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第三章 第3节
基因工程的应用
传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中获取。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。
过渡
除了生产胰岛素，基因工程还有哪些应用呢
从社会中来
基因工程在农牧业方面的应用
一
长期以来的实践证实，基因工程可以不断更新当下各种农作物的品种，提高农作物的品质，大幅度增产。比如德国生命学家就通过现代生物技术培育了土豆和西红柿的杂种作物。还有很多成功的关于基因工程的例子都充分说明了科学技术被人类应用在改造农作物上所发挥的作用,大幅度改善了农作物的品质和增加了产量。
情境一
项目 举例 为什么要做 怎样做 成效如何
转基因植物 抗虫
抗病
抗除草剂
改良品质
转基因动物 提高生长速率
改良畜产品品质
阅读p87-89,按表中的几个方面梳理、讨论并填写表格
【任务1】
转基因抗虫棉
转基因抗虫水稻(绿色植株)对照(被害虫侵害的黄色植株)
(1)方法：
从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中培育出具有抗虫性的作物
(2)成果：
转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等
1.转基因抗虫植物
非转基因棉
从环境保护角度出发，分析转基因抗虫棉与普通棉相比在害虫防治方面的优越性。
①减少了化学农药的使用量；②降低了环境污染；③降低了生产成本。
1.转基因抗虫植物
思考
转基因抗虫棉
非转基因棉
化学农药
转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等
转基因抗病毒甜椒
2.转基因抗病植物
转基因抗病毒番木瓜
转基因抗病毒烟草
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：
(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。
(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
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
3.转基因抗除草剂植物
优良基因 成果
4.改良植物的品质
某种必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因
与植物花青素代谢相关的基因
转基因矮牵牛
富含赖氨酸的转基因玉米
目的：提高植物的营养价值、观赏价值等。
(1)基因：
外源生长激素基因
(2)成果：
转基因鲤鱼
5.提高动物的生长速率
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。
(2)培育方法：
转基因小鼠
(2)成果：
6.改善畜产品的品质
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
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
载体
早期胚胎
培养
(3)流程：
(1)实例：
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。
1.下列说法正确的是( )
A.基因工程培育的抗虫植物也能抗病毒
B.动物基因工程的应用是培育体型巨大、品质优良的珍稀动物
C.基因工程可用来培育高产、稳产、品质优良和抗逆性强的作物
D.科学家将必需氨基酸含量多的蛋白质导入植物体中，以提高氨基酸的含量
课堂检测
C
2.科学家利用基因工程培育出了耐盐的转基因棉花新品系，下列相关叙述错误的是( )
A.可通过农杆菌转化法将重组质粒导入受体细胞
B.含耐盐基因的棉花细胞可经植物组织培养获得完整植株
C.可用较高浓度的盐水浇灌来鉴定棉花植株的耐盐性
D.如果目的基因的核苷酸序列是全部未知的，可用PCR技术得到大量目 的基因
课堂检测
D
基因工程在医药卫生领域的应用
二
人干扰素是机体免疫细胞产生的一类细胞因子。用白细胞生产干扰素时，每个细胞最多只能产生100～1000个干扰素分子，而用基因工程技术改造的大肠杆菌发酵生产，在1~2天内每个菌体能产生20万个干扰素分子。
情境二
(1)逆转录获取干扰素基因后，常用PCR特异性地快速扩增干扰素基因，PCR技术的原理是 _______________。实验人员在PCR反应溶液中加入模板、耐高温的DNA聚合酶、Mg 以及___________________ (答出2点)，其中加入Mg 是为了 _______________ 。
激活DNA聚合酶
DNA半保留复制
4种脱氧核苷酸、引物
分析基因工程生产干扰素
【任务2】
人干扰素是机体免疫细胞产生的一类细胞因子。用白细胞生产干扰素时，每个细胞最多只能产生100～1000个干扰素分子，而用基因工程技术改造的大肠杆菌发酵生产，在1~2天内每个菌体能产生20万个干扰素分子。
情境二
(2)在构建重组质粒的过程中,需用到的工具酶是___________________。要将成功转入干扰素基因的工程菌筛选出来，需要在培养基中添加___________。
(3)干扰素是一种具有 ，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病、乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等。
限制酶、DNA连接酶
四环素
干扰病毒复制作用的糖蛋白
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基因工程药物均已投放市场。
细胞因子、抗体、疫苗和激素等
(1)常见药物类型：
(2)应用：
预防治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等
(3)实例：
1.对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
抗凝血酶Ⅲ是一种药用蛋白，对预防和治疗静脉血栓、心肌梗死、脑血管病变具有重要作用。为了提高抗凝血酶Ⅲ的产量，科研人员设计利用崂山奶山羊乳腺生物反应器制备抗凝血酶Ⅲ，并获得了成功。制作崂山奶山羊乳腺生物反应器的流程如图1所示。
情境三
(1)步骤③中需要选择的启动子是__________________________使目的基因能在山羊乳腺细胞中特异性表达。
乳腺细胞蛋白基因的启动子
绘制用基因工程技术获得乳腺生物反应器的流程图
阅读教材中与乳腺生物反应器有关内容，讨论回答下列问题。
【任务3】
获得乳腺生物反应器的步骤与培育普通转基因动物的步骤有什么区别？
药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？
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？
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
转基因动物
药物蛋白
显微注射
发育
获得乳腺生物反应器的步骤与培育普通转基因动物的步骤有什么区别？
培育乳腺生物反应器时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。
药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？
几乎所有细胞；目的是让药用蛋白基因只在乳腺细胞中表达。
2.让转基因哺乳动物批量生产药物
泌乳期
分泌乳汁
(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。
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？
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
转基因动物
药物蛋白
显微注射
发育
2.让转基因哺乳动物批量生产药物
泌乳期
分泌乳汁
阅读教材中的相关内容,回答下列问题：
1.为什么猪的器官可作为替代的移植器官？
2.怎样用基因工程技术解决移植时可能产生的免疫排斥问题？
情境四
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。
【任务4】
为什么猪的器官可作为替代的移植器官？
3.用转基因动物作为器官移植的供体
猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似
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
心脏
肺
肝脏
脏肾
胃
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
3.用转基因动物作为器官移植的供体
怎样用基因工程技术解决移植时可能产生的免疫排斥问题？
1.利用转基因山羊乳腺生物反应器生产丁酰胆碱酯酶，可治疗有机磷中毒。下列有关叙述错误的是( )
A.应该用山羊乳腺中特异表达的基因的启动子构建基因表达载体
B.通过体细胞克隆可将丁酰胆碱酯酶基因传递给子代
C.通过显微注射技术将基因表达载体导入山羊乳腺细胞
D.山羊乳腺细胞可将肽链加工成具有一定空间结构的丁酰胆碱酯酶
课堂检测
C
2.下列关于利用乳腺生物反应器生产药用蛋白的叙述，错误的是( )
A.需要将编码药用蛋白的基因与能在乳腺中特异性表达的基因的启动子
等调控元件重组在一起
B.常使用显微注射法将基因表达载体导入乳腺细胞
C.需要借助于早期胚胎培养和胚胎移植技术培育出转基因动物
D.药物的生产受转基因动物性别和年龄的限制
课堂检测
B
3.下列关于用转基因动物作器官移植供体的研究的叙述，不正确的是（ ）
A.人体移植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的极为相似
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，都需要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
课堂检测
C
基因工程在食品工业方面的应用
三
人干扰素是机体免疫细胞产生的一类细胞因子。用白细胞生产干扰素时，每个细胞最多只能产生100～1000个干扰素分子，而用基因工程技术改造的大肠杆菌发酵生产，在1~2天内每个菌体能产生20万个干扰素分子。
情境四
(1)在利用基因工程技术制备干扰素的过程中，受体菌除了大肠杆菌外，还可以用酵母菌作为受体菌，这两种受体菌生产干扰素时的区别是什么？
酵母菌有内质网和高尔基体，能对干扰素进行加工，而大肠杆菌没有内质网和高尔基体，对干扰素的加工受限
阅读教材中的相关内容,回答基因工程在食品工业方面的应用：
【任务5】
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
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.基因工程菌
(1)概念:
(2)步骤:
(3)应用:
2.基因工程菌的利用
(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。
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。
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.基因工程菌的利用
(2)淀粉酶、脂酶:
利用经过基因改造的微生物来生产能源
利用“超级细菌”来处理环境污染
3.基因工程在环保领域的应用
1.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.制造能降解石油的“超级细菌”
B.利用乳腺生物反应器生产药物
C.从大肠杆菌细胞内获得干扰素
D.培育青霉菌并从中提取青霉素
课堂检测
D
转基因抗虫植物
基因工程的应用
农牧业方面
医药卫生领域
转基因抗病植物
转基因抗除草剂植物
改善畜产品的品质
提高动物的生长速率
改良植物的品质
利用哺乳动物批量生产药物：乳腺生物反应器
建立移植器官工厂
食品工业方面
利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸、维生素
利用微生物或动植物细胞生产药物
本节小结

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