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

第3節(jié)基因工程的應(yīng)用基因工程的應(yīng)用

基因工程自20世紀(jì)70年代興起后，得到了飛速的發(fā)展，在農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、（工業(yè)、環(huán)境、能源）和食品工業(yè)等方面，展示出廣闊的前景。醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域食品工業(yè)方面農(nóng)牧業(yè)方面基因工程的應(yīng)用【情景一】1996—2017年，全世界轉(zhuǎn)基因作物的種植面積增加了一百多倍轉(zhuǎn)基因作物的種植使化學(xué)殺蟲劑施用量減少了8.2%，作物產(chǎn)量增加了6.6×108t，增加經(jīng)濟(jì)收益近1.3萬億元【情景二】轉(zhuǎn)基因動(dòng)物方面的成果正在進(jìn)入實(shí)用化和商業(yè)化開發(fā)的階段2015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)基因鮭魚縮短了其成長(zhǎng)周期，因此它受到的污染和體內(nèi)聚集的有毒物質(zhì)殘留比普通鮭魚少得多轉(zhuǎn)基因作物優(yōu)點(diǎn)減少化學(xué)殺蟲劑的施用量，減少環(huán)境污染增加作物產(chǎn)量增加經(jīng)濟(jì)效益

一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用轉(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)速率改良畜產(chǎn)品的品質(zhì)抗逆性基因工程在農(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)品產(chǎn)量等方面?？垢珊怠⒖果}堿、抗低溫等農(nóng)作物1.轉(zhuǎn)基因抗蟲植物：①方法：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：從某些生物中分離出抗蟲基因?qū)胱魑铮怪哂锌瓜x性狀。T-DNABt基因基因表達(dá)載體轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌表現(xiàn)出新性狀的植物植物細(xì)胞將目的基因插入染色體DNA中感染植物組織培養(yǎng)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?，使之具有抗蟲性狀。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。1.轉(zhuǎn)基因抗蟲植物：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?，培育出轉(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)胱魑铮梢耘嘤隹钩輨┑淖魑锲贩N。③成果：轉(zhuǎn)基因抗除草劑玉米、大豆、油菜和甜菜等?！康模禾岣咧参锏臓I(yíng)養(yǎng)價(jià)值、觀賞價(jià)值等。優(yōu)良基因成果某種必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因富含賴氨酸的轉(zhuǎn)基因玉米轉(zhuǎn)入維生素A合成酶基因富含賴氨酸的轉(zhuǎn)基因玉米4.改良植物的品質(zhì)①提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值富含維生素A的大米黃金大米②提高觀賞價(jià)值轉(zhuǎn)基因矮牽牛普通矮牽牛

如：將與植物花青素代謝相關(guān)的基因?qū)胫参镏校顾尸F(xiàn)出自然界沒有的顏色變異，大大提高觀賞價(jià)值。轉(zhuǎn)基因藍(lán)玫瑰思考：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）科學(xué)家將外源生長(zhǎng)激素基因?qū)雱?dòng)物體內(nèi)，以提高動(dòng)物的生長(zhǎng)速率。例如，我國(guó)科學(xué)家將外源生長(zhǎng)激素基因?qū)膈庺~，在同等養(yǎng)殖條件下，轉(zhuǎn)基因鯉魚的生長(zhǎng)速率比非轉(zhuǎn)基因鯉魚提高了42%～115%。轉(zhuǎn)生長(zhǎng)激素基因鯉魚（下）與非轉(zhuǎn)基因鯉魚（上）轉(zhuǎn)入外源生長(zhǎng)激素基因的“超級(jí)小鼠”5.提高動(dòng)物的生長(zhǎng)速率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。科學(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：6.改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)想一想：為什么將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M能降低牛奶中的乳糖含量？腸乳糖酶基因在奶牛乳腺細(xì)胞中表達(dá)出乳糖酶，可以分解乳汁中的乳糖。腸乳糖酶基因牛受精卵代孕母體轉(zhuǎn)基因奶牛顯微注射胚胎移植分娩人早期胚胎培養(yǎng)乳腺中特異表達(dá)的基因啟動(dòng)子等調(diào)控元件載體1.下列有關(guān)目的基因的操作能夠改善產(chǎn)品品質(zhì)的是A.將草魚的生長(zhǎng)激素基因?qū)膈庺~體內(nèi)B.將腸乳糖酶的基因?qū)肽膛５幕蚪MC.將降解或抵抗某種除草劑的基因?qū)胗衩譊.將Bt抗蟲蛋白基因整合到煙草或棉花的基因組并實(shí)現(xiàn)表達(dá)√提高鯉魚的生長(zhǎng)速率改善牛奶的品質(zhì)C、D獲得抗逆性的轉(zhuǎn)基因植物1.對(duì)微生物或動(dòng)植物細(xì)胞進(jìn)行基因改造，使他們能夠生產(chǎn)藥物（1）常見藥物類型：細(xì)胞因子、抗體、疫苗和激素等。（2）應(yīng)用：可以用來預(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。（3）實(shí)例：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。二、基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用

干擾素是一種具有干擾病毒復(fù)制作用的糖蛋白，在臨床上被廣泛用于治療病毒感染性疾病。此外，干擾素對(duì)于治療乳腺癌、淋巴癌、多發(fā)骨髓瘤和某些白血病等也有一定的療效。注意：抗生素（抗細(xì)菌藥物）≠干擾素（抗病毒藥物）思考1：干擾素生產(chǎn)的操作流程？干擾素基因質(zhì)粒重組質(zhì)粒大腸桿菌或酵母菌可大量生產(chǎn)干擾素的大腸桿菌或酵母菌構(gòu)建導(dǎo)入培養(yǎng)

不能直接利用轉(zhuǎn)基因大腸桿菌生產(chǎn)干擾素/胰島素。因?yàn)榇竽c桿菌屬于細(xì)菌，細(xì)菌中只有核糖體這一種細(xì)胞器，沒有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體等其他細(xì)胞器，不能加工形成有活性的干擾素/胰島素。思考2：能直接利用轉(zhuǎn)基因大腸桿菌生產(chǎn)干擾素/胰島素嗎？為什么？思考3：與大腸桿菌相比，用酵母菌生產(chǎn)人的干擾素有什么優(yōu)勢(shì)？

酵母菌為真核生物，有生物膜系統(tǒng)，可通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體對(duì)產(chǎn)生的干擾素進(jìn)行加工和修飾，從而產(chǎn)生有活性的干擾素。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1：藥用蛋白基因存在于轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的哪些細(xì)胞中？培育乳腺生物反應(yīng)器時(shí)為什么要選用乳腺中特異表達(dá)的基因的啟動(dòng)子等調(diào)控元件與藥用蛋白基因重組在一起？藥用蛋白基因幾乎存在于轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的所有細(xì)胞中。目的是讓藥用蛋白基因只在乳腺細(xì)胞中表達(dá)。思考2：從生產(chǎn)的角度考慮，生物反應(yīng)器選擇的組織或器官要方便產(chǎn)物的獲得，例如，乳腺、膀胱、血液等，由此發(fā)展了動(dòng)物乳腺生物反應(yīng)器、動(dòng)物血液生物反應(yīng)器和動(dòng)物膀胱生物反應(yīng)器等。研制膀胱生物反應(yīng)器時(shí)，應(yīng)如何處理目的基因？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)子等調(diào)控元件重組在一起。藥用蛋白基因膀胱上皮細(xì)胞中特異表達(dá)的基因的啟動(dòng)子等調(diào)控元件基因表達(dá)載體受精卵轉(zhuǎn)基因動(dòng)物藥物早期胚胎培養(yǎng)早期胚胎顯微注射胚胎移植培育過程膀胱生物反應(yīng)器尿液思考3：膀胱生物反應(yīng)器哪些方面優(yōu)于乳腺生物反應(yīng)器？藥用蛋白基因膀胱上皮細(xì)胞中特異表達(dá)的基因的啟動(dòng)子等調(diào)控元件基因表達(dá)載體受精卵轉(zhuǎn)基因動(dòng)物藥物早期胚胎培養(yǎng)早期胚胎顯微注射胚胎移植培育過程(1)正常尿液中蛋白質(zhì)含量很少，所以從尿液中更容易提取分離產(chǎn)物。(2)不受性別限制，受體來源更廣泛。(3)不受年齡限制。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：人體移植器官短缺尋求可代替的移植器官豬的內(nèi)臟與人相似培育無免疫排斥的轉(zhuǎn)基因克隆豬器官抑制抗原決定基因表達(dá)或除去抗原決定基因在器官供體基因組中導(dǎo)入某種調(diào)節(jié)因子比較項(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)雜三、基因工程在食品工業(yè)方面的應(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3.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（1）生產(chǎn)清潔能源生物乙醇生物柴油植物淀粉/纖維素提取可發(fā)酵糖糖化微生物乙醇發(fā)酵微生物淀粉酶生物乙醇的生產(chǎn)流程基因工程改造思路：A.改造植物B.改造微生物3.其他應(yīng)用：環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用(2)治理環(huán)境污染白色垃圾污染物X√治理思路：生物降解塑料農(nóng)牧業(yè)方面醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域食品工業(yè)方面乳腺生物反應(yīng)器一、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)