么这些诱骗tRNA会将代表丝氨酸的密码子误读为亮氨酸密码子，从而杀死细胞，防止进一步传播。也就是说，任何逃逸的诱骗tRNA基因都“走不远”，因为它们对自然生物体有毒。这也是第一种能够阻止转基因生物的基因水平转移到天然生物的技术。第二个保障措施是大肠杆菌X必须依赖实验室制造的非天然氨基酸生存，这种非天然氨基酸在自然界并不存在。 合成生物学的大门正在徐徐打开，而新的探索才刚刚开始。 (1)该研究在 ( DNA/RNA/蛋白质)上进行操作，重构了遗传密码系统，从而合成大肠杆菌X，其遗传信息的传递 (违背/不违背)中心法则。 (2)大肠杆菌X能够抵抗迄今已知所有天然病毒感染的原因包括 。 A．诱骗tRNA可使遗传信息正确的情况下基因表达异常 B．丝氨酸转变为亮氨酸可对蛋白质的结构产生影响 C．基于合成生物学，大肠杆菌X重构了遗传密码系统 D．大肠杆菌X本身需要诱骗tRNA才能完成基因表达 (3)大肠杆菌X中能够水平基因转移的物质包括拟核中的 DNA 和 ，大肠杆菌X水平基因转移难以稳定存在的原因是 。 (4)依据文章所述，该研究可以应用于哪些方面? 11．以乳酸为主要原料可合成聚乳酸，是一种可生物降解的材料，有广泛应用。为了提高乳酸产量，科研人员以光合生物制造技术构建聚球藻细胞工厂来生产乳酸，图1表示一个天然缺乏乳酸合成途径的聚球藻细胞经改造后的乳酸合成途径，途径①中LdhD是合成乳酸所需的NADH依赖型乳酸脱氢酶，来自保加利亚乳酸菌，途径②中LdhDs是NADPH依赖型的乳酸脱氢酶，虚线部分代表改造后新增的代谢过程。 (1)如图1所示，聚球藻无核膜包被的细胞核，能进行光合作用，由此可见生物进行光合作用必须具备的内部条件有 。 (2)在改造后的聚球藻中，可能发生的能量转换有 （答出2点）。 (3)经培养后发现，构建了途径①的聚球藻生产乳酸的效率不高，有可能是因为 。 (4)耐热地衣芽孢杆菌中也有活性较高的LdhD，图2为来自保加利亚乳酸菌和耐热地衣芽孢杆菌的LdhD酶活性比较，试分析将耐热地衣芽孢杆菌的LdhD基因转入聚球藻，是否可以进一步提高其产乳酸的能力，为什么？ 。 12．人工肾能部分替代真正的肾脏起作用。患者的血液在中空纤维中向一侧流动，一种称为透析液的水溶液在中空纤维外向相反方向流动。血液中的小分子废物通过血液透析膜（中空纤维壁）进入到透析液中。血液从患者臂部或腿部的血管通路流入人工肾，经过人工肾得到净化后，又流回静脉（见下图）。    (1)人工制造的血液透析膜模拟了生物膜的 特性。 (2)为了防止某些盐类等有用物质随着废物离开血液，透析液中的酸碱度和渗透压（溶液浓度）应与正常血液中的血浆基本相同。血浆渗透压的大小主要与 的含量有关。 (3)血浆中每种成分的参考值都有一个变化范围，除了说明个体之间存在差异外，还说明内环境中理化性质及化学成分含量 。正常机体通过 调节机制使得各个器官、系统协调活动，共同维持内环境稳态。 (4)内环境除了构成细胞赖以生存的液体环境外，其作用还体现在 。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！11 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$