基因工程及其應(yīng)用 新人教版選修3

1、第二節(jié) 基因工程及其應(yīng)用,作者:河南省示范高中 項(xiàng)城二高 生物組 王薦鋒,能發(fā)光的水母,不能發(fā)光的熱帶斑馬魚,請(qǐng)您欣賞,能否能否讓熱帶魚也能發(fā)光?,設(shè)想,能發(fā)熒光的熱帶斑馬魚,普通熱帶斑馬魚是不發(fā)熒光的,請(qǐng)您欣賞,超級(jí)小鼠與超級(jí)魚,請(qǐng)您欣賞,抗蟲害的玉米,抗蟲棉,能產(chǎn)生人胰島素的大腸桿菌,從大腸桿菌說起胰島素,胰島素 每100kg 豬或牛的胰腺中提取 45g胰島素 1979年，利用大腸桿菌的DNA分子重組，2000L培養(yǎng)液提取100g ， 相當(dāng)于2噸豬胰腺中提取的量,從大腸桿菌說起干擾素,干擾素 一千克純的干擾素價(jià)值可達(dá)440億美元。 傳統(tǒng)生產(chǎn)方法：血液中提出白細(xì)胞，然后用病毒去感染它，這時(shí)會(huì)

2、產(chǎn)生干擾素，1個(gè)細(xì)胞最多生產(chǎn)1001000個(gè)干擾素分子 基因工程：改造的大腸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)：一天內(nèi)便可生產(chǎn)20萬個(gè)干擾素分子。1KG培養(yǎng)物中可以得到2040mg干擾素,思考：,1、為什么能把一種生物的基因“嫁接”到另一種生物上？ 2、推測(cè)這種“嫁接”怎樣能實(shí)現(xiàn)？ 3、這種“嫁接”對(duì)品種的改良有什么意義？,提示：此節(jié)“問題探討”以基因工程菌的實(shí)例，希望大家思考基因工程的原理。 如不同生物的DNA在結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一性、幾乎所有的生物都共用一套遺傳密碼等。,什么叫基因工程? 基因工程的基本操作步驟有哪些? 歸納出科學(xué)家實(shí)施基因工程的總體思路。,閱讀教材 P102，解決以下問題：,一、基因工程原理,基因工程

3、又叫做基因拼接技術(shù)或DNA重組技術(shù)。,通俗地說，就是按照人們的意愿，把一種生物的個(gè)別基因復(fù)制出來，加以修飾改造，然后放到另一種生物的細(xì)胞里，定向地改造生物的遺傳性狀（目的）。,原 理：,操作水平：,結(jié) 果：,目的基因,供體細(xì)胞,受體細(xì)胞,基因重組,DNA分子水平,定向地改造生物的遺傳性狀，獲得人類所需要的品種。,獲得新性狀,提取,培育轉(zhuǎn)基因大腸桿菌的簡(jiǎn)要過程,你認(rèn)為上述培育轉(zhuǎn)基因大腸桿菌的關(guān)鍵步驟有哪些？,普通大腸桿菌 (不能分泌胰島素),人體組織細(xì)胞,胰島素基因,與運(yùn)載體DNA拼接 導(dǎo)入,大腸桿菌(含胰島素基因),轉(zhuǎn)基因大腸桿菌 (能分泌胰島素),實(shí)例展示：,培育轉(zhuǎn)基因大腸桿菌的關(guān)鍵步驟,基

4、因的剪刀限制性內(nèi)切酶（簡(jiǎn)稱限制酶）,（一）基因操作的工具,限制酶是在生物體(主要是微生物)內(nèi)的一種酶，能將外來的DNA切斷，由于這種切割作用是在DNA分子內(nèi)部進(jìn)行的，故名限制性內(nèi)切酶。 特點(diǎn)：專一性。 即一種限制酶只能識(shí)別一種特定的核苷酸序列，并且能在特定的切點(diǎn)上切割DNA分子。,大腸桿菌(EcoRI)的一種限制酶能識(shí)別GAATTC序列，并在G和A之間切開。,限制酶,練習(xí)使用EcoRI 剪切目的基因,黏性末端,什么叫黏性末端？,被限制酶切開的DNA兩條單鏈的切口，帶有幾個(gè)伸出的核苷酸，他們之間正好互補(bǔ)配對(duì)，這樣的切口叫黏性末端。,基因的針線DNA連接酶,（二）基因操作的工具,DNA連接酶可把黏

5、性末端之間的縫隙“縫合”起來，即把梯子兩邊扶手的斷口連接起來，這樣一個(gè)重組的DNA分子就形成了。,磷酸二酯鍵,使用DNA連接酶制作重組DNA分子,甲片段,重組DNA分子,（二）基因操作的工具,導(dǎo)入過程需要運(yùn)輸工具運(yùn)載體。,運(yùn)載體的作用有哪些？,作用一：作為運(yùn)載工具，將外源基因(抗蟲基因)轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞(棉花細(xì)胞)中去。 作用二：利用運(yùn)載體在受體細(xì)胞(棉花細(xì)胞)內(nèi)，對(duì)外源基因(抗蟲基因)進(jìn)行大量復(fù)制。,外源基因(如抗蟲基因)怎樣才能導(dǎo)入受體細(xì)胞(如棉花細(xì)胞)？,基因的運(yùn)載工具運(yùn)載體：,常用的運(yùn)載體主要有兩類： 1）細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)的質(zhì)粒 2）噬菌體或某些動(dòng)植物病毒,質(zhì)粒：,質(zhì)粒是染色體外能夠進(jìn)行自主復(fù)

6、制的遺傳單位，包括真核生物的細(xì)胞器和細(xì)菌細(xì)胞中核區(qū)外的DNA分子?，F(xiàn)在習(xí)慣上用來專指細(xì)菌、酵母菌和放線菌等生物中核以外的DNA分子。 質(zhì)粒是基因工程最常用的運(yùn)載體。 絕大多數(shù)細(xì)菌質(zhì)粒都是閉合環(huán)狀DNA分子。有的一個(gè)細(xì)菌中有一個(gè)，有的一個(gè)細(xì)菌中有多個(gè)。,大腸桿菌的質(zhì)粒,最常用的質(zhì)粒是大腸桿菌的質(zhì)粒，其中常含有抗藥基因，如四環(huán)素的標(biāo)記基因。 質(zhì)粒的存在與否對(duì)宿主細(xì)胞生存沒有決定性作用，但復(fù)制只能在宿主細(xì)胞內(nèi)成。,運(yùn)載體應(yīng)該具有什么特點(diǎn)呢?,？,胰島素基因,運(yùn)載體 1.能夠在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制并穩(wěn)定保存； 2.具有多個(gè)限制酶切點(diǎn)以便與外源基因相連； 3.具有標(biāo)記基因，便于進(jìn)行篩選,四個(gè)基本步驟：,（三）

7、基因操作的基本步驟,1）提取目的基因 2）目的基因與運(yùn)載體結(jié)合 3）將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 4）目的基因的檢測(cè)和表達(dá),目的基因,（三）基因操作的基本步驟,目的基因是人們所需要轉(zhuǎn)移或改造的基因。,如蘇云金芽孢桿菌的抗蟲基因，還有植物的抗病（抗病毒、抗細(xì)菌）基因、種子貯藏蛋白的基因，以及人的胰島素基因、干擾素基因等。,直接分離基因 人工合成基因,目的基因的提取方法,（三）基因操作的基本步驟,目的基因與運(yùn)載體重組,1）用一定的限制酶切割質(zhì)粒，使其出現(xiàn)一個(gè)切口，露出黏性末端。 2）用同一種限制酶切斷目的基因，使其產(chǎn)生相同的黏性末端。 3）將切下的目的基因片段插入質(zhì)粒的切口處，再加入適量DNA連接酶，形

8、成了一個(gè)重組DNA分子（重組質(zhì)粒）,目的基因與運(yùn)載體的結(jié)合過程，實(shí)際上是不同來源的基因重組的過程。,（三）基因操作的基本步驟,常用的受體細(xì)胞：,有大腸桿菌、枯草桿菌、土壤農(nóng)桿菌、酵母菌和動(dòng)植物細(xì)胞等。,將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的原理,借鑒細(xì)菌或病毒侵染細(xì)胞的途徑。,目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞,（三）基因操作的基本步驟,目的基因的檢測(cè)和表達(dá),（三）基因操作的基本步驟,不能，受體細(xì)胞必須表現(xiàn)出特定的性狀，才能說明目的基因完成了表達(dá)。,受體細(xì)胞攝入DNA分子后就說明目的基因完成了表達(dá)嗎？,若不能表達(dá)，要對(duì)抗蟲基因再進(jìn)行修飾。,二、基因工程的應(yīng)用,運(yùn)用基因工程技術(shù)，不但可以培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗性好的農(nóng)作物及畜、

9、禽新品種，還可以培養(yǎng)出具有特殊用途的動(dòng)、植物。,生長(zhǎng)快、耐不良環(huán)境、肉質(zhì)好的轉(zhuǎn)基因魚(中國(guó)),乳汁中含有人生長(zhǎng)激素的轉(zhuǎn)基因牛(阿根廷),1、基因工程與作物育種,基因工程在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用,培育抗逆性品種 將細(xì)菌的抗蟲、抗病毒、抗除草劑、抗鹽堿、抗干旱、抗高溫等抗性基因轉(zhuǎn)移到作物體內(nèi)，將從根本上改變作物的特性。如轉(zhuǎn)基因抗蟲棉。,抗蟲基因作物的意義： 減少農(nóng)藥的用量，降低了生產(chǎn)的成本，減少了農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染。,轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的甜椒,轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的馬鈴薯,不會(huì)引起過敏的轉(zhuǎn)基因大豆,轉(zhuǎn)基因龍膽花色奇異,轉(zhuǎn)基因藍(lán)豬耳改變花色,轉(zhuǎn)基因牽?；ǜ淖兞嘶ㄉ?A：紫外光照射下的轉(zhuǎn)綠色熒光蛋白的 Eustom

10、a (Lisianthus) 花。,B：轉(zhuǎn)沒有綠色熒光蛋白的空質(zhì)粒的花，,2002年，中國(guó)轉(zhuǎn)基因棉花達(dá)到150萬公頃，已經(jīng)占到棉花產(chǎn)量的13.,我國(guó)大豆食用油近七成是“轉(zhuǎn)基因”產(chǎn)品,與雜交育種、誘變育種相比較，基因工程育種的優(yōu)點(diǎn)有哪些？,目的性強(qiáng)、克服遠(yuǎn)源雜交不親和性、育種周期短,基因工程在畜牧業(yè)的應(yīng)用,繁殖具有抗病能力、高產(chǎn)仔率、高產(chǎn)奶率和高質(zhì)量的皮毛等優(yōu)良品質(zhì)的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物（如奶牛）。 該過程的重要步驟是重組DNA轉(zhuǎn)移到動(dòng)物受精卵中。,將人的生長(zhǎng)激素基因和牛的生長(zhǎng)素基因分別注射到小白鼠受精卵中，得到的“超級(jí)小鼠”。,導(dǎo)入人基因具特殊用途的豬和小鼠,特殊動(dòng)物,圖為2001年12月底出生的5只可

11、愛的轉(zhuǎn)基因克隆小豬。據(jù)培育者英國(guó)PPL醫(yī)療公司稱，這些轉(zhuǎn)基因小豬將為研究和“生產(chǎn)”適用于人體移植手術(shù)使用的動(dòng)物器官提供巨大的幫助。,2、基因工程與藥物研制,我國(guó)生產(chǎn)的部分基因工程疫苗和藥物,用基因工程的方法生產(chǎn)胰島素、干擾素、白細(xì)胞介素、凝血因子、以及預(yù)防乙肝、霍亂、傷寒、瘧疾等的疫苗。 提高生產(chǎn)產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本。,1、微生物基因工程： 2、細(xì)胞基因工程： 3、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物：,即把目的基因?qū)氪竽c桿菌等菌中，通過微生物表達(dá)目的基因的產(chǎn)物。,即用哺乳動(dòng)物細(xì)胞株表達(dá)目的產(chǎn)物,即將目的基因直接導(dǎo)入鼠、兔、羊和豬體內(nèi)，使目的基因在哺乳動(dòng)物體內(nèi)表達(dá)，從兒獲得目的產(chǎn)物,治療糖尿病,治療生長(zhǎng)缺陷癥,治療燙傷

12、、胃潰瘍,治療某些癌癥,治療癌癥或病毒感染,預(yù)防病毒性肝炎,治療心血管病 （心臟?。?胰島素是治療糖尿病的特效藥，長(zhǎng)期以來只能依靠從豬、牛等動(dòng)物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰島素，其產(chǎn)量之低和價(jià)格之高可想而知。,將合成的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，每2000L培養(yǎng)液就能產(chǎn)生100g胰島素！大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)不但解決了這種比黃金還貴的藥品產(chǎn)量問題，還使其價(jià)格降低了30%-50%!,干擾素治療病毒感染簡(jiǎn)直是“萬能靈藥”！過去從人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍貴”程度自不用多說。,3、基因工程與環(huán)境保護(hù), 環(huán)境監(jiān)測(cè)：基因工程做成的DNA探針能夠十分靈敏地檢測(cè)環(huán)境中的病毒、細(xì)菌等

13、污染。,1t水中只有10個(gè)病毒也能被DNA探針檢測(cè)出來,利用基因工程培育的“指示生物”能十分靈敏地反映環(huán)境污染的情況，卻不易因環(huán)境污染而大量死亡，甚至還可以吸收和轉(zhuǎn)化污染物。, 環(huán)境污染治理：基因工程做成的“超級(jí)細(xì)菌”能吞食和分解多種污染環(huán)境的物質(zhì)。,通常一種細(xì)菌只能分解石油中的一種烴類，用基因工程培育成功的“超級(jí)細(xì)菌”卻能分解石油中的多種烴類化合物。有的還能吞食轉(zhuǎn)化汞、鎘等重金屬，分解DDT等毒害物質(zhì)。,2006年3月14日綠色和平組織發(fā)布消息,稱亨氏營(yíng)養(yǎng)米粉含有轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲水稻成分。,那么轉(zhuǎn)基因食品到底安全嗎？什么樣的轉(zhuǎn)基因食品才能上市？如何面對(duì)市場(chǎng)上的轉(zhuǎn)基因食品呢？,三、轉(zhuǎn)基因生物與轉(zhuǎn)

14、基因食品的安全性,兩種觀點(diǎn) 不安全：證據(jù) 安全：證據(jù),你們的觀點(diǎn)？,安全觀點(diǎn)： 1、轉(zhuǎn)基因食品與非轉(zhuǎn)基因食品的構(gòu)成是一樣的； 2、減少農(nóng)藥使用、減少環(huán)境污染； 3、節(jié)省生產(chǎn)成本，降低糧食售價(jià)； 4、增加食品營(yíng)養(yǎng)、提高食品產(chǎn)量等。,不安全觀點(diǎn)： 1、可能產(chǎn)生抗除草劑的超級(jí)雜草； 2、可能使疾病的散播跨越物種障礙； 3、可能損害農(nóng)作物的生物多樣性； 4、認(rèn)為創(chuàng)造新物種，可能干擾生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 5、可能產(chǎn)生新毒素和新過敏源。,（1）要將目的基因與運(yùn)載體連接起來，在基因操作中應(yīng)選用 A、只需DNA連接酶 B、同一種限制酶和DNA連接酶 C、只需限制酶 D、不同的限制酶和DNA連接酶,練 習(xí),（2）

15、下列各項(xiàng)中，說明目的基因完成了表達(dá)的是 A、棉珠中含有殺蟲蛋白基因 B、大腸桿菌中具有胰島素基因 C、酵母菌中產(chǎn)生了干擾素 D、抗病毒基因?qū)胪炼辜?xì)胞中,（3）有關(guān)基因工程的敘述正確的是 A、限制酶只在獲得目的基因時(shí)才用 B、重組質(zhì)粒的形成在細(xì)胞內(nèi)完成 C、質(zhì)粒都可作為運(yùn)載體 D、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)可為合成目的基因提供資料,（4）有關(guān)基因工程的敘述中，錯(cuò)誤的是 A、DNA連接酶將黏性末端的堿基對(duì)連接起來 B、 限制性內(nèi)切酶用于目的基因的獲得 C、目的基因須由運(yùn)載體導(dǎo)入受體細(xì)胞 D、人工合成目的基因不用限制性內(nèi)切酶,（5）要使目的基因與對(duì)應(yīng)的載體重組，所需的兩種酶是 限制酶 連接酶 解旋酶 還原酶 、

16、 、 、 、 （6）實(shí)施基因工程的第一步的一種方法是把所需的基因從供體細(xì)胞內(nèi)分離出來，這要利用限制性內(nèi)切酶。一種限制性內(nèi)切酶能識(shí)別分子的順序，切點(diǎn)在和之間，這是利用了酶的 、高效性、專一性 、多樣性、催化活性易受外界影響,（8）不屬于基因工程方法生產(chǎn)的藥物是 A、干擾素 B、白細(xì)胞介素 C、青霉素 D、乙肝疫苗,（7）基因工程的正確操作步驟是 使目的基因與運(yùn)載體結(jié)合 將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 檢測(cè)目的基因的表達(dá)是否符合特定性狀要求 提取目的基因 、 、 、 、,（9）采用基因工程的方法培育抗蟲棉，下列導(dǎo)入目的基因的作法正確的是將毒素蛋白注射到棉受精卵中 將編碼毒素蛋白的序列，注射到棉受精卵中將編碼毒素蛋白的序列，與質(zhì)粒重組，導(dǎo)入細(xì)菌，用該細(xì)菌感染棉的體細(xì)胞，在進(jìn)行組織培養(yǎng)將編碼毒素蛋白的序列，與細(xì)菌質(zhì)粒重組，注射到棉的子房并進(jìn)入受精卵中、 、 、 、 ,（11）在基因操作的基本步驟中，不進(jìn)行堿基互補(bǔ)配對(duì)的 A、人工合成目的基因 B、目的基因與運(yùn)載體結(jié)合 C、將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 D、目的基因的檢測(cè)和表達(dá),（10）轉(zhuǎn)基因動(dòng)物是指 A、提供基因的