资源简介

长句表达（五）生物技术与工程的概念、原理分析与应用
典题引领 高效解题
（2024·河北卷）新城疫病毒可引起家禽急性败血性传染病，我国科学家将该病毒相关基因改造为r2HN，使其在水稻胚乳特异表达，制备获得r2HN疫苗，并对其免疫效果进行了检测。回答下列问题： (1)实验所用载体的部分结构及其限制酶识别位点如图1所示。其中GtP为启动子，若使r2HN仅在水稻胚乳表达，GtP应为①在水稻胚乳细胞中特异性表达的基因的启动子。Nos为终止子，其作用为②终止转录。r2HN基因内部不含载体的限制酶识别位点。因此，可选择限制酶③HindⅢ和④EcoR Ⅰ对r2HN基因与载体进行酶切，用于表达载体的构建。 　 　KpnⅠ、HindⅢ、SacⅠ和EcoRⅠ标注的位点为各限制酶的识别位点。 (2)利用⑤农杆菌转化方法将r2HN基因导入水稻愈伤组织。为检测r2HN表达情况，可通过PCR技术检测⑥r2HN基因转录产生的mRNA，通过⑦抗原—抗体杂交技术检测是否翻译出r2HN蛋白。 (3)获得转基因植株后，通常选择单一位点插入目的基因的植株进行研究。此类植株自交一代后，r2HN纯合体植株的占比为⑧1/4。选择纯合体进行后续研究的原因是⑨纯合体自交后代不发生性状分离。 (4)制备r2HN疫苗后，为研究其免疫效果，对实验组鸡进行接种，对照组注射疫苗溶剂。检测两组鸡体内抗新城疫病毒抗体水平和特异应答的CD8＋T细胞（细胞毒性T细胞）水平，结果如图2所示。据此分析，获得的r2HN疫苗能够成功激活鸡的⑩体液免疫和 细胞免疫。 (5)利用水稻作为生物反应器生产r2HN疫苗的优点是 不受性别的限制、可大量种植、成本低、安全性高。（答出两点即可） 解析：(1)利用水稻细胞培育能表达r2HN基因的水稻胚乳细胞生物反应器，需要使用在水稻胚乳细胞中特异性表达的基因的启动子。Nos为终止子，终止子所起作用为终止转录。r2HN基因内部不含载体的限制酶识别位点，Kpn Ⅰ会破坏启动子序列，因而不能选用；Sac Ⅰ位于终止子序列之外，因而不能选用。故为了将目的基因插入载体的启动子和终止子之间，需要选用Hind Ⅲ和EcoR Ⅰ对r2HN基因与载体进行酶切。(2)获得水稻愈伤组织后，通过农杆菌转化的方法使目的基因进入水稻细胞。为检测r2HN表达情况，可通过PCR技术检测转录所产生的相应的mRNA，可从转基因水稻中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原—抗体杂交检测是否翻译出r2HN蛋白。(3)单一位点插入目的基因的植株相当于杂合子，其自交后代含有r2HN基因的纯合子占1/4。由于纯合体自交后代不发生性状分离，所以选择纯合体进行后续研究。(4)据图可知，实验组的抗体水平和CD8＋T细胞水平都比对照组高，说明通过体液免疫产生了抗体，通过细胞免疫产生了特异应答的细胞毒性T细胞，即r2HN疫苗能够成功激活鸡的体液免疫和细胞免疫。(5)通过水稻作为生物反应器生产r2HN疫苗具有不受性别的限制、可大量种植、成本低、安全性高等优点。 ①链接教材P90和题目相应信息“使r2HN仅在水稻胚乳表达”，则应该选用在水稻胚乳细胞中特异性表达的基因的启动子。 ②链接教材P80终止子的作用。 ③④链接题图，r2HN基因要插入GtP和Nos之间，因此在GtP和Nos之间选择切割位点。 ⑤⑥⑦链接教材P80～82基因工程的基本操作程序第三步和第四步相关知识。 ⑧链接题目信息“单一位点插入目的基因”，即只有一条染色体上插入该基因，该个体自交子代r2HN纯合子比例为1/4。 ⑨链接题目信息“选择纯合体进行后续研究”，可根据纯合体自交后代不出现性状分离解答。 ⑩ 链接题图信息，根据实验组抗体和CD8＋T细胞的相对值高于对照组，可得r2HN疫苗能够成功激活鸡的体液免疫和细胞免疫。 链接题目信息“水稻作为生物反应器”，可从植物反应器与动物反应器比较答出其优点。 生物技术与工程的相关长句考查，常围绕微生物的培养技术及应用、细胞工程和胚胎工程、基因工程等进行考查。要求全面熟悉生物学原理及实验过程，如微生物的选择培养与计数、动植物细胞培养的过程与应用、基因工程的操作程序与应用。 生物技术与工程模块的相关长句考查仍然跟其他模块一样。解答试题时需要认真审题，找准答题的依据，或链接教材或链接试题信息，或分析原因，或回答依据，或回答优缺点等，需要考生紧抓教材和试题，借助多种信息载体全面分析，高起点低落点，进行规范、科学、准确作答。
1．（2024·安徽卷）丁二醇广泛应用于化妆品和食品等领域。兴趣小组在已改造的大肠杆菌中引入合成丁二醇的关键基因X，以提高丁二醇的产量。回答下列问题：
(1)扩增X基因时，PCR反应中需要使用Taq DNA聚合酶，原因是在PCR反应中，需要利用高温使DNA双链解旋，普通的DNA聚合酶在高温下会变性失活，而Taq DNA聚合酶能够耐高温，在高温条件下依然具有活性。
(2)使用BamH Ⅰ和Sal Ⅰ限制酶处理质粒和X基因，连接后转化大肠杆菌，并涂布在无抗生素平板上（如图）。在此基础上，进一步筛选含目的基因菌株的实验思路是在平板中添加氯霉素，再将在含氯霉素的培养基中生长的菌落利用影印法影印到添加四环素的培养基中，在含有四环素的培养基中不能正常生长的菌落由导入目的基因的菌株形成。
(3)研究表明，碳源和氮源的种类、浓度及其比例会影响微生物生长和发酵产物积累。如果培养基中碳源相对过多，容易使其氧化不彻底，形成较多的乳酸或有机酸，引起发酵液pH下降。兴趣小组通过单因子实验确定了木薯淀粉和酵母粉的最适浓度分别为100 g·L-1和15 g·L-1。在此基础上，设置不同浓度的木薯淀粉(90 g·L-1、100 g·L-1、110 g·L-1)和酵母粉(12 g·L-1、15 g·L-1、18 g·L-1)筛选碳源和氮源浓度的最佳组合，以获得较高发酵产量，理论上应设置9（填数字）组实验（重复组不计算在内）。
(4)大肠杆菌在发酵罐内进行高密度发酵时，温度会升高，其原因是大肠杆菌进行细胞呼吸时会释放大量热量。
(5)发酵工业中通过菌种选育、扩大培养和发酵后，再经提取、分离、纯化，最终获得发酵产品。
解析：(1)在PCR反应中，变性的温度需要90 ℃以上，需要利用高温使DNA双链解旋，普通的DNA聚合酶在高温下会变性失活，而Taq DNA聚合酶能够耐高温，在高温条件下依然具有活性，因此扩增X基因时，PCR反应中需要使用Taq DNA聚合酶。(2)据图可知，使用BamH Ⅰ和Sal Ⅰ限制酶处理质粒和X基因，四环素抗性基因被破坏，氯霉素抗性基因保留，因此能在氯霉素培养基上生存，不能在四环素培养基上生存的大肠杆菌即是含目的基因的菌株，因此实验思路为在平板中添加氯霉素，再将在含氯霉素的培养基中生长的菌落利用影印法影印到添加四环素的培养基中，在含有四环素的培养基中不能正常生长的菌落由导入目的基因的菌株形成。(3)碳源是微生物生长所需的主要能量来源，而氮源则是构成细胞含氮代谢产物和合成蛋白质、核酸等生物大分子的基本原料。当培养基中碳源相对过多时，会导致碳源氧化不完全，形成较多的乳酸或有机酸。这些乳酸或有机酸会在溶液中解离，使发酵液的pH下降。因为要筛选碳源和氮源浓度的最佳组合，木薯淀粉浓度有3种，酵母粉浓度也有3种，因此理论上应设置3×3＝9（组）实验。(4)大肠杆菌进行细胞呼吸时会释放大量能量，绝大多数以热能形式释放，因此大肠杆菌在发酵罐内进行高密度发酵时，温度会升高。(5)发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产物的分离、提纯等方面，因此发酵工业中通过菌种选育、扩大培养和发酵后，再经提取、分离、纯化，最终获得发酵产品。
2．（2024·广东卷）驹形杆菌可合成细菌纤维素(BC)并将其分泌到胞外组装成膜。作为一种性能优异的生物材料，BC膜应用广泛。研究者设计了酪氨酸酶（可催化酪氨酸形成黑色素）的光控表达载体，将其转入驹形杆菌后构建出一株能合成BC膜并可实现光控染色的工程菌株，为新型纺织原料的绿色制造及印染工艺升级提供了新思路（图1）。
回答下列问题：
(1)研究者优化了培养基的碳源、氮源（答两点）等营养条件，并控制环境条件，大规模培养工程菌株后可在气液界面处获得BC菌膜（菌体和BC膜的复合物）。
(2)研究者利用T7噬菌体来源的RNA聚合酶(T7RNAP)及蓝光光敏蛋白标签，构建了一种可被蓝光调控的基因表达载体（光控原理见图2a，载体的部分结构见图2b）。构建载体时，选用了通用型启动子PBAD（被工程菌RNA聚合酶识别）和特异型启动子PT7（仅被T7RNAP识别）。为实现蓝光控制染色，启动子①②及③依次为PT7、PBAD和PBAD，理由是基因2和3正常表达无活性产物，被蓝光激活后再启动基因1表达。
(3)光控表达载体携带大观霉素（抗生素）抗性基因。长时间培养时在培养液中加入大观霉素，其作用为抑制杂菌；去除丢失质粒的菌株（答两点）。
(4)根据预设的图案用蓝光照射已长出的BC菌膜并继续培养一段时间，随后将其转至染色池处理，发现只有经蓝光照射的区域被染成黑色，其原因是该处细胞中T7RNAP激活，酪氨酸酶表达并合成黑色素。
(5)有企业希望生产其他颜色图案的BC膜。按照上述菌株的构建模式提出一个简单思路：将酪氨酸酶替换成催化其他色素合成的酶（或将酪氨酸酶替换成不同颜色蛋白）。
解析：(1)培养基的营养物质包括水、无机盐、碳源、氮源等，研究者培养工程菌，需要优化培养基的碳源、氮源等营养条件，并控制环境条件。(2)由题图2 a分析可知，蓝光照射下，T7RNAP N端 nMag与pMag T7RNAP C端结合，导致无活性的T7RNAP变成有活性的T7RNAP，蓝光处理后，RNA聚合酶(T7RNAP)识别启动子①使基因1转录获得相应的mRNA，再以其为模板通过翻译过程获得酪氨酸酶，酪氨酸酶从而催化染色液中酪氨酸形成黑色素，可见基因2和3正常表达无活性产物，被蓝光激活后再启动基因1表达，综合上述分析可知，为实现蓝光控制染色，启动子①②及③依次为PT7、PBAD和PBAD。(3)光控表达载体携带大观霉素（抗生素）抗性基因。长时间培养时在培养液中加入大观霉素，具有抑制杂菌；去除丢失质粒的菌株的作用。(4)由(2)中分析可知，细胞中T7RNAP激活，酪氨酸酶表达并合成黑色素，故用蓝光照射已长出的BC菌膜并继续培养一段时间，随后将其转至染色池处理，发现只有经蓝光照射的区域被染成黑色。(5)由(2)中分析可知，希望生产其他颜色图案的BC膜，则需要将酪氨酸酶替换成催化其他色素合成的酶（或将酪氨酸酶替换成不同颜色蛋白）。
3．（2023·湖北卷节选）某病毒对动物养殖业危害十分严重。我国学者拟以该病毒外壳蛋白A为抗原来制备单克隆抗体，以期快速检测该病毒，其主要技术路线如图所示。
回答下列问题：
与小鼠骨髓瘤细胞融合前，已免疫的脾细胞（含浆细胞）不需要（填“需要”或“不需要”）通过原代培养扩大细胞数量；添加脂溶性物质PEG可促进细胞融合，该过程中PEG对细胞膜的作用是使细胞接触处的磷脂分子重新排布，细胞膜打开，细胞发生融合。
4．（2023·全国乙卷节选）某研究小组设计了一个利用作物秸秆生产燃料乙醇的小型实验。其主要步骤是：先将粉碎的作物秸秆堆放在底部有小孔的托盘中，喷水浸润、接种菌T，培养一段时间后，再用清水淋洗秸秆堆（清水淋洗时菌T不会流失），在装有淋洗液的瓶中接种酵母菌，进行乙醇发酵（酒精发酵）。实验流程如图所示。
回答下列问题。
(1)在粉碎的秸秆中接种菌T，培养一段时间后发现菌T能够将秸秆中的纤维素大量分解，其原因是菌T能够分泌纤维素酶。
(3)将酵母菌接种到灭菌后的培养基中，拧紧瓶盖，置于适宜温度下培养、发酵。拧紧瓶盖的主要目的是制造无氧环境。但是在酵母菌发酵过程中，还需适时拧松瓶盖，原因是排出二氧化碳。发酵液中的乙醇可用酸性的重铬酸钾溶液检测。
(4)本实验收集的淋洗液中的葡萄糖可以作为酵母菌生产乙醇的原料。与以粮食为原料发酵生产乙醇相比，本实验中乙醇生产方式的优点是节约粮食、废物利用、清洁环保、不污染环境、生产成本低、原料来源广。

展开更多......

收起↑