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现代生物科技专题
《现代生物科技专题》中的技术流程归纳与试题分析
(1)之老阳三干创作
创作时间:
二零二一年六月三十日
选修模块3《现代生物科技专题》是以技术把持为核心的,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括的要素就是科学(原理)、技术(把持)与社会(应用).在复习中,牢固掌握技术的把持流程,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年夜要素.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
基因工程是依照人们的意愿,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,缔造出新的生物类型和生物产物的过程.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. [基因工程的把持流程图]
[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.基因工程基本把持流程如下图,请据图分析回答:
(1)图中A是 ;在基因工程中,需要在 酶的作用下才华完成剪接过程.
(2)在下图基因工程的把持过程中,遵循碱基互补配对原则的步伐有 .(用图中序号暗示)
(3)从分子水平分析分歧种生物之间的基因移植胜利的主要原因是 ,这也说明了分歧生物共用一套 .
(4)研究中发现,番茄体内的卵白酶抑制剂对害虫的消化酶有抑制作用,招致害虫无法消化食物而被杀死,人们胜利地将番茄的卵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 .
分析:
(1)图示转基因把持中,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.另外,过程④扩增和筛选的过程,包括了DNA复制的过程,固然需要遵循碱基互补配对原则的.
(3)分歧种生物的DNA间所以能够进行拼接,在于分歧生物的DNA都具有共同的双螺结构,目的基因能够在分歧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.
谜底:
(1)外源基因(目的基因) 限制酶、DNA连接酶
(2)②、④ (3)分歧生物DNA分子具有相同的双螺旋结构 遗传密码 (4)基因重组
二.卵白质工程
卵白质工程是人们根据对卵白质功能的特定需求,对卵白质结构进行分析设计,最终获得人们所需要的卵白质的过程.由于卵白质是由基因决定的,因此对卵白质的改造或制造,实际上是通过对基因的改造与合成实现的,所以卵白质功能实质上属于基因工程.
[卵白质工程的把持流程图]
[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.下图暗示形成鼠—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力,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 .
(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 ,最终必需对_ 进行把持.
(4)经过改造的鼠—人嵌合抗体,与鼠源杂交瘤抗体相比力,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植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卵白质工程的范畴.
要获得单抗,首先必需要获得杂交瘤细胞,杂交瘤细胞的获得,需要经过免疫处置的能发生抗体的浆细胞,以及骨髓瘤细胞.浆细胞不能分裂但能发生抗体,而骨髓瘤细胞能够无限增殖但不能发生抗体,两者融合后形成的杂交瘤细胞既能发生抗体,又能无限增殖.由于每一个浆细胞只能发生一种特异性抗体,由这个浆细胞融合而成的杂交瘤细胞也就只能发生一种抗体,由这个细胞增殖而形成的杂交瘤细胞发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,经常被用来进行癌症的治疗.但在治疗中也有可能招致机体高渡过敏的副作用.如何将鼠杂交瘤细胞发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,由于这种抗体保管了鼠抗体的可变区,也就是保管了抗体的特异性,但恒定区置换成了人的抗体部份,这就减少了抗体输入人体可能发生的不良副作用.固然,要使细胞发生的抗体是嵌合体,必需在基因水平上对立体进行改造.
谜底:
(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)卵白质 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
胚胎工程是对植物早期胚胎或配子进行的人工处置,以打破植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.
[胚胎工程的把持流程图]
[例3]下图为哺乳植物胚胎分割和性别鉴定示意图.请据图回答:
(1)胚胎分割时,一般采纳发育良好、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一步发育.来自同一胚胎分割发生的后代具有相同的遗传物质,因此,胚胎分割可以看作植物 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,该技术常采纳的方法是 .
(3)通常胚胎干细胞可以从 (写出两种方法)中分离获得.
(4)早期胚胎中的胚胎干细胞,不单可以被应用于哺乳植物胚胎性别鉴定,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.本题的布景是胚胎分割.
胚胎分割一般采纳的是囊胚(或桑椹胚),这个阶段的细胞分化水平相对还比力低,如果到了原肠胚阶段,细胞的分化就比力明显了,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份或内细胞团细胞受损的部份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份,这些部份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.哺乳植物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.
胚胎工程应用不单在于植物的繁殖,在胚胎干(ES)细胞的分离和培养方面也取得了重年夜的成绩.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,并坚持未分化的状态,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竭增殖而不发生分化,而且可以冷冻保管.
ES细胞可用于研究哺乳植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资料.ES细胞通过诱导分化可发生新的组织细胞,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,解决供体器官缺乏和移植物免疫排斥等问题.
谜底:
(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(如老年聪慧症、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)
北京师范年夜学附属实验中学 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、卵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.全国统一考试年夜纲对细胞工程(克隆技术)的内容要求包括:
(1)植物组织培养;
(2)植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.
[植物组织培养把持流程图]
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动.
(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,要不竭通入空气(无菌)并进行搅拌的目的是 和 .
分析:
本题的布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,不需要获得植物体,因此利用了植物细胞培养的技术,即通过液体培养基,像微生物发酵那样年夜量而连续培养植物细胞,从而获得年夜量的细胞代谢产物.
在生产前,首先要培养与筛选发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.紫草素是由细胞发生的,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,紫草素的产量其实不与细胞数量的变动完全同步,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分的氧气,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沛接触,从而增进代谢,发生更多的细胞代谢产物.
谜底:
(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)保证氧气供应充分 使细胞与培养液充沛接触
2.植物细胞培养与体细胞克隆
(1)植物细胞培养.植物细胞培养是利用植物的相关组织,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.
[植物细胞培养把持流程图]
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资料,用“植物细胞培养技术”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.
主要实验步伐:
第一步,取年夜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:
你所能得出的结论:
.
分析:
植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分歧浓度的苏丹红溶液,共分成了6组,其中第1组中没有苏丹红,因此是空白对比,其余各组分别添加分歧浓度苏丹红溶液,进行相互对比.从自变量控制方法可以看出,本实验不单要说明苏丹红是否有毒性,而且要说明分歧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,都是必需借助显微镜的,因此观察前首先必需制作细胞临时装片.
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呈现变异的细胞,随着苏丹红溶液浓度的增年夜,变异细胞所占的比例也随之增年夜.根据这个结果,不难得出实验的结论,但必需注意的是结论必需落点于实验的目的,也就是苏丹红的毒性.
谜底:
(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号瓶中加入等量分歧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.
(2)体细胞克隆.植物体细胞克隆是将供体体细胞的细胞核与受体去核卵细胞的细胞质进行人工组合,借助于卵细胞的发育能力,经过培养发育成胚胎进而形成个体的技术.
[植物体细胞克隆的把持流程图]
例3:
英国纽卡斯尔年夜学约翰·伯恩教授领导的研究小组2008年4月1日宣布,他们已从人的皮肤细胞中提取出细胞核,然后将其植入几乎被完全剔除遗传信息的牛卵细胞中,从而培育出人兽混合胚胎(如图所示).该胚胎发育到第三天时已含有32个细胞,研究人员希望它能继续生长到六天,再从胚胎中取出干细胞供医学研究使用.
(1)有人担忧此项研究会培育出“牛头人身”式的怪物,而生物学家认为不成能,支持生物学家的理由是 .
(2)混合胚胎的基因组成有99%以上都是人类的,只有不到l%是牛的,这l%的牛基因位于 .
(3)通过对母牛注射 激素,可获得更多的牛卵母细胞.哺乳植物的胚胎干细胞简称Es或EK细胞,是由 分离出来的一类细胞.早期胚胎的培养液成份较复杂,除一些无机盐和有机盐类外,还需添加维生素、激素、氨基酸、核苷酸等营养成份,以及 等物质.
(4)如果想同时获得多头基因型相同的“重组植物”,可通过 技术得以实现.但应选择发育到桑椹胚或囊胚时期的早期胚胎进行把持,在对囊胚期胚胎进行分割时,要注意将 分割,否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育.
解析:
本题以人兽混合胚胎培育为布景,结合了体细胞克隆、胚胎移植、胚胎分割移植等生物技术.
将人的体细胞与牛的去核卵细胞融合,形成的重组细胞中的核遗传物质均是人的,细胞质来自于牛的卵细胞.细胞中的基因绝年夜大都位于细胞核中,细胞质中仅有来自线粒体的少量细胞质基因(根据题中信息细胞质基因只占不到1%),因此从理论讲,即使人兽混合胚胎有可能发育成为个体,也不成能是“牛头人身”的怪物.
本题中的第(3)(4)小题是关于胚胎工程的内容,这里不再作具体的分析.
谜底:
(l)重组细胞的遗传物质主要来自人的细胞核
(2)卵细胞细胞质中的线粒体 (3)促性腺 囊胚内细胞团细胞或原始性腺 血清 (4)胚胎分割移植 内细胞团均等
3、细胞融合与单抗
两个或多个植物细胞融合成为一个细胞的过程叫做细胞融合.植物细胞融合最重要的用途是制备单抗,另外也是研究遗传信息转移、染色体上基因定位等有效途径.
[植物融合与制备单抗的把持流程图]
例3:
英国纽卡斯尔年夜学约翰·伯恩教授领导的研究小组2008年4月1日宣布,他们已从人的皮肤细胞中提取出细胞核,然后将其植入几乎被完全剔除遗传信息的牛卵细胞中,从而培育出人兽混合胚胎(如图所示).该胚胎发育到第三天时已含有32个细胞,研究人员希望它能继续生长到六天,再从胚胎中取出干细胞供医学研究使用.
(1)有人担忧此项研究会培育出“牛头人身”式的怪物,而生物学家认为不成能,支持生物学家的理由是 .
(2)混合胚胎的基因组成有99%以上都是人类的,只有不到l%是牛的,这l%的牛基因位于 .
(3)通过对母牛注射 激素,可获得更多的牛卵母细胞.哺乳植物的胚胎干细胞简称Es或EK细胞,是由 分离出来的一类细胞.早期胚胎的培养液成份较复杂,除一些无机盐和有机盐类外,还需添加维生素、激素、氨基酸、核苷酸等营养成份,以及 等物质.
(4)如果想同时获得多头基因型相同的“重组植物”,可通过 技术得以实现.但应选择发育到桑椹胚或囊胚时期的早期胚胎进行把持,在对囊胚期胚胎进行分割时,要注意将 分割,否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育.
解析:
本题以人兽混合胚胎培育为布景,结合了体细胞克隆、胚胎移植、胚胎分割移植等生物技术.
将人的体细胞与牛的去核卵细胞融合,形成的重组细胞中的核遗传物质均是人的,细胞质来自于牛的卵细胞.细胞中的基因绝年夜大都位于细胞核中,细胞质中仅有来自线粒体的少量细胞质基因(根据题中信息细胞质基因只占不到1%),因此从理论讲,即使人兽混合胚胎有可能发育成为个体,也不成能是“牛头人身”的怪物.
本题中的第(3)(4)小题是关于胚胎工程的内容,这里不再作具体的分析.
谜底:
(l)重组细胞的遗传物质主要来自人的细胞核
(2)卵细胞细胞质中的线粒体 (3)促性腺 囊胚内细胞团细胞或原始性腺 血清 (4)胚胎分割移植 内细胞团均等
3、细胞融合与单抗
两个或多个植物细胞融合成为一个细胞的过程叫做细胞融合.植物细胞融合最重要的用途是制备单抗,另外也是研究遗传信息转移、染色体上基因定位等有效途径.
例4:
运用植物体细胞杂交技术可实现基因定位.研究发现:
用人的细胞与小鼠体细胞进行杂交获得的杂种细胞含有双方的染色体.杂种细胞在继续分裂过程中仅保管鼠的染色体而人类染色体则逐渐丧失,只剩一条或几条.右图是人的缺乏HGPRT酶突变细胞株(HGPRT-)和小鼠的缺乏TK酶细胞株(TK一)融合后并在HAT培养液中培养的过程,结果标明最终人的染色体在融合细胞中仅存有3号染色体或17号染色体或两者都有.已知只有同时具有HGPRT酶和TK酶的融合细胞才可在HAT培养液中长期存活与繁殖.
(l)体细胞杂交克服了 ,过程①经常使用的生物方法是
(2)过程②中,为了防止细菌的污染,所用培养液应该添加一定量的 ,另外还要按期用 处置细胞,使贴壁生长的细胞脱落形成细胞悬液.
(3)从培养过程看,HAT培养液不单能提供养料,还起 作用.
(4)从图示结果看,可以确定人的 基因位于 号染色体;
该方法可以对鼠基因定位吗?
.
分析:
这是利用植物细胞融合进行染色体上基因定位的应用实例.题中,选择融合的人与鼠的细胞,分别是人的缺乏HGPRT酶突变细胞株(HGPRT-)和小鼠的缺乏TK酶细胞株(TK一).由于融合后的细胞,鼠的染色体全部保管了下来,因此融合细胞不会缺少HGPRT酶,是否缺乏TK酶,取决于人的决定TK酶基因的染色体是否在融合后会缺失.由于能够在HTA培养液中长期存在与繁殖的必需是同时含有HGPRT酶和TK酶的,如果融合细胞没有保管人细胞中决定TK酶基因的染色体,融合细胞将无法存在与繁殖;如果融合细胞获得了人细胞中决定TK酶基因的染色体,则可以在培养液中存活.从题中图示信息可知,融合细胞必需含有人细胞中的17号染色体,这说明了人的17号染色体上含有TK酶的决定基因.在这一实验过程中,HAT培养液不单提供了融合细胞生存的条件,也起到了从混合细胞中筛选出同时含有HGPRT酶和TK酶的融合细胞的作用.
谜底:
(l)远缘杂交不亲和(或生殖隔离)用灭活的(仙台/植物)病毒诱导融合
(2)抗生素 胰卵白酶 (3)选择(筛选) (4)TK酶 17 不能
创作时间:
二零二一年六月三十日
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