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第三章 第三节
基因工程的应用
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？
抗虫棉、转基因大豆等。
目录
CONTENTS
基因工程在医药卫生领域的应用
2/
基因工程在农牧业方面的应用
1/
基因工程在食品工业方面的应用
3/
基因工程在其他方面的应用
4/
【情景一】1996—2017年，全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍
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
【情景二】转基因动物方面的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鲑鱼缩短了其成长周期，因此它受到的污染和体内聚集的有毒物质残留比普通鲑鱼少得多
转基因作物优点
减少化学杀虫剂的施用量，减少环境污染
增加作物产量
增加经济效益
（一）转基因抗虫植物：
成果
转基因抗虫棉
非转基因棉(对照)
转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等
对照（被害虫侵害的黄绿色植株）
转基因抗虫水稻（绿色植株）
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
几丁质酶基因、抗毒素合成基因
抗真菌基因
（二）转基因抗病植物：
植物病害是多种多样的，从根茎叶到花和果实都有病害发生。许多栽培作物自身缺少抗病基因。
（二）转基因抗病植物：
成果
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
转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等
（三）转基因抗除草剂植物：
成果
种植转基因抗除草剂大豆的农田
用除草剂后的转基因抗除草剂玉米田
转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等
（四）改良植物的品质：
随着生活水平的提高，人们越来越关注植物的营养价值、观赏价值等。
转基因矮牵牛
普通矮牵牛
如：将与植物花青素代谢相关的基因导入植物中，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高观赏价值。
（四）改良植物的品质：
优良基因 成果
　　　　　　　　的蛋白质编码基因 富含赖氨酸的转基因玉米
转入维生素A合成酶基因 ____________
必需氨基酸含量多
转基因玉米
黄金大米
转基因蓝玫瑰
富含维生素A的大米
（五）提高动物的生长速率：
转基因鲤鱼
转基因“超级小鼠”
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%。
将外源生长激素基因导入动物体内， 以提高动物的生长速率。
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。
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。
低乳糖奶牛
（六）改善畜产品的品质：
1.对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
Ⅰ. 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。
注意：抗生素（抗细菌药物）≠干扰素（抗病毒药物）
思考：干扰素生产的操作流程？
不能直接利用转基因大肠杆菌生产干扰素/胰岛素。
因为大肠杆菌属于细菌，细菌中只有核糖体这一种细胞器，没有内质网和高尔基体等其他细胞器，不能加工形成有活性的干扰素/胰岛素。
干扰素基因
质粒
重组质粒
大肠杆菌或酵母菌
可大量生产干扰素的大肠杆菌或酵母菌
构建
导入
培养
思考：能直接利用转基因大肠杆菌生产干扰素/胰岛素吗？为什么？
思考：与大肠杆菌相比，用酵母菌生产人的干扰素有什么优势？
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干扰素进行加工和修饰，从而产生有活性的干扰素。
大肠杆菌
酵母菌
B
1.(2023·江苏镇江高二诊断)在应用农杆菌侵染植物叶片获得耐旱基因植株的实验步骤中，不需要的是
A.将转基因细胞进行脱分化和再分化
B.用PEG诱导转基因细胞的原生质体融合
C.将转基因幼苗栽培在干旱环境中以检验植株的耐旱性
D.将耐旱基因插入农杆菌T－DNA并通过农杆菌侵染植物叶片细胞
转基因细胞是将目的基因导入受体细胞，不需要用PEG诱导转基因细胞的原生质体融合。
2.下列有关目的基因的操作能够改善产品品质的是
A.将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内
B.将肠乳糖酶的基因导入奶牛的基因组
C.将降解或抵抗某种除草剂的基因导入玉米
D.将Bt抗虫蛋白基因整合到烟草或棉花的基因组并实现表达
B
将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内是提高鲤鱼的生长速率，A不符合题意；
导入肠乳糖酶基因的奶牛的牛奶中乳糖含量降低，改善了牛奶的品质，B符合题意；
将降解或抵抗某种除草剂的基因导入玉米是转基因抗除草剂植物的应用，C不符合题意；
Bt抗虫蛋白基因是抗虫基因，能够提高植物的抗虫能力，D不符合题意。
2.让转基因哺乳动物批量生产药物
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
（药用蛋白基因）
（将目的基因与乳腺中特异表达的基因
的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）
（早期胚胎培养）
（胚胎移植）
思考：药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？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？
药用蛋白基因几乎存在于转基因动物的所有细胞中。目的是让药用蛋白基因只在乳腺细胞中表达。
③四大优点
乳腺生物反应器或乳房生物反应器
Ⅰ. 产量高，易收获目标产品，随着乳汁分泌排出体外。
Ⅱ. 目标产品质量好，乳腺组织不仅具有合成蛋白质的能力，而且具有全面的蛋白质修饰和加工能力。
Ⅲ. 生产成本低。
Ⅳ. 提取产品操作比较简单。
④缺点：
Ⅰ. 必须选择雌性个体
Ⅱ. 动物泌乳期有间隔
Ⅲ. 有些蛋白不能在乳腺里表达
Ⅳ. 某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同
乳腺生物反应器
人生长激素基因
提供受精卵
显微注射
代孕
转基因羊
生长激素
羊奶
载体含有乳腺细胞中特异表达基因的启动子
构建膀胱生物反应器是将药用蛋白基因与膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子重组，从而指导目的基因表达产物分泌在尿液中，其原理是根据膀胱尿乳头顶端表面可表达一组称之为尿血小板溶素的膜蛋白。
膀胱生物反应器
优点：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。
3. 用转基因动物作为器官移植的供体（建立移植器官工厂）
（1）选用猪作为器官移植供体的原因
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。
3. 用转基因动物作为器官移植的供体（建立移植器官工厂）
（2）最大难题是免疫排斥。
（3）器官改造方法：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，或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（建立移植器官工厂）
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。
异种器官移植之路道阻且长
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中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。
传统制作
杀死未断奶的小牛，然后将它的第四胃的黏膜取出来提取凝乳酶来固化奶中的蛋白质。
基因工程制作
奶酪的制作: 奶酪生产中用来凝聚固化奶中的蛋白质
1. 基因工程菌：用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。
（1）氨基酸：阿斯巴甜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。
2. 应用：利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。
3. 实例
（2）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。
①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。
②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。
（3）淀粉酶、脂肪酶：加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食品用到的脂肪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。
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。
1. 培育出可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染。
嗜油菌：降解石油
2. 利用经过基因改造的微生物来生产能源。
生物乙醇
生物柴油
3.(2023·黑龙江哈尔滨高二期中)科学家运用基因工程技术，将人凝血因子基因导入山羊的受精卵中，培育出山羊乳腺生物反应器，使山羊乳汁中含有人凝血因子。下列有关叙述错误的是
A.可用显微注射技术将含有人凝血因子基因的重组DNA分子导入山羊的受精卵
B.在该转基因羊中，人凝血因子既存在于乳腺细胞，也存在于口腔上皮细胞中
C.人凝血因子基因开始转录后，RNA 聚合酶以 DNA分子的一条链为模板合成
mRNA
D.科学家将人凝血因子基因与乳腺蛋白基因重组在一起，从而使人凝血因子基
因只在乳腺细胞中特异表达
D

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