资源简介

(共35张PPT)
低乳糖奶牛
基因工程肝炎疫苗
第3节 基因工程的应用
第三章 基因工程
学习目标 核心素养
1.举例说出基因工程在农牧业医药卫生和食品工业等方面的应用。 2.认同基因工程的应用价值。 3.关注基因工程的进展。 1.生命观念：举例说出植物基因工程、动物基因工程成果及其给人类带来的影响。
2．社会责任：展开想象的翅膀，用图画或文字创造等，畅想基因工程的未来。
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。除了生产胰岛素，基因工程还有哪些应用呢？
重组人胰岛素注射液
基因工程自20世纪70年代兴起后，得到了飞速的发展，在农牧业、医药卫生、（工业、环境、能源）和食品工业等方面，展示出广阔的前景。
基因工程的应用
医药卫生领域
食品工业方面
农牧业方面
基因工程的应用
(一）基因工程在农牧业方面的应用概述
一、基因工程在农牧业方面的应用
1.1996-2017年，全世界转基因作物种植面积增加了100多倍。
2.转基因作物的种植使化学农药的施用量减少了8.2%，作物产量增加了6.6×108t,增加经济效益1.3万亿。
3.美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家。棉花、玉米、大豆种植比例都超过90%。
4.2017年，我国转基因作物的种植面积居世界第八位。商业化种植的有棉花、番木瓜。
一、基因工程在农牧业方面的应用
5.在转基因动物方面，近些年几乎每年都有令人瞩目的研究成果报道，有些成果正在进入实用化和商业化开发的阶段。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。
转基因大西洋鲑的优点：
（1）缩短了生长周期
（2）都是雌性而且不育，避免了野生鲑鱼杂交的风险。
转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排）
(一）基因工程在农牧业方面的应用概述
1、转基因抗虫植物
棉铃虫
转基因抗虫水稻（绿色植株）与对照（被害虫侵害的黄色植株）
方法：从某些生物中分离出抗虫基因导入作物，使之具有抗虫性状。
优点：减少因化学农药的使用而造成的环境污染和对人类健康的损害、降低生产成本、提高产量。
Bt毒蛋白基因；蛋白酶抑制剂基因；淀粉酶抑制剂基因；植物凝集素基因等。
主要杀虫基因：
(二）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。
一、基因工程在农牧业方面的应用
成果：转基因抗虫棉花、玉米、水稻、大豆、马铃薯等。
病毒外壳蛋白基因（CP基因）
病毒的复制酶基因
抗病毒基因
几丁质酶基因
抗毒素合成基因
抗真菌基因
2、转基因抗病植物
方法：科学家将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出转基因抗病植物。
成果：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
抗病基因：
一、基因工程在农牧业方面的应用
(二）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。
3、转基因抗除草剂植物
背景：杂草常常危害农业生产，而大多数除草剂不仅能杀死田间杂草，还会损伤作物，导致作物减产
方法：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。
成果：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
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
一、基因工程在农牧业方面的应用
(二）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。
成果：我国科学家培育出了赖氨酸含量提高30%的转基因玉米。
赖氨酸缺少对健康很不利。科学家们将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因，导入植物，或改变这种氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。
4、利用转基因改良植物品质
目的:提高植物的营养价值、观赏价值等。
一、基因工程在农牧业方面的应用
(二）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。
成果：将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色，大大提高了它的观赏价值。
成果：科学家们将外源生长激素基因，导入动物体内，以提高动物生长速率。例如,我国科学家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%。
5、利用转基因提高动物的生长速率
转生长激素基因鲤鱼（下）
与非转基因鲤鱼（上）
一、基因工程在农牧业方面的应用
(二）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。
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，称之为乳糖不耐受。
6、用来改善畜产品的品质
优点：避免食物过敏、腹泻、恶心等不适。
一、基因工程在农牧业方面的应用
(二）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。
成果：科学家们将肠乳糖酶基因，导入奶牛基因组，获得的转基因奶牛分泌的乳汁中，乳糖含量大大降低，而其他营养成分不受影响。
1、基因工程改造微生物或动植物的细胞生产药物
常见药物类型：细胞因子、抗体、疫苗和激素等。
应用：可以用来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。
实例：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。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
资料卡·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，干扰素对于治疗乳腺癌、淋巴癌、多发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是从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取出1mg干扰素。1980—1982年，科学家用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从1Kg培养物中可以得到20～40mg干扰素。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、慢性丙型肝炎等。
思考：干扰素的化学本质是什么？
糖蛋白
干扰病毒复制
病毒感染性疾病、乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等
从人血液中的白细胞内提取
用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得
重组人干扰素α-1b
主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等
抗生素≠干扰素
抗生素：抗细菌药物
干扰素：抗病毒药物
干扰素的作用机理是怎样的？
干扰素用于哪些疾病的治疗？
传统生产干扰素的方法是什么？
目前大量生产干扰素的方法是什么？
我国批准生产的第一个基因工程药物的名称叫什么？
用于治疗哪些疾病？
思考：根据前面学过的基因工程的操作程序，说出通过基因工程方法用酵母菌生产乙肝疫苗的过程是怎样的？（提示：乙肝病毒抗原蛋白基因）
用PCR扩增乙肝病毒抗原蛋白基因；
将乙肝病毒抗原蛋白基因插入质粒，构建基因表达载体；
将该基因表达载体导入酵母菌(该过程也是将酵母菌制备成感受态细胞，但是并不是用Ca2+处理，而是用醋酸锂处理）；
检测并鉴定，筛选出成功转化的酵母菌，进行发酵培养，分离并提纯产物，获得乙肝病毒抗原蛋白。
目前已经在牛、山羊等动物的乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要医药产品。
实例：
乳腺生物反应器或乳房生物反应器
培育过程：
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
显微注射
受精卵
泌乳期分泌乳汁
转基因动物
药物
胚胎移植
应用：
2、让转基因哺乳动物批量生产药物
二、基因工程在医药卫生领域的应用
我的奶不是一般的奶！
早期胚胎培养
早期胚胎
思考讨论：乳腺生物反应器的优缺点
A.动物泌乳期有间隔
B.有些蛋白不能在乳腺里表达
C.某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同
优点
缺点
A.适合于表达高等动物体内的复杂蛋白
B.制备乳腺反应器的方法成熟
C.乳腺是天然的高效合成蛋白质的器官
D.乳汁中重组蛋白的提取和纯化相对容易
补充：膀胱生物反应器
①可以从动物一出生就收集产物，不论动物的性别和是否处于生殖期。
②从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。
思考：乳腺生物反应器指的是转基因动物的乳腺吗？
让药用蛋白基因只在乳腺细胞中特异性表达
几乎所有细胞
膀胱
不局限于性别与生长期（乳腺生物反应器必须是雌性，且泌乳期才会分泌）
将目的基因与膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子重组
产物容易提取
不是，乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物
为什么将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起？
药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？
生物反应器除了用乳腺，还可以用什么器官？
膀胱生物反应器哪些方面优于乳腺生物反应器？
研制膀胱生物反应器时，应如何处理目的基因？
用生物反应器生产药物的优点？
比较项目 乳腺（房）生物反应器 基因工程菌生产药物
基因结构
基因产物
受体细胞
导入方式
生产条件
产物提取
哺乳动物基因的结构与人类结构基本相同。
细菌或酵母菌等生物的基因结构与人类基因结构有较大差异。
与天然蛋白质完全相同。
细菌细胞内缺少内质网、高尔基体等细胞器，合成的蛋白质可能不具有生物活性。
哺乳动物的受精卵
微生物细胞。
显微注射法
Ca2+处理法（感受态细胞法）
不需要严格的灭菌，温度等外界条件对其影响不大。
需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件。
从动物乳汁中提取，相对简单。
（一般经过工业发酵后）从微生物细胞（或发酵液）中提取，相对复杂。
乳腺生物反应器与基因工程菌生产药物比较
由于人体移植器官短缺是世界性难题，人们不得不寻找可替代的移植器官。
猪的优点：猪的内脏构造、大小、血管分布与人相似；而且猪体内隐藏的致病基因远远少于灵长类动物。
最大的难题：存在免疫排斥反应。
改造方法：a.在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达；
b.设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。
3、用转基因动物作为器官移植的供体
二、基因工程在医药卫生领域的应用
思考：假如某位心脏病病人换上经过改造的猪心脏后，过上健康人的生活，在生活中，他会遭到歧视吗？对此你怎么看？
生命和健康是人最宝贵的东西，如果一个病人换上了经过改造的猪心脏重获了健康，我们不仅不能歧视他，还应该从他身上看到现代生物技术在维持人体健康、治疗疾病等方面的应用价值；
概念:用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。
基因工程构建基因工程菌
工业发酵批量生产
1、基因工程菌
三、基因工程在食品工业方面的应用
步骤：
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。如：一种普遍使用的甜味剂（阿斯巴甜），主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产。
（1）凝乳酶：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。
传统制备方法：杀死未断奶的小牛，将其第四胃的黏膜取出来提取。
基因工程技术：将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉、酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。
2、实例
三、基因工程在食品工业方面的应用
（2）淀粉酶、脂酶
加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食品用到的脂酶等也都可以通过构建基因工程菌，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纯度更高，生产成本显著降低，生产效率较高。
2、实例
三、基因工程在食品工业方面的应用
鸡蛋白基因在大肠杆菌和酵母菌中表达获得成功。这表明，未来能用发酵罐培养的大肠杆菌或酵母菌来生产人类所需要的卵清蛋白。
用基因工程的方法从微生物中获得人们所需要的糖类、脂肪和维生素等产品。
（4）其他：基因工程使人们更容易培育出具有优良性状的动植物品种，获得很多过去难以得到的生物制品。
基因工程为人类开辟新的食物来源。
2、实例
三、基因工程在食品工业方面的应用
（4）其他：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。
2、实例
三、基因工程在食品工业方面的应用
（4）其他：利用经过基因改造的微生物来生产能源。
2、实例
三、基因工程在食品工业方面的应用
3种淀粉酶基因
组成的复合基因
海底热泉古生菌
玉米
乙醇单位产量的利润提高了8%~15%
1.目前我国批准发放了哪些转基因作物的生产应用安全证书和进口安全证书？
到社会中去
截至2019年年底，我国批准发放过转基因耐储藏番茄、转基因抗虫棉、改变花色的转基因矮牵牛、转基因抗病辣椒、转基因抗病番木瓜、转基因抗虫水稻、转植酸酶基因玉米以及转基因耐除草剂大豆的生产应用安全证书；批准了转基因棉花、大豆、玉米、油菜、甜菜和番木瓜的进口安全证书，但我国进口的基本上是转基因棉花的纤维，其他进口转基因作物的用途仅限于用作加工原料；我国没有批准任何一种转基因粮食作物种子进口到我国境内商业化种植。
小结
一、基因工程在农牧业方面的应用
2、让转基因哺乳动物批量生产药物
(一）基因工程在农牧业方面的应用概述
(二）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。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
1、基因工程改造微生物或动植物的细胞生产药物
3、用转基因动物作为器官移植的供体
三、基因工程在食品工业方面的应用
1、基因工程菌
2、实例
1.我国转基因技术发展态势良好，农业部依法批准发放了转植酸酶基因玉米和转基因抗虫水稻的生产安全证书，下列关于转基因玉米和转基因水稻的叙述不正确的是（ ）
A.转植酸酶基因玉米的外源基因是植酸酶基因，其成功说明生物的性状是由基因控制的
B.转基因抗虫水稻减少了化学农药的使用，减少了环境污染
C.转基因抗虫水稻是否具有抗虫性，可通过饲养卷叶螟进行检测
D.转基因抗虫水稻不仅可以抗虫，还可以抵御病毒侵染
D
课堂练习
2.利用乳腺生物反应器生产药用蛋白是动物基因工程的重要应用，目前科学家已在牛和山羊等动物乳腺生物反应器中获得了抗疑血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等医药产品。下列有关乳腺生物反应器的叙述中，错误的是（ ）
A.受体细胞可选用受精卵或胚胎干细胞
B.获得转基因动物需利用胚胎移植技术
C.鉴别药用蛋白基因是否导入受体细胞一般利用DNA分子杂交法
D.转基因动物产生的生殖细胞可能含有药用蛋白基因
A
课堂练习
3.关于用转基因动物作器官移植供体研究的叙述，不正确的是( )
A.器官短缺和免疫排斥是目前制约人体器官移植的两大难题
B.猪的内脏构造、大小和血管分布与人极为相似
C.灵长类动物体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒少于猪
D.无论以哪种动物作为供体，都需在其基因组中导入某种调节因子以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因
C
课堂练习
4.某实验小组将人生长激素基因导入大肠杆菌，以制备工程菌，下列相关叙述不正确的是( )
A.人生长激素基因可以通过下丘脑细胞的mRNA为模板逆转录获得
B.将人的生长激素基因导入大肠杆菌，需要处理得到感受态细胞
C.利用工程菌制备的生长激素需要与天然产品的功能进行活性比较
D.与人细胞分泌的天然生长激素相比，工程菌无法对生长激素进行正常的加工和修饰
A
课堂练习

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