3.3基因工程的應(yīng)用 課件高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

3.3基因工程的應(yīng)用

胰島素是治療糖尿病的特效藥物。傳統(tǒng)生產(chǎn)胰島素的方法是從豬、牛等動(dòng)物的胰腺中提取。曾經(jīng)生產(chǎn)供一位糖尿病病人使用一年的胰島素需要上千頭牛，生產(chǎn)的成本非常高。1978年，科學(xué)家將編碼人胰島素的基因?qū)氪竽c桿菌細(xì)胞中，使大腸桿菌表達(dá)重組人胰島素。我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基因工物——重組人胰島素已經(jīng)研制成功并得到廣泛應(yīng)用?？瓜x棉、轉(zhuǎn)基因大豆、重組人干擾素等。思考：除了生產(chǎn)胰島素，基因工程還有哪些應(yīng)用呢？一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用二、基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用三、基因工程在食品工業(yè)方面的應(yīng)用基因工程的應(yīng)用1、發(fā)展現(xiàn)狀:（1）植物:①1996-2017年，全世界轉(zhuǎn)基因作物種植面積增加了100多倍。轉(zhuǎn)基因作物的種植使化學(xué)農(nóng)藥的施用量減少了8.2%，作物產(chǎn)量增加了6.6×108t，增加經(jīng)濟(jì)效益1.3萬億。②美國(guó)是世界上轉(zhuǎn)基因作物種植面積最大的國(guó)家③世界轉(zhuǎn)基因作物種植面積最大的是大豆，其次是玉米、棉花；④我國(guó)轉(zhuǎn)基因作物的種植面積位居世界第八位，商業(yè)化種植的轉(zhuǎn)基因作物有棉花和番木瓜；（2）動(dòng)物:①幾乎每年都有令人矚目的研究成果報(bào)道，有些成果正在進(jìn)入實(shí)用化和商業(yè)化開發(fā)的階段；②2015年11月，第一種用于食用的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物——轉(zhuǎn)基因大西洋鮭（俗稱“三文魚”）在美國(guó)獲得批準(zhǔn)上市。轉(zhuǎn)基因大西洋鮭的優(yōu)點(diǎn)：（1）縮短了生長(zhǎng)周期（2）都是雌性而且不育，避免了野生鮭魚雜交的風(fēng)險(xiǎn)。轉(zhuǎn)基因鮭魚（后排）和正常鮭魚（前排）基因工程在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展迅速。已被廣泛用于改良動(dòng)植物品種、提高作物和畜產(chǎn)品的產(chǎn)量等方面。轉(zhuǎn)基因抗蟲植物農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用轉(zhuǎn)基因抗病植物轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物改良植物的品質(zhì)提高動(dòng)物的生長(zhǎng)速率改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)抗逆性2、基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用:（1）轉(zhuǎn)基因抗蟲植物：①方法：④優(yōu)點(diǎn)：Bt毒蛋白基因；蛋白酶抑制劑基因；淀粉酶抑制劑基因；植物凝集素基因等。

②主要?dú)⑾x基因：③成果：從某些生物中分離出抗蟲基因?qū)胱魑铮怪哂锌瓜x性狀。轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花、玉米、水稻、大豆、馬鈴薯等。減少因化學(xué)農(nóng)藥的使用而造成的環(huán)境污染和對(duì)人類健康的損害、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)量。（2）轉(zhuǎn)基因抗病植物：病毒外殼蛋白基因（CP基因）病毒的復(fù)制酶基因抗病毒基因幾丁質(zhì)酶基因抗毒素合成基因抗真菌基因①方法：③成果：轉(zhuǎn)基因抗病毒甜椒、番木瓜和煙草等。②抗病基因：科學(xué)家將來源于某些病毒、真菌等的抗病基因?qū)胫参镏校嘤鲛D(zhuǎn)基因抗病植物。（3）轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物：①背景：雜草常常危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而大多數(shù)除草劑不僅能殺死田間雜草，還會(huì)損傷作物，導(dǎo)致作物減產(chǎn)。②方法：將降解或抵抗某種除草劑的基因?qū)胱魑?，可以培育出抗除草劑的作物品種。③成果：轉(zhuǎn)基因抗除草劑玉米、大豆、油菜和甜菜等。思考：

我國(guó)西北地區(qū)的主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是年降雨量小，從而影響糧食的產(chǎn)量，如果從基因工程的角度考慮，如何避免糧食減產(chǎn)？可以用基因工程技術(shù)培育抗旱作物（篩選獲取抗旱基因）（4）改良植物的品質(zhì)：目的：提高植物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、觀賞價(jià)值等。轉(zhuǎn)基因矮牽牛富含賴氨酸的轉(zhuǎn)基因玉米①改良植物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值：例如，將某種必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胫参镏?，可以提高這種氨基酸的含量?？茖W(xué)家培育的某種轉(zhuǎn)基因玉米中賴氨酸含量比對(duì)照提高30%。②改良植物的觀賞價(jià)值：我國(guó)科學(xué)家成功地將與植物花青素代謝相關(guān)的基因?qū)氚珷颗Ｖ?，使它呈現(xiàn)出自然界沒有的顏色變異，大大提高了它的觀賞價(jià)值。（5）提高動(dòng)物的生長(zhǎng)速率：①原理：由于外源生長(zhǎng)激素基因的表達(dá)可以使轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生長(zhǎng)得更快。將外源生長(zhǎng)激素基因?qū)雱?dòng)物體內(nèi)，以提高動(dòng)物的生長(zhǎng)速率。②實(shí)例：轉(zhuǎn)基因鯉魚（6）改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)：有些人由于乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后會(huì)出現(xiàn)腹瀉等不適癥狀，這稱為乳糖不耐受。我國(guó)約有1/3的成年人乳糖不耐受?？茖W(xué)家將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M，使獲得的轉(zhuǎn)基因牛分泌的乳汁中，

乳糖的含量大大降低，而其他營(yíng)養(yǎng)成分不受影響。①基因：腸乳糖酶基因②成果：思考討論：轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物的培育1、轉(zhuǎn)基因植物常用的受體細(xì)胞：2、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物常用的受體細(xì)胞：3、轉(zhuǎn)基因植物主要的操作技術(shù)：4、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物主要的操作技術(shù)：體細(xì)胞受精卵基因工程、植物組織培養(yǎng)基因工程、動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)、早期胚胎培養(yǎng)、胚胎移植一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用二、基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用三、基因工程在食品工業(yè)方面的應(yīng)用基因工程的應(yīng)用我國(guó)生產(chǎn)的重組人干擾素、血小板生成素、促紅細(xì)胞生成素和粒細(xì)胞集落刺激因子等基因工程藥物均已投放市場(chǎng)?？梢杂脕眍A(yù)防和治療人類腫瘤、心血管疾病、傳染病、糖尿病和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等；1、對(duì)微生物或動(dòng)植物的細(xì)胞進(jìn)行基因改造生產(chǎn)藥物（1)藥物舉例：細(xì)胞因子、抗體、疫苗和激素等。（2)應(yīng)用：(3)實(shí)例：資料卡：干擾素干擾素是一種具有干擾病毒復(fù)制作用的糖蛋白，是治療病毒感染的“萬能靈藥”！對(duì)癌癥也有一定療效。科學(xué)家用基因工程方法從大腸桿菌及酵母菌細(xì)胞內(nèi)獲得了干擾素，從1kg細(xì)菌培養(yǎng)液中可20～40mg干擾素。干擾素生產(chǎn)過程：干擾素基因質(zhì)粒重組質(zhì)粒大腸桿菌大量可生產(chǎn)干擾素的大腸桿菌構(gòu)建導(dǎo)入培養(yǎng)資料卡：干擾素1、干擾素的化學(xué)本質(zhì)是什么？糖蛋白2、干擾素的作用機(jī)理是怎樣的？干擾病毒復(fù)制3、干擾素用于哪些疾病的治療？和某些白血病等。病毒感染性疾病、乳腺癌、淋巴癌、多發(fā)骨髓瘤4、傳統(tǒng)生產(chǎn)干擾素的方法是什么？從人血液中的白細(xì)胞內(nèi)提取5、目前大量生產(chǎn)干擾素的方法是什么？用基因工程方法從大腸桿菌及酵母菌細(xì)胞內(nèi)獲得抗生素

干擾素①抗生素：抗細(xì)菌藥物②干擾素：抗病毒藥物≠2、讓轉(zhuǎn)基因哺乳動(dòng)物批量生產(chǎn)藥物（1）實(shí)例：乳腺生物反應(yīng)器或乳房生物反應(yīng)器注意：?jiǎn)?dòng)子具有物種和組織的特異性，如乳腺中特異表達(dá)的基因的啟動(dòng)子只在乳腺細(xì)胞被特異性激活，使乳腺細(xì)胞的目的基因得以表達(dá)藥用蛋白基因乳腺中特異表達(dá)的基因的啟動(dòng)子等調(diào)控元件基因表達(dá)載體受精卵泌乳期分泌乳汁轉(zhuǎn)基因動(dòng)物藥物蛋白顯微注射法發(fā)育（2）培育過程：目前已經(jīng)在牛、山羊等動(dòng)物的乳腺生物反應(yīng)器中，獲得了抗凝血酶、血清白蛋白、生長(zhǎng)激素和α-抗胰蛋白酶等重要醫(yī)藥產(chǎn)品（3）應(yīng)用：要求：乳腺生物反應(yīng)器必須是雌性，且泌乳期胚胎移植前應(yīng)做DNA分析，鑒定性別，保留雌性思考討論：關(guān)于乳腺生物反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

適合于表達(dá)高等動(dòng)物體內(nèi)的復(fù)雜蛋白制備乳腺反應(yīng)器的方法成熟乳腺是天然的高效合成蛋白質(zhì)的器官乳汁中重組蛋白的提取和純化相對(duì)容易動(dòng)物泌乳期有間隔有些蛋白不能在乳腺里表達(dá)某些蛋白在乳腺中的修飾可能與天然狀態(tài)不同優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)量高；成本低；產(chǎn)品質(zhì)量好，易提取。補(bǔ)充：膀胱生物反應(yīng)器①可以從動(dòng)物一出生就收集產(chǎn)物，不論動(dòng)物的性別和是否處于生殖期。②從尿液中提取蛋白質(zhì)比從乳汁中提取更簡(jiǎn)便、高效。思考討論：1、乳腺生物反應(yīng)器指的是轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的乳腺嗎？讓藥用蛋白基因只在乳腺細(xì)胞中特異性表達(dá)。不局限于性別與生長(zhǎng)期（乳腺生物反應(yīng)器必須是雌性，且泌乳期才會(huì)分泌）。將目的基因與膀胱上皮細(xì)胞中特異表達(dá)的基因的啟動(dòng)子重組。不是，乳腺生物反應(yīng)器指的就是這個(gè)轉(zhuǎn)基因生物。2、為什么將藥用蛋白基因與乳腺中特異表達(dá)的基因的啟動(dòng)子等調(diào)控元件重組在一起？3、藥用蛋白基因存在于轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的哪些細(xì)胞中？4、膀胱生物反應(yīng)器哪些方面優(yōu)于乳腺生物反應(yīng)器？5、研制膀胱生物反應(yīng)器時(shí)，應(yīng)如何處理目的基因？幾乎所有細(xì)胞。思考：

根據(jù)前面學(xué)過的基因工程的操作程序，說出通過基因工程方法用酵母菌生產(chǎn)乙肝疫苗的過程是怎樣的？（提示：乙肝病毒抗原蛋白基因）①用PCR擴(kuò)增乙肝病毒抗原蛋白基因；②將乙肝病毒抗原蛋白基因插入質(zhì)粒，構(gòu)建基因表達(dá)載體；③將該基因表達(dá)載體導(dǎo)入酵母菌(該過程也是將酵母菌制備成感受態(tài)細(xì)胞，但是并不是用Ca2+處理，而是用醋酸鋰處理）；④檢測(cè)并鑒定，篩選出成功轉(zhuǎn)化的酵母菌，進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)，分離并提純產(chǎn)物，獲得乙肝病毒抗原蛋白。（1）人體器官移植的難題：人體移植器官短缺是一個(gè)世界性難題。（2）解決途徑：尋求可替代的移植器官，如利用基因工程對(duì)豬的器官進(jìn)行改造，來解決人類器官移植的來源問題。a.豬的內(nèi)臟構(gòu)造、大小、血管分布與人極為相似；b.豬體內(nèi)隱藏的、可導(dǎo)致人類疾病的病毒遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于靈長(zhǎng)類動(dòng)物。最大難題：免疫排斥3、用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作為器官移植的供體，建立移植器官工廠（3）改造方法：a.在器官供體的基因組中導(dǎo)入某種調(diào)節(jié)因子，以抑制抗原決定基因的表達(dá)；b.設(shè)法除去抗原決定基因，然后再結(jié)合克隆技術(shù)，培育出不會(huì)引起免疫排斥反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因克隆豬器官。（4）優(yōu)點(diǎn)：解決人體移植器官短缺問題；避免免疫排斥反應(yīng)。比較項(xiàng)目乳腺（房）生物反應(yīng)器基因工程菌生產(chǎn)藥物基因結(jié)構(gòu)基因產(chǎn)物受體細(xì)胞導(dǎo)入方式生產(chǎn)條件產(chǎn)物提取哺乳動(dòng)物基因的結(jié)構(gòu)與人類結(jié)構(gòu)基本相同細(xì)菌或酵母菌等生物的基因結(jié)構(gòu)與人類基因結(jié)構(gòu)有較大差異與天然蛋白質(zhì)完全相同細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)缺少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等細(xì)胞器，合成的蛋白質(zhì)可能不具有生物活性哺乳動(dòng)物的受精卵微生物細(xì)胞顯微注射法Ca2+處理法（感受態(tài)細(xì)胞法）不需要嚴(yán)格的滅菌，溫度等外界條件對(duì)其影響不大需嚴(yán)格滅菌，嚴(yán)格控制工程菌所需的溫度、pH、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度等外界條件從動(dòng)物乳汁中提取，相對(duì)簡(jiǎn)單（一般經(jīng)過工業(yè)發(fā)酵后）從微生物細(xì)胞（或發(fā)酵液）中提取，相對(duì)復(fù)雜一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用二、基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用三、基因工程在食品工業(yè)方面的應(yīng)用基因工程的應(yīng)用1、基因工程菌利用基因工程菌，除了可以生產(chǎn)藥物，還能生產(chǎn)食品工業(yè)用酶、氨基酸和維生素等用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達(dá)的菌類。①概念：②應(yīng)用：2、實(shí)際應(yīng)用:產(chǎn)物應(yīng)用制備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，這兩種氨基酸就可以通過基因工程實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)科學(xué)家將編碼牛凝乳酶的基因?qū)氪竽c桿菌、黑曲霉或酵母菌的基因組中，再通過工業(yè)發(fā)酵批量生產(chǎn)凝乳酶通過構(gòu)建基因工程菌、然后用發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)普遍使用的甜味劑用于奶酪生產(chǎn)，凝聚固化奶中的蛋白質(zhì)。轉(zhuǎn)化糖漿（淀粉酶）、烘烤食物（脂酶）基因工程獲得的工業(yè)用酶優(yōu)點(diǎn)：①純度更高②生產(chǎn)成本顯著降低③生產(chǎn)效率提高其他應(yīng)用：環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用利用經(jīng)過基因改造的微生物生產(chǎn)清潔能源培育可以降解多種污染物的“超級(jí)細(xì)菌”治理環(huán)境污染背誦知識(shí)提綱練習(xí)與應(yīng)用一、概念檢測(cè)1、將大腸桿菌的質(zhì)粒連接上人生長(zhǎng)激素的基因后，重新導(dǎo)入大腸桿菌的細(xì)胞內(nèi)，再通過發(fā)酵工程就能大量生產(chǎn)人生長(zhǎng)激素。下列相關(guān)敘述正確的是

（

）A.轉(zhuǎn)錄生長(zhǎng)激素基因需要解旋酶和DNA連接酶B.發(fā)酵產(chǎn)生的生長(zhǎng)激素屬于大腸桿菌的初生代謝物C.大腸桿菌獲得的能產(chǎn)生人生長(zhǎng)激素的變異可以遺傳D.大腸桿菌質(zhì)粒標(biāo)記基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量相等C2.基因工程應(yīng)用廣泛，成果豐碩。下列不屬于基因工程應(yīng)用的是（）A.培育青霉菌并從中提取青霉素B.利用乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)藥物C.制造一種能降解石油的“超級(jí)細(xì)菌"D.制造一種能產(chǎn)生干擾素的基因工程菌A二、拓展應(yīng)用除草劑的有效成分草甘膦能夠?qū)Ｒ坏匾种艵PSP合酶的活性，從而使植物體內(nèi)多種代謝途徑受到影響而導(dǎo)致植物死亡。草甘膦沒有選擇性，它在除掉雜草的同時(shí)也會(huì)使作物受損。解決這個(gè)問題的方法之一就是培育抗草甘膦的作物。（1）下面是探究“轉(zhuǎn)入外源EPSP合酶基因能否使矮牽?？共莞熟ⅰ钡牧鞒?，請(qǐng)補(bǔ)充完整。①用_____________________________等處理含有目的基因的DNA片段和T質(zhì)粒，構(gòu)建重組Ti質(zhì)粒；②將重組Ti質(zhì)粒轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌中；③利用含有重組Ti質(zhì)粒的農(nóng)桿菌侵染_________細(xì)胞，再通過培育得到轉(zhuǎn)基因植株；④用草甘膦同時(shí)噴酒轉(zhuǎn)基因植株和對(duì)照組植株。結(jié)果：對(duì)照組植株死亡，轉(zhuǎn)基因植株存活，但也受到了影響。結(jié)論：__________________________________