资源简介

3.3 基因工程的应用 教案
一、教学目标
1.举例说明基因工程在农业、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。
2.举例说出植物基因工程、动物基因工程成果及其给人类带来的影响。
3.展开想象的翅膀，用图画或文字创造等，畅想基因工程的未来。
二、教学重难点
教学重点
基因工程在农牧业、食品、环保以及医药领域的应用。
教学难点
1.理解CAR-T、CRISPR/Cas等前沿科技的基本原理。
2.体会基因工程在各领域的改造思路。
三、教学过程
教学环节
主要教学活动
设置意图
导入新课
PPT展示：从社会中来。
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？
学生回答：抗虫棉、转基因大豆、生产胰岛素等。
进而引出本节课题——基因工程的应用
了解相关知识背景能增强学生的民族自豪感和自信心，教师提出的问题又可以启迪学生思维，激发他们的求知欲。
新课讲授
（一）基因工程在农牧业方面的应用
基因工程在农牧业领域的应用，思考基因工程在农牧业方面的应用。
（1）植物方面
①1996-2017年，全世界转基因作物种植面积增加了100多倍。
转基因作物的种植使化学农药的施用量减少了8.2%，作物产量增加了6.6×108t,增加经济效益1.3万亿。
②美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家
③世界转基因作物种植面积最大的是大豆，其次是玉米、棉花；
④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。
（2）动物方面
①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；
②2015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。
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。
举例说明基因工程在农牧业方面应用，从提高产品产量和品质两方面分别予以举例分析。
1.转基因抗虫植物
从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，导入作物，使其具有抗虫性，是目前防治作物虫害的一种发展趋势。已问世的转基因抗虫植物有转基因抗虫棉花、玉米、水稻、大豆、马铃薯等。
（1）培育方法：从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，导入作物，使其具有抗虫性
（2）实例：转基因抗虫棉、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
提问：利用Bt毒蛋白基因得到的转基因植物对人体有毒害吗？
2.转基因抗病植物
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。如转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
（1）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。
（2）实例：抗病毒转基因甜椒、番木瓜和烟草等。
3.转基因抗除草剂植物
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。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。这样在喷洒除草剂时，田间杂草会被杀死而作物不会受到损伤。目前已经获得转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
（1）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。
（2）实例：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等
4.改良植物的品质
利用转基因技术改良植物的营养价值、观赏价值等。例如，将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量，科学家培育的某种转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。我国科学家将与植物花青素代谢相关的基因导入矮牵牛中，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高了它的观赏价值。
（1）培育方法：利用转基因技术改良植物的营养价值、观赏价值等。
（2）实例：
将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，提高氨基酸的含量，科学家培育的某种转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。
将与植物花青素代谢相关的基因导入矮牵牛中，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高观赏价值。
5.提高动物的生长速率
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%。
（1）培育方法：
（2）实例：转基因鲤鱼的生长速率比非转基因鲤鱼提高了42%～115%。
6.改善畜产品的品质
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）培育方法：
（2）实例：乳汁中乳糖的含量大大降低的转基因牛
通过农牧业领域丰富的转基因产品，学生体会到转基因技术应用的诱人前景。
（二）基因工程在医药卫生领域的应用
基因工程在医药领域的应用，从生物制药、异种器官移植、疾病动物模型、基因治疗等方面分别予以举例说明。
知识梳理：
1.基因工程改造微生物或动植物的细胞生产药物
（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。
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300 L血液只能提取1 mg干扰素。
1980-1982年，科学家用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从1Kg培养物中可以得到20—40 mg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。
思考与讨论：
①干扰素的化学本质是什么？
（糖蛋白）
②干扰素的作用机理是怎样的？
（干扰病毒复制）
③干扰素用于哪些疾病的治疗？
（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）
④传统生产干扰素的方法是什么？
（从人血液中的白细胞内提取）
⑤目前大量生产干扰素的方法是什么？
（用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得）
⑥我国批准生产的第一个基因工程药物的名称叫什么？用于治疗哪些疾病？
（重组人干扰素α-1b。主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等）
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
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，通过显微注射的方法导入哺乳动物的受精卵中，由这个受精卵发育成的转基因动物在进入泌乳期后，可通过分泌乳汁来生产所需要的药物，这称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。
（2）培育过程：
（3）应用：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-抗胰蛋白酶等重要的医药产品。
（4）乳腺生物反应器
优点：
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
缺点：
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
（5）膀胱生物反应器
A.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。
B.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
（1）实例：人体移植器官短缺是世界性难题。由于猪的内脏构造、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，若用猪的器官来解决器官的来源问题，实现的最大难题是免疫排斥。
（2）人体器官移植的难题：人体移植器官短缺是世界性难题。
（3）解决途径：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猪的优点：
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
②最大难题：免疫排斥
（4）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。
异想天开：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。
通过医药领域的介绍，学生体会前沿科技，了解当前基因工程技术的基本原理
（三）基因工程在食品工业方面的应用
基因工程在食品领域的应用，从生产食品添加剂和制造食物两方面分别予以举例说明。
1.基因工程菌：
概念：用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。
应用：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。
2.实例：
（1）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）凝乳酶：
应用：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。
制备方法：
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、脂酶：
应用：加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食物要用到的脂酶等也可通过构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。
制备方法：构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。
优点：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。
通过食品领域的介绍，学生体会到基因工程技术与生活密切联系。
（四）其他应用：环保领域的应用
基因工程在环保领域的应用，从生产清洁能源和治理环境污染两方面分别予以举例说明。
（1）生产清洁能源
①生物乙醇的生产流程
②基因工程改造思路：
A.改造植物
B.改造微生物
(2)治理环境污染
通过环保领域的介绍，学生体会科学研究思路。
到社会中去
小组讨论，联系社会热点问题，完成相关探究：
1.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。
通过社会热点问题探究，培养学生沟通、交流能力，增强团队合作意识，同时联系实际，解决实际问题，发展学生分析、推理思维能力。
四、板书设计
3.3 基因工程的应用

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