现代生物科技专题

1《现代生物科技专题》中的技术流程归纳与试题分析（1）选修模块3《现代生物科技专题》是以技术操作为核心的，但技术的依据是科学的原理，技术的最终目的是为了应用，以服务于社会。因此，现代生物科技专题包含的要素就是科学（原理）、技术（操作）与社会（应用）。在复习中，牢固掌握技术的操作流程，明确技术的原理，了解技术的应用或应用前景，就成为复习本模块的三大要素。本刊将分期重点归纳本模块的主要生物工程技术，并择相关试题作分析，供同学们复习时参考。一．基因工程基因工程是按照人们的意愿，在DNA分子水平上进行设计，通过体外DNA重组与转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，创造出新的生物类型和生物产品的过程。在选修模块3中，基因工程是最重要的生物工程技术之一，也是高考中考查频度最高的内容之一。[基因工程的操作流程图]2[例1]基因工程是在现代生物学、化学和工程学基础上建立和发展起来的，并有赖于微生物学理论和技术的发展运用。基因工程基本操作流程如下图，请据图分析回答：（1）图中A是；在基因工程中，需要在酶的作用下才能完成剪接过程。（2）在下图基因工程的操作过程中，遵循碱基互补配对原则的步骤有。（用图中序号表示）（3）从分子水平分析不同种生物之间的基因移植成功的主要原因是，这也说明了不同生物共用一套。（4）研究中发现，番茄体内的蛋白酶抑制剂对害虫的消化酶有抑制作用，导致害虫无法消化食物而被杀死，人们成功地将番茄的蛋白酶抑制剂基因导入玉米体内，玉米获得了与番茄相似的抗虫性状，玉米这种变异的来源是。3分析：（1）图示转基因操作中，首先是将A与运载体拼接为重组DNA，然后导入受体细胞的。在拼接的过程中，需要限制性内切酶切割目的基因与运载体，还需要通过DNA连接酶将目的基因与运载体切点相邻的脱氧核苷酸缝合起来。（2）在转基因过程中，过程②拼接形成重组DNA时，由于限制性内切酶切割后的DNA与运载体通常会留下粘性末端，在DNA连接酶进行“缝合”前，首先需要通过碱基互补配对的原则进行结合。此外，过程④扩增和筛选的过程，包含了DNA复制的过程，当然需要遵循碱基互补配对原则的。（3）不同种生物的DNA间所以能够进行拼接，在于不同生物的DNA都具有共同的双螺结构，目的基因能够在不同的生物体中得以表达，缘于在表达过程中生物体所用的遗传密码是相同的。（4）转基因是将外源的基因接入受体细胞DNA中，从而使受体的基因组成发生改变，因此这种变异属于基因重组的范畴。答案：(1)外源基因(目的基因)限制酶、DNA连接酶(2)②、④(3)不同生物DNA分子具有相同的双螺旋结构遗传密码(4)基因重组二．蛋白质工程蛋白质工程是人们根据对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构进行分析设计，最终获得人们所需要的蛋白质的过程。由于蛋白质是由基因决定的，因此对蛋白质的改造或制造，实际上是通过对基因的改造与合成实现的，所以蛋白质功能本质上属于基因工程。4[蛋白质工程的操作流程图][例2]科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程。请据图回答：（1）鼠源杂交瘤抗体就是从免疫的小鼠脾脏细胞中获取，在诱导剂的作用下与融合，形成杂交瘤细胞，并通过体内培养或体外培养生产的单克隆抗体。这种抗体与普通血清抗体相比较，具有_的特点。（2）生产单克隆抗体一般不直接培养浆细胞，主要原因是。5（3）改造鼠源杂交瘤抗体，生产鼠—人嵌合抗体，属于___（生物工程）的范畴。图示该过程中，根据预期的，设计，最终必须对_进行操作。（4）经过改造的鼠—人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是。分析：本题涉及的是将杂交瘤抗体改造为鼠-人嵌合抗体的过程。获得杂交瘤抗体是利用动物细胞融合获得单抗的过程，属于细胞工程的范畴，而要将单抗加以改造，使之更符合人类要求的过程则属于蛋白质工程的范畴。要获得单抗，首先必须要得到杂交瘤细胞，杂交瘤细胞的得到，需要经过免疫处理的能产生抗体的浆细胞，以及骨髓瘤细胞。浆细胞不能分裂但能产生抗体，而骨髓瘤细胞能够无限增殖但不能产生抗体，两者融合后形成的杂交瘤细胞既能产生抗体，又能无限增殖。由于每一个浆细胞只能产生一种特异性抗体，由这个浆细胞融合而成的杂交瘤细胞也就只能产生一种抗体，由这个细胞增殖而形成的杂交瘤细胞产生的抗体也就都是同一种的了（所以叫单抗），这样获得的单抗具有特异性强，灵敏度高的特点。由于单抗的突出优点，常常被用来进行癌症的治疗。但在治疗中也有可能导致机体高度过敏的副作用。如何将鼠杂交瘤细胞产生的抗体的副作用减小呢？题中图示，科学家设计了人与鼠抗体的重组，形成人恒定区与鼠可变区的嵌合抗体。显然，由于这种抗体保留了鼠抗体的可变区，也就是保留了抗体的特异性，但恒定区置换成了人的抗体部分，这就减少了抗体输入人体可能产生的不良副作用。当然，要使细胞产生的抗体是嵌合体，必须在基因水平上对抗体进行改造。答案：（1）B淋巴细胞骨髓瘤细胞特异强、灵敏度高（2）浆细胞不能无限增殖（3）蛋白质嵌合抗体功能嵌合抗体的结构基因（4）对人体的不良反应（或过敏反应等副作用）减少三．胚胎工程6胚胎工程是对动物早期胚胎或配子进行的人工处理，以打破动物繁殖过程中的时间与空间限制，满足人类的各种需求的生物技术。[胚胎工程的操作流程图][例3]下图为哺乳动物胚胎分割和性别鉴定示意图。请据图回答：（1）胚胎分割时，一般采用发育良好、形态正常的。对胚胎进行分割时，要特别注意将均等分割，否则会影响分割后的胚胎恢复和进7一步发育。来自同一胚胎分割产生的后代具有相同的遗传物质，因此，胚胎分割可以看作动物的方法之一。（2）①过程分割出的少量胚体细胞用来做性别鉴定，该技术常采用的方法是。（3）通常胚胎干细胞可以从（写出两种方法）中分离得到。（4）早期胚胎中的胚胎干细胞，不仅可以被应用于哺乳动物胚胎性别鉴定，还可被应用等领域。分析：胚胎工程包括体外受精、胚胎移植、胚胎分割、胚胎干细胞培养等多种技术。本题的背景是胚胎分割。胚胎分割一般采用的是囊胚（或桑椹胚），这个阶段的细胞分化程度相对还比较低，如果到了原肠胚阶段，细胞的分化就比较明显了，此时就不再适合作胚胎分割了。囊胚的结构包括了内细胞团和滋养层，内细胞团是发育成胚胎的基础细胞，在胚胎分割时要注意到内细胞团的均等和不受损伤，否则分割后内细胞团较少的部分或内细胞团细胞受损的部分会影响胚胎的恢复和进一步发育。胚胎分割是将同一胚胎分割成几个部分，这些部分的细胞均来自同一受精卵，其遗传物质是完全一样的，因此将来发育成的个体，细胞中的遗传物质也完全是相同的，这种方法可以看作是无性繁殖（克隆）的范畴。内细胞层与滋养层都来自于同一受精卵的分裂，细胞内的遗传物质相同，因此选择滋养层作胚胎的性别鉴定。哺乳动物Y染色体上有特定的碱基序列，以此序列制作相应的DNA分子探针，就可以通过DNA分子杂交的方法作出判断。胚胎工程应用不仅在于动物的繁殖，在胚胎干（ES）细胞的分离和培养方面也取得了重大的成就。ES细胞通常是由早期的胚胎细胞或者是原始性腺中分离出来的一类细胞，这些细胞具有繁殖能力，并保持未分化的状态，在一定的条件下可以向各种组织和器官分化；在体外培养条件下可以不断增殖而不发生分化，而且可以冷冻保存。8ES细胞可用于研究哺乳动物个体生长和发育的规律，也是体外条件下研究细胞分化的理想材料。ES细胞通过诱导分化可产生新的组织细胞，用于治疗人类的组织损伤和某些顽症，还可以通过ES细胞的体外诱导分化，定向培育人造组织器官，用于器官移植，解决供体器官不足和移植物免疫排斥等问题。答案：（1）桑椹胚或囊胚内细胞团无性繁殖（或克隆）（2）用基因探针进行DNA杂交（3）早期胚胎、原始性腺（4）治疗人类的某些疾病（如老年痴呆症、糖尿病等）（或ES细胞体外诱导分化培育出人造组织器官用于器官移植、研究体外细胞分化等）《现代生物科技专题》中的技术流程归纳与试题分析（2）北京师范大学附属实验中学林祖荣——本文载《高考》2010年第3期在本刊2010年第1-2期合刊中，我们对基因工程、蛋白质工程以及胚胎工程中的技术流程作了归纳，并择相关试题作了分析。本文继续就细胞工程进行相关的总结与分析。全国统一考试大纲对细胞工程（克隆技术）的内容要求包括：（1）植物组织培养；（2）动物细胞的培养与体细胞克隆；（3）细胞融合与单克隆抗体。四、细胞工程1、植物的组织培养植物体的体细胞与生殖细胞都具有全能性的特点，利用这个特点将植物体的某一组织培养成植物体的技术就叫植物组织培养。[植物组织培养操作流程图]9例1．紫草素是紫草细胞的代谢产物，可作为生产治疗烫伤药物的原料。用组织培养技术可以在生物反应器中通过培养紫草细胞生产紫草素。下图记录了生物反应器中紫草细胞产量、紫草素产量随培养时间发生的变化。（1）在生产前，需先加入紫草细胞作为反应器中的“种子”。这些“种子”是应用组织培养技术，将紫草叶肉细胞经过而获得的。这项技术的理论基础是。（2）从图中可以看出：反应器中紫草细胞的生长呈现规律；影响紫草素产量的因素是和。（3）在培养过程中，要不断通入空气（无菌）并进行搅拌的目的是和。10分析：本题的背景是植物细胞的应用之一，通过组织培养技术获得紫草细胞的代谢产物紫草素。由于此应用的目标指向代谢产物，不需要得到植物体，因此利用了植物细胞培养的技术，即通过液体培养基，像微生物发酵那样大量而连续培养植物细胞，从而获得大量的细胞代谢产物。在生产前，首先要培养与筛选产生紫草素产量高的紫草细胞，这可以通过利用紫草叶肉细胞脱分化而获得。在一定的容器内，细胞的生长呈现一定的规律，从图中可以看出，细胞呈S型增长。紫草素是由细胞产生的，因此细胞的数量直接影响紫草素的产量；从图中还可以看出，紫草素的产量并不与细胞数量的变化完全同步，由此可推测与细胞所处的生长时期相关。细胞代谢过程中需要充足的氧气，通入无菌空气的目的就是保证细胞代谢对氧气的所需；而搅拌一方面可以增加溶氧，另一方面也使得细胞能与培养液充分接触，从而促进代谢，产生更多的细胞代谢产物。答案：（1）脱分化（或脱分化形成愈伤组织）细胞的全能性（2）S型增长；细胞数量细胞所处的生长期（3）保证氧气供应充足使细胞与培养液充分接触2．动物细胞培养与体细胞克隆（1）动物细胞培养。动物细胞培养是利用动物的相关组织，将它分解成单个细胞，然后在特定培养基中培养，让这些细胞生长和增殖的过程。[动物细胞培养操作流程图]11例2：苏丹红是一种人工色素（工业染料），它在人体内代谢生成相应的胺类。科研人员以小鼠为实验材料，用“动物细胞培养技术”对苏丹红毒性进行了检测。（1）该方法检测有毒物质毒性的指标是。（2）请完善检测苏丹红毒性的实验。主要实验步骤：第一步，取大小相同的六只培养瓶依次编号为l~6，分别加入等量相同的培养液和小鼠细胞；第二步：；第三步：。结果如下表：12你所能得出的结论：。分析：动物细胞培养的应用之一是检测有毒物化学物质。如何检测呢？本题给出的实验结果表显示了本实验的自变量是不同浓度的苏丹红溶液，共分成了6组，其中第1组中没有苏丹红，因此是空白对照，其余各组分别添加不同浓度苏丹红溶液，进行相互对照。从自变量控制方法可以看出，本实验不仅要说明苏丹红是否有毒性，而且要说明不同浓度与毒性强弱的关系。实验结果表还显示了本实验的因变量——变异细胞的比例。如何检测变异细胞呢？本题没有明确，但无论是观察染色体变异还是细胞形态结构的改变，都是必须借助显微镜的，因此观察前首先必须制作细胞临时装片。实验的结论是依据实验的目的，通过分析实验的结果得出的，本题的实验结果显示，在低浓度的苏丹红溶液没有出现变异的细胞，随着苏丹红溶液浓度的增大，变异细胞所占的比例也随之增大。根据这个结果，不难得出实验的结论，但必须注意的是结论必须落点于实验的目的，也就是苏丹红的毒性。答案：（1）变异细胞占全部培养细胞的比例（2）向1号瓶中加入适量的水，向2—6号瓶中加入等量不同浓度的苏丹红添加剂；培养一段时间后，取样制成临时装片，观察记录变异细胞的数目。（3）低浓度的苏丹红毒性很小，随浓度增加毒性逐渐增强。（