第七章 第一节 生物技术革命（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 第一节 生物技术革命（2课时） 高等教育出版社第1版 《生物基础》 教学目标 一 掌握现代生物技术的定义与发展历程； 了解现代生物技术的主要分支，发展的里程碑； 认识生物技术在农业、医药等领域的应用。 教学重难点 二 从传统生物技术到现代生物技术的概念转变；分子生物学基础理论的理解；生物技术各分支领域的相互关系 现代生物技术的定义和内涵；DNA重组技术的建立及其革命性意义；生物技术发展的几个关键转折点 重点 难点 导入新课 三 “这两张图片分别代表了什么？” “它们之间有什么联系？” “从几千年前的酿酒到今天的基因编辑，这个发展过程说明了什么？今天我们就来探索这场‘生物技术革命’。” 古代酿酒 现代基因实验室 新知讲授 四 一、现代生物技术定义 起源： 1917年，匈牙利工程师Karl Ereky提出“生物技术”一词，这一术语来源于英文 Biotechology一词 原意：利用生物将原材料转变为产品 传统生物技术： 可追溯至古代酿酒技术 特征：微生物初级发酵 19世纪：大规模生产乳酸、酒精、面包酵母等 重要转折： 20世纪40年代：青霉素发现与生产 → 抗生素产业兴起 20世纪50年代后：分子生物学兴起 → 技术建立在细胞、分子水平 新知讲授 四 现代生物技术的正式定义 1982年国际合作及发展组织定义： "生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器，将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。" 现代生物技术五大工程： 基因工程（核心） 细胞工程 酶工程 发酵工程 蛋白质工程 一、现代生物技术定义 新知讲授 四 一、现代生物技术定义 基因工程 定义： 指通过人工手段将目的基因进行分离、重组、导入，并在受体细胞中表达，以获得特定遗传性状的技术。 应用领域： 医药：基因工程药物（胰岛素、干扰素、疫苗） 农业：转基因作物（抗虫、抗病、耐旱） 工业：工程菌生产工业酶、化学品 科研：基因功能研究、疾病模型构建 革命意义： 从“认识基因”到“改造基因” 标志着现代生物技术的正式确立 新知讲授 四 一、现代生物技术定义 细胞工程 定义： 指在细胞水平上进行遗传操作，通过细胞融合、细胞培养、细胞核移植等技术，改造细胞遗传物质以获得新性状或产品的技术。 应用领域： 医药：单克隆抗体药物、细胞治疗、疫苗生产 农业：植物快速繁殖、种质保存、动物克隆 科研：疾病模型、发育生物学研究 特点： 操作对象为完整细胞或细胞器；不改变基因结构，但可改变细胞特性；是基因工程的重要支撑技术 新知讲授 四 一、现代生物技术定义 酶工程 定义： 利用酶或细胞器（如线粒体、叶绿体）的特异催化功能，通过现代工程技术生产产品或将底物转化为有用物质的技术。 应用实例： 食品工业：淀粉酶制糖、蛋白酶嫩肉 洗涤工业：加酶洗衣粉 医药工业：青霉素酰化酶生产半合成青霉素 环境治理：固定化酶处理污染物 发展趋势：人工设计与合成新酶；多酶系统协同催化；酶-化学联合工艺 新知讲授 四 一、现代生物技术定义 发酵工程 定义： 利用微生物的生长代谢活动，通过现代工程技术规模化生产有用产品或完成特定过程的技术。 发展历程： 传统发酵：酿酒、制醋、做酱（经验性） 近代发酵：青霉素生产（1943年工业化） 现代发酵：基因工程菌发酵、过程自动化控制 主要产品类型： 初级代谢产物：氨基酸、有机酸、酒精 次级代谢产物：抗生素、激素、毒素 酶制剂：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶 生物细胞：酵母、食用菌、益生菌 基因工程产品：胰岛素、干扰素、疫苗 新知讲授 四 一、现代生物技术定义 蛋白质工程 定义： 在基因工程基础上，通过对蛋白质结构和功能的了解，有目的地设计和改造蛋白质分子，甚至创造自然界不存在的新蛋白质的技术。 应用实例： 工业酶改造：耐高温DNA聚合酶（用于PCR） 药物设计： 胰岛素类似物（起效更快、作用更久） 抗体药物人源化（减少免疫排斥） 生物传感器：高灵敏度检测分子 生物材料：人工蛛丝蛋白、生物塑料 与基因工程的关系： 蛋白质工程是基因工程的深化与发展 基因工程是“获得天然蛋白” 蛋白质工程是“创造优化蛋白” 师生互动 五 1.“生物技术”（Biotechnology）这一术语最初是由谁在何时提出的？其最初的原意是什么？ A. 1953年由Watson和Crick提出，原意为研究生命现象的技术 B. 1973年由Boyer和Cohen提出，原意为进行DNA重组的技术 C. 1917年由Karl Ereky提出，原意为利用生物将原材料转变为产品 D. 1982年由国际合作及发展组织提出，原意为应用科学原理服务社会的技术 答案：C 解析： 文本开篇即明确指出：“生物技术这一术语来源于英文Biotechnology一词，最初是由匈牙利工程师Karl Ereky于1917年提出的。这一名词的原意是利用生物将原材料转变为产品。”A、B、D三项提到的人物和时间点虽然都与生物技术发展史相关，但并非该术语最初的提出者和定义。 师生互动 五 2.下列哪一项被描述为传统生物技术与现代生物技术发展之间的重要转折点？ A. 19世纪大规模利用发酵生产初级代谢产物 B. 20世纪40年代青霉素的发现及随后抗生素产业的兴起 C. 20世纪50年代氨基酸发酵工业的兴起 D. 20世纪60年代酶制剂工业的兴起 答案：B 解析： 文本在描述传统生物技术后，以时间为序指出：“从Flemming爵士发现青霉素以后的20世纪40年代，获取细菌的次生代谢物进行抗生素的生产已经成为生物技术产业的支柱产业。”并将此作为后续分子生物学兴起和DNA重组技术建立的背景，表明这是产业和技术范式转变的一个重要节点。A项是传统生物技术的典型表现，C和D项是此后的发展，但文本未将其与“转折”直接关联。 师生互动 五 3.1982年，国际合作及发展组织（OECD）对生物技术进行了重新定义。根据这一定义，现代生物技术的核心内涵不包括以下哪一项？ A. 应用自然科学及工程学原理 B. 依靠生物体（微生物、动植物）作为反应器 C. 必须通过基因工程手段改造生物体 D. 将物料加工以提供产品来为社会服务 答案：C 解析： 文本给出的1982年定义是：“生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器，将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。”A、B、D三项均直接对应定义的组成部分。C项“必须通过基因工程手段”是对现代生物技术内涵的狭义理解或具体手段，并未包含在这段对现代生物技术总体内涵的定义性描述中。定义强调的是应用原理、依赖的反应器和最终目的，并未限定必须采用基因工程这一种具体技术。 新知讲授 四 二、生物技术的重要进展 第一阶段：传统技术的顶峰 1943年：大规模工业生产青霉素 标志传统生物技术发展鼎盛时期 理论基础突破： 1944年：Avery证明DNA是遗传物质 1953年：Watson和Crick发现DNA双螺旋结构 奠定现代分子生物学基础 开启现代生物技术时代 新知讲授 四 关键工具发现 三大工具奠定DNA重组基础： 1.质粒：细菌染色体外的自我复制因子，作为外源DNA的运载体 2.限制性内切酶：“分子剪刀”，能识别并切割特定DNA序列 3.DNA连接酶;"分子胶水“,连接DNA片段 二、生物技术的重要进展 新知讲授 四 DNA重组技术的建立 1973年：革命性突破 科学家：Herber Boyer和Stanley Cohen 成就：完成人类第一次有目的的基因重组实验 类比理解： DNA双螺旋 → 发现"生命的设计图纸" 限制性内切酶 → 获得"基因剪刀" DNA连接酶 → 获得"基因胶水" DNA重组技术 → 实现"按图纸设计创造" 意义： 从"认识生命"到"改造生命"的飞跃 二、生物技术的重要进展 新知讲授 四 生物技术的应用成果 医药领域： 基因工程药物：人工胰岛素、生长激素、干扰素等 疫苗和单克隆抗体 基因诊断与治疗 农业领域： 转基因作物（抗病、抗虫、抗逆） 至2000年：全球种植面积4420万公顷 市场近4000种转基因食品 年产值超100亿美元 二、生物技术的重要进展 新知讲授 四 重大科学计划：人类基因组计划（1990-2003） 参与国：中、美、日、德、法、英等 意义：揭示生命活动机理，为疾病诊疗提供遗传学基础 二、生物技术的重要进展 新知讲授 四 二、生物技术的重要进展 各国战略投入 生物技术成为国家战略重点： 美国：2002年研发投入157亿美元 日本：生物技术立国战略，5年内预算翻倍 巴西：2003年生物技术预算占科技总经费20% 中国："863"、"973"计划等总投资近60亿元 应用前景： 医疗业、制药业、农业、环境业、食品业 新知讲授 四 二、生物技术的重要进展 生物技术发展趋势 农业应用：转基因动植物重大突破 医学应用：基因药物、疫苗、基因治疗快速发展 基础研究：基因组与蛋白质组成为热点 技术融合：生物芯片广泛应用 前沿领域：干细胞技术、器官克隆 交叉学科：生物信息学蓬勃发展 师生互动 五 1.标志着“传统生物技术发展的鼎盛时期”并为生物技术发展“起到了划时代的作用”的事件是： A. 1944年，Avery等人证明DNA是遗传物质 B. 1943年，大规模工业生产青霉素 C. 1973年，Boyer和Cohen建立DNA重组技术 D. 1953年，Watson和Crick发现DNA双螺旋结构 答案：B 解析： 文本第二段开篇明确指出：“1943年，大规模工业生产青霉素，以及后来的多种抗生素生产与利用，标志着传统生物技术发展的鼎盛时期，为生物技术的发展起到了划时代的作用。”A、D两项是重要的基础科学发现，C项是现代生物技术的革命性开端，只有B项与题干中“传统生物技术鼎盛”和“划时代作用”的描述完全对应。 师生互动 五 2.下列哪一项提到的发现或技术，被描述为“奠定了DNA重组技术的基础”？ A. DNA双螺旋结构的阐明 B. 质粒、限制性内切酶和连接酶的发现 C. 人类基因组工作框架图的绘制完成 D. 转基因作物的大面积种植 答案：B 解析： 文本第三段清晰地阐述了相关基础：“科学家们又发现细胞中的‘质粒’……质粒便作为外源DNA的运载体奠定了DNA重组技术的基础。随着DNA限制性内切酶和连接酶的发现，为生物技术向高一层次的发展打下了坚实的基础。”因此，质粒作为载体，限制性内切酶和连接酶作为工具，共同构成了DNA重组技术的基石。A项是现代分子生物学的基础，C项是后期的重大科学工程，D项是应用成果，均非题干所指的技术基础。 师生互动 五 3.对生物技术发展趋势的描述，以下哪一项不属于文本所列的重点发展方向？ A. 基因工程药物和基因治疗在医学领域的应用 B. 转基因动植物在农业领域的产业化 C. 利用无机材料合成新型生物燃料 D. 生物信息学对基因组和蛋白质组数据的处理与分析 答案：C 解析： 文本末尾详细列出了六大发展趋势：(1)农业转基因技术；(2)医学生物技术（包括基因工程药物、基因治疗等）；(3)基因组与蛋白质组研究；(4)生物芯片技术；(5)干细胞技术；(6)生物信息学。A项对应趋势(2)，B项对应趋势(1)，D项对应趋势(6)。C项“利用无机材料合成新型生物燃料”在文本所述趋势中并未提及，不属于当前文本所列的重点发展方向。 巩固练习 八 作业 1.现代生物技术建立的科学基础主要是在什么水平上？ A. 仅在组织器官水平 B. 在细胞水平、分子水平和工程学基础之上 C. 仅依赖于传统的发酵工程经验 D. 仅建立在物理学和化学原理之上 答案：B 解析： 文本在第一部分末尾明确提到：“特别是20世纪50年代以后兴起的分子生物学，使生物技术建立在细胞水平、分子水平和工程学基础上。” 这清晰地指出了现代生物技术区别于传统技术的核心科学基础。 巩固练习 八 作业 2.以下哪一事件使“生命科学的发展开始进入现代生物技术的时代”？ A. 大规模工业生产青霉素 B. Avery证明DNA是遗传物质 C. Watson和Crick发现DNA双螺旋结构 D. Boyer和Cohen建立DNA重组技术 答案：C 解析： 文本在第二部分明确指出：“随后的1953年，美国科学家沃森和克里克发现了DNA双螺旋结构，奠定了现代分子生物学的基础……从此，生命科学的发展开始进入现代生物技术的时代。” 虽然D项DNA重组技术是革命的标志，但C项是“进入时代”的理论基石和起点。 巩固练习 八 作业 3.将质粒描述为什么？它在DNA重组技术中起什么关键作用？ A. 一种用于杀死细菌的抗生素；用于筛选阳性克隆 B. 细菌染色体外的自我繁殖因子；作为外源DNA的运载体 C. 一种限制性内切酶；用于切割DNA D. 一种连接酶；用于拼接DNA片段 答案：B 解析： 文本第三段明确定义：“科学家们又发现细胞中的‘质粒’，它是在细菌染色体外进行自我繁殖的细胞质因子，是基因操作的起点，质粒便作为外源DNA的运载体奠定了DNA重组技术的基础。” A、C、D项描述的功能分别属于抗生素、限制性内切酶和连接酶。 巩固练习 八 作业 4.1973年DNA重组技术的建立，标志着生命科学迅速完成了从传统生物技术向现代生物技术的飞跃。（） 答案：√ 解析： 文本第三段结尾处明确陈述：“从此，生命科学迅速完成了从传统生物技术向现代生物技术的飞跃。” 这里的“从此”指代的就是“1973年，美国人 Herber Boyer 和 Stanley Cohen 共同完成了一项著名实验”之后。 巩固练习 八 作业 5.至2000年，世界转基因作物种植面积和预计年产值分别达到多少？ A. 种植面积4420万hm²，年产值100亿美元 B. 种植面积1000万hm²，年产值200亿美元 C. 种植面积2000万hm²，年产值4420亿美元 D. 种植面积8800万hm²，年产值60亿美元 答案：A 解析： 文本在第四段提供了具体数据：“至2000年，世界转基因作物种植面积已达到4420万 hm²……预计每年转基因作物产值有100亿美元以上”。B、C、D项的数据均与文本不符。 巩固练习 八 作业 6.人类基因组计划“工作框架图”于何时宣布完成？其覆盖的碱基序列数量是多少？ A. 1990年；10亿个碱基 B. 2000年6月26日；33亿个碱基 C. 2002年；157亿个碱基 D. 2003年；46亿个碱基 答案：B 解析： 文本第五段明确指出：“2000年6月26日……人类基因组‘工作框架图’绘制成功，该工作草图覆盖了人类基因组中的全部33亿个碱基序列。” A项是启动年份，C、D项数据错误。 巩固练习 八 作业 7.生物技术发展趋势时提到，生物芯片的发展将带来哪些影响？（选出所有符合的选项） A. 产生新兴的生物活性组件产业 B. 仅限于离体操作 C. 为信息、通讯、医疗、制造技术等领域提供发展空间 D. 使治疗性器官移植成为可能 答案：A，C 解析： 根据文本第六点趋势（4）：“生物芯片广泛应用……发展成为可在活体内执行某种生物功能的组件，产生新兴的生物活性组件产业，将为信息、通讯、医疗、制造技术等领域和产业提供更为广阔的发展空间。” 因此A和C正确。B项“仅限于”与“可在活体内”发展相悖。D项是趋势（5）干细胞技术带来的影响，与生物芯片无关。 巩固练习 八 作业 8.我国政府通过________计划、________计划以及自然科学基金等，对生物技术的总投资将近60亿元。 答案：“863”计划、“973”计划 解析： 文本在第七段明确写道：“我国政府为了进一步加大对生物技术及其产业发展的支持力度，国家‘863’计划、‘973’计划，自然科学基金等重大计划，对生物技术的总投资将近60亿元。” 课堂小结 六 传统生物技术 → 现代生物技术 （经验性，酿酒等） （科学性，基于分子生物学） ↓ 革命标志：DNA重组技术（1973） ↓ 五大工程支柱： 基因工程（核心） 细胞工程 酶工程 发酵工程 蛋白质工程 布置作业 七 作业 1.选择一种生物技术产品（如转基因大豆、基因检测试剂），调查其： 技术原理 应用现状 社会争议 你的观点 感谢观看 $