資源簡介

(共36張PPT)
第3節(jié) 基因工程的應用
1.舉例說出基因工程在農牧業(yè)、醫(yī)藥業(yè)、食品工業(yè)等方面的應用。(重點)
2.關注基因工程的進展，理性看待基因工程的安全性。
3.掌握乳腺生物反應器。（難點）
學習目標
胰島素是治療糖尿病的特效藥物。傳統(tǒng)生產胰島素的方法是從豬、牛等動物的胰腺中提取。曾經生產供一位糖尿病病人使用一年的胰島素需要上千頭牛，生產的成本非常高。
1978年，科學家將編碼人胰島素的基因導入大腸桿菌細胞中，使大腸桿菌表達重組人胰島素。我國擁有自主知識產權的基因工程藥物——重組人胰島素已經研制成功并得到廣泛應用。
問題探討
從社會中來
除了生產胰島素，基因工程還有哪些應用呢？
基因工程自20世紀70年代興起后，得到飛速發(fā)展，展示出廣闊前景。
醫(yī)藥衛(wèi)生領域
食品工業(yè)方面
農牧業(yè)方面
基因工程的應用
一、基因工程的應用
一、基因工程在農牧業(yè)方面的應用
（一）發(fā)展現(xiàn)狀：
①1996-2017年，全世界轉基因作物種植面積增加了100多倍。
②轉基因作物的種植使化學殺蟲劑的施用量減少了8.2%，作物產量增加了6.6×108 t，增加經濟效益1.3萬億。
③美國是世界上轉基因作物種植面積最大的國家。棉花、玉米、大豆種植比例都超過90%。
④2017年，我國轉基因作物的種植面積位居世界第八位，商業(yè)化種植的轉基因作物有棉花和番木瓜。
1.轉基因農作物
一、基因工程在農牧業(yè)方面的應用
（一）發(fā)展現(xiàn)狀：
幾乎每年都有令人矚目的研究成果報道，有些成果正在進入實用化和商業(yè)化開發(fā)的階段。
2015年11月，第一種用于食用的轉基因動物——轉基因大西洋鮭（俗稱“三文魚”）在美國獲得批準上市。
2.轉基因動物
轉基因鮭魚（后排）和正常鮭魚（前排）
基因工程在農牧業(yè)中的應用發(fā)展迅速。已被廣泛用于改良動植物品種、提高作物和畜產品產量等方面。
轉基因抗蟲植物
農牧業(yè)方面的應用
轉基因抗病植物
轉基因抗除草劑植物
改良植物的品質
提高動物的生長速率
改良畜產品的品質
抗逆性
1. 基因工程在農牧業(yè)方面的應用
一、基因工程的應用
（1）轉基因抗蟲植物
（2）轉基因抗病植物
培育方法：從某些生物中分離出具有抗蟲功能的基因，導入作物，使其具有抗蟲性。
實例：轉基因抗蟲棉、玉米、大豆、水稻和馬鈴薯等。
培育方法：將來源于某些病毒、真菌等的抗病基因導入植物中，培育出轉基因抗病植物。
實例：抗病毒轉基因甜椒、番木瓜和煙草等。
一、基因工程的應用
1. 基因工程在農牧業(yè)方面的應用
（3）轉基因抗除草劑植物
培育方法：將降解或抵抗某種除草劑的基因導入作物，可培育出抗除草劑的作物品種。
實例：轉基因抗除草劑玉米、大豆、油菜和甜菜等。
一、基因工程的應用
1. 基因工程在農牧業(yè)方面的應用
（4）改良植物的品質
培育方法：利用轉基因技術改良植物的營養(yǎng)價值、觀賞價值等。
優(yōu)良基因 成果
　　　　　　　　的蛋白質編碼基因 富含賴氨酸的轉基因玉米
與植物花青素代謝相關的基因 ____________
必需氨基酸含量多
轉基因矮牽牛
一、基因工程的應用
1. 基因工程在農牧業(yè)方面的應用
（5）提高動物的生長速率
培育方法：將外源生長激素基因導入動物體內，以提高動物的生長速率。
實例：轉基因鯉魚的生長速率比非轉基因鯉魚提高了42%～115%。
（6）改善畜產品的品質
培育方法：將腸乳糖酶基因導入奶牛基因組，使獲得的轉基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他營養(yǎng)成分不受影響。
實例：乳汁中乳糖的含量大大降低的轉基因牛
一、基因工程的應用
1. 基因工程在農牧業(yè)方面的應用
一、基因工程在農牧業(yè)方面的應用
（6)改善畜產品的品質
乳糖耐受（有乳糖酶）
乳糖不耐受（無乳糖酶）
1.原因：
有些人由于乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后會出現(xiàn)腹瀉等不適癥狀，這稱為乳糖不耐受。我國約有1/3的成年人對乳糖不耐受。
2.方法：
將乳糖酶基因導入奶牛基因組，使獲得轉基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他營養(yǎng)成分不受影響。
1.從環(huán)境保護角度出發(fā)，分析轉基因抗蟲棉與普通棉相比在害蟲防治方面的優(yōu)越性有哪些？
減少了化學農藥的使用量，降低了環(huán)境污染。降低生產成本。
2.種植轉基因抗蟲棉若干年后，害蟲會不會對轉基因抗蟲棉產生抗性？為什么？
會。害蟲會因遺傳物質發(fā)生改變產生對轉基因抗蟲棉的抗性。
3.為什么將腸乳糖酶基因導入奶牛基因組能降低牛奶中的乳糖含量？
腸乳糖酶基因在奶牛乳腺細胞中表達出乳糖酶，可以分解乳汁中的乳糖。
思考討論:
【基礎訓練1】
(1)轉入外源生長素基因的轉基因動物，生長速率更快(　　)
(2)轉基因抗蟲棉的Bt抗蟲蛋白基因能抗病毒、細菌、真菌(　　)
(3)“轉基因植物”是指植物體細胞中出現(xiàn)了新基因的植物(　　)
×
×
×
【典例1】下列關于培育轉基因抗蟲棉的敘述，正確的是
A.DNA連接酶能把Bt抗蟲蛋白基因與噬菌體相連接
B.Bt抗蟲蛋白基因可借助花粉管通道進入受體細胞
C.Bt抗蟲蛋白對害蟲和人都有不同程度的毒害作用
D.需制備好相應抗原來檢測Bt基因是否翻譯成Bt抗蟲蛋白
√
讓轉基因哺乳動物批量生產藥物
用轉基因動物作為器官移植的供體
對微生物或動植物的細胞進行基因改造生產藥物
醫(yī)藥衛(wèi)生領域的應用
2. 基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領域的應用
一、基因工程的應用
我國生產的重組人干擾素、血小板生成素、促紅細胞生成素和粒細胞集落刺激因子等
可以用來預防和治療人類腫瘤、心血管疾病、傳染病、糖尿病和類風濕關節(jié)炎等；
（1）對微生物或動植物的細胞進行基因改造生產藥物
①藥物舉例：
細胞因子、抗體、疫苗和激素等。
②應用：
③實例：
2. 基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領域的應用
一、基因工程的應用
資料卡——干擾素
干擾素是一種具有干擾病毒復制作用的糖蛋白，在臨床上被廣泛用于治療病毒感染性疾病。此外，干擾素對于治療乳腺癌、淋巴癌、多發(fā)骨髓瘤和某些白血病等也有一定的療效。
1993年我國批準生產重組人干擾素α-1b，它是我國批準生產的第一個基因工程藥物，目前主要用于治療慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等。
1980-1982年，科學家用基因工程方法從大腸桿菌及酵母菌細胞內獲得了干擾素，從1Kg培養(yǎng)物中可以得到20—40mg干擾素。
傳統(tǒng)生產干擾素的方法是從人血液中的白細胞內提取，每300L血液只能提取1mg干擾素。
一、基因工程的應用
（2）讓轉基因哺乳動物批量生產藥物
① 實例：
乳腺生物反應器或乳房生物反應器
② 培育過程：
藥用蛋白基因
乳腺中特異表達的基因的啟動子等調控元件
基因表達載體
顯微注射
受精卵
泌乳期分泌乳汁
轉基因動物
藥物
發(fā)育
注意：啟動子具有物種和組織的特異性
2. 基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領域的應用
一、基因工程的應用
目前已經在牛、山羊等動物的乳腺生物反應器中，獲得了抗凝血酶、血清白蛋白、生長激素和α-抗胰蛋白酶等重要醫(yī)藥產品
（2）讓轉基因哺乳動物批量生產藥物
③應用：
2. 基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領域的應用
一、基因工程的應用
構建膀胱生物反應器是將藥用蛋白基因與膀胱上皮細胞中特異表達的基因的啟動子重組，從而指導目的基因表達產物分泌在尿液中，其原理是根據(jù)膀胱尿乳頭頂端表面可表達一組稱之為尿血小板溶素的膜蛋白。
膀胱生物反應器
優(yōu)點：①可以從動物一出生就收集產物，不論動物的性別和是否處于生殖期（性別、年齡）。
②從尿液中提取蛋白質比從乳汁中提取更簡便、高效。
比較項目 乳腺（房）生物反應器 基因工程菌生產藥物
基因結構
基因產物
受體細胞
導入方式
生產條件
產物提取
哺乳動物基因的結構與人類結構基本相同
細菌或酵母菌等生物的基因結構與人類基因結構有較大差異
與天然蛋白質完全相同
細菌細胞內缺少內質網、高爾基體等細胞器，合成的蛋白質可能不具有生物活性
哺乳動物的受精卵
微生物細胞
顯微注射法
Ca2+處理法（感受態(tài)細胞法）
不需要嚴格的滅菌，溫度等外界條件對其影響不大
需嚴格滅菌，嚴格控制工程菌所需的溫度、pH、營養(yǎng)物質濃度等外界條件
從動物乳汁中提取，相對簡單
（一般經過工業(yè)發(fā)酵后）從微生物細胞（或發(fā)酵液）中提取，相對復雜
一、基因工程的應用
尋求可替代的移植器官，如用豬的器官來解決人類器官移植 的來源問題
（3）用轉基因動物作為器官移植的供體
①人體器官移植的難題：
人體移植器官短缺是世界性難題
②解決途徑：
a. 豬的內臟構造、大小、血管分布與人極為相似
b. 豬體內隱藏的、可導致人類疾
病的病毒遠遠少于靈長類動物
A. 豬的優(yōu)點：
B. 最大難題：
免疫排斥
2. 基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領域的應用
一、基因工程的應用
③改造方法：
a.在器官供體的基因組中導入某種調節(jié)因子，以抑制抗原決定基因的表達；
b.設法除去抗原決定基因，然后再結合克隆技術，培育出不會引起免疫排斥反應的轉基因克隆豬器官。
2. 基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領域的應用
一、基因工程的應用
異想天開
假如某位心臟病病人換上經過改造的豬心臟后，過上健康人的生活，在生活中，他會遭到歧視嗎？對此你怎么看？
生命和健康是人最寶貴的東西，如果一個病人換上了經過改造的豬心臟重獲了健康，我們不僅不能歧視他，還應該從他身上看到現(xiàn)代生物技術在維持人體健康、治療疾病等方面的應用價值。
用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達的菌類。
基因工程構建基因工程菌
工業(yè)發(fā)酵批量生產
利用基因工程菌，除了可以生產藥物，還能生產食品工業(yè)用酶、氨基酸和維生素等。
(1)概念:
(2)步驟:
(3)應用:
3、基因工程在食品工業(yè)方面的應用
(一)基因工程菌
一種普遍使用的甜味劑， 主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，這兩種氨基酸可通過基因工程實現(xiàn)大規(guī)模生產。
1.實例——阿斯巴甜
2.實例——凝乳酶
大多數(shù)奶酪生產中用來凝聚固化奶中的蛋白質。
殺死未斷奶的小牛，將其第四胃的黏膜取出來提取。
將編碼牛凝乳酶的基因導入大腸桿菌、黑曲霉或酵母菌的基因組中，再通過工業(yè)發(fā)酵批量生產凝乳酶。
3、基因工程在食品工業(yè)方面的應用
(二)基因工程菌的利用
(1)應用:
(2)傳統(tǒng)制備方法:
(3)基因工程技術:
3.實例——淀粉酶、脂肪酶
淀粉酶、脂肪酶
運用
優(yōu)點
基因工程制備
加工轉化糖漿需要淀粉酶， 加工烘烤食物要用到脂肪酶
構建基因工程菌， 然后用發(fā)酵技術大量生產
基因工程獲得的工業(yè)用酶的純度更高， 生產成本顯著降低， 生產效率較高。
3、基因工程在食品工業(yè)方面的應用
(二)基因工程菌的利用
4. 其他應用：環(huán)保領域的應用
一、基因工程的應用
利用經過基因改造的微生物生產清潔能源
培育可以降解多種污染物的“超級細菌”治理環(huán)境污染
1.與大腸桿菌相比，用酵母菌生產人的胰島素有什么優(yōu)勢？
思考討論：
酵母菌為真核生物，有生物膜系統(tǒng)，可通過內質網和高爾基體對產生的胰島素進行加工和修飾，從而產生有活性的胰島素。
2.培育乳腺生物反應器時為什么要選用乳腺中特異表達的基因的啟動子等調控元件與藥用蛋白基因重組在一起？
目的是讓藥用蛋白基因只在乳腺細胞中表達。
3.與工廠化生產藥用蛋白相比，用動物乳腺生物反應器生產藥用蛋白的優(yōu)勢有哪些？
(1)動物乳腺有完整的蛋白質翻譯后修飾系統(tǒng)，生產的蛋白質活性高，更穩(wěn)定。
(2)產物直接經乳汁分泌，易提取。
【基礎訓練2】
(1)用大腸桿菌生產的人的胰島素沒有活性(　　)
(2)藥用蛋白基因只在乳腺細胞中表達的原因是藥用蛋白基因只存在 于乳腺細胞中，其他細胞中沒有(　　)
(3)用基因工程技術生產工業(yè)酶的優(yōu)點是：純度高、生產成本低、生 產效率高(　　)
√
×
√
【典例3】(2021·遼寧沈陽期中)下列關于用轉基因動物作器官移植供體的研究的敘述，不正確的是
A.人體移植器官短缺和免疫排斥是目前制約人體器官移植的兩大難題
B.豬的內臟構造、大小和血管分布與人的極為相似
C.靈長類動物體內隱藏的、可導致人類疾病的病毒少于豬
D.無論以哪種動物作為供體，都需要在其基因組中導入某種調節(jié)因子，以抑制抗原決定基因的表達，或設法除去抗原決定基因
√
【典例4】動物乳腺生物反應器是一項利用轉基因動物的乳腺代替?zhèn)鹘y(tǒng)的生物發(fā)酵，進行大規(guī)模生產可供治療人類疾病或用于保健的活性蛋白質的現(xiàn)代生物技術。科學家已在牛和羊等動物乳腺生物反應器中表達出了抗凝血酶、血清白蛋白、生長激素等重要藥品，其大致過程如圖所示。下列有關說法錯誤的是
A.通過③形成的重組質粒具有人的
藥用蛋白基因、啟動子、終止子和
標記基因即可
B.④通常采用顯微注射技術
C.在轉基因母牛的乳腺細胞中人的藥用蛋白基因才會得以表達，因此可以從乳汁中提取藥物
D.該技術生產藥物的優(yōu)點是產量高、質量好、易提取
√
農牧業(yè)方面
食品工業(yè)方面
乳腺生物反應器
醫(yī)藥衛(wèi)生領域
轉基因技術自誕生以來，發(fā)展迅速，研發(fā)對象已涵蓋至少35科、200多種的植物，涉及大豆、玉米和棉花等重要作物，以及牧草、花卉和林木等。請調查：
1. 目前我國批準發(fā)放了哪些轉基因作物的生產應用安全證書和進口安全證書？
截至2019年年底，我國批準發(fā)放過轉基因耐儲藏番茄、轉基因抗蟲棉、改變花色的轉基因矮牽牛、轉基因抗病辣椒、轉基因抗病番木瓜、轉基因抗蟲水稻、轉植酸酶基因玉米以及轉基因耐除草劑大豆的生產應用安全證書；
批準了轉基因棉花、大豆、玉米、油菜、甜菜和番木瓜的進口安全證書，
但我國進口的基本上是轉基因棉花的纖維，其他進口轉基因作物的用途僅限于用作加工原料；
我國沒有批準任何一種轉基因糧食作物種子進口到我國境內商業(yè)化種植。
到社會中去
課后習題·概念檢測
1.將大腸桿菌的質粒連接上人生長激素的基因后，重新導入大腸桿菌的細胞內，再通過發(fā)酵工程就能大量生產人生長激素。下列相關敘述正確的是 ( )
A.轉錄生長激素基因需要解旋酶和DNA連接酶
B. 發(fā)酵產生的生長激素屬于大腸桿菌的初生代謝物
C. 大腸桿菌獲得的能產生人生長激素的變異可以遺傳
D. 大腸桿菌質粒標記基因中腺瞟吟和尿囉曉的含量相等
C
課后習題·概念檢測
2.基因工程應用廣泛，成果豐碩。下列不屬于基因工程應用的是 ( )
A.培育青霉菌并從中提取青霉素
B. 利用乳腺生物反應器生產藥物
C. 制造一種能降解石油的“超級細菌”
D. 制造一種能產生干擾素的基因工程菌
A
課后習題·拓展應用
1.除草劑的有效成分草甘膦能夠專一地抑制EPSP合酶的活性，從而使植物體內多種代謝途徑受到影響而導致植物死亡。草甘膦沒有選擇性，它在除掉雜草的同時也會使作物受損。解決這個問題的方法之一就是培育抗草甘膦的作物。
(1)下面是探究“轉人外源EPSP合酶基因能否使矮牽牛抗草甘膦”的流程，請補充完整。
①用 等處理目的基因和Ti質粒，構建重組Ti質粒;
②將重組Ti質粒轉入農桿菌中;
限制酶和DNA連接酶
③利用含有重組Ti質粒的農桿菌侵染________細胞，再通過培育得到轉基因植株；
④用草甘膦同時噴灑轉基因植株和對照組植株。
結果:對照組植株死亡，轉基因植株存活，但也受到了影響。
結論： 。
矮牽牛
轉基因矮牽牛對草甘膦產生了一定的抗性
課后習題·拓展應用
（2）請思考并回答下列問題。
①在該實驗中，對照組是怎樣設計的？
②如果增加轉入的外源 EPSP 合酶基因的數(shù)量，轉基因矮牽牛對草甘膦的抗性是否會增加？
請你給出進一步探究的思路。
①對照組為非轉基因矮牽牛。理論上增加轉入的外源EPSP合酶基因的數(shù)量，矮牽牛體內EPSP合酶的表達水平會升高，它對草甘膦的抗性會增強。
②將不同拷貝數(shù)的EPSP合酶基因分別轉入矮牽牛細胞中，培育轉基因植株，比較它們對草甘辟抗性的差異。
探究思路：將不同拷貝數(shù)的EPSP合酶基因分別轉入矮牽牛細胞中，培育轉基因植株，比較它們對草甘辟抗性的差異。

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