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(共33张PPT)
第3节 基因工程的应用
基因工程的应用
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。
医药卫生领域
食品工业方面
农牧业方面
基因工程的应用
【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、 基因工程在农牧业方面的应用
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
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。
抗干旱、抗盐碱、抗低温等农作物
1.转基因抗虫植物：
①方法：
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。
②主要杀虫基因：
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。
T-DNA
Bt基因
基因表达载体
转入
农杆菌
表现出新性状的植物
植物细胞
将目的基因插入染色体DNA中
感染
植物组织培养
①方法：
④优点：
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。
②主要杀虫基因：
③成果：
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。
转基因抗虫棉花、玉米、水稻、大豆、马铃薯等。
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。
1.转基因抗虫植物：
2.转基因抗病植物
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
①方法：
③成果：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
②抗病基因：
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。
3.转基因抗除草剂植物
①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。
②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。
③成果：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
——目的：提高植物的营养价值、观赏价值等。
优良基因 成果
某种必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因 富含赖氨酸的转基因玉米
转入维生素A合成酶基因
富含赖氨酸的转基因玉米
4.改良植物的品质
①提高营养价值
富含维生素A的大米
黄金大米
②提高观赏价值
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。
转基因蓝玫瑰
思考：
我国西北地区的主要气候特点是年降雨量小，从而影响粮食的产量，如果从基因工程的角度考虑，如何避免粮食减产？
可以用基因工程技术培育抗旱作物（筛选获取抗旱基因）
科学家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。
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%。
转生长激素基因鲤鱼（下）
与非转基因鲤鱼（上）
转入外源生长激素基因的“超级小鼠”
5.提高动物的生长速率
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1/3的成年人乳糖不耐受。
科学家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。
①基因：
肠乳糖酶基因
②成果：
6.改善畜产品的品质
想一想：为什么将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组能降低牛奶中的乳糖含量？
肠乳糖酶基因在奶牛乳腺细胞中表达出乳糖酶，可以分解乳汁中的乳糖。
肠乳糖酶基因
牛受精卵
代孕母体
转基因奶牛
显微注射
胚胎移植
分娩
人
早期胚胎
培养
乳腺中特异表达的基因启动子等调控元件
载体
1.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
√
提高鲤鱼的生长速率
改善牛奶的品质
C、D获得抗逆性的转基因植物
1. 对微生物或动植物细胞进行基因改造，使他们能够生产药物
（1）常见药物类型：细胞因子、抗体、疫苗和激素等。
（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。
（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。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
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1：干扰素生产的操作流程？
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
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。
思考2：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3：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。
2. 让转基因哺乳动物批量生产药物
①实例：
乳腺生物反应器或乳房生物反应器
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
受精卵
泌乳期
分泌乳汁
转基因动物
药物蛋白
显微注射法
发育
②培育过程：
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
③应用：
要求：乳腺生物反应器必须是雌性，且泌乳期
胚胎移植前应做DNA分析，鉴定性别，保留雌性
思考1：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。
思考2：从生产的角度考虑，生物反应器选择的组织或器官要方便产物的获得，例如，乳腺、膀胱、血液等，由此发展了动物乳腺生物反应器、动物血液生物反应器和动物膀胱生物反应器等。研制膀胱生物反应器时，应如何处理目的基因？
将目的基因与膀胱上皮细胞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
膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子等调控元件
基因表达载体
受精卵
转基因动物
药物
早期胚胎培养
早期胚胎
显微注射
胚胎移植
培育过程
膀胱生物反应器
尿液
思考3：膀胱生物反应器哪些方面优于乳腺生物反应器？
药用蛋白基因
膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子等调控元件
基因表达载体
受精卵
转基因动物
药物
早期胚胎培养
早期胚胎
显微注射
胚胎移植
培育过程
(1)正常尿液中蛋白质含量很少，所以从尿液中更容易提取分离产物。
(2)不受性别限制，受体来源更广泛。
(3)不受年龄限制。
①人体器官移植的难题：
人体移植器官短缺是一个世界性难题。
②解决途径：
寻求可替代的移植器官，如利用基因工程对猪的器官进行改造，来解决人类器官移植的来源问题。
a.猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似；
b.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。
最大难题：
免疫排斥
3.用转基因动物作为器官移植的供体，建立移植器官工厂
③改造方法：
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
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
三、基因工程在食品工业方面的应用
1. 基因工程菌
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
用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。
①概念：
②应用：
2. 实际应用:
产物 应用 制备方法
阿斯巴甜
凝乳酶
淀粉酶、脂酶
主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸就可以通过基因工程实现大规模生产
科学家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
通过构建基因工程菌、然后用发酵技术大量生产
普遍使用的甜味剂
用于奶酪生产，凝聚固化奶中的蛋白质。
转化糖浆（淀粉酶）、烘烤食物（脂酶）
基因工程获得的工业用酶优点：
①纯度更高
②生产成本显著降低
③生产效率提高
3.其他应用：环保领域的应用
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
（1）生产清洁能源
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
生物乙醇的生产流程
基因工程改造思路：
A.改造植物
B.改造微生物
3.其他应用：环保领域的应用
(2)治理环境污染
白色垃圾
污染物
X
√
治理思路：
生物降解塑料
农牧业方面
医药卫生领域
食品工业方面
乳腺生物反应器
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嘌呤和尿嘧啶的含量相等
C
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
A

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