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(共45张PPT)
第60讲　基因工程的
应用和生物技术的
安全性与伦理问题
[课标要求]
1.举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。
2.概述人们根据基因工程原理,进行蛋白质设计和改造,可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。
3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
4.举例说出日常生活中的转基因产品。
5.探讨转基因技术在应用过程中带来的影响。
6.举例说出生殖性克隆人面临的伦理问题。
7.分析说明我国为什么不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验。
8.举例说明历史上生物武器对人类造成了严重的威胁与伤害。
9.认同我国反对生物武器及其技术和设备的扩散。
考点一
基因工程的应用
1.基因工程在农牧业方面的应用
基础知识·整合
生长
2.基因工程在医药卫生领域的应用
基因
药用蛋白基因
启动子
抑制
除去
3.基因工程在食品工业方面的应用
工程菌
牛凝乳酶的基因
基因工程菌
深挖教材
1.判断正误
(1)(选择性必修3 P88正文)科学家利用转基因技术培育了抗玉米螟玉米,种植该玉米的农田就不需要进行防虫管理了。(　　)
【提示】 转基因抗玉米螟玉米能够抵抗玉米螟,但不一定能抵抗其他害虫。
×
(2)(选择性必修3 P89正文)导入了肠乳糖酶基因的奶牛可分泌出乳糖含量低的乳汁。(　　)
√
(3)(选择性必修3 P90资料卡)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用。(　　)
×
【提示】 大肠杆菌是原核细胞,由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素没有经过内质网和高尔基体的加工,不能直接应用。
(4)(选择性必修3 P90正文)乳腺生物反应器是将药用蛋白基因导入动物的乳腺细胞中。(　　)
×
【提示】 乳腺生物反应器是将药用蛋白基因导入哺乳动物的受精卵中,药用蛋白基因可以在转基因动物的乳腺细胞中表达。
(5)(选择性必修3 P91相关信息)用基因工程的方法,使外源基因得到高效表达的菌类一般称为基因工程菌。(　　)
√
2.规范表达
(1)(选择性必修3 P88正文拓展)野外种植转基因抗A害虫植物的同时,还种植一定量的同种不抗虫植物,可降低抗性害虫在整个害虫种群中所占比例的增加速率。试分析其中的原因。
【提示】 种植一定量的同种不抗虫植物,对抗性害虫的选择作用减弱。
(2)(选择性必修3 P90正文)培养乳腺生物反应器转基因动物时为什么要将目的基因与乳腺中特异性表达的基因的启动子重组在一起
【提示】 乳腺生物反应器通过分泌的乳汁来提取相应的基因表达产物,乳腺中特异性表达的启动子可让目的基因在乳腺细胞中特异性表达。
能力1　分析基因工程的应用,考查应用能力
1.(2025·深圳月考)人乳铁蛋白(hLF)是乳汁中一种重要的非血红素铁结合糖蛋白,具有抑菌、抗肿瘤等多种生理功能,被认为是一种极具开发潜力的食品添加剂。某科研团队将人乳铁蛋白基因转入山羊体内,从山羊的乳液中获得hLF,可以解决天然乳铁蛋白资源短缺的问题,下列有关叙述不合理的是(　　)
A.可用PCR直接扩增乳铁蛋白的基因转录产物
B.重组载体中人乳铁蛋白基因的启动子是乳腺蛋白基因启动子
C.将目的基因导入山羊受精卵中一般应用的技术是显微注射法
D.检测人乳铁蛋白基因是否成功翻译常采用抗原—抗体杂交技术
关键能力·提升
A
【解析】 不可以直接用PCR扩增mRNA(基因转录产物),需将mRNA逆转录成cDNA再进行扩增;为保证在供体山羊的乳汁中提取到人乳铁蛋白,需要将人乳铁蛋白基因与山羊乳腺蛋白基因的启动子等调控元件重组在一起;一般用显微注射法将目的基因导入山羊受精卵中;为检测人乳铁蛋白基因是否成功翻译成蛋白质,检测方法是从转基因生物中提取蛋白质,用相应的抗体进行抗原—抗体杂交,若出现相应现象,则表明目的基因已翻译形成蛋白质。
2.(2025·广东卷,21)大肠杆菌是重要工业菌株之一,其培养过程可分为快速生长期和生长稳定期两个阶段。为了通过调节蛋白质合成与降解速率来动态调控代谢途径关键酶的蛋白量,使细胞适配不同阶段的生产需求,研究者设计了两种质粒,并以稳定性好的红色荧光蛋白mKate2为模式蛋白,测试质粒功能。回答下列问题:
(1)研究者首先构建质粒①(图a)用于在细胞内表达C-末端带SsrA短肽的mKate2,将质粒导入感受态细胞后,在添加抗生素的选择培养基上培养。根据培养基上菌落的生长状况,结合PCR及　　　　检测,筛选获得重组菌株W1。
荧光
【解析】 (1)在基因工程中,筛选重组菌株时,常用PCR检测目的基因是否导入受体细胞以及是否转录,由于目的基因能表达出红色荧光蛋白,故还可对菌落进行荧光检测以判断目的基因是否表达出相应的蛋白质。
(2)将W1在适宜条件下进行摇瓶培养,定时取样检测培养液中细胞密度,方法有
(答一种)。接种前需检测液体培养基的荧光强度,其作用是　 。
培养结果(图b)表明,进入生长稳定期后荧光强度快速下降,原因是
　。
稀释涂布
平板法、显微镜直接计数法
排除培养基本身荧光对实验结果的干扰
PGeo在生长稳定期停止
基因转录,且C-末端带有SsrA短肽的mKate2被大肠杆菌内源蛋白酶系统特异性识别并
降解
【解析】 (2)检测培养液中细胞密度常用的方法有稀释涂布平板法(通过统计平板上的菌落数来估算细胞数量,进而得到细胞密度)、显微镜直接计数法(利用血细胞计数板在显微镜下直接对细胞进行计数)。接种前检测液体培养基的荧光强度,是为了排除培养基本身荧光对实验结果的干扰。进入生长稳定期后,由于PGeo在生长稳定期停止基因转录,所以不再合成带有SsrA短肽的mKate2,但C-末端带有SsrA短肽的蛋白质可被大肠杆菌内的酶持续降解,导致荧光强度快速下降。
(3)研究者选用启动子PX、X基因(编码阻遏蛋白X,阻遏PX开启转录),重新构建质粒②(图a),导入野生型大肠杆菌中获得重组菌株W2。在适宜条件下摇瓶培养,W2的生长趋势不变,培养期间荧光强度的变化趋势为
　。
快速生长期荧光强度较弱,生长稳定期快速增加后保持稳定
【解析】 (3)在重组菌株W2中,启动子PX被阻遏蛋白X阻遏转录。在培养初期,细胞处于快速生长阶段,阻遏蛋白X的量相对充足,PX启动子受到较高程度的抑制,合成的mKate2较少,使荧光强度上升不明显;随着培养的进行,阻遏蛋白X的合成减少降解增多,对PX启动子的阻遏作用减弱,mKate2转录,荧光强度快速增加,并趋于稳定 。
(4)莽草酸是一种重要工业化学品,其胞内合成代谢途径见图c。由于野生型大肠杆菌胞内酶A活性弱,且莽草酸会被快速转化为细胞生长必需物,因此细胞中无法大量积累莽草酸。为了保证细胞正常生长,并在生长稳定期实现莽草酸的大量积累,利用上述两种质粒的调控功能,结合野生型菌株遗传物质的改造,提出重组生产菌株构建思路:
　。
将质粒①中的mKate2基因替换成酶B基因,将质粒②中的mKate2基因替换成酶A基因,并将上述两种质粒导入敲除酶B基因的野生型大肠杆菌中
【解析】 (4)为了保证细胞正常生长,并在生长稳定期实现莽草酸的大量积累,需满足以下条件。条件1:为了保证细胞正常生长,必须保证酶A和酶B在快速生长期都正常。条件2:为了在生长稳定期有大量莽草酸,需要使酶A增加、酶B减少。为满足条件2,野生型大肠杆菌应无法产生酶B,故敲除野生型大肠杆菌的酶B基因。为保证细胞生长,可以将质粒①中的mKate2基因替换成酶B基因,保障快速生长期酶B的供应,也能满足稳定生长期酶B减少的要求。将质粒②中的mKate2基因替换成酶A基因,使酶A基因在稳定生长期大量表达,这样能在生长稳定期实现莽草酸的大量积累。
考点二
蛋白质工程
1.蛋白质工程的概念
基础知识·整合
蛋白质分子的结构规律
2.蛋白质工程的基本原理
蛋白质结构
氨基酸序列
脱氧核苷酸
序列
3.蛋白质工程的应用
(1)在医药方面。
利用蛋白质工程研发 。实例:如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸,在一定条件下,可以 。
(2)在工业方面。
蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。实例:枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用,因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。
(3)在农业方面。
科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的 ,以提高植物光合作用的效率,增加粮食的产量。
药物
延长保存时间
酶
深挖教材
1.判断正误
(1)(选择性必修3 P93正文)蛋白质工程可根据人类生产和生活的需要,设计并制造出自然界不存在的新的蛋白质。(　　)
(2)(选择性必修3 P94正文)蛋白质工程应先设计蛋白质的结构后再预期其功能。(　　)
√
×
【提示】 蛋白质工程应先预期蛋白质的功能,依据功能推测蛋白质的结构。
【提示】 天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的,而蛋白质工程与之相反。
(3)(选择性必修3 P94正文)天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的,蛋白质工程与之相同。(　　)
×
(4)(选择性必修3 P95正文)蛋白质工程可以改造酶,提高酶的热稳定性。
(　　)
√
2.规范表达
(选择性必修3 P94正文拓展)对天然蛋白质进行改造,你认为应该直接对蛋白质分子进行操作,还是通过对基因的操作来实现 原因是什么
【提示】 应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。主要原因:①蛋白质具有十分复杂的空间结构,基因的结构相对简单,容易改造;②改造后的基因可以遗传给下一代,被改造的蛋白质无法遗传。
能力2　分析蛋白质工程的原理及应用,培养理解能力和获取信息能力
3.嵌合抗原受体T细胞(CAR-T)是癌症治疗的研究热点。其原理是将CAR基因导入T细胞获得CAR-T细胞,进而表达出特异性更强的癌细胞抗原受体蛋白(CAR)。相比自然状态下的细胞毒性T细胞,CAR-T细胞对肿瘤细胞的杀伤性、靶向性更强,治疗流程如图所示。下列叙述正确的是(　　)
A.步骤②属于生物工程中的细胞工程
B.CAR-T细胞的CAR能特异性识别并杀伤癌细胞
C.步骤④可选用动物病毒或噬菌体作为载体
D.步骤⑤需定期更换培养液以补充营养物质并清除代谢废物
D
关键能力·提升
【解析】 分析题意,步骤②是根据靶抗原设计CAR结构,是从蛋白质的预期功能出发,属于蛋白质工程;CAR是CAR-T细胞表面的癌细胞抗原受体,受体具有识别作用,杀伤癌细胞是T细胞的功能;噬菌体的宿主细胞是细菌,因此将CAR基因导入T细胞不能用噬菌体作为载体;步骤⑤是进行动物细胞培养,为补充营养物质并清除代谢废物,防止细胞代谢物积累对细胞自身造成危害,需定期更换培养液。
考点三
生物技术的安全性和伦理问题
1.转基因产品的安全性
基础知识·整合
转基因食品的安全性
完备的
相关科学知识基础
大胆
慎重
严格
2.关注生殖性克隆人
(1)治疗性克隆和生殖性克隆的区别。
①生殖性克隆是指通过克隆技术产生 。
②治疗性克隆是指利用克隆技术产生特定的细胞、组织和器官,用它们来修复或替代受损的细胞、组织和器官,达到治疗疾病的目的。
(2)我国禁止生殖性克隆人。
①我国 任何生殖性克隆人实验。
②我国政府重视治疗性克隆所涉及的伦理问题,主张对治疗性克隆进行有效监控和严格审查。
独立生存的新个体
不赞成、不允许、不支持、不接受
(3)生殖性克隆与治疗性克隆的主要过程。
3.试管婴儿与设计试管婴儿的异同点
不
同
点 技术
手段 试管婴儿不需要进行遗传学诊断,设计试管婴儿在胚胎移植前需进行遗传学诊断。
如图,设计试管婴儿比试管婴儿多了d过程:
应
用 试管婴儿主要是解决不孕夫妇的生育问题,设计试管婴儿用于白血病等疾病的治疗
相同点 都是体外受精,并进行体外早期胚胎培养,都要经过 ,都是有性生殖
胚胎移植
4.生物武器
(1)生物武器的种类、特点及散布途径。
种类 ①致病菌类:炭疽杆菌、霍乱弧菌等。
② 类:天花病毒、某些动物的痘病毒、通过基因工程改造的流感病毒等。
③生化毒剂类:肉毒杆菌毒素等
特点 致病能力 ,攻击范围
散布
途径 可以直接或者通过食物、生活必需品和带菌昆虫等散布,经由呼吸道、消化道和皮肤等侵入人、畜体内,造成大规模伤亡,也能大量损害植物
病毒
强
广
(2)我国政府的态度:在任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器,并反对生物武器及其技术和设备的扩散。
深挖教材
1.判断正误
(1)(选择性必修3 P101正文)通过转基因技术减少啤酒酵母双乙酰的生成,可以改良啤酒的风味和口感。(　　)
(2)(选择性必修3 P102相关信息)为防止转基因花粉的传播,我国科学家将α-淀粉酶基因与目的基因一起转入植物中。(　　)
√
√
【提示】 生殖性克隆的目的是得到独立生存的新个体;治疗性克隆的目的是得到特定的细胞、组织或器官,用于治疗疾病,两者目的不同。
(3)(选择性必修3 P106正文)生殖性克隆和治疗性克隆的目的相同,都属于无性繁殖。(　　)
×
(4)(选择性必修3 P111正文)与常规武器相比,生物武器的致病能力强、攻击范围广。(　　)
√
2.规范表达
(1)(选择性必修3 P106正文)治疗性克隆与生殖性克隆过程中胚胎的处理方式相同吗 有什么区别
【提示】 不相同。治疗性克隆获得的早期胚胎主要用于获得胚胎干细胞,然后诱导胚胎干细胞分化出所需的特定的细胞、组织和器官;在生殖性克隆过程中,获得的胚胎移入母体的子宫内发育成婴儿。
(2)(选择性必修3 P109思考·讨论拓展)试管婴儿技术与克隆技术在技术环节上的主要差异是什么
【提示】 前者需要经过体外受精,后者需要用到细胞核移植技术。
能力3　分析生物技术安全性及伦理问题,落实社会责任
4.(2025·浙江6月选考,3)下列关于生物技术安全和伦理问题的叙述,错误的是
(　　)
A.反对设计完美婴儿
B.反对人的生殖性克隆
C.禁止生物武器的使用
D.禁止转基因技术的应用
D
关键能力·提升
【解析】 设计完美婴儿涉及基因编辑技术,可能引发基因歧视、破坏基因多样性等伦理问题,因此反对是合理的;生殖性克隆会冲击现有伦理体系,且克隆人存在技术风险,国际社会普遍反对;生物武器具有大规模杀伤性,国际公约明确禁止研发和使用;转基因技术需在严格监管下合理应用(如转基因作物),并非完全禁止。
5.下列有关生物安全的叙述正确的是(　　)
A.生物武器只包含致病菌类和病毒类,其攻击范围广、传播途径多、传播时具有潜伏期
B.治疗性克隆不涉及伦理问题,不需要对治疗性克隆进行有效监管和严格
审查
C.在转基因工作中科学家会采取很多方法防止基因污染,如阻断淀粉储藏使花粉失活
D.培养过微生物的培养基必须严格消毒后才能废弃,目的是防止微生物污染环境
C
【解析】 生物武器包括致病菌类、病毒类和生化毒剂类;治疗性克隆涉及伦理问题,需要对治疗性克隆进行有效监管和严格审查;阻断淀粉储藏使花粉失活,可有效防止基因污染;培养过微生物的培养基必须严格灭菌后才能废弃。

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