第十單元 小單元3 第2課時 基因工程的應(yīng)用和蛋白質(zhì)工程及生物技術(shù)的安全性與倫理問題

第課時基因工程的應(yīng)用和蛋白質(zhì)工程及生物技術(shù)的安全性與倫理問題1.舉例說明基因工程在農(nóng)牧、食品及醫(yī)藥等行業(yè)的廣泛應(yīng)用改善了人類的生活品質(zhì)。2.概述人們根據(jù)基因工程原理，進行蛋白質(zhì)設(shè)計和改造，可以獲得性狀和功能更符合人類需求的蛋白質(zhì)。3.舉例說明依據(jù)人類需要對原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行基因改造、生產(chǎn)目標蛋白的過程。4.轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的安全性引發(fā)社會的廣泛關(guān)注。5.中國禁止生殖性克隆人。6.世界范圍內(nèi)應(yīng)全面禁止生物武器。一基因工程的應(yīng)用1．基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用(1)培育轉(zhuǎn)基因抗蟲植物、轉(zhuǎn)基因抗病植物、轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物。(2)改良植物的品質(zhì)：改良植物的營養(yǎng)價值、觀賞價值等。(3)提高動物的生長速率、改善畜產(chǎn)品品質(zhì)。2．基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用(1)基因工程在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用①利用微生物或動植物細胞生產(chǎn)藥物：生產(chǎn)出細胞因子、抗體、疫苗、激素等基因工程藥物。②轉(zhuǎn)基因哺乳動物批量生產(chǎn)藥物：將藥用蛋白基因和eq\x(\s\up1(01))乳腺中特異表達的基因的啟動子等調(diào)控元件重組在一起，制成乳腺生物反應(yīng)器從而獲得抗凝血酶、血清白蛋白等醫(yī)藥產(chǎn)品。③轉(zhuǎn)基因動物做eq\x(\s\up1(02))器官移植的供體(設(shè)想)：a.導(dǎo)入調(diào)控基因表達的DNA序列，抑制eq\x(\s\up1(03))抗原決定基因的表達；b.設(shè)法除去抗原決定基因。(2)基因工程藥物的作用可以用來預(yù)防和治療人類腫瘤、心血管疾病、eq\x(\s\up1(04))傳染病、糖尿病、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等疾病。3．基因工程在食品工業(yè)方面的應(yīng)用(1)應(yīng)用：可以利用基因工程菌生產(chǎn)eq\x(\s\up1(05))食品工業(yè)用酶、氨基酸和維生素等。(2)基因工程技術(shù)生產(chǎn)的工業(yè)用酶的優(yōu)點相比從天然產(chǎn)物中提取的酶，用基因工程技術(shù)獲得的工業(yè)用酶的純度更高，而且它的生產(chǎn)成本顯著降低，生產(chǎn)效率較高。4．基因工程在其他方面的應(yīng)用(1)培育出可以降解多種污染物的“超級細菌”來處理環(huán)境污染。(2)利用經(jīng)過基因改造的微生物生產(chǎn)能源等。二蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用1．蛋白質(zhì)工程的概念：以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過eq\x(\s\up1(01))改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種eq\x(\s\up1(02))新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。2．蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較項目蛋白質(zhì)工程基因工程區(qū)別過程預(yù)期的蛋白質(zhì)功能→設(shè)計預(yù)期的eq\x(\s\up1(03))蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的eq\x(\s\up1(04))氨基酸序列→找到并改變相應(yīng)的eq\x(\s\up1(05))脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)篩選獲取目的基因→構(gòu)建基因表達載體→將目的基因?qū)胧荏w細胞→目的基因的檢測與鑒定實質(zhì)定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì)定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類所需的生物類型或生物產(chǎn)品結(jié)果生產(chǎn)eq\x(\s\up1(06))自然界中沒有的蛋白質(zhì)生產(chǎn)eq\x(\s\up1(07))自然界中已有的蛋白質(zhì)聯(lián)系蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程3.應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用醫(yī)藥工業(yè)研發(fā)藥物其他工業(yè)改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶農(nóng)業(yè)改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率；設(shè)計優(yōu)良微生物農(nóng)藥特別提醒蛋白質(zhì)工程通過對基因操作來實現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)的改造的原因：(1)蛋白質(zhì)具有十分復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，基因的結(jié)構(gòu)相對簡單，容易改造。(2)改造后的基因可以遺傳給下一代，被改造的蛋白質(zhì)無法遺傳。三生物技術(shù)的安全性與倫理問題1．轉(zhuǎn)基因成果領(lǐng)域成果微生物方面①減少啤酒酵母雙乙酰的生成，縮短啤酒的發(fā)酵周期；②構(gòu)建高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的基因工程菌來生產(chǎn)氨基酸；③用基因工程菌生產(chǎn)藥物轉(zhuǎn)基因動物方面①培育生長迅速、營養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)良的轉(zhuǎn)基因家禽、家畜；②培育抵抗相應(yīng)病毒的動物新品種；③建立某些人類疾病的轉(zhuǎn)基因動物模型轉(zhuǎn)基因植物方面培育具有抗蟲、抗病、抗除草劑和耐儲藏等新性狀的作物2.轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的安全性(1)爭論焦點：在轉(zhuǎn)基因食品的安全性等方面發(fā)生激烈的爭論。(2)正確態(tài)度：理性看待轉(zhuǎn)基因技術(shù)要以完備的相關(guān)科學(xué)知識為基礎(chǔ)，即清晰地了解轉(zhuǎn)基因技術(shù)的原理和操作規(guī)程；看到人們的觀點受到許多復(fù)雜的eq\x(\s\up1(01))政治、經(jīng)濟和文化等因素的影響；要靠確鑿的證據(jù)和嚴謹?shù)倪壿嬤M行思考和辯論。(3)我國方針：研究上要大膽，堅持自主創(chuàng)新；推廣上要慎重，做到確保安全；管理上要嚴格，堅持依法監(jiān)管。3．關(guān)注生殖性克隆人(1)生殖性克隆與治療性克?、偕承钥寺∈侵竿ㄟ^克隆技術(shù)產(chǎn)生eq\x(\s\up1(02))獨立生存的新個體。②治療性克隆是指利用克隆技術(shù)產(chǎn)生eq\x(\s\up1(03))特定的細胞、組織和器官，用它們來修復(fù)或替代受損的細胞、組織和器官，從而達到eq\x(\s\up1(04))治療疾病的目的。(2)中國政府態(tài)度：eq\x(\s\up1(05))中國不反對治療性克隆，反對生殖性克隆。4．試管嬰兒和設(shè)計試管嬰兒的比較類型試管嬰兒設(shè)計試管嬰兒技術(shù)手段不需要進行eq\x(\s\up1(06))遺傳學(xué)診斷胚胎移植前需要進行eq\x(\s\up1(07))遺傳學(xué)診斷實踐應(yīng)用解決eq\x(\s\up1(08))不孕不育問題用于eq\x(\s\up1(09))白血病、貧血癥等疾病的治療聯(lián)系二者都是體外受精，經(jīng)體外eq\x(\s\up1(10))早期胚胎發(fā)育，再進行eq\x(\s\up1(11))胚胎移植，在生殖方式上都為eq\x(\s\up1(12))有性生殖5.禁止生物武器(1)生物武器的種類：eq\x(\s\up1(13))致病菌類、病毒類、生化毒劑類等。(2)中國政府的態(tài)度：在任何情況下eq\x(\s\up1(14))不發(fā)展、不生產(chǎn)、不儲存生物武器，并反對生物武器及其技術(shù)和設(shè)備的擴散。1．乳腺生物反應(yīng)器是將藥用蛋白基因?qū)雱游锏娜橄偌毎小?)2．用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達的菌類一般稱為基因工程菌。()3．由大腸桿菌工程菌獲得人的干擾素后可直接應(yīng)用。()4．蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分子直接進行操作，定向改造分子的結(jié)構(gòu)。()5．若轉(zhuǎn)基因植物的外源基因來源于自然界，則不會存在安全性問題。()6．轉(zhuǎn)基因生物可能會破壞生態(tài)平衡。()7．生殖性克隆和治療性克隆沒有本質(zhì)區(qū)別。()8．中國政府主張對治療性克隆和生殖性克隆進行有效監(jiān)控和嚴格審查。()9．天花病毒、波特淋菌、霍亂弧菌和炭疽桿菌都可以用來制造生物武器。()10．生物武器可通過吸入、誤食、接觸帶菌物品，被帶菌昆蟲叮咬等侵入人體。()11．我們對待生物武器的態(tài)度是堅決禁止生物武器。()12．干擾素是一種具有干擾病毒復(fù)制作用的脂質(zhì)，在臨床上被廣泛應(yīng)用。()13．乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)的藥物是自然界沒有的。()14．蛋白質(zhì)工程可以合成自然界中不存在的蛋白質(zhì)。()15．試管嬰兒技術(shù)屬于一種生殖性克隆技術(shù)。()16．設(shè)計試管嬰兒要對移植前的胚胎進行遺傳學(xué)診斷。()考向一借助基因工程的應(yīng)用，考查科學(xué)思維和社會責(zé)任[例1](2024·河北，22)新城疫病毒可引起家禽急性敗血性傳染病，我國科學(xué)家將該病毒相關(guān)基因改造為r2HN，使其在水稻胚乳特異表達，制備獲得r2HN疫苗，并對其免疫效果進行了檢測。回答下列問題：(1)實驗所用載體的部分結(jié)構(gòu)及其限制酶識別位點如圖1所示。其中GtP為啟動子，若使r2HN僅在水稻胚乳表達，GtP應(yīng)為____________________啟動子。Nos為終止子，其作用為________________________________。r2HN基因內(nèi)部不含載體的限制酶識別位點。因此，可選擇限制酶________和________對r2HN基因與載體進行酶切，用于表達載體的構(gòu)建。(2)利用__________方法將r2HN基因?qū)胨居鷤M織。為檢測r2HN表達情況，可通過PCR技術(shù)檢測________________，通過____________技術(shù)檢測是否翻譯出r2HN蛋白。(3)獲得轉(zhuǎn)基因植株后，通常選擇單一位點插入目的基因的植株進行研究。此類植株自交一代后，r2HN純合體植株的占比為________。選擇純合體進行后續(xù)研究的原因是____________________________。(4)制備r2HN疫苗后，為研究其免疫效果，對實驗組雞進行接種，對照組注射疫苗溶劑。檢測兩組雞體內(nèi)抗新城疫病毒抗體水平和特異應(yīng)答的CD8＋T細胞(細胞毒性T細胞)水平，結(jié)果如圖2所示。據(jù)此分析，獲得的r2HN疫苗能夠成功激活雞的________免疫和________免疫。(5)利用水稻作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)r2HN疫苗的優(yōu)點是__________________________________。(答出兩點即可)考向二圍繞蛋白質(zhì)工程，考查科學(xué)思維[例2]為心梗患者注射大劑量的t－PA(一種能高效降解血栓的單鏈糖蛋白，主要由血管內(nèi)皮細胞合成、分泌并釋放進血液)會誘發(fā)顱內(nèi)出血。研究證實，將t－PA第84位的半胱氨酸換成絲氨酸，能顯著降低出血等副作用，據(jù)此分析下列敘述錯誤的是()A．若利用大腸桿菌來生產(chǎn)t－PA，需要對其合成的t－PA進行后期改造B．改造t－PA的技術(shù)屬于蛋白質(zhì)工程C．欲將t－PA第84位的半胱氨酸換成絲氨酸，應(yīng)直接對蛋白質(zhì)(t－PA)進行改造D．可利用抗原—抗體雜交技術(shù)來檢測轉(zhuǎn)基因的大腸桿菌是否分泌了t－PA考向三圍繞生物技術(shù)的倫理問題和安全性，考查社會責(zé)任[例3]生物技術(shù)的進步在給人類帶來福祉的同時，會引起人們對它安全性的關(guān)注，也會帶來新的倫理困惑與挑戰(zhàn)。下列相關(guān)說法正確的是()A．針對轉(zhuǎn)基因技術(shù)，我國一貫堅持在研究上要“小心謹慎、穩(wěn)健實施”B．目前，克隆技術(shù)已十分成熟，可以保證生殖性克隆人在技術(shù)上安全高效C．生物武器是指天花病毒、波特淋菌、霍亂弧菌和炭疽桿菌等致病微生物D．“設(shè)計試管嬰兒”可以有目的地改造特定基因，特定情況下可用于治療疾病[例4]2018年11月，世界首例免疫艾滋病的基因編輯嬰兒誕生。這項研究用到了能夠精確定位并修飾基因的基因編輯技術(shù)，即基因編輯時用約為頭發(fā)二十分之一細的針把Cas9蛋白和特定的RNA引導(dǎo)序列注入受精卵中，對CCR5基因進行修改，預(yù)期嬰兒出生后能天然抵抗人類免疫缺陷病毒，關(guān)于該技術(shù)的安全性問題，下列說法錯誤的是()A．基因編輯時，引導(dǎo)序列可能發(fā)生變異，導(dǎo)致剪切錯誤，造成不可預(yù)知的后果B．經(jīng)過基因編輯的個體，有可能影響基因選擇性表達，而導(dǎo)致其他疾病的產(chǎn)生C．將基因編輯技術(shù)應(yīng)用于治療性克隆，符合人類倫理道德D．只要加強監(jiān)管、完善法律法規(guī)、完善技術(shù)手段，不需擔心基因編輯技術(shù)的安全性答案及解析1．乳腺生物反應(yīng)器是將藥用蛋白基因?qū)雱游锏娜橄偌毎小?×)2．用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達的菌類一般稱為基因工程菌。(√)3．由大腸桿菌工程菌獲得人的干擾素后可直接應(yīng)用。(×)4．蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分子直接進行操作，定向改造分子的結(jié)構(gòu)。(×)5．若轉(zhuǎn)基因植物的外源基因來源于自然界，則不會存在安全性問題。(×)6．轉(zhuǎn)基因生物可能會破壞生態(tài)平衡。(√)7．生殖性克隆和治療性克隆沒有本質(zhì)區(qū)別。(×)8．中國政府主張對治療性克隆和生殖性克隆進行有效監(jiān)控和嚴格審查。(×)9．天花病毒、波特淋菌、霍亂弧菌和炭疽桿菌都可以用來制造生物武器。(√)10．生物武器可通過吸入、誤食、接觸帶菌物品，被帶菌昆蟲叮咬等侵入人體。(√)11．我們對待生物武器的態(tài)度是堅決禁止生物武器。(√)12．干擾素是一種具有干擾病毒復(fù)制作用的脂質(zhì)，在臨床上被廣泛應(yīng)用。(×)13．乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)的藥物是自然界沒有的。(×)14．蛋白質(zhì)工程可以合成自然界中不存在的蛋白質(zhì)。(√)15．試管嬰兒技術(shù)屬于一種生殖性克隆技術(shù)。(×)16．設(shè)計試管嬰兒要對移植前的胚胎進行遺傳學(xué)診斷。(√)考向一借助基因工程的應(yīng)用，考查科學(xué)思維和社會責(zé)任[例1](2024·河北，22)新城疫病毒可引起家禽急性敗血性傳染病，我國科學(xué)家將該病毒相關(guān)基因改造為r2HN，使其在水稻胚乳特異表達，制備獲得r2HN疫苗，并對其免疫效果進行了檢測?；卮鹣铝袉栴}：(1)實驗所用載體的部分結(jié)構(gòu)及其限制酶識別位點如圖1所示。其中GtP為啟動子，若使r2HN僅在水稻胚乳表達，GtP應(yīng)為____________________啟動子。Nos為終止子，其作用為________________________________。r2HN基因內(nèi)部不含載體的限制酶識別位點。因此，可選擇限制酶________和________對r2HN基因與載體進行酶切，用于表達載體的構(gòu)建。(2)利用__________方法將r2HN基因?qū)胨居鷤M織。為檢測r2HN表達情況，可通過PCR技術(shù)檢測________________，通過____________技術(shù)檢測是否翻譯出r2HN蛋白。(3)獲得轉(zhuǎn)基因植株后，通常選擇單一位點插入目的基因的植株進行研究。此類植株自交一代后，r2HN純合體植株的占比為________。選擇純合體進行后續(xù)研究的原因是____________________________。(4)制備r2HN疫苗后，為研究其免疫效果，對實驗組雞進行接種，對照組注射疫苗溶劑。檢測兩組雞體內(nèi)抗新城疫病毒抗體水平和特異應(yīng)答的CD8＋T細胞(細胞毒性T細胞)水平，結(jié)果如圖2所示。據(jù)此分析，獲得的r2HN疫苗能夠成功激活雞的________免疫和________免疫。(5)利用水稻作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)r2HN疫苗的優(yōu)點是__________________________________。(答出兩點即可)答案：(1)在水稻胚乳中特異性表達的基因使轉(zhuǎn)錄在所需要的地方停下來HindⅢEcoRⅠ(2)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化是否轉(zhuǎn)錄出mRNA抗原—抗體雜交(3)1/4純合體自交后代不發(fā)生性狀分離(4)體液細胞(5)水稻易于種植，容易獲得疫苗；水稻的產(chǎn)量較高，能夠獲得大量的疫苗(合理即可)解析：(1)若使r2HN僅在水稻胚乳中表達，則GtP應(yīng)為在水稻胚乳中特異性表達的基因啟動子。終止子是基因下游的一段有特殊序列結(jié)構(gòu)的DNA片段，使轉(zhuǎn)錄在所需要的地方停下來。r2HN應(yīng)插入啟動子GtP和終止子Nos之間，由于GtP中有限制酶KpnⅠ的識別序列，而SacⅠ的識別序列位于終止子之后，因此不能選擇這兩種限制酶切割，應(yīng)選擇HindⅢ和EcoRⅠ對r2HN基因和載體進行切割。(2)通常采用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法將目的基因?qū)胨镜挠鷤M織。檢測r2HN是否表達，可以采用PCR技術(shù)檢測該基因是否轉(zhuǎn)錄出mRNA，通過抗原—抗體雜交技術(shù)檢測是否翻譯出相關(guān)蛋白。(3)設(shè)r2HN為基因N，則單一位點插入目的基因的植株的基因型為Nn，其自交后代的基因型及比例為NN∶Nn∶nn＝1∶2∶1，r2HN純合體植株的比例為1/4。純合體自交后代不會發(fā)生性狀分離，因此選擇純合體進行后續(xù)研究。(4)抗體參與體液免疫，CD8＋T細胞為細胞毒性T細胞，參與細胞免疫。分析圖形，實驗組的抗體水平及CD8＋T細胞水平的相對值都高于對照組，說明獲得的r2HN疫苗能夠成功激活雞的體液免疫和細胞免疫。(5)水稻屬于常見的農(nóng)作物，易于種植，其作為生物反應(yīng)器容易獲得疫苗；水稻的產(chǎn)量高，作為生物反應(yīng)器容易從胚乳中大量獲得疫苗?？枷蚨@蛋白質(zhì)工程，考查科學(xué)思維[例2]為心梗患者注射大劑量的t－PA(一種能高效降解血栓的單鏈糖蛋白，主要由血管內(nèi)皮細胞合成、分泌并釋放進血液)會誘發(fā)顱內(nèi)出血。研究證實，將t－PA第84位的半胱氨酸換成絲氨酸，能顯著降低出血等副作用，據(jù)此分析下列敘述錯誤的是()A．若利用大腸桿菌來生產(chǎn)t－PA，需要對其合成的t－PA進行后期改造B．改造t－PA的技術(shù)屬于蛋白質(zhì)工程C．欲將t－PA第84位的半胱氨酸換成絲氨酸，應(yīng)直接對蛋白質(zhì)(t－PA)進行改造D．可利用抗原—抗體雜交技術(shù)來檢測轉(zhuǎn)基因的大腸桿菌是否分泌了t－PA答案：C解析：由于大腸桿菌只有核糖體一種細胞器，不含內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體，無法對t－PA進行加工，故若利用大腸桿菌來生產(chǎn)t－PA，需要對其合成的t－PA進行后期改造，A正確；分析題意可知，本技術(shù)是將t－PA第84位的半胱氨酸換成絲氨酸，屬于蛋白質(zhì)工程，B正確；欲將t－PA第84位的半胱氨酸換成絲氨酸，應(yīng)對相應(yīng)的基因進行改造，C錯誤；t－PA是一種能高效降解血栓的單鏈糖蛋白，由于抗原與抗體的結(jié)合具有特異性，故可利用抗原—抗體雜交技術(shù)來檢測轉(zhuǎn)基因的大腸桿菌是否分泌了t－PA