3.3基因工程的应用课件-2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

基因工程的应用 第3节 第3章 基因工程 基因工程是指按照人们的愿望，通过转基因等技术，赋予生物新的遗传特性， 创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。 >>>2019人教版高中生物学选择性必修3课件 除了生产胰岛素，基因工程还有哪些应用呢？ 从社会中来 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程药物—重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。 基因工程在农牧业方面的应用 ▲ Global area of genetically modified (GM) crops in millions of hectares 1996–2015 基因工程在农牧业方面的应用 ▲ 1996-2023年，全世界转基因作物种植面积变化情况 1996-2017年，全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍！ 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6.6×108 t，增加经济收益近1.3万亿元。 基因工程在农牧业中的应用发展迅速 基因工程在农牧业方面的应用 美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家，转基因棉花、大豆、玉米的种植面积占相关作物种植面积的比例都超过了90%。 2017年，我国转基因作物的种植面积位居世界第八位，商业化种植的转基因作物有棉花和番木瓜。 基因工程在农牧业方面的应用 基因工程在农牧业方面的应用 ★ 排名前5的转基因作物： 大豆、玉米、棉花、油菜、苜蓿 基因工程在农牧业方面的应用 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。 转基因动物方面的有些成果正在进入实用化和商业化开发的阶段 目前，基因工程技术已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面。 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 提高作物的抗逆能力： 改良作物的品质： 改良动物的品质： 基因工程在农牧业方面的应用 转基因抗虫植物 从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中培育出具有抗虫性的作物。 ▲转基因抗虫水稻(绿色植株)与对照(被害虫侵害的黄色植株) 已问世的转基因抗虫植物有 转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等 ▲转基因抗虫棉 ▲非转基因棉 基因工程在农牧业方面的应用 转基因抗病植物 将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出了转基因抗病植物。 （1）来源于病毒的抗病基因： 病毒复制酶基因、病毒外壳蛋白基因等 （2）来源于真菌的抗病基因： 抗毒素合成基因、几丁质酶基因等 ▲转基因抗病毒甜椒 ▲转基因抗病毒番木瓜 ▲转基因抗病毒烟草 基因工程在农牧业方面的应用 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。 ▲施用除草剂后的转基因抗除草剂玉米田 ▲种植转基因抗除草剂大豆的农田 目前已经获得转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等 草 甘 膦 除草剂的有效成分草甘膦能够专一地抑制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。草甘膦没有选择性，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膦的作物。 拓展应用 1、下面是探究“转入外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘膦”的流程，请补充完整。 (1)用__________________________等处理含有目的基因的DNA片段和Ti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)用草甘膦同时喷洒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 基因工程在农牧业方面的应用 除草剂的有效成分草甘膦能够专一地抑制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。草甘膦没有选择性，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膦的作物。 拓展应用 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强？请你给出进一步探究的思路 对照组为非转基因矮牵牛。 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，比较它们对草甘膦抗性的差异。 基因工程在农牧业方面的应用 基因工程在农牧业方面的应用 改良植物的品质 利用转基因技术改良植物的某些品质，提升它们的营养价值、观赏价值等。 ▲黄金大米的胚乳富含β-胡萝卜素，β-胡萝卜素是维生素A前体，可在人体转化为维生素A，缓解维生素A缺乏症。 ▲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，观赏价值大为提高。 ▲将赖氨酸含量多的蛋白质编码基因导入玉米中，培育的转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。 基因工程在农牧业方面的应用 提高动物的生长速率 将外源生长激素基因导入动物体内，可以提高动物的生长速率。 ▲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%。上图为中国科学院水生生物所的转基因鲤鱼，8月龄的转基因鲤鱼(b)和对照非转基因鲤鱼(a)。 ▲将大鼠生长激素重组基因导入小鼠的受精卵，结果出生的小鼠生长迅速，体积大了1倍，被称为“转基因超级鼠”。 基因工程在农牧业方面的应用 改善畜产品的品质 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。 ▲ 2012年4月24日，内蒙古农业大学生命科学院生物制造重点实验室培育的世界首例转乳糖分解酶基因奶牛“拉克斯”诞生。 资料卡片： 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的成年人对乳糖不耐受。 ▲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。 基因工程在医药卫生领域的应用 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，是目前基因工程取得实际应用成果非常多的领域。 细胞因子 抗体 疫苗 激素 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。 基因工程在医药卫生领域的应用 ★ 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、丙型肝炎等。 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，干扰素对治疗乳腺癌、淋巴瘤、多发性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： 从人血液中白细胞内提取，每300 L血液只能提取出1 mg干扰素。 基因工程方法： 从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，1 kg培养物可以得到20~40 mg干扰素。 乳腺（房）生物反应器 显微注射 基因工程在医药卫生领域的应用 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 发育 ★ 乳腺生物反应器的优点： ➊ 目标产品的质量好，乳腺组织不仅具有按照遗传信息流向合成蛋白质的能力，而且具备全面的修饰和加工蛋白质的能力，如糖基化、羧化、磷酸化以及分子组装等，微生物和植物都不具备这种全面的蛋白质后加工能力。 乳腺（房）生物反应器 泌乳期 分泌乳汁 发育 显微注射 基因工程在医药卫生领域的应用 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 转基因动物 药物 ★ 乳腺生物反应器的优点： ➋ 产品生产成本低 ➌ 从乳汁中提取产品，操作比较简单。 ➍ 产量高，易收获目标产品，产品可以随乳汁分泌而排出动物体外。 乳腺（房）生物反应器 泌乳期 分泌乳汁 发育 显微注射 基因工程在医药卫生领域的应用 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 转基因动物 药物 目标医药产品有：➊血浆蛋白，包括血纤蛋白原、抗胰蛋白酶等；➋第二代医用蛋白，如抗体、乳清蛋白、乳铁蛋白等；➌“人源化牛奶”，即用人的乳蛋白基因替代牛的乳蛋白基因后，获得的一种与人奶相似的“基因工程奶”。 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。 建立器官移植工厂 基因工程在医药卫生领域的应用 建立器官移植工厂 基因工程在医药卫生领域的应用 2022年1月7日，马里兰大学医学院进行了世界首例活人成功植入基因编辑猪心脏的手术，57岁的心脏病患者大卫·贝内特（David Bennett）接受了一颗经过基因编辑的猪心脏以挽救生命。 医生用一只1岁大、240磅重的小猪心脏替换了Dave原本的心脏。而这只小猪，是Revivicor公司专门为异种移植进行基因编辑和培育的。 2022年3月8日，大卫·贝内特因病情恶化而不幸去世，这颗猪心脏让他延长了2个月寿命。他的家人表示：“感谢每一个创新时刻，每一个疯狂的梦想，每一个不眠之夜，感谢每一分努力。希望这个故事成为希望的开始，而不是结束。” 建立器官移植工厂 基因工程在医药卫生领域的应用 人体移植器官短缺是一个世界性难题！ 猪的内脏作为可替代的移植器官的可行性分析： （1）猪的内脏构造、大小、血管分布与人的极为相似； （2）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。 最大难题是免疫排斥 在器官供体的基因组中导入调控基因表达的DNA序列，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，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。 基因工程在食品工业方面的应用 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。 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、步骤： 将目的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，在通过工业发酵批量生产目的蛋白。 3、应用： 基因工程菌 基因工程在食品工业方面的应用 阿斯巴甜 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。 苯丙氨酸-分子结构式 天冬氨酸-分子结构式 基因工程在食品工业方面的应用 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。 凝乳酶 传统制备方法： 杀死未断奶的小牛，然后将它的第四胃的黏膜取出来进行提取。 基因工程方法： 将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。 基因工程在食品工业方面的应用 加工转化糖浆需要淀粉酶， 加工烘烤食物要用到脂肪酶。 淀粉酶、脂肪酶 制备方法： 构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。 优点： 相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术获得的工业用酶的纯度更高，而且它的生产成本显著降低， 生产效率较高。 基因工程在其他方面的应用 采用基因工程技术能培育出可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染，利用经过基因改造的微生物来生产能源…… 基因工程在环境保护领域的应用 1、减少污染： （1）减少化学杀虫剂使用量 （2）减少化肥使用量 2、治理污染： （1）分解有害物质 （2）处理污水 （3）降解农药 （4）清除石油污染 （5）处理垃圾 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( ) 小试牛刀 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 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 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 3、科学家已能运用基因工程技术，让羊合成并由乳腺分泌人的凝血因子，下列相关叙述中正确的是( ) 小试牛刀 ①该技术将导致定向变异　②DNA连接酶把人的凝血因子基因与载体的黏性末端的氢键与磷酸二酯键都连接起来　③蛋白质中的氨基酸序列可为合成人的凝血因子基因提供资料　④受精卵是理想的受体细胞　⑤常用农杆菌转化法将人的凝血因子基因导入受体细胞　⑥转基因羊的生殖细胞中不一定含有人的凝血因子基因 B A．①②③④　　　B．①③④⑥　　　C．②③④⑥　　　D．①②③⑤ 【解析】基因工程是将某特定基因导入细胞，将引起定向的变异，①正确；DNA连接酶催化形成的是磷酸二酯键，②错误；人工合成目的基因有两种方法：一是通过mRNA→单链DNA→双链DNA；二是根据蛋白质的氨基酸序列→mRNA序列→推测出结构基因的核苷酸序列→通过化学方法人工合成目的基因，③正确；将目的基因导入动物细胞最常用的方法是显微注射法，此方法的受体细胞多是受精卵，④正确，⑤错误；形成配子时，发生了基因的分离，所以转基因羊的生殖细胞中不一定含有人的凝血因子基因，⑥正确。综上所述，故选B。 4、下图是培育表达人乳铁蛋白的乳腺生物反应器的技术路线。图中tet r表示四环素抗性基因，amp r表示氨苄青霉素抗性基因。Bam HⅠ、Hind Ⅲ、Sma Ⅰ三种限制酶的酶切位点如图所示。 小试牛刀 (2)能使人乳铁蛋白基因在乳腺细胞中特异性表达的调控序列是( 　　) A．启动子　　　　B．tet r C．复制原点 D．amp r (1)图中将人乳铁蛋白基因插入载体，需用______________________限制酶同时切割载体和人乳铁蛋白基因。筛选含有重组载体的大肠杆菌，首先需要在含______________的培养基上进行。过程①可采用的操作方法是______________。过程②采用的生物技术是________________。 Hind Ⅲ和Bam HⅠ 氨苄青霉素 显微注射法 胚胎移植技术 A 4、下图是培育表达人乳铁蛋白的乳腺生物反应器的技术路线。图中tet r表示四环素抗性基因，amp r表示氨苄青霉素抗性基因。Bam HⅠ、Hind Ⅲ、Sma Ⅰ三种限制酶的酶切位点如图所示。 小试牛刀 (4)为检测人乳铁蛋白是否成功表达，可采用( ) A．核酸分子杂交技术 B．基因序列分析 C．抗原—抗体杂交 D．PCR (3)对早期胚胎进行切割，经过程②可获得多个新个体。这利用了细胞的____性。在进行胚胎分割时，应选择发育良好、形态正常的_________或囊胚。在分割囊胚阶段的胚胎时，要注意将____________均等分割。 全能 桑葚胚 内细胞团 C 第3章 第4节 下节课继续学习《选择性必修3》 蛋白质工程的原理和应用 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.6.15 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.1 $