专题十四现代生物技术

学科:生物年级：高三版本：冲刺版期数：2342本周教学内容：专题十四现代生物技术【知识联系框架】基因工程酶工程发酵工程细胞工程现代生物技术生物技术（也称生物工程）是生物科学与工程技术有机结合而兴起的一门综合性科学技术。它是以生物科学为基础，运用先进的科学原理和工程技术手段加工或改造生物材料，如DNA、蛋白质、染色体、细胞及至整个生物体，从而生产出人类所需要的生物或生物制品，甚至于改造我们人类自身等。【重点知识联系与剖析】一、细胞工程细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合技术科学。细胞工程涉及的领域相当广泛，就其技术范围而言，大致有细胞融合技术、细胞拆合技术、染色体导入技术、基因转移技术、胚胎移植技术和细胞组织培养技术等。1．细胞融合技术细胞融合技术是指把两个细胞（可以是同种细胞，也可以是异种细胞）在融合剂的作用下，融合成一个细胞的技术。如图14-1所示。应用细胞融合技术进行细胞杂交，能够克服远缘杂交不育的缺陷，对培育新品种具有广阔的应用前景。图14-12．细胞拆合技术细胞拆合技术也称为细胞核（包括细胞器）移植技术，是将细胞核和细胞质用某种方法拆开，然后再把分离的细胞核和胞质体重新组合成一个新细胞。把从细胞中分离出来的染色体或基因转入另一个细胞中，赋予重建的细胞以某种新的功能，这属于染色体导入或基因转移的技术范畴。3．细胞培养技术细胞培养技术是将生物体内的某一组织分散成单个细胞，接种在人工配制的适于细胞生长发育的培养基上，然后在适当的无菌的生长条件下(如一定的光照、温度或pH值等)进行培养，使细胞能够生长和不断增殖的技术。由于从组织中分离单细胞并分化成生物体的技术难度较大，目前多采用组织培养技术。如通过植物胚胎（成熟或未成熟胚）或器官（根尖、茎尖、叶原基、花药等）的离体培养，再生成新植株（试管苗）。这种方法能快速、大量繁殖一些有价值的苗林、花卉、药材和濒危植物等。4．细胞工程的应用单克隆抗体：将免疫B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合在一起，形成杂交瘤细胞。这种细胞既能像肿瘤细胞那样长期进行无性繁殖，又能像B淋巴细胞那样分泌抗体。而且由于这种抗体可以是由单一的无性繁殖细胞系的细胞产生的，故又称为单克隆抗体。这种技术在临床上得到了广泛的应用。植物组织培养：在人工操作下，将植物的器官、组织或细胞从植物体上取出，在一定的容器里供给适当的营养物质，使它们得到分化、发育和生长的培养技术。用于组织培养中的植物细胞或器官称为外植体。外植体在人工培养基上恢复分裂后，形成一群形态、结构相同或相似的还未分化的细胞群称为愈伤组织，愈伤组织细胞在一定的外界因素的诱导下开始分化，最后发育成一个完整的植物体。该技术的基本原理是植物细胞的全能性。这一技术目前主要用于作物的改良和有用生理物质的生产方面。采用植物组织培养技术，用一小块植物组织在一年内就能培养出成千上万甚至几十万株小苗，这对引入优良品种或难以繁殖的名贵品种更具优越性。由相物的茎尖通常不受病毒感染，利用茎地行组织培养就可以获得无病毒植株。试管动物（婴儿）:通过体外受精和胚胎移植技术而产生的动物或婴儿。在这一技术过程中，精子和卵子从动物（人）体内取出来，在人工提供的生活条件下（通常是在试管中）进行受精，并让体外受精的受精卵在试管中发育，再把发育到一定阶段的胚胎移植到“代理母亲”动物（人）的子宫内继续发育直到诞生。试管婴儿主要是在夫妻间进行的，其目的是解决不育问题。克隆动物：一般是指通过无性繁殖形成动物后代。1997年，英国生物学家首次用羊的体细胞成功地克隆了一只小母羊，即多利绵羊。克隆是指无性繁殖系，具体地说，是指从一个共同的祖先，通过无性繁殖的方法产生出来的一群遗传特性相同的DNA分子、细胞或个体。克隆也可指无性繁殖的过程。多利绵羊的培育过程是：将一只母羊(A羊)卵细胞的细胞核中所有的染色体吸出，得到不含遗传物质的卵细胞。然后将实验室里培养的另一只母羊（B羊）的乳腺上皮细胞的细胞核注入到无细胞核的卵细胞中，并进行电激融合，这样就形成了一个含有新的遗传物质的卵细胞。融合后的卵细胞开始卵裂，形成早期的胚胎。然后，把这个胚胎移植到第三只母（C羊）的子宫内，让它继续发育。胚胎发育成熟后，C羊就产下了小母羊多利。如图14-2所示。这只小母羊的遗传性状与B羊的完全相同，简直就是B羊的复制品。在这之前，我国生物学家曾用胚胎细胞作为供核细胞，培育出了克隆牛和克隆兔。但是，多利羊在技术上的突破之处在于供核细胞是体细胞。这说明高度分化的动物体细胞的细胞核，仍然具有全能性，在合适的条件下，就可能发育成新的个体。克隆技术在繁育优良部、治疗人类遗传病、抢救濒危物种和保护生物多样性等方面有广阔的应用前景。二、发酵工程发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物，主要是微生物的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些地生产过程的一种技术。人们熟知的利用酵菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精、利用乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶、利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。随着科学技术的进步，发酵技术精了很大的朋，并且已经进入能以为控制和改造微生物，使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。现代发酵工程作为现代生物技术的一个重要组成部分，具有广阔的前景。例如，利用DNA重组技术有目的地改造原有的菌种并且提高其产量；利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、干扰素和生长激素等。三、酶工程酶工程是指在一定的生物反应器中，利用酶的生物催化作用，生产出人类所需产品的一门科学技术。作为生物技术重要支柱之一的酶工程真可以说是造福人类，成果喜人。蔗糖几乎全部是通过加工甘蔗或甜莱得到的。但是，甘蔗和甜菜的种植范围都比较有限，因此，蔗糖的产量也就受到了影响。能不能利用淀粉来生产类似蔗糖的物质呢？科学家通过-淀粉酶、糖化酶和固定化葡萄糖异构化酶，将淀粉转化成和蔗糖具有同样甜度的甜味剂——高果糖浆。现在，一些发达国家高果糖浆的年产量已达到几百万吨，高果糖浆在许多饮料的制造中已经逐渐替代了蔗糖。胰岛素是胰脏中胰岛细胞分泌的一种激素，是由两条肽链组成的一种蛋白质：一条由21个氨基酸组成，称为A链；另一条由30个氨基酸组成，称为B链。胰岛素是治疗糖尿病的一种常用药物。由于糖尿病患者很多，胰岛素的需要量很大，所以许多糖尿病患者使用的曾是猪的胰岛素。但是，猪胰岛素与人胰岛素在化学结构上有一处差别：猪胰岛素B链上最后一个氨基酸是丙氨酸，人胰岛素B链上最后一个氨基酸是苏氨酸。因此，用猪胰岛素治疗人的糖尿病，容易使一些患者产生免疫反应。近些年来，科学家们采用酶工程的方法，利用一种专一性极高的酶，切下并移去猪胰岛素B链上的那个丙氨酸，然后接上一个苏氨酸。这样猪的胰岛素就魔术般地变成人的胰岛素了。现在，科学家正在研究如何修饰酶的化学结构，以便改善酶的性能；用DNA重组技术大量地生产酶，甚至设计酶的基因，以便人工合成出自然界中没有的酶来。四、基因工程基因工程也称为遗传工程，是生物技术的主体技术。基因工程是指按照人类的愿望，将不同生物的遗传物质在体外人工剪切并和载体重组后转入细胞内进行扩增，并表达产生所需蛋白质的技术。基因工程能够打破种属的界限，在基因水平上改变生物遗传性，并通过工程化为人类提供有用产品及服务。1．基因工程的基本步骤第一步：获得符合人类意愿的基因，即获得目的基因。目的基因是依据基因工程设计中所需要的某些DNA分子片段，含有所需要的完整的遗传信息。获得目的基因的方法很多，目前采用的分离、合成目的基因的方法主要有：超速离心法：根据不同基因的组成不同，即其内的碱基对的比例不同，其浮力、密度等理化性质也不同的原理，应用密度梯度超速离心机，直接将特殊的目的基因分离出来。分子杂交法：采用加碱或加热的方法使DNA变成单链，而后加入有放射性标记的RNA，让DNA在特定的条件下，结合成DNA和RNA的杂交分子，再用多聚酶制备出足够数量的双链DNA分子，进而获得DNA目的基因。反转录酶法：先分离出特定的mRNA，再用反转录酶做催化剂，以RNA为模板合成所需要的DNA目的基因。合成法：如果已知目的基因的碱基排列顺序，可用酶法或化学法，直接合成目的基因。目前此法已很少采用。第二步：把目的基因接到某种运载体上，常用的运载体有能够和细菌共生的质粒、温和噬菌体（病毒）等。DNA重组技术：重组DNA就是让DNA片段和载体连接。外源DNA是很难直接透过细胞膜进入受体细胞的。即使进入受体细胞之中，也会受到细胞内限制性内切酶的作用而分解。目的基因结合到经过改造的细菌中的质粒（细菌细胞中的小环状DNA分子）或温和噬菌体（病毒）上后形成的组合体称为重组体DNA。在这一技术中，限制性内切酶是一种常用的工具酶，它能“切开”质粒的环形DNA，也能切取目的基因，然后把目的基因DNA片段与质粒DNA分子的两端，在连接酶的作用互补连接形成重组体DNA。第三步：通过运载体把目的基因带入某生物体内，并使它得到表达。目的基因的表达是指目的基因进入受体细胞后能准确地转录和翻译。目的基因能否表达是基因工程是否成功的关键。目前，人类已经利用外源基因，如人的生长激素基因、人胸腺激素基因、人干扰素基因、牛生长激素基因等，导入细菌中，生产出相应的产品，在临床上得到了广泛的应用，取得了可观的经济效益和社会效益。2．转基因技术1982年，美国科学家采用基因工程把从大鼠细胞分离出来的大鼠生长素基因通过处理，用显微注射法注射入小鼠受精卵内，妊娠结果分娩出21只小鼠，其中7只带有大鼠生长激素基因，6只小鼠的生长速度非常快，超出同窝其他小鼠的1．8倍，成为“巨型小鼠”。“巨型小鼠”没有什么经济价值，但是，这证明了外源基因可以直接导入高等动植物的细胞或受精卵中去，并能在这些细胞中得到表达，这种技术称为转基因技术。导入外源基因的动、植物称为转基因动、植物。转基因植物已经在培养抗虫植物、抗病毒作物、抗除草剂作物、抗衰老作物等方面取得重要成果。如利用苏云菌杆菌毒蛋白基因转入烟草、番茄等植物体内，已经产生很好的抗虫效果。在转基因动物研究方面，转基因牛、转基因绵羊和山羊、转基因猪及转基因禽类和转基因鱼等方面也取得了许多重大的成果。【经典例题解析】例题1在细胞工程——原生质体融合育种技术中，其技术的重要一环，就是要将营养细胞的细胞壁除去，通常采用的方法是酶解破壁法。(1)你认为普通的植物细胞应选用哪两种酶将细胞壁去掉？(2)如果将去除细胞壁的植物细胞放在等渗溶液中，细胞呈现什么形状？理由是什么？解析植物细胞的细胞壁对植物细胞具有支持和保护作用，完成植物细胞的细胞融合，首先必须除去细胞壁。细胞壁的成分主要是纤维素和果胶，所以选用的酶应是纤维素酶和果胶酶。去除细胞壁的植物细胞称为原生质体。由于酶具有专一性，所以用酶法去除植物细胞的细胞壁一般不会破坏原生质体的细胞，使植物细胞仍然保持活力。去除掉细胞壁的植物细胞已经没有细胞壁的保护，在其等渗溶液中，细胞的形状由于其表面张力的作用而成圆球。如果将其放入清水中，就会吸水膨胀，甚至破裂。答案(1)应选用纤维素酶和果胶酶(2)呈圆球形失去了细胞壁保护的细胞，在等渗溶液中由于其细胞表面张力的作用形成的例题2单克隆抗体是指（）A．单个骨髓瘤细胞增殖产生的抗体B．单个B淋巴细胞增殖产生的抗体C．单个杂交瘤细胞增殖产生的抗体D．单个抗体通过克隆化，产生大量抗体解析详见“重点知识联系与剖析”中的相关知识。答案C例题3能克服远缘杂交的不亲和性技术是（）A．组织培养B．细胞融合C．动物胚胎移植D．单倍体育种解析植物组织培养的优势能够提高自然繁殖率比较低的名贵花卉、濒危物种等的无性繁殖率。动物胚胎移植能够提高动物的繁殖率。单倍体育种可以加快育种的进程。细胞融合能够克服远缘杂交的不亲和性。答案B例题4下列哪项技术与“试管婴儿”无关（）A．体外受精B．动物胚胎移植C．细胞培养D．细胞拆合技术解析详见“重点知识联系与剖析”中的相关知识。答案D例题5[2001年全国高考理科综合(江苏、浙江)卷]在啤酒