第七章 第二节 生物技术的基本类型（课件）-《生物基础》（高教版）同步精品课堂

第七章 生物技术及其应用 第二节 生物技术的基本内容（2课时） 高等教育出版社第1版 《生物基础》 教学目标 一 掌握五大生物技术的基本概念与原理； 了解各项技术的核心步骤与典型应用； 能够区分五项技术的研究层次和特点。 教学重难点 二 五项工程之间的区别与内在联系；蛋白质工程的“理性设计”思路；理解发酵工程作为其他工程的“下游”和“实现平台” 基因工程的基本原理与操作步骤；细胞工程中“细胞全能性”的概念及细胞培养、细胞融合的应用；酶工程中酶的固定化方法与优势 重点 难点 导入新课 三 提问： 1.这些产品分别利用了哪种生物技术？ 2.这些技术之间有什么关系？ 新知讲授 四 一、基因工程 生命的“蓝图设计师” 核心定义： 在基因水平进行遗传操作 又称DNA重组技术 里程碑： 1972年，Berg首次DNA重组实验 意义： 从“解读生命”到“编写生命” 核心比喻： 限制性内切酶 → “分子剪刀” DNA连接酶 → “分子胶水” 质粒 → “基因出租车” 新知讲授 四 一、基因工程 基因工程操作流程 六步流程图： 提取：获取目的基因 切割：用“分子剪刀”切开 连接：用“分子胶水”与载体连接 转化：将重组DNA导入受体细胞 筛选：筛选成功转化的细胞 表达：培养细胞，生产目标蛋白 新知讲授 四 一、基因工程 基因工程的应用领域 医药领域： 胰岛素、生长激素、干扰素、疫苗 农业领域： 抗虫棉、抗除草剂大豆、黄金大米 工业领域： 工程菌生产工业酶、化学品 一句话总结： “设计生物，造福人类” 新知讲授 四 二、发酵工程 微生物的“超级工厂” 概念演进： 传统发酵： 酿酒、制醋（经验） 现代发酵工程： 利用微生物规模化生产 核心特征： 使用生物反应器（发酵罐） 可实现自动化控制 是许多生物技术产品的“最终生产车间” 新知讲授 四 二、发酵工程 发酵工程四步流程 原料预处理 ↓ 菌种扩大培养（试管→三角瓶→种子罐） ↓ 发酵过程控制（温度、pH、通气、搅拌） ↓ 产物分离提取（下游加工） 强调： “上游”工艺：菌种与培养 “下游”工艺：分离与纯化 新知讲授 四 二、发酵工程 发酵工程的产品与应用 医药产品： 抗生素（青霉素）、维生素、激素 食品工业： 氨基酸（味精）、有机酸、酸奶、酒类 工业原料： 酶制剂、生物燃料、生物塑料 关键点： 发酵工程是将实验室成果产业化的关键环节 新知讲授 四 三、细胞工程 细胞的“建筑师” 理论基础：细胞全能性 Haberlandt的预言（1902） Steward的胡萝卜实验证实（1958） 定义：细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过某种工程学手段，按照人们 的设计蓝图，进行细胞整体水平或细胞器水平上的遗传操作，即将具有某种特定基因和性状的细 胞与异种细胞融合，形成新型细胞，使其具有两种亲本细胞的基因和特点。 新知讲授 四 三、细胞工程 细胞工程两大核心技术 1. 细胞培养技术 植物组织培养（快速繁殖、脱毒苗） 动物细胞培养（生产疫苗、单克隆抗体） 案例： “试管婴儿”技术 2. 细胞融合技术 “细胞相亲大会” 明星成果： 单克隆抗体（杂交瘤技术） 应用： 疾病诊断、靶向治疗（“生物导弹”） 新知讲授 四 三、细胞工程 3. 细胞亚结构移植 什么是细胞亚结构移植？ 将细胞内的结构（如细胞核、染色体）转移到另一个细胞中，从而改变其遗传特性。 三种主要方法 1. 细胞拆合（换核技术） 做法：把细胞核和细胞质分开，再重新组合 用途：研究核质关系、育种 例子：童第周将鲤鱼细胞核移入鲫鱼卵细胞，培育出鲫鲤鱼 2. 染色体工程 做法：添加、减少或替换染色体 动物：用微操作技术转移基因 植物：通过杂交等方法操作染色体 3. 染色体组工程 做法：改变整套染色体的数量 方法：用秋水仙素处理细胞 结果：培育出四倍体小麦、八倍体小黑麦等 应用价值：用于遗传研究、改良农作物和生物育种 新知讲授 四 三、细胞工程 细胞工程的神奇应用 农业育种： 番茄-马铃薯“番茄薯”（远缘杂交） 林木、花卉快速繁殖 医学突破： 单克隆抗体药物（治疗癌症、自身免疫病） 干细胞研究与治疗 水产养殖： 培育新品种鱼类 师生互动 五 1.世界上首次成功的DNA体外重组实验是由谁在何时完成的？这项实验标志着什么技术的开始？ A. 1953年，Watson和Crick；标志着分子生物学时代的开始 B. 1972年，Berg等人；标志着基因工程技术的开始 C. 1944年，Avery等人；标志着DNA是遗传物质的证明 D. 1982年，国际合作及发展组织；标志着现代生物技术定义的统一 答案：B 解析： 文本在“一、基因工程”开篇明确指出：“1972年，Berg-Jackson的试验研究……成功地完成了世界上首次DNA体外重组实验，标志着基因工程技术的开始。” A项对应DNA双螺旋的发现，C项对应DNA作为遗传物质的证明，D项是生物技术定义的更新，均与题干中“首次DNA体外重组实验”这一具体事件不符。 师生互动 五 2.“发酵工程”的定义进行了狭义和广义的区分。下列哪一项描述符合文本中“广义发酵”的概念？ A. 特指微生物在无氧条件下分解有机物释放能量的过程，如酒精发酵 B. 仅指利用好氧微生物进行的需氧发酵过程 C. 是指利用微生物制造和生产各种目的产物的过程，包括好氧、兼性厌氧和厌氧发酵 D. 专指以基因工程菌为生产菌株的发酵过程 答案：C 解析： 文本在“二、发酵工程”中明确指出：“在现代工业生产中的广义发酵，是指利用微生物制造和生产各种目的产物的过程，包括利用好氧微生物进行的需氧发酵、利用兼行厌氧微生物进行的兼气发酵和利用厌氧微生物进行的厌氧发酵。” A项是生物化学中的狭义定义，B项不全面，D项是发酵工程的一个重要发展方向（利用基因工程菌），但并非“广义发酵”定义的全部内涵。 师生互动 五 3.“植物细胞的全能性”是细胞工程的重要理论基础，是谁的预言以及随后的哪个实验最终证实了植物细胞的全能性？ A. 预言者：Hanning (1904)；证实实验：离体胚培养成功 B. 预言者：Haberlandt (1902)；证实实验：Reinert和Steward从胡萝卜愈伤组织获得再生体细胞胚胎 (1958-1959) C. 预言者：Steward (1958)；证实实验：利用植物组织培养生产花卉 D. 预言者：童第周 (20世纪60年代)；证实实验：鲤鱼细胞核移植获得鲫鲤鱼 答案：B 解析： 文本在“三、细胞工程”的“细胞培养”部分清晰阐述了这一历史过程：“1902年，德国植物学家Haberlandt预言：植物体的任何一个细胞都有长成完整植物体的潜在能力……1958年至1959年，美国的Reinert和Steward首次从胡萝卜愈伤组织中获得再生体细胞胚胎，至此，Haberlandt的预言终于得到证实。” A项中的Hanning是早期成功培养离体胚的科学家，但未涉及“全能性”的预言与最终证实。C项将证实者误认为是预言者。D项是我国科学家在动物细胞核移植方面的成就，与植物细胞全能性无关。 新知讲授 四 四、酶工程 酶工程的主要任务 通过预先设计、人工操作获得大量所需酶 使酶发挥最大的催化功能 发展历程 1894年：日本科学家从米曲霉中提炼出淀粉酶（开创了酶制剂生产和应用先例） 20世纪20年代初：出现“酶工程”称谓，主要指自然酶制剂在工业上的大规模应用 1949年：液体深层发酵法生产细菌α-淀粉酶（揭开近代酶工业序幕） 1953年：Grubhoger和Schleith首先提出酶的固定化技术 1971年：第一届国际酶工程会议明确酶工程的主要内容 新知讲授 四 四、酶工程 主要来源：微生物、动植物组织 工业生产以微生物为主的原因： 生长繁殖快，周期短，产量高 培养方法简单，原料丰富，成本低 种类多，酶品种全 可通过诱变、基因工程等方法培育高产菌种 （一）酶的来源 新知讲授 四 四、酶工程 细胞破碎方法： 机械破碎法（捣碎机、研磨器、匀浆器） 物理破碎法（温度差、压力差、超声波） 化学破碎法（有机溶剂、表面活性剂） 酶学破碎法（用酶破坏细胞壁） 酶的提取方法： 盐溶液提取法、碱溶液提取法、有机溶剂提取法 提取时需注意：适宜温度、pH，添加保护剂 分离纯化方法： 离心分离、过滤与膜分离 沉淀分离（盐析、有机溶剂、等电点沉淀） 层析分离（吸附、离子交换、凝胶、亲和层析） 电泳分离（凝胶电泳、等电聚焦） 结晶法、浓缩与干燥 （二）酶的分离纯化过程 新知讲授 四 四、酶工程 传统酶的局限性 对热、酸、碱、有机溶剂稳定性差 反应后酶不易回收，影响产品后处理 不能重复使用，成本高 反应不易精细控制 不利于连续反应及自动化控制 固定化酶的优点 催化剂不被消耗，可重复使用，降低成本 可实现反应的精细控制 酶不留在产物中，后处理简单，产品质量高 酶的稳定性增加，局部酶浓度高，反应时间缩短 固定化酶的定义 指经物理或化学方法处理，被限制或固定于特定空间位置，不易随水流失，又能发挥催化作用的酶制剂。 （三）酶的固定 新知讲授 四 固定化方法 载体结合法 物理吸附法（活性炭、多孔玻璃等） 离子结合法（DEAE-纤维素等） 共价结合法（重氮化、叠氮化等） 交联法 用双功能试剂（如戊二醛）使酶分子间交联 包埋法 网格型：包埋于高分子凝胶网格中 微囊型：包埋于高分子半透膜中 常用材料：聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、明胶等 四、酶工程 （三）酶的固定 新知讲授 四 酶反应器类型 间歇式搅拌罐反应器 连续流动搅拌罐反应器 填充床反应器 流化床反应器 循环反应器 连续流动搅拌罐—超滤膜反应器 酶工程的应用与现状 工业规模：世界酶年产量达5万吨，产值约10亿美元 工业用酶：超过50种 研究用酶：达360种 四、酶工程 （四）酶反应器 间歇式 流动式 新知讲授 四 五、蛋白质工程 分子的“定制设计师” 与基因工程的关系： 基因工程： 获取自然界已有的蛋白质 蛋白质工程： 设计创造自然界没有的、性能更优的蛋白质 经典案例：胰岛素改造 天然胰岛素（基因工程生产） 速效胰岛素类似物（蛋白质工程设计） 长效胰岛素类似物（蛋白质工程设计） 新知讲授 四 五、蛋白质工程 蛋白质工程的设计流程 理性设计四步法： 分析：测定天然蛋白结构与功能 设计：提出改造方案（更换哪个氨基酸） 改造：在基因水平进行定点突变 验证：表达新蛋白，检测性能 新知讲授 四 五、蛋白质工程 蛋白质工程的前沿应用 医药领域： 设计更安全、更有效的药物（“导弹药物”） 开发新型疫苗 工业领域： 设计耐高温、耐酸碱的工业酶 开发生物材料（人造蛛丝） 未来展望： 生物芯片、生物计算机 师生互动 五 1.酶工程发展史上的一个重要里程碑是“揭开了近代酶工业的序幕”，这一事件是指？ A. 1894年，从米曲霉中提炼出淀粉酶并用作药物 B. 1908年，从动物胰脏提取胰酶用于皮革鞣制 C. 1911年，从木瓜中提取木瓜蛋白酶用于啤酒澄清 D. 1949年，成功用液体深层发酵法生产出细菌α-淀粉酶 答案：D 解析： 文本明确指出：“1949年，科学家成功地用液体深层发酵法生产出了细菌α一淀粉酶，从此揭开了近代酶工业的序幕。” A、B、C三项均为20世纪初从天然原料中提取并应用酶的例子，代表了酶制剂应用的早期阶段，但未实现规模化、工业化生产方式的突破。而1949年的液体深层发酵法标志着酶的生产从依赖天然原料的提取转向了利用微生物进行工业化、规模化发酵生产的新阶段，具有划时代的意义。 师生互动 五 2.游离酶（天然酶）在生产应用中的诸多不足。下列哪一项不是文本中提到的游离酶的缺点？ A. 对热、酸、碱、有机溶剂等稳定性差 B. 催化反应的专一性（特异性）太强 C. 反应后酶不易回收，不能重复使用 D. 酶易混入产物中，增加后处理难度 答案：B 解析： 文本在“3. 酶的固定化”开头部分详细列举了游离酶的不足之处，包括：“对热酸碱有机溶剂等稳定性差；反应后酶不易收回，往往留在产物中，使产品生产的后处理困难增加；酶不能被重复使用，造成生产成本高；对反应不能做到精细控制，酶的适用范围也受到限制；不利于连续反应及自动化控制”。其中，催化反应的专一性（特异性）强是酶的优点而非缺点，B项符合题意。A、C、D三项均为文本明确指出的缺点。 师生互动 五 3.关于蛋白质工程的描述，其最核心的技术基础和操作特点是什么？ A. 直接从生物体中大规模提取和纯化现有的蛋白质 B. 在已知蛋白质结构的基础上，通过基因水平的有目的突变来改造和创造蛋白质 C. 将不同的蛋白质分子进行物理混合以产生新的功能 D. 利用发酵工程大规模生产自然界已有的蛋白质 答案：B 解析： 文本对蛋白质工程的界定是：“主要是在明晰编码蛋白质的基因DNA碱基排列顺序或蛋白质的氨基酸序列的基础上进行的，通过定点突变技术更换蛋白质分子的某一特定氨基酸……修饰改造现在已有的酶、多肽激素、疫苗等，使之具有某些新的特性。” 其步骤也明确包括获取基因序列、设计改造方案、改造基因序列、表达新蛋白等。因此，其核心是在理解结构-功能关系的基础上，在基因水平进行“有目的的设计和改造”。A项描述的是传统酶制剂生产或蛋白质分离纯化；C项无依据；D项描述的是（基因工程结合）发酵工程生产蛋白质的过程，并未涉及对蛋白质本身的改造。 巩固练习 八 作业 1.基因工程操作中，将重组DNA分子导入受体细胞，并在其中复制保存的过程被称为？ A. 提取与切割 B. 连接与构建 C. 转化 D. 筛选与鉴定 答案：C 解析： 文本在描述基因工程步骤时明确指出：“(2)转化过程。将重组DNA分子转入受体细胞，并在受体细胞中复制保存。” 因此，此步骤称为“转化”。A项是获得目的基因的过程，B项是构建重组DNA分子的过程，D项是确认哪些细胞成功接受了重组DNA的过程。 巩固练习 八 作业 2.现代发酵工程能够发生“革命性变化”并生产出如干扰素、胰岛素等自然界微生物所不能合成的产物的关键前提是什么？ A. 发现了新的微生物种类 B. 发明了更高效的发酵罐 C. 基因重组技术的问世，使得构建基因工程菌成为可能 D. 改进了产物的分离提取技术 答案：C 解析： 文本在“发酵工程”部分强调：“20世纪70年代，由于基因重组技术的问世，按照预定的意图构建基因工程菌成为可能，使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物，如干扰素、胰岛素等。” 这直接指出了技术飞跃的核心是基因重组技术带来的“基因工程菌”。A、B、D项虽为发酵工程的组成部分，但非此“革命性变化”的根本原因。 巩固练习 八 作业 3. 判断题：“试管婴儿”和“试管动物”的产生主要得益于细胞融合技术。 A. 正确 B. 错误 答案：B 解析： 文本在“细胞工程”的动物细胞培养部分提到：“试管婴儿、试管动物的产生得益于胚胎移植技术。” 胚胎移植技术涉及早期胚胎的培养和移植，属于细胞培养和胚胎操作的范畴，而非将两个不同细胞融合为一个细胞的“细胞融合技术”。因此，该表述错误。 巩固练习 八 作业 4.在酶工程中，从含酶原料中将酶溶解到提取液中的过程称为“酶的提取”。为了提高提取率和防止酶失活，文本强调在提取过程中必须注意什么？（多选） A. 保持适宜的温度 B. 保持适宜的pH C. 添加适量的保护剂 D. 必须使用有机溶剂 答案：A，B，C 解析： 文本在“酶的分离纯化过程”中明确写道：“为了提高酶的提取率和防止酶提取后变性失活，提取过程中必须注意保持适宜的温度和pH，并且添加适量的保护剂。” 因此，A、B、C正确。D项“必须使用有机溶剂”是提取方法之一（有机溶剂提取法），但不是所有提取过程都必须使用，且文本未将其列为防止失活的通用注意事项。 巩固练习 八 作业 5.酶的固定化方法中，将酶包埋在高分子凝胶网格或半透膜中的方法称为？ A. 载体结合法 B. 交联法 C. 包埋法 D. 吸附法 答案：C 解析： 文本在介绍酶的固定化方法时，将第三种方法定义为：“(3)包埋法。有两种，一是将酶包埋在高分子凝胶细微网格中，称为网格型；二是将酶包埋在高分子半透膜中，称为微囊型。” A项载体结合法包括物理吸附、离子结合和共价结合；B项交联法是利用交联剂连接酶分子；D项吸附法是载体结合法的一种具体形式。 巩固练习 八 作业 6.蛋白质工程的核心操作是“定点突变技术”。根据文本，该技术旨在实现什么？ A. 更换蛋白质分子中某一特定的氨基酸 B. 将整个蛋白质分子从头合成 C. 将不同的蛋白质分子进行混合 D. 大规模发酵生产天然蛋白质 答案：A 解析： 文本在定义蛋白质工程时指出：“通过定点突变技术更换蛋白质分子的某一特定氨基酸，即更换一个片段，修饰改造现在已有的酶、多肽激素、疫苗等，使之具有某些新的特性。” 这明确指出了其核心是精确改变蛋白质的特定部位（氨基酸）。B项是蛋白质从头设计，文本未强调；C、D项与蛋白质工程的改造目的不符。 巩固练习 八 作业 7.在发酵工程的步骤中，将二级种子接种于1000～10000 L的产品发酵罐中进行发酵的过程，被称为______过程。 答案：生产发酵 解析： 文本在“微生物发酵和控制”部分明确写道：“生产发酵过程是将二级种子接种于1000～10000 L的产品发酵罐中发酵的过程。” 因此，此大规模发酵阶段被称为“生产发酵”过程。 课堂小结 六 基因工程是“总设计师”和“蓝图绘制师”，它在最根本的DNA层面进行操作，为我们创造新的可能性。 细胞工程是“微观建筑师”，它利用细胞的全能性，在细胞和组织的层面进行构建与改造。 蛋白质工程是“分子定制师”，它在基因工程的基础上更进一步，能够对蛋白质进行“精装修”，设计出性能更优越的“定制产品”。 酶工程是“高效催化剂工程师”，它通过固定化等技术，让生物催化剂——酶变得更稳定、更实用。 发酵工程则是最终的“规模化生产车间”，它将实验室的成果，通过微生物的巨大发酵能力，转化为我们生活中触手可及的产品。 布置作业 七 作业 1.查阅资料，了解我国在单克隆抗体药物或转基因作物育种领域的一项最新成就，并简要说明其中涉及了哪些生物技术。 感谢观看 $