3.3基因工程的应用课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第3章 基因工程 第3节 基因工程的应用 高中生物选择性必修3 生物技术与工程 1 2 联系当地生产、生活中的具体实例，思考用基因工程的方法解决实际问题,基于基因工程在各方面发展的前景，理性看待基因工程的安全性。（社会责任） 基于基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业应用的实例，说明基因工程给社会带来的巨大进步（科学思维） 学习 目标 第3节 基因工程的应用 2 胰岛素是治疗糖尿病的特效药物。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提取。曾经生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素需要上千头牛，生产的成本非常高。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物——重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。 抗虫棉、转基因大豆、重组人干扰素等。 思考：除了生产胰岛素，基因工程还有哪些应用呢？ P76 从社会中来 情境导入 3 抗病毒基因 鱼类的抗冻蛋白基因 萤火虫的荧光基因 乌龟的长寿基因 人类胰岛素的合成基因 富含赖氨酸的蛋白质合成基因 植物花青素（花色）代谢有关的基因 受体细胞 = 导入 脑洞大开 情境导入 情景一：1996—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 情景二：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。 转基因作物优点 减少化学杀虫剂的施用量， 减少环境污染 增加作物产量 增加经济效益 情境导入 基因工程在农牧业方面的应用 基因工程在医药卫生领域的应用 基因工程在食品工业方面的应用 基因工程在环保领域的应用 1 2 4 3 第3节 基因工程的应用 目 录 6 基因工程打破生物体间亲缘关系的限制 减少农药的使用、提高产量、减少成本 一、基因工程在农牧业方面的应用 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 1.主要杀虫基因 ①Bt毒蛋白基因： ③淀粉酶抑制剂基因： ②蛋白酶抑制剂基因： ④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。 减少化学农药的使用，降低生产成本，提高产量。 2.优点 一、基因工程在农牧业方面的应用 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 3.方法： 4.成果： 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。 转基因抗虫棉花、玉米、水稻、大豆、马铃薯等。 转基因马铃薯 非转基因马铃薯 普通水稻 抗虫水稻 一、基因工程在农牧业方面的应用 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 1.主要抗病基因 ①抗病毒基因： ②抗真菌基因： 病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因 几丁质酶基因、抗毒素合成基因 2.方法： 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。 一、基因工程在农牧业方面的应用 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 转基因抗病毒烟草 3.成果： 转基因抗病毒甜椒、番木瓜、烟草 转基因木瓜 普通木瓜 一、基因工程在农牧业方面的应用 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 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。 1.背景： 2.方法： 3.成果： 种植转基因抗除草剂大豆的农田 4.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。 种植转基因抗除草剂玉米的农田 一、基因工程在农牧业方面的应用 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 1.目的：提高植物的营养价值、观赏价值等。 转基因矮牵牛 富含赖氨酸的转基因玉米 （1）改良植物的营养价值：例如，将某种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。科学家培育的某种转基因玉米中赖氨酸含量比对照提高30%。 （2）改良植物的观赏价值：我国科学家成功地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 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 ①使食品的营养成分均衡。 ②丰富花品颜色，提高观赏价值。 黄金大米 转基因蓝玫瑰 2.成果 一、基因工程在农牧业方面的应用 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 由于外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快。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。 转基因鲤鱼 1.原理： 2.实例： 转基因鲤鱼 转基因“超级小鼠” 一、基因工程在农牧业方面的应用 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 1.乳糖不耐受: 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。 2.对策： 科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组。 3.结果： 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。 一、基因工程在农牧业方面的应用 1.转入外源生长素基因的转基因动物，生长速率更快（ ） 2.转基因抗虫棉的Bt抗虫蛋白基因能抗病毒、细菌、真菌（ ） 3.“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物（ ） × × × 4.从苏云金杆菌中分离出Bt基因导入棉花中，可培育出抗虫棉。 ( ) 5.将与叶绿素代谢相关的基因导入矮牵牛，可培育出自然界没有的颜色变 异。( ) 6.将植物生长素基因导入鲤鱼，培育出的转基因鲤鱼生长速率大大提高。 ( ) √ × × 正误判断 一、基因工程在农牧业方面的应用 17 基因工程在农牧业方面的应用 基因工程在医药卫生领域的应用 基因工程在食品工业方面的应用 基因工程在环保领域的应用 1 2 4 3 第3节 基因工程的应用 目 录 18 1.药物类型： 细胞因子、抗体、疫苗和激素等 2.应用： 3.实例： （一）基因改造微生物或动植物的细胞生产药物 预防治疗人类肿瘤、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基因工程药物均已投放市场。 粒细胞集落刺激因子 二、基因工程在医药卫生领域的应用 学生阅读P90资料卡：干扰素，思考回答问题： 1.干扰素的化学本质是什么？ 糖蛋白 2.干扰素的作用机理是怎样的？ 干扰病毒复制 3.干扰素用于哪些疾病的治疗？ 和某些白血病等。 病毒感染性疾病、 乳腺癌、 淋巴癌、 多发骨髓瘤 4.传统生产干扰素的方法是什么？ 从人血液中的白细胞内提取 5.目前大量生产干扰素的方法是什么？ 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、基因工程在医药卫生领域的应用 20 促红细胞生成素又称红细胞刺激因子、促红素，是一种人体内源性糖蛋白激素，可刺激红细胞生成。缺氧可刺激促红细胞生成素产生，早已有重组人促红细胞生成素用于临床，用于治疗肾功能不全合并的贫血、获得性免疫缺陷综合征或治疗引起贫血、恶性肿瘤伴发贫血及风湿病贫血等多种贫血。 重组人血小板生成素是高特异性的血小板刺激因子，直接作用于骨髓造血干细胞，调控血小板生成的各个阶段，特异性升高血小板。 二、基因工程在医药卫生领域的应用 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） ①用PCR扩增乙肝病毒抗原蛋白基因； ②将乙肝病毒抗原蛋白基因插入质粒，构建基因表达载体； ③将该基因表达载体导入酵母菌(该过程也是将酵母菌制备成感受态细 胞，但是并不是用Ca2+处理，而是用醋酸锂处理）； ④检测并鉴定，筛选出成功转化的酵母菌，进行发酵培养，分离并提 纯产物，获得乙肝病毒抗原蛋白。 思维拓展 二、基因工程在医药卫生领域的应用 思考：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 思维拓展 二、基因工程在医药卫生领域的应用 人生长激素基因 提供受精卵 显微注射 代孕 转基因羊 生长激素 羊奶 载体含有乳腺细胞中特异表达基因的启动子 1.实例： 乳腺生物反应器或乳房生物反应器 2.乳腺生物反应器的培育过程： （二）让转基因哺乳动物批量生产药物 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 优点 缺点 ①适合于表达高等动物体内的复杂蛋白 ②制备乳腺反应器的方法成熟 ③乳腺是天然的高效合成蛋白质的器官 ④乳汁中重组蛋白的提取和纯化相对容易 ①动物泌乳期有间隔 ②有些蛋白不能在乳腺里表达 ③某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同 （二）让转基因哺乳动物批量生产药物 3.乳腺生物反应器的优点和缺点 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 4.应用： 二、基因工程在医药卫生领域的应用 25 膀胱生物反应器 拓展： 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，其原理是根据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。 你知道膀胱生物反应器相比乳腺生物反应器的优点吗？ 从尿中提取蛋白质比在乳汁中提取简便、高效。 不受性别的限制 不受年龄的限制 二、基因工程在医药卫生领域的应用 思考讨论 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。 不局限于性别与生长期（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。 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？ 4.膀胱生物反应器哪些方面优于乳腺生物反应器？ 5.研制膀胱生物反应器时，应如何处理目的基因？ 几乎所有细胞。 二、基因工程在医药卫生领域的应用 27 （三）用转基因动物作为器官移植的供体 1.问题： 2.解决： 人体移植器官短缺是世界性难题 寻求可替代的移植器官，如利用基因工程对猪的器官进行改造，来解决人类器官移植的来源问题。 二、基因工程在医药卫生领域的应用 28 二 由于猪的内脏构造、大小、血管分布与人的极为相似，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要少得多。 二、基因工程在医药卫生领域的应用 （三）用转基因动物作为器官移植的供体 1.问题： 2.解决： 人体移植器官短缺是世界性难题 寻求可替代的移植器官，如利用基因工程对猪的器官进行改造，来解决人类器官移植的来源问题。 ①猪的内脏构造、大小、血管分布与人相似； 4.最大的难题： 3.猪的优点： ②猪体内隐藏的致病基因远远少于灵长类动物。 存在免疫排斥反应。 二、基因工程在医药卫生领域的应用 30 5.器官改造方法 调节因子 载体 重组载体 猪成纤维细胞 卵母细胞 细胞核 去核卵母细胞 重组胚 代孕母猪 转基因克隆猪 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； 二、基因工程在医药卫生领域的应用 P91异想天开： 假如某位心脏病病人换上经过改造的猪心脏后，过上了健康人的生活。在生活中，他会遭到歧视吗？对此你怎么看? 生命和健康是人最宝贵的东西,如果一个病人换上了经过改造的猪心脏后重获了健康,我们不仅不能歧视他,还应该从他身上看到现代生物技术在维持人体健康、治疗疾病等方面的应用价值。 二、基因工程在医药卫生领域的应用 32 例：干扰素具有抗病毒、抑制细胞增殖、调节免疫及抗肿瘤作用。科研人员通过乳腺生物反应器可以大量生产干扰素。如表为几种限制酶识别的碱基序列和酶切位点，图1、图2为质粒和含干扰素基因的DNA片段，图3为获得转干扰素基因母羊的过程。请回答下列问题： (1)人的干扰素基因能在羊体内表达，其根本原因是 。 不同生物共用一套遗传密码 二、基因工程在医药卫生领域的应用 (2)_____（填“能”或“不能”）用HindⅢ和Sau3AⅠ两种限制酶切割含干扰素基因的DNA片段和质粒，原因是_ _ ； 请提供一个另外的限制酶选择方案，使用 两种限制酶切割质粒，用 两种限制酶切割含目的基因的DNA片段。 不能 Sau3AⅠ能切割BclⅠ的酶切位点，用Sau3AⅠ切割会破坏质粒上的四环素抗性基因和青霉素抗性基因 HindⅢ和BamHⅠ HindⅢ和Sau3AⅠ 二、基因工程在医药卫生领域的应用 应用 基因来源或处理 成果 转基因微生物或动植物细胞生产药物 对微生物或动植物的细胞进行________改造 生产包括细胞因子、抗体、疫苗和激素等的药物 乳腺（或乳房）生物反应器生产药物 _________基因+乳腺中特异表达的基因的________ 生产抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和 <m>α−</m> 抗胰蛋白酶等 转基因动物作器官 移植的供体 抑制__________基因的表达或除去_________基因 结合克隆技术培育出不会引起__________反应的转基因克隆猪器官 基因 药用蛋白 启动子 抗原决定 抗原决定 免疫排斥 二、基因工程在医药卫生领域的应用 比较项目 乳腺（房）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 导入方式 生产条件 产物提取 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、基因工程在医药卫生领域的应用 36 基因工程在农牧业方面的应用 基因工程在医药卫生领域的应用 基因工程在食品工业方面的应用 基因工程在环保领域的应用 1 2 4 3 第3节 基因工程的应用 目 录 37 1.基因工程菌 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 用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。 (1)概念： (2)应用： ①纯度更高 ②生产成本显著降低 ③生产效率提高 基因工程获得的工业用酶优点： 三、基因工程在食品工业方面的应用 38 如：大肠杆菌 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。 阿斯巴甜 苯丙氨酸残基 天冬氨酸残基 1.基因工程菌 （3）实例1：阿斯巴甜 三、基因工程在食品工业方面的应用 奶酪 凝乳酶 奶中的蛋白质 （凝聚固化） 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。 ②基因工程制备方法： ①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。 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。 1.基因工程菌 （3）实例2：凝乳酶 三、基因工程在食品工业方面的应用 基因工程获得的工业用酶的纯度更高， 生产成本显著降低， 生产效率较高。 ①应用： ②制备方法： 加工转化糖浆需要淀粉酶， 加工烘烤食物要用到脂酶 构建基因工程菌， 然后用发酵技术大量生产 ③优点： （3）实例3：淀粉酶、脂酶 三、基因工程在食品工业方面的应用 基因工程在农牧业方面的应用 基因工程在医药卫生领域的应用 基因工程在食品工业方面的应用 基因工程在环保领域的应用 1 2 4 3 第3节 基因工程的应用 目 录 42 1.治理环境污染 生物降解塑料 工程菌 金属硫蛋白基因 白色垃圾 水稻镉污染 培育可以降解多种污染物的“超级细菌”治理环境污染 金属硫蛋白能结合Cd2+和Hg2+ 四、基因工程在环保领域的应用 43 2.生产清洁能源 生物乙醇 生物柴油 植物 淀粉/纤维素 提取 可发酵糖 糖化 微生物 乙醇 发酵 微生物 淀粉酶 生物乙醇的生产流程 基因工程改造思路： A.改造植物 B.改造微生物 利用经过基因改造的微生物来生产能源 四、基因工程在环保领域的应用 44 P92到社会中去 转基因技术自诞生以来，发展迅速，研发对象已涵盖至少35科、200 多种的植物，涉及大豆、玉米和棉花等重要作物，以及牧草、花卉和林木等。请调查：目前我国批准发放了哪些转基因作物的生产应用安全证书和进口安全证书? 截至2019年年底，我国批准发放过转基因耐储藏番茄、转基因抗虫棉、改变花色的转基因矮牵牛、转基因抗病辣椒、转基因抗病番木瓜、转基因抗虫水稻、转植酸酶基因玉米以及转基因耐除草剂大豆的生产应用安全证书；批准了转基因棉花、大豆、玉米、油菜、甜菜和番木瓜的进口安全证书，但我国进口的基本上是转基因棉花的纤维，其他进口转基因作物的用途仅限于用作加工原料；我国没有批准任何一种转基因粮食作物种子进口到我国境内商业化种植。 第3节 基因工程的应用 45 基因工程在农牧业方面的应用 基因工程的应用 1.转基因抗虫植物 2.转基因抗病植物 3.转基因抗除草剂植物 4.改良植物的品质 5.提高动物的生长速率 6.改善畜产品的品质 基因工程在医药卫生领域的应用 基因工程在食品工业方面的应用 1.基因改造微生物或动植物的细胞生产药物 2.让转基因哺乳动物批量生产药物，如乳腺生物反应器。 3.用转基因动物作器官移植的供体等。 课堂小结 食品工业用酶、氨基酸、维生素 治理环境污染 生产清洁能源 基因工程在环保领域的应用 第3节 基因工程的应用 一、概念检测 1. 将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后，重新导入大肠杆菌的细胞内，再 通过发酵工程就能大量生产人生长激素。下列相关叙述正确的是 （ ） A.转录生长激素基因需要解旋酶和DNA连接酶 B.发酵产生的生长激素属于大肠杆菌的初生代谢物 C.大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异可以遗传 D.大肠杆菌质粒标记基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量相等 C 教材P92 2. 基因工程应用广泛，成果丰硕。下列不属于基因工程应用的是（ ） A.培育青霉菌并从中提取青霉素 B.利用乳腺生物反应器生产药物 C.制造一种能降解石油的“超级细菌" D.制造一种能产生干扰素的基因工程菌 A 练习与应用 二、拓展应用 1.除草剂的有效成分草甘麟能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘腾没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘麟的作物。 （1）下面是探究“转入外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘腾”的流程，请补充完整。 ①用__________________________等处理含有目的基因的DNA片段和T质粒,构建重组Ti质粒； ②将重组Ti质粒转入农杆菌中； ③利用含有重组Ti质粒的农杆菌侵染_________细胞，再通过培育得到转基因植株； ④用草甘瞬同时喷酒转基因植株和对照组植株。 结果：对照组植株死亡，转基因植株存活，但也受到了影响。 结论：________________________________________________________________ 限制酶和DNA连接酶 矮牵牛 转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性。 练习与应用 （2）请思考并回答下列问题。 ①在该实验中，对照组是怎样设计的？ ②如果增加转入的外源 EPSP 合酶基因的数量，转基因矮牵牛对草甘膦的抗性是否会增加？ 请你给出进一步探究的思路。 ①对照组为非转基因矮牵牛。理论上增加转入的外源EPSP合酶基因的数量， 矮牵牛体内EPSP合酶的表达水平会升高，它对草甘膦的抗性会增强。 ②将不同拷贝数的EPSP合酶基因分别转入矮牵牛细胞中，培育转基因植株， 比较它们对草甘辟抗性的差异。 练习与应用 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