3.3 基因工程的应用（情境教学课件）-【大单元教学】高二生物同步备课系列（人教版2019选择性必修3）

第3章 基因工程 第3节 基因工程的应用 高中生物学 | 人教版（2019）| 选择性必修3·生物技术与工程 稻米“造血” 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 课程标准内容要求 阐明基因工程的基本操作程序主要包括目的基因的获取，基因表达载体的构建、目的基因导入抽题细胞和目的基因及其表达产物的检测与鉴定等步骤。 素养目标 1.科学思维：结合生产实际，举例说出基因工程的基本操作程序。 2.科学探究：针对人类生产和生活的某一需求，尝试提出初步的基因工程构想，完成初步设计。 教学目标 目录 CONTENTS 基因工程在农牧业方面的应用 1 基因工程在医疗卫生领域的应用 2 基因工程在食品工业方面的应用 3 一、基因工程在农牧业方面的应用 【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，据2016年世界范围的统计数据表明，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】世界转基因作物种植面积最大的是大豆，其次是玉米、棉花。美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家。 【资料3】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“三文鱼”的优点：缩短 了生长周期，都是雌性而且不育，避 免了野生鲑鱼杂交的风险。 转基因三文鱼与正常大小的三文鱼 一、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有抗虫功能的基因，导入作物中培育出具有抗虫性的作物，是目前防治作物虫害的一种发展趋势。 方法： 转基因抗虫棉、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。 实例： 转基因抗虫植物与普通植物相比，在害虫防治方面有什么优点？ 思考 减少化学杀虫剂使用量（生物防治）； 增加作物产量； 增加经济收益。 普通棉花 转基因抗虫棉花 普通大豆 转基因抗虫大豆 一、基因工程在农牧业方面的应用 2.转基因抗病植物 许多栽培作物由于自身缺少抗病基因，因此用常育种的方法很难培育出抗病的新品种。科学家得来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出了转基因抗病植物。 方法： 实例： 转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。 甜椒枯顶病毒病植株 转基因抗病植株 带有环斑病毒的非转基因木瓜 转基因木瓜 一、基因工程在农牧业方面的应用 3.转基因抗除草剂植物 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。这样在喷酒除草剂时，田间杂草会被杀死而作物不会受到损伤。 方法： 实例： 目前已获得转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。 优点： 在喷洒除草剂时，田间杂草会被杀死而作物不会受到损伤。 一、基因工程在农牧业方面的应用 4.改良植物的品质 改良植物的营养价值、观赏价值。 目的： 实例： 将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量； 将与植物花青素代谢相关的基因 导入矮牵牛中，使它呈现出自然 界没有的颜色变异，大大提高了 它的观赏价值。 一、基因工程在农牧业方面的应用 5.提高动物的生长速率 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。 原理： 实例： 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%。 转基因鲤鱼 非转基因鲤鱼 一、基因工程在农牧业方面的应用 6.改善畜产品的品质 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。 方法： 原因： 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。 【资料】2021年7月7日，国际农业生物技术服务组织（ISAAA）报道称，莫斯科斯科尔理工学院成功克隆转基因奶牛，它将会产出不含有β-乳球蛋白的无乳糖牛奶，以满足乳糖不耐受人群对牛奶的需求。 研究人员利用CRISPR/Cas9技术去除了基因组中的β-乳球蛋白的PAEP和LOC100848610基因，再利用体细胞核移植技术将供体正常细胞的细胞核移植到去核的卵子中，最后将克隆的胚胎植入母牛子宫，转基因小牛2020年4月出生。 转基因抗虫植物 农牧业方面的应用 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 改良畜产品的品质 抗逆性 一、基因工程在农牧业方面的应用 目录 CONTENTS 基因工程在农牧业方面的应用 1 基因工程在医疗卫生领域的应用 2 基因工程在食品工业方面的应用 3 二、基因工程在医疗卫生领域的应用 1.基因改造微生物或动植物的细胞生产药物 细胞因子、抗体、疫苗和激素等 药物类型： 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。 应 用： 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。 实 例： 二、基因工程在医疗卫生领域的应用 资料卡 干扰素 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。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。 干扰素基因 质粒 重组质粒 大肠杆菌或酵母菌 大量可以生产干扰素的大肠杆菌或酵母菌 构建 导入 培养 用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类一般称为基因工程菌。 二、基因工程在医疗卫生领域的应用 资料卡 干扰素 1.目前大量生产干扰素的方法是什么？ 2.利用大肠杆菌获得的干扰素，还需经过加工才能使用，为什么？ 3.干扰素用于哪些疾病的治疗？ 大肠杆菌无内质网和高尔基体，合成的干扰素没有经过加工成熟，具有生物活性。 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。 用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得。 抗生素≠干扰素 ①抗生素：抗细菌药物 ②干扰素：抗病毒药物 二、基因工程在医疗卫生领域的应用 2.让转基因哺乳动物批量生产药物 实 例： 培育过程： 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 显微注射 受精卵 泌乳期分泌乳汁 转基因动物 药物 早期胚胎培养 胚胎移植 早期胚胎 目前，科学家已经在牛、山羊等动物乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要的医药产品。 乳腺（乳房）生物反应器 转基因动物 二、基因工程在医疗卫生领域的应用 2.让转基因哺乳动物批量生产药物 优点： 缺点： 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， 产量高、成本低、产品质量好、易提取。 处于生殖期的雌性动物才可以作为乳腺（乳房）生物反应器。 通过构建膀胱生物反应器改进此缺点。 二、基因工程在医疗卫生领域的应用 2.让转基因哺乳动物批量生产药物 认识 膀胱生物反应器 构建膀胱生物反应器是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，从而指导目的基因表达产物分泌在尿中，其原理是膀胱尿乳头顶端表面可表达一组称之为尿血小板溶素的膜蛋白。 优点：周期短、不受性别和年龄的限制，易收集和提纯更高。 二、基因工程在医疗卫生领域的应用 2.让转基因哺乳动物批量生产药物 思考 1.乳腺生物反应器指的是转基因动物的乳腺吗？ 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。 不是，乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物。 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？ 3.药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？ 比较项目 基因结构 基因产物 受体细胞 导入方式 生产条件 产物提取 乳腺（房）生物反应器 基因工程菌生产药物 二、基因工程在医疗卫生领域的应用 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 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 哺乳动物的受精卵 微生物细胞 显微注射法 Ca2+处理法（感受态细胞法） 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 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 二、基因工程在医疗卫生领域的应用 3.用转基因动物作为器官移植的供体 难 题： 解决途径： 寻求可替代的移植器官， 如用猪的器官来解决人类器官移植的来源问题。 人体移植器官短缺是世界性难题 猪作为器官供体的优点： 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。 最大难题： 存在免疫排斥反应。 【思考】能否利用基因工程技术改造猪器官，减少免疫排斥呢？ 二、基因工程在医疗卫生领域的应用 3.用转基因动物作为器官移植的供体 改造猪器官的思路： 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者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。 二、基因工程在医疗卫生领域的应用 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 基因改造微生物或动植物的细胞生产药物 医药卫生领域的应用 目录 CONTENTS 基因工程在农牧业方面的应用 1 基因工程在医疗卫生领域的应用 2 基因工程在食品工业方面的应用 3 三、基因工程在食品工业的应用 1.基因工程菌 用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。 概念： 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。 产物 阿斯巴甜 凝乳酶 淀粉酶、 脂酶 应用 制备方法 三、基因工程在食品工业的应用 2.基因工程在食品工业的应用实例 普遍使用的甜味剂 用于奶酪生产，凝聚固化奶中的蛋白质 转化糖浆（淀粉酶）、烘烤食物（脂酶） 主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，可以通过基因工程实现大规模生产。 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。产物纯度更高，生产成本显著降低，生产效率较高。 【拓展】基因工程与环境保护 1.利用经过基因改造的微生物生产清洁能源 【资料】 利用基因工程技术构建既能直接利用纤维素又能高产乙醇的基因工程菌，也是潜在的最有发展前途的技术之一。 目前，基因工程菌的构建主要采用两种技术路线： ①把能水解纤维素的一个葡聚糖内切酶基因和一个β-葡糖苷酶基因克隆在能产生乙醇的菌株中，并研究该菌株利用纤维素作原料的情况。 ②把能产生乙醇的基因克隆到能降解纤维素但不能生产乙醇的菌株中。 例如，把运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）的丙酮酸脱羧酶基因和乙醇脱氢酶基因转移到不能生产乙醇的克雷伯氏氧化杆菌（Klebsiella oxytoca）中就能直接发酵纤维素产生乙醇。 【拓展】基因工程与环境保护 2.利用“超级细菌”治理环境污染 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”。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。 【资料】 由英国约克大学领导的这项研究表明，转基因柳枝稷（Panicum virgatum）可以解毒军事爆炸物RDX的残留物，这些残留物留在实弹射击训练场、弹药库和雷区。 科研人员的研究表明，在柳枝稷中表达两种专门为降解RDX而进化的细菌基因，使植物有能力在田间清除和代谢与实弹射击军事训练场相关浓度的RDX。研究人员通过插入能够分解RDX的细菌的两个基因来生成植物。然后，这些植物被种植在美国军事基地的RDX污染土壤中。转基因草生长良好，并在其植物组织中成功地将RDX降解到不可检测水平。该研究证实，这些植物能够以每公顷27公斤RDX的速率清除和降解RDX。 课堂小结 基因工程 的应用 转基因抗虫植物 农牧业方面 医药卫生方面 转基因抗病植物 转基因抗除草剂植物 改善畜产品的品质 提高动物的生长速率 改良植物的品质 让哺乳动物批量生产药物 建立移植器官工厂 食品工业方面 生产食品工业用酶 构建基因工程菌 随堂检测 1.下列生物技术操作对遗传物质的改造，不能遗传给子代的是（　　） A.将含胰岛素基因的表达载体转入大肠杆菌，筛选获得的基因工程菌 B.通过植物体细胞杂交获得的番茄—马铃薯杂种植株 C.将腺苷酸脱氨酶基因转入淋巴细胞后回输患者，进行基因治疗 D.将生长激素基因导入奶牛受精卵，培育出能分泌含生长激素乳汁的奶牛 2.采用基因工程技术将人凝血因子基因导入山羊受精卵，培育出了转基因羊。但是，人凝血因子只存在于该转基因羊的乳汁中。以下有关叙述，正确的是（　　） A.人体细胞中凝血因子基因编码区的碱基对数目等于凝血因子氨基酸数目的3倍 B.该技术的利用可以定向改变生物的遗传性状，使种群的基因库发生改变 C.在转基因羊中，人凝血因子基因存在于乳腺细胞，而不存在于其他体细胞中 D.人凝血因子基因开始转录后，DNA连接酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA C B 3.非细胞合成技术是一种运用合成生物学方法，在细胞外构建多酶催化体系，获得目标产物的新技术，其核心是各种酶基因的挖掘、表达等。中国科学家设计了4步酶促反应的非细胞合成路线（见下图），可直接用淀粉生产肌醇（重要的医药食品原料），以期解决高温强酸水解方法造成的严重污染问题，并可以提高产率。 回答下列问题： （1）研究人员采用PCR技术从土壤微生物基因组中扩增得到目标酶基因。此外，获得酶基因的方法还有_________________________________（答出两种即可）。 （2）高质量的DNA模板是成功扩增出目的基因的前提条件之一。在制备高质量DNA模板时必须除去蛋白，方法有_______________________（答出两种即可）。 随堂检测 从基因文库中获取、人工合成 酶解法或高温处理 随堂检测 （3）研究人员使用大肠杆菌BL21作为受体细胞、pET20b为表达载体分别进行4种酶的表达。表达载体转化大肠杆菌时，首先应制备　　　　细胞。为了检测目的基因是否成功表达出酶蛋白，需要采用的方法有　　　　　　　　　　。 （4）依图所示流程，在一定的温度、pH等条件下，将4种酶与可溶性淀粉溶液混合组成一个反应体系。若这些酶最适反应条件不同，可能导致的结果是 　　　　　　　　　 　 　 。在分子水平上，可以通过改变 　　　　 　　　　，从而改变蛋白质的结构，实现对酶特性的改造和优化。 酶相对应的脱氧核苷酸序列 抗原—抗体杂交技术 不能获得肌醇或肌醇产量较低 感受态 感谢聆听！ 高中生物学 | 人教版（2019）| 选择性必修3·生物技术与工程 全球首例猪心脏移植，人类手术成功进行到目前也没有任何异常。那么为什么要选择猪的心脏朱信到了人体内为什么还能正常工作？时间久了会不会有什么问题？这一期我们就来聊一聊器官移植这件事。57岁的美国男子贝内特因心脏病晚期急需更换心脏，但等待数月却一直等不到心脏的提供者。随着身体的急速衰竭，贝内特只好选择了猪心脏。历经7个小时的手术，猪心脏成功在体内开始了工作。可见，在生命面前，什么伦理道德、世俗眼光都不值得一提。据统计，我国每年约有30万人等待器官移植，最终等到的只有约1.6万人，概率仅有5%，而大部分的人还没有等到器官就遗憾离世。目前人类的器官移植主要是靠遗体捐赠的方式来提供，这样的器官移植数量十分有限，也极不稳定。为此，科学家们一直在寻找一种更稳定、更理想的器官来源，最先想到的就是与人类亲缘关系很近的非人灵长类，但是由于每胎产仔少、成熟周期长、数量有限等原因导致最终放弃，经过大量的比对实验后，与人体器官大小相似，一胎能生十个左右生长周期短的猪无疑成了最佳的选择。这一局，二师兄终于胜过了孙猴子。想要把猪的心脏放到人的身上来使用，首先要解决的就是免疫排斥的问题。什么是免疫排斥？我们身体中的免疫器官如同永不疲倦的喂食一样，他们时刻检查着身体中的外来成分，这些成分既可以是细菌病毒，也可以是外来的器官组织。如果移植的器官没有进行过免疫同源化，很容易引起我们自身免疫细胞的杀伤，最终导致器官移植的失败。很显然，人与人一直都会出现的免疫排斥现象，肯定更容不下猪的心脏。在科学家焦头烂额之时，基因编辑技术诞生了。所谓的基因编辑，就是一种比较精准的、能对特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术，简单点说就是可以人为的去选择、剔除或者增加部分的基因。通过这样技术对猪的关键基因位点进行编辑，就可以解决免疫排斥、凝血失控、内源性病毒等一系列问题。例如，此次美国猪心脏移植手术中使用的猪就已经经过了基因的处理，研究人员敲除掉一种可能导致猪心脏组织过度生长的记忆，防止心脏长得过大。敲除了猪染色体上三种可能导致人体对猪心产生排异的记忆，另外还植入了六个相关的人类基因。这样的猪心脏组织就能表达出人体特有的蛋白质，伪装成了友军，防止被免疫细胞攻击，因此猪心就能在人的体内正常工作了。其实，在此次手术之前，就已经有过猪器官成功移植到人身上的手术。去年10月份，美国纽约大学就成功将一个通过基因编辑的猪肾脏移植到一位脑死亡受试者的身上，并且猪肾能正常工作，也没有出现排斥的迹象。另外，猪的心脏瓣膜早已应用到人类心脏瓣膜病的治疗，医用抗凝肝素也是从猪肠中提取出来的，而外科医生还借助猪的眼角膜恢复了患者的视力。可见，二师兄可以给你的可不仅是红烧肉大排骨，关键时候还能续命啊。 人血清白蛋白作为血液制品的核心成分，需求量极其庞大，每年高达1000吨以上。然而令人忧心的是，我国60%的人血清白蛋白依赖进口，并且传统血浆提取技术生产一个人血清白蛋白就需要消耗400毫升血浆。但现在好消息来了，武汉合源生物的科研团队经过十多年的不懈努力，借助基因编辑技术，成功将水稻种子打造成高效生产人血清白蛋白的绿色工厂。这项全球首创的稻米造血技术，彻底颠覆了血液制品的传统生产逻辑，让我们摆脱了对人血浆的过度依赖，可以说是解决了血荒难题。河源生物的科研团团队运用crisper cas 9基因编辑技术，将人血清白蛋白基因精确植入水稻基因组，通过优化启动子序列，让目标蛋白在水稻胚乳中特异性表达，最终实现了美斤稻米提取十克人血清白蛋白的伟大成果。这一生产效率等同于520人单次献血的血浆总量，并且纯度高达99.9999%，远远超过传统工艺标准。全球首个植物源重组人血清白蛋白生产工厂已在武汉光谷投产，该工厂每年可生产十吨原液及100万支人血清白蛋白注射液，并且实现了全流程自动化，生产效率较传统工艺提升了五倍。目前该产品已进入审批绿色通道审批阶段，最快有望于今年上市。数据表明，该技术生产的人血清白蛋白在疗效上与血浆来源产品无显著差异，而过敏反应发生率更是降低至0.3%更令人欣喜的是，生产成本大幅下降，植物源重组人血清白蛋白的单位生产成本较血浆提取法降低了60%，这意味着每只十克装注射液的价格有望从500元降至300元左右，将极大地减轻患者的经济负担。除了利用水稻的光合作用合成蕴含人血清白蛋白的稻米，科研人员还正在尝试通过基因编辑技术，让水稻能同时合成凝血因子、免疫球蛋白等多种血液成分，最终构建全谱血液替代品。