3.3 基因工程的应用-2024-2025学年高二生物同步优质备课（人教版2019选择性必修3）

第3节 基因工程的应用 【本节聚焦】 1、基因工程的应用有哪些? 2、怎样理性地看待基因工程在生产和生活中的应用? 第3章 基因工程 本PPT模板部分元素使用了幻灯片母版制作。如果需要修改，点击-视图-幻灯片母版-修改；完成后关闭编辑母版即可。 1 学习目标、重难点 核心素养 1.举例说出基因工程的应用及取得的成果。 2.关注基因工程的进展。 3.理性看待基因工程在生产和生活中的应用。 1.生命观念：关注基因工程的进展 2.社会责任：面对日常生活和社会热点话题中与基因工程有关的话题,基于相关证据运用基因工程的概念和原理，对基因工程的应用表明自己的观点并展开讨论 1.教学重点:基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用 2.教学难点:乳腺生物反应器 2 从社会中来 基因工程的应用 基因工程自20世纪70年代兴起后，得到了飞速的发展，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 从社会中来 【资料1】1996—2017年，全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍 转基因作物的种植使化学杀虫剂施用量减少了8.2% 作物产量增加了6.6×108t，增加经济收益近1.3万亿元 【资料2】转基因动物方面的成果正在进入实用化和商业化开发的阶段 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 转基因鲑鱼缩短了其成长周期，因此它受到的污染和体内聚集的有毒物质残留比普通鲑鱼少得多 思考：基因工程在农牧业方面的应用有哪些优点？ 减少化学杀虫剂使用量（生物防治） 提高作物和畜产品产量、增加经济效益 改良动植物品种。。。 一、 基因工程在农牧业方面的应用 转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排） 合作探究一：请同学们自主阅读教材P88-89，小组合作思考讨论完成下表。 一、 基因工程在农牧业方面的应用 应用 外源基因类型 实例 转基因抗虫植物 转基因抗病植物 转基因抗除草剂植物 改良植物的品质 提高动物的生长速率 改善畜产品的品质 抗虫基因 抗病毒基因、抗真菌基因 降解或抵抗某种除草剂的基因 优良性状基因：提高必需氨基酸含量的蛋白质编码基因、与植物花青素代谢相关的基因 生长激素基因 肠乳糖酶基因 抗虫棉花、玉米、大豆、马铃薯、水稻等 抗病毒烟草、番木瓜、甜椒等 抗除草剂的大豆、玉米、油菜和甜菜等 高赖氨酸玉米、新花色矮牵牛 转基因鲤鱼 转肠乳糖酶基因奶牛 超链接 6 1．采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的方法正确的是(　　) ①将毒素蛋白注射到棉受精卵中 ②将编码毒素蛋白的DNA序列注射到棉受精卵中 ③将编码毒素蛋白的DNA序列与质粒重组，导入农杆菌，用该细菌感染棉的体细胞，再进行组织培养 ④将编码毒素蛋白的DNA序列与细菌质粒重组，借助花粉管通道进入受精卵 A．①② B．③④ C．②③ D．①④ B 对点训练 二、基因工程在医药卫生领域的应用 【情景资料1】胰岛素是治疗糖尿病的特效药。一般临床上使用的胰岛素主要从猪、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。 【情景资料2】干扰素是动物或人体细胞受到病毒感染后产生的一种糖蛋白。干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！对癌症也有一定疗效。传统的干扰素生产方法是从人血中提取，300L血才提取1mg！ 怎么做，解决以上难题 利用基因工程对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物， 1.基因改造微生物或动植物的细胞生产药物： 基因工程菌 用___________的方法，使___________得到__________的菌类，一般称为基因工程菌.（转基因大肠杆菌生产胰岛素） 基因工程 外源基因 高效表达 基因工程构建基因工程菌 工业发酵批量生产 概念： 步骤： 应用： 利用基因工程菌生产药物有_____________________________等 1.基因工程菌 二、基因工程在医药卫生领域的应用 细胞因子、抗体、疫苗和激素 9 案例：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。 注意：抗生素（抗细菌药物）≠干扰素（抗病毒药物） 思考1：结合基因工程基本操作程序。尝试说出干扰素的生产的操作流程？ 质粒 重组质粒 大肠杆菌或酵母菌 可大量生产干扰素的大肠杆菌或酵母菌 构建 导入 培养 二、基因工程在医药卫生领域的应用 传统生产方法：从人血液中白细胞提取，每300L血液只能提取1mg干扰素。 干扰素基因 从1Kg培养物中可以得到20—40mg干扰素。 与大肠杆菌相比，用酵母菌生产人的胰岛素有什么优势？ 酵母菌为真核生物，有生物膜系统，可通过内质网和高尔基体对产生的胰岛素进行加工和修饰，从而产生有活性的胰岛素。 大肠杆菌 酵母菌 二、基因工程在医药卫生领域的应用 11 让转基因哺乳动物批量生产药物 用转基因动物作为器官移植的供体 对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物 医药卫生领域的应用 二、基因工程在医药卫生领域的应用 在传统的蛋白质类药物生产中，是直接从生物的组织、细胞或血液中提取而来的，因为受到原料限制，产量低，价格贵，远不能满足患者的需求。 2、让转基因哺乳动物批量生产药物 （1）实例： 乳腺生物反应器或乳房生物反应器 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 受精卵 泌乳期 分泌乳汁 转基因动物 药物蛋白 显微注射法 发育 （2）培育过程： 要求：乳腺生物反应器必须是雌性，且泌乳期 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 思考1.获得乳腺生物反应器的步骤与培育普通工程菌的步骤有什么区别? 认识到为了从乳汁中获得目的蛋白，在构建基因表达载体时,需要在编码目的蛋白的基因序列前加上在乳腺中特异表达的建用的启动子 注意：启动子具有物种和组织的特异性，如乳腺中特异表达的基因的启动子只在乳腺细胞被特异性激活，使乳腺细胞的目的基因得以表达 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 （3）应用： 思考：乳腺生物反应器是转基因动物的乳腺吗 13 2、让转基因哺乳动物批量生产药物 （1）实例： 乳腺生物反应器或乳房生物反应器 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 受精卵 泌乳期 分泌乳汁 转基因动物 药物蛋白 显微注射法 发育 （2）培育过程： 要求：乳腺生物反应器必须是雌性，且泌乳期 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 思考2：与工厂化生产药用蛋白相比，用动物乳腺生物反应器生产药用蛋白的优越之处有哪些? 注意：启动子具有物种和组织的特异性，如乳腺中特异表达的基因的启动子只在乳腺细胞被特异性激活，使乳腺细胞的目的基因得以表达 (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。 优点：产量高；成本低；产品质量好，易提取。 缺点: 容易受时间和性别的限制 补充：膀胱生物反应器 14 药用蛋白基因 膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子等调控元件 基因表达载体 受精卵 转基因动物 药物 早期胚胎培养 早期胚胎 显微注射 胚胎移植 培育过程 膀胱生物反应器 尿液 思考3：绘制用基因工程技术获得膀胱生物反应器的流程图? 二、基因工程在医药卫生领域的应用 思考4:膀胱生物反应器哪些方面优于乳腺生物反应器? (1)正常尿液中蛋白质含量很少，所以从尿液中更容易提取分离产物。 (2)不受性别限制，受体来源更广泛。 (3)不受年龄限制。 比较内容 乳腺生物反应器 工程菌 基因结构 基因表达 生产条件 药物提取 乳腺生物反应器与基因工程菌生产药物比较 三、基因工程在食品工业方面的运用 动物基因结构与人类的 基因结构基本相同 细菌和酵母菌的基因结构与人类有较 大差异 不需严格灭菌；温度等 外界条件对其影响不大 从动物乳汁中提取 细菌合成的药物蛋白可能没有活性 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 从微生物细胞或其培养液中提取 合成的药物蛋白与天然 蛋白质相同 2．采用基因工程技术可培育出含人凝血因子基因的转基因羊，但是人凝血因子只存在于该转基因羊的乳汁中。下列有关叙述正确的是 (　　) A．人体细胞中凝血因子基因碱基对数目小于凝血因子氨基酸数目的3倍 B．在该转基因羊中，人凝血因子基因也会存在于成熟的红细胞中 C．人凝血因子基因开始转录后，在DNA连接酶的作用下合成mRNA D．科学家将目的基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，制成乳腺生物反应器 D 对点训练 寻求可替代的器官，如猪的器官替代人类器官进行移植。 3、用转基因动物作为器官移植的供体 ①人体器官移植的难题： 移植器官短缺 ②解决途径： a. 猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似 b. 猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远远少于灵长类动物 为什么猪的器官替代？ ——新难题？ 免疫排斥 二、基因工程在医药卫生领域的应用 基因工程在医药卫生领域的运用 可能使建立移植器官工厂的设想成为现实 如何解决免疫排斥？ （1）在器官供体基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达； （2）或设法除去抗原决定基因，然后结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。 二、基因工程在医药卫生领域的应用 转基因 基因敲除 3．下列关于用转基因动物作器官移植供体的研究的叙述，不正确的是(　　) A．人体移植器官短缺和免疫排斥是目前制约人体器官移植的两大难题 B．猪的内脏构造、大小和血管分布与人的极为相似 C．灵长类动物体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒少于猪 D．无论以哪种动物作为供体，都需要在其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 课后训练 C 利用基因工程获得的工程菌，除了生产药物，还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。 三、基因工程在食品工业方面的运用 1、实际应用: 产物 应用 制备方法 阿斯巴甜 凝乳酶 淀粉酶、脂酶 主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可以通过基因工程实现大规模生产 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 通过构建基因工程菌、然后用发酵技术大量生产 普遍使用的甜味剂 用于奶酪生产，凝聚固化奶中蛋白质。 转化糖浆（淀粉酶）烘烤食物（脂酶） 优势：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。 思考：基因工程技术生产的工业用酶优势？ 21 2. 其他应用：环保领域的应用 利用经过基因改造的微生物生产清洁能源 培育可以降解多种污染物的“超级细菌”治理环境污染 三、基因工程在食品工业方面的运用 课堂小结 农牧业方面 食品工业方面 乳腺生物反应器 医药卫生领域 1．下列有关转基因植物的说法，错误的是(　　) A．科学家可以利用一些调节细胞渗透压的基因，来提高农作物的抗盐碱和抗旱的能力 B．因为转基因抗虫棉可以抵抗一切危害棉花植株的害虫，所以转基因抗虫棉已经推广应用 C．科学家往往将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，以提高农作物的营养价值 D．利用基因工程技术可以改良农作物的品质 B 课后训练 2．下列有关目的基因的操作能够改善产品品质的是(　　) A．将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内 B．将肠乳糖酶的基因导入奶牛的基因组 C．将降解或抵抗某种除草剂的基因导入玉米 D．将Bt抗虫蛋白基因整合到烟草或棉花的基因组并实现表达 B 课后训练 3．利用基因工程技术使哺乳动物成为乳腺生物反应器，以生产所需要的药品，如转基因动物生产人的生长激素。科学家培养转基因动物成为乳腺生物反应器，下列说法错误的是(　　) A．利用显微注射法将人的生长激素基因导入受体哺乳动物体内 B．需要将乳腺中特异表达的基因的启动子与目的基因重组在一起 C．动物必须是雌性才能满足要求 D．动物需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂” A 课后训练 4．如图表示科研人员利用乙烯合成酶的反义基因，通过转基因技术获得耐储存的转基因番茄的过程。下列相关叙述错误的是(　　) 2 3 5 6 7 8 9 11 12 1 4 10 13 A．该转基因技术所用的目的基因是乙烯合成酶基因 B．乙烯合成酶的反义基因与乙烯合成酶基因的区别是转录的模板链不同 C．由图可知过程⑤依据的原理是碱基互补配对原则 D．转基因番茄中乙烯含量低的原因可能是乙烯合成酶基因的翻译过程受阻 A 课后训练 Bt毒蛋白基因 蛋白酶抑制剂基因 植物凝集素基因 淀粉酶抑制剂基因 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，抑制其活性。 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。 抗虫基因种类 一、 基因工程在农牧业方面的应用 ①主要杀虫基因： 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。 ③优点： ②方法： 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。 超链接 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。 2.转基因抗病植物 一、 基因工程在农牧业方面的应用 为什么做 植物病害是多种多样的，从根茎叶到花和果实都有病害发生。 许多栽培作物自身缺少抗病基因。 ②方法： 病毒外壳蛋白基因（CP基因） 病毒的复制酶基因 抗病毒基因 几丁质酶基因 抗毒素合成基因 抗真菌基因 ①抗病基因： 超链接 29 一、 基因工程在农牧业方面的应用 4.改良植物品质 目的：利用转基因技术改良植物的营养价值、观赏价值等。 优良基因 成果 某种必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因 富含赖氨酸的转基因玉米 与植物花青素代谢相关的基因 转基因矮牵牛 转基因蓝玫瑰 超链接 5.提高动物的生长速率 为什么做 外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得很快。 一、 基因工程在农牧业方面的应用 ①方法：将外源生长激素基因导入动物体内，提高动物生长速率。 ②成果：转基因鲤鱼的生长速率比非转基因鲤鱼提高了42%～115%。 转入外源生长激素基因的“超级小鼠” 普通鲤鱼 转基因鲤鱼 超链接 31 一、 基因工程在农牧业方面的应用 6.改善畜产品的品质 为什么做 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。 ①方法： ②优点：避免食物过敏、腹泻、恶心等不适。 科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，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。 超链接 $$