资源简介

(共41张PPT)
选择性必修3 生物技术与工程
3.3 基因工程的应用
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，基因工程还有那些应用呢？
抗虫棉、转基因大豆、重组人干扰素、促红细胞生成素等。
从社会中来
1.植物方面
一、基因工程在农牧业方面的应用
【资料1】基因工程在农牧业中的应用发展迅速。1996-2017年,全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍，从1.7×106hm 发展1.898×108hm2(如图)。据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6.6×108t，增加经济收益近1.3万亿元。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。
思考：转基因作物有哪些优点？
减少化学杀虫剂使用量（生物防治），减少环境污染
增加作物产量
增加经济收益
转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排）
2.动物方面
一、基因工程在农牧业方面的应用
【资料2】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。
基因工程在农牧业中的应用发展迅速。已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品产量等方面。
转基因抗虫植物
农牧业方面的应用
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
改良畜产品的品质
抗逆性
一、基因工程在农牧业方面的应用
污染环境，损害人类健康，增加生产成本。
使用化学农药的弊端
解决这些弊端的途径
1.1 转基因抗虫植物
抗虫
水稻
普通
水稻
一、基因工程在农牧业方面的应用
培育方法：从某些生物中分离出抗虫基因，导入作物，使其具有抗虫性
Bt毒蛋白基因
淀粉酶抑制剂基因
蛋白酶抑制剂基因
植物凝集素基因
阻断或降低蛋白酶的活性，使害虫不能正常消化食物，还会引起厌食反应。
导致细胞膜穿孔，细胞肿胀裂解。
产生的抑制剂可与害虫消化道内的淀粉酶结合。
可与害虫肠道黏膜上的某种物质结合，影响害虫对营养物质的吸收和利用。
抗虫目的基因种类
一、基因工程在农牧业方面的应用
抗病转基因植物
病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因
抗病毒基因
抗病毒转基因甜椒、番木瓜和烟草等。
举例
几丁质酶基因、抗毒素合成基因
抗真菌基因
1.2 转基因抗病植物
一、基因工程在农牧业方面的应用
培育方法：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。
转基因抗除草剂玉米
喷洒除草剂后，杂草全部除掉，转基因玉米生长正常。
未洒除草剂，杂草丛生。
优点：在喷洒除草剂时，田间杂草会被杀死而作物不会受到损伤。
1.3 转基因除草剂植物
一、基因工程在农牧业方面的应用
培育方法：将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，
可培育出抗除草剂的作物品种。
举例：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等
①使食品的营养成分均衡
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。
将富含氨基酸的蛋白质编码基因导入玉米，获得的转基因玉米中赖氨酸的含量提高30%。
转基因高赖氨酸玉米
1.4 利用转基因改良植物品质
一、基因工程在农牧业方面的应用
②丰富花品颜色，提高观赏价值。
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。
转基因矮牵牛
普通矮牵牛
1.4 利用转基因改良植物品质
一、基因工程在农牧业方面的应用
普通鲤鱼
转基因鲤鱼
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。
1.5 用于提高动物生长速度
一、基因工程在农牧业方面的应用
转基因鲤鱼的生长速率比非转基因鲤鱼提高了42%～115%
情境：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 的成年人对乳糖不耐受。
应用：如何利用基因工程，解决乳糖不耐受的问题？
乳糖耐受（有乳糖酶）
乳糖不耐受（无乳糖酶）
大肠
肠道内渗透压增高，刺激胃肠蠕动增加
一、基因工程在农牧业方面的应用
1.6 用于改善畜产品的品质
将乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得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。
为什么会腹胀腹泻？
【资料1】：胰岛素是治疗糖尿病的特效药。一般临床上使用的胰岛素主要从猪、牛等家畜的胰腺中提取，每100kg胰腺只能提取4－5g胰岛素。用该方法生产的胰岛素产量低，价格昂贵，远不能满足社会需要。
将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了30%-50%!
【资料2】：干扰素是动物或人体细胞受到病毒感染后产生的一种糖蛋白。干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！对癌症也有一定疗效。传统的干扰素生产方法是从人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍贵”程度自不用多说。
科学家利用基因工程，从1kg细菌培养液中可20-40mg干扰素。
让转基因哺乳动物批量生产药物
用转基因动物作为器官移植的供体
对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
医药卫生领域的应用
二、基因工程在医药卫生领域的应用
③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
②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；
1.对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
①药物举例：
细胞因子、抗体、疫苗和激素等。
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1mg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。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
1.干扰素的化学本质是什么？
2.干扰素的作用机理是怎样的？
3.干扰素用于哪些疾病的治疗？
4.传统生产干扰素的方法是什么？
5.目前大量生产干扰素的方法是什么？
6.结合上节课所学，尝试说出干扰素的生产过程。
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
阅读：资料卡——干扰素，回答下列问题
干扰素基因
质粒
重组质粒
大肠杆菌
大量可生产干扰素的大肠杆菌
培养
导入
构建
抗生素≠干扰素
①抗生素：抗细菌药物
②干扰素：抗病毒药物
乳腺生物反应器的生产过程
获取目的基因
构建基因表达载体
导入哺乳动物受精卵
形成胚胎
将胚胎送入母体动物
发育成转基因动物
（如血清蛋白基因、人生长激素基因等）
（将目的基因与乳腺中特异表达的基因的启动子如乳腺蛋白基因启动子等调控元件重组）
（显微注射法）
（利用分泌的乳汁生产所需的药物）
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
注意：启动子具有物种和组织的特异性
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
膀胱生物反应器（补充）
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。（性别、年龄）
从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。
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
乳腺生物反应器
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
寻求可替代的移植器官，如用猪的器官来解决
人类器官移植的来源问题
①人体器官移植的难题：
A. 人体移植器官短缺是世界性难题
解决途径：
猪的器官大小、内脏构造、血管分布与人相似
猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远远少于灵长类动物
猪的优点：
B.最大难题：
免疫排斥
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
人体移植器官短缺
寻求可代替的移植器官
猪的内脏与人相似
培育无免疫排斥的转基因克隆猪器官
抑制抗原决定基因表达
或除去抗原决定基因
在器官供体基因组中导入某种调节因子
②改造方法：
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
社会责任
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；
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
1.乳腺生物反应器指的是转基因动物的乳腺吗？
2.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？
3.药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？
4.膀胱生物反应器哪些方面优于乳腺生物反应器？
5.研制膀胱生物反应器时，应如何处理目的基因？
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
不是，乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物
思考·讨论:
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
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
1.与大肠杆菌相比， 用酵母菌生产人的胰岛素有什么优势？
酵母菌为真核生物， 有生物膜系统， 可通过内质网和高尔基体对产生的胰岛素进行加工和修饰， 从而产生有活性的胰岛素。
2.培育乳腺生物反应器时为什么要选用乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件与药用蛋白基因重组在一起？
目的是让药用蛋白基因只在乳腺细胞中表达。
3.与工厂化生产药用蛋白相比， 用动物乳腺生物反应器生产药用蛋白的优势有哪些？
(1)动物乳腺有完整的蛋白质翻译后修饰系统， 生产的蛋白质活性高， 更稳定。
(2)产物直接经乳汁分泌， 易提取。
思考·讨论:
1.概念:
基因工程构建基因工程菌
工业发酵批量生产
2.步骤：
3.应用：
阿斯巴甜
苯丙氨酸残基
天冬氨酸残基
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。
用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。
三、基因工程在食品工业方面的应用
基因工程菌
基因工程获得的工业用酶的纯度更高， 生产成本显著降低， 生产效率较高。
3.淀粉酶、脂酶：
应用：
制备方法：
加工转化糖浆需要淀粉酶， 加工烘烤食物要用到脂酶
构建基因工程菌， 然后用发酵技术大量生产
优点：
2.凝乳酶：
应用：
奶酪生产中用来凝聚固化奶中的蛋白质
将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中， 再通过工业发酵批量生产凝乳酶
制备方法：
一种普遍使用的甜味剂， 主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成， 这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产。
1.阿斯巴甜：
三、基因工程在食品工业方面的应用
应用实例
杀死未断奶的小牛，将其第四胃的黏膜取出来提取。
传统方法：
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。
乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别
（在生产人的药物蛋白方面）
利用经过基因改造的微生物生产清洁能源
培育可以降解多种污染物的“超级细菌”治理环境污染
四、其他应用：环保领域的应用
生物乙醇
生物柴油
植物
淀粉/纤维素
提取
可发酵糖
糖化
微生物
乙醇
发酵
微生物
淀粉酶
基因工程改造思路：
①改造植物
②改造微生物
1.生产清洁能源
生物乙醇的生产流程：
四、其他应用：环保领域的应用
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%
不与人争粮
植物
淀粉/纤维素
提取
可发酵糖
糖化
微生物
乙醇
发酵
微生物
技术难点
1.生产清洁能源
四、其他应用：环保领域的应用
　有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。
基因工程将能分解三种烃类的假单孢杆菌的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的“超级细菌”。
四、其他应用：环保领域的应用
2.治理环境污染——超级细菌
白色垃圾
污染物
X
√
治理思路：
生物降解塑料
2.治理环境污染
四、其他应用：环保领域的应用
水稻镉污染
金属硫蛋白能结合Cd2+和Hg2+
工程菌
金属硫蛋白基因
2.治理环境污染
四、其他应用：环保领域的应用
　　基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。
1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来
四、其他应用：环保领域的应用
3.环境监测
【引用】利用基因工程生产人胰岛素有两种方法:
方法一:将胰岛素基因转入细菌细胞,进行微生物培养,提取胰岛素;
方法二:将胰岛素基因转入高等哺乳动物的受精卵,培养成转基因动物并从其乳汁中提取胰岛素。
(1)方法一中,为使胰岛素基因能顺利进入细菌细胞,应用　　　　处理细菌细胞,目的是使细胞处于一种　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
能吸收周围环境中DNA分子的生理状态
Ca2+
(2)方法二中,将目的基因导入受体细胞常用的方法是　　　　　　。要确保人胰岛素基因只在牛的乳腺细胞中表达,应该采取的措施是在人胰岛素基因的首端加上　　　　 　等调控组件。
(3)大肠杆菌和酵母菌均可作为生产胰岛素的工程菌,该类工程菌的优点是
　　　　　　　　(至少答出两点)。
(4)上述两种方法中,哪种方法得到的胰岛素需要进一步加工和修饰以使其获得生物活性 试解释其原因。

乳腺蛋白基因的启动子
单细胞、繁殖快
方法一。方法一中的受体细胞是细菌,其细胞内无内质网和高尔基体,无法对胰岛素进行加工和修饰。
显微注射法
到社会中去
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？
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。
一.概念检测
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 ( )
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瞟吟和尿囉曉的含量相等
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.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
C
练习与应用（P92）
A
二、拓展应用
1. 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。
(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
练习与应用（P92）
二、拓展应用
1. 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。
(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加？请你给出进一步探究的思路。
对照组为非转基因矮牵牛理论上增加转入的外源EPSP合酶基因的数量，矮牵牛体内EPSP合酶的表达水平会升高，它对草甘膦的抗性会增强
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
练习与应用（P92）

展开更多......

收起↑