3.3 基因工程的应用（教学课件）-【上好课】2024-2025学年高二生物同步精品课堂（人教版2019选择性必修3）

选择性必修三《生物技术与工程》 第3章 基因工程 第3节 基因工程的应用 低乳糖奶牛 基因工程肝炎疫苗 1978年，科学家将编码人胰岛素的基因导入大肠杆菌细胞中，使大肠杆菌表达重组人胰岛素。我国拥有自主知识产权的基因工程物---重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。 除了生产胰岛素，基因工程还有那些应用呢？ 情境导入 胰岛素 思考 重组人胰岛素注射液 目录 课堂小结 探究新知 04 情境导入 03 02 01 课堂练习 一.基因工程在农牧业方面的应用 二.因工程在医药卫生领域的应用 三.基因工程在食品工业方面的应用 四.基因工程与环境保护 基因工程自20世纪70年代兴起后，得到了飞速的发展，在农牧业、 医药卫生、（工业、环境、能源）和食品工业等方面，展示出广阔的前景。 医药卫生领域 食品工业方面 农牧业方面 基因工程的应用 基因工程的应用 4 ①1996-2017年，全世界转基因作物种植面积增加了100多倍。转基因作物的种植使化学农药的施用量减少了8.2%，作物产量增加了6.6×108t，增加经济效益1.3万亿。 ②美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家 ③世界转基因作物种植面积最大的是大豆，其次是玉米、棉花； ④我国转基因作物的种植面积位居世界第八位，商业化种植的转基因作物有棉花和番木瓜； 一.基因工程在农牧业方面的应用概述 植物方面 ①几乎每年都有令人瞩目的研究成果报道，有些成果正在进入实用化和商业化开发的阶段； ②2015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。 转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排） 动物方面 一.基因工程在农牧业方面的应用概述 从某些生物中分离出抗虫基因导入作物，使之具有抗虫性状。 (2)主要杀虫基因： (1)方法： Bt毒蛋白基因 淀粉酶抑制剂基因 蛋白酶抑制剂基因 植物凝集素基因 阻断或降低蛋白酶的活性，使害虫不能正常消化食物，还会引起厌食反应。 导致细胞膜穿孔，细胞肿胀裂解。 产生的抑制剂可与害虫消化道内的淀粉酶结合。 可与害虫肠道黏膜上的某种物质结合，影响害虫对营养物质的吸收和利用。 抗虫目的基因种类 减少因化学农药的使用而造成的环境污染和对人类健康的损害、降低生产成本、提高产量。 转基因抗虫棉花、玉米、水稻、大豆、马铃薯等。 (3)成果： (4)优点： 一.基因工程在农牧业方面的应用概述 1.转基因抗虫植物 科学家将来源于某些病毒、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： (2)抗病基因： 抗病毒基因 抗真菌基因 病毒外壳蛋白基因（CP基因） 病毒的复制酶基因 几丁质酶基因 抗毒素合成基因 转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。 (3)成果： 能否稳定遗传？ 抗病毒转基因植物通常为杂合子，后代会出现性状分离，不能稳定遗传。 一.基因工程在农牧业方面的应用概述 2.转基因抗病植物 杂草常常危害农业生产，而大多数除草剂不仅能杀死田间杂草，还会损伤作物，导致作物减产 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。 转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。 施用除草剂后的转基因抗除草剂玉米田 种植转基因抗除草剂大豆的农田 1.背景： 2.方法： 3.成果： 3.转基因抗除草剂植物 一.基因工程在农牧业方面的应用概述 我国科学家培育出了赖氨酸含量提高30%的转基因玉米。 赖氨酸缺少对健康很不利。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。 提高植物的营养价值、观赏价值等。 将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色，大大提高了它的观赏价值。 1.目的: 2.成果： 一.基因工程在农牧业方面的应用概述 4.利用转基因改良植物品质 科学家们将外源生长激素基因，导入动物体内，以提高动物生长速率。例如,我国科学家将外源生长激素基因导入鲤鱼，在同等养殖条件下，转基因鲤鱼的生长速率比非转基因鲤鱼提高了42%～115%。 转生长激素基因鲤鱼（下） 与非转基因鲤鱼（上） 成果： 5.利用转基因提高动物的生长速率 一.基因工程在农牧业方面的应用概述 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，称之为乳糖不耐受。 避免食物过敏、腹泻、恶心等不适。 成果： 科学家们将肠乳糖酶基因，导入奶牛基因组，获得的转基因奶牛分泌的乳汁中，乳糖含量大大降低，而其他营养成分不受影响。 优点： 6.用来改善畜产品的品质 一.基因工程在农牧业方面的应用概述 1.常见药物类型： 2.应用： 3.实例： 细胞因子、抗体、疫苗和激素等。 可以用来预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等。 我国生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等。 1.基因工程改造微生物或动植物的细胞生产药物 二.基因工程在医药卫生领域的应用 干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病。此外，干扰素对于治疗乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等也有一定的疗效。 传统生产干扰素的方法是从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取1mg干扰素。 1980-1982年，科学家用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从1Kg培养物中可以得到20—40mg干扰素。 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 二.基因工程在医药卫生领域的应用 思考：1.干扰素的化学本质是什么？ 糖蛋白 干扰病毒复制 病毒感染性疾病、乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等 从人血液中的白细胞内提取 用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得 重组人干扰素α-1b 主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等 2.干扰素的作用机理是怎样的？ 3.干扰素用于哪些疾病的治疗？ 4.传统生产干扰素的方法是什么？ 5.目前大量生产干扰素的方法是什么？ 6.我国批准生产的第一个基因工程药物的名称叫什么？用于治疗哪些疾病？ 二.基因工程在医药卫生领域的应用 1.实例： 转基因动物进入泌乳期后，可以通过分泌的乳汁来生产所需药品。 乳腺生物反应器或乳房生物反应器 目前已经在牛、山羊等动物的乳腺生物反应器中，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.应用： 我的奶不是一般的奶！ 喝牛奶可以代替打针吃药吗？ 2.让转基因哺乳动物批量生产药物 二.基因工程在医药卫生领域的应用 16 药用蛋白基因 乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件 基因表达载体 显微注射 受精卵 泌乳期分泌乳汁 转基因动物 药物 胚胎移植 早期胚胎培养 早期胚胎 1.培育过程： (1)动物乳腺有完整的蛋白质翻译后修饰系统，生产的蛋白质活性高，更稳定。 (2)产物直接经乳汁分泌，易提取。 2.优点： 胚胎移植前应做DNA分析，鉴定性别，保留雌性。 二.基因工程在医药卫生领域的应用 1.利用乳腺生物反应器的动物性别是 。 2.利用乳腺生物反应器生产药物时受体细胞是 ________ ，原因是____________________________________________________。 3.目的基因可在乳腺细胞中表达，其他组织细胞中含有该目的基因吗？ 。 理由是： 4.要使目的基因在乳腺组织中特异性表达，在构建基因表达载体时要在目的基因序列前加上乳腺组织中特异表达的启动子： 。 雌性 受精卵 受精卵具有全能性，可使外源基因在相应的组织细胞中表达 含有 因为它们都是由同一个受精卵分裂、分化而来的 乳腺蛋白基因的启动子 二.基因工程在医药卫生领域的应用 易错点拨 动物基因工程还有另外一个作用，就是用转基因动物生产药物，也就是我们之前提过的乳腺生物反应器，那么什么是乳腺生物反应器呢？那我们知道，正常动物。。。那么我们应该怎样做，才能使这个动物的乳汁含有所需的药品呢？也就是我们应该如何实现用乳房生物反应器来生产药物？那同学们再思考一下，为什么我们要用这个乳腺来作为基因药物的表达产所，用血液不行吗？ 1.乳腺生物反应器指的是转基因动物的乳腺吗？ 2.为什么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元件重组在一起？ 4.生物反应器除了用乳腺，还可以用什么器官？ 让药用蛋白基因只在乳腺细胞中特异性表达 几乎所有细胞 膀胱 不局限于性别与发育时期（乳腺生物反应器必须是雌性，且泌乳期才会分泌） 将目的基因与膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子重组 不是，乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物 3.药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？ 6.研制膀胱生物反应器时，应如何处理目的基因？ 5.膀胱生物反应器哪些方面优于乳腺生物反应器？ 二.基因工程在医药卫生领域的应用 思考 人体移植器官短缺是世界性难题 寻找可代替的移植器官 ①猪的内脏构造、大小、血管分布与人相似； ②猪体内隐藏的致病基因远远少于灵长类动物。 4.最大的难题：存在免疫排斥反应。 3.猪的优点： 1.问题： 2.解决： 二.基因工程在医药卫生领域的应用 3.用转基因动物作为器官移植的供体 ②设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。 ①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； 5.改造方法： 基因敲除 目的基因 二.基因工程在医药卫生领域的应用 3.用转基因动物作为器官移植的供体 用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。 基因工程构建基因工程菌 工业发酵批量生产 2.步骤： 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。如：一种普遍使用的甜味剂（阿斯巴甜），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。 1.概念: 3.应用： 发酵工程 三.基因工程在食品工业方面的应用 1.基因工程菌 （1）凝乳酶：大多数奶酪的生产需要使用凝乳酶来凝聚固化奶中的蛋白质。 传统制备方法：杀死未断奶的小牛，将其第四胃的黏膜取出来提取。 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，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。 4.实例 三.基因工程在食品工业方面的应用 1.基因工程菌 （2）淀粉酶、脂酶 加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食品用到的脂酶等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纯度更高，生产成本显著降低，生产效率较高。 优点： 三.基因工程在食品工业方面的应用 1.基因工程菌 （3）其他：培育出可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染，利用经过基因改造的微生物来生产能源。 三.基因工程在食品工业方面的应用 1.基因工程菌 25 26 　有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。 基因工程将能分解三种烃类的假单孢杆菌的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的“超级细菌”。 （1）用于被污染环境的净化 四.基因工程与环境保护 26 利用基因工程培育的指示生物（DNA探针）能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。 （2）基因工程与环境监测 四.基因工程与环境保护 27 （3）其他：利用经过基因改造的微生物来生产能源。 3种淀粉酶基因 组成的复合基因 海底热泉古生菌 玉米 乙醇单位产量的利润提高了8%~15% 四.基因工程与环境保护 28 农牧业方面 医药卫生领域 食品工业方面 乳腺生物反应器 课堂小结 1．判断下列说法的正误： (1)农业害虫不会对转基因抗虫作物产生抗性。 (　　) (2)乳腺生物反应器就是把药用蛋白基因导入动物的乳腺细胞中。(　　) (3)干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病。 (　　) ×　 ×　 √　 　 ×　 √　 × 课堂练习 提示：乳腺生物反应器是把药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起，通过显微注射法导入哺乳动物的受精卵中。 $$