2023届高考生物二轮复习第19讲基因工程及生物技术的安全性与伦理问题学案

第19讲　基因工程及生物技术的安全性与伦理问题

热点一　基因工程和蛋白质工程

[情境引领]

人体内的t-PA蛋白能高效降解血栓,是心梗和脑血栓的急救药,但大剂量使用会诱发颅内出血。如果将t-PA蛋白第84位的半胱氨酸换成丝氨酸,能显著降低出血副作用。先对天然的t-PA基因进行序列改造,然后在大肠杆菌中表达改造后的基因,可得到性能优异的改良t-PA蛋白。如图是通过重叠延伸PCR技术获取t-PA改良基因和利用质粒pCLYⅡ构建含t-PA改良基因的重组质粒示意图(图中重叠延伸PCR过程中,引物a、b用来扩增含有突变位点的上游DNA序列,引物c、d用来扩增含突变位点的下游DNA序列)。判断下列叙述正误。

(1)生产改良t-PA蛋白的技术属于基因工程。(　×　)

提示:生产改良t-PA蛋白的技术属于蛋白质工程。

(2)PCR中需要引物的原因是DNA聚合酶不能从头开始合成DNA,而只能从3′端延伸DNA链。(　√　)

(3)重叠延伸PCR中,PCR1和PCR2分别进行,产物混合后再进行PCR3。PCR1和PCR2需要分别进行的原因是两个过程需要的酶不同。(　×　)

提示:PCR1和PCR2需要分别进行的原因是引物b和引物c可以互补配对,导致引物失效。

(4)构建重组质粒时,选用的限制酶是XmaⅠ和BglⅡ。(　√　)

(5)新霉素抗性基因的作用是筛选出导入质粒pCLYⅡ(普通质粒)和重组质粒的大肠杆菌(受体细胞)。(　√　)

(6)在加入新霉素的培养基中能正常生长的大肠杆菌并非都是目的菌株,仍需选择呈蓝色的菌落,进一步培养、检测和鉴定,以选育出能生产改良t-PA蛋白的工程菌。(　×　)

提示:导入重组质粒的大肠杆菌,因为其中的LacZ基因在构建重组质粒时被破坏,则该细菌表现为白色。

[基础巩固]

1.限制性内切核酸酶具有专一性,可识别并切开特定核苷酸间的磷酸二酯键。

2.E.coli DNA连接酶只能“缝合”具有互补黏性末端的DNA片段,而T4 DNA连接酶既可以“缝合”双链DNA片段互补的黏性末端,又可以“缝合”双链DNA片段的平末端。

3.DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同,能溶于2 mol/L的NaCl溶液;在一定温度下,DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色。

4.PCR的原理是DNA半保留复制。每次循环一般可以分为变性、复性和延伸三步。反应条件:一定的缓冲溶液、DNA模板、分别与两条模板链结合的2种引物、4种脱氧核苷酸和耐高温的DNA聚合酶。

5.基因表达载体包括启动子、标记基因、终止子和目的基因等。构建基因表达载体要用同种限制酶或能产生相同末端的限制酶切割载体和含有目的基因的DNA片段。

6.将目的基因导入植物受体细胞有花粉管通道法和农杆菌转化法,将目的基因导入动物受精卵最常用的方法是显微注射法,将目的基因导入原核细胞最常用的方法是Ca2+处理法。

7.在凝胶中DNA分子的迁移速率与凝胶的浓度、DNA分子的大小和构象等有关。凝胶中的DNA分子通过染色,可以在波长为300 nm的紫外灯下被检测出来。

 [思维拓展]

1.限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶、解旋酶、DNA水解酶有什么区别?

提示:

2.蛋白质工程为什么通过对基因操作来实现对天然蛋白质的改造?

提示:蛋白质具有十分复杂的空间结构,基因的结构相对简单,容易改造;改造后的基因可以遗传给下一代,被改造的蛋白质无法遗传。

基于基因工程的工具和过程考查识记与理解能力

1.(不定项)利用某目的基因(图甲)和P1噬菌体载体(图乙)构建重组DNA。限制酶BglⅡ、EcoRⅠ和HindⅢ的酶切位点分别如图所示(已知这三种限制酶切割产生的黏性末端不同)。下列分析错误的是(　CD　)

A.构建重组DNA时,可用BglⅡ和HindⅢ切割目的基因所在片段和P1噬菌体载体

B.构建重组DNA时,可用EcoRⅠ和HindⅢ切割目的基因所在片段和P1噬菌体载体

C.图乙中的P1噬菌体载体只用EcoRⅠ切割后,含有1个游离的磷酸基团

D.用EcoRⅠ切割目的基因所在片段和P1噬菌体载体,再用DNA连接酶连接,只能产生1种重组DNA

解析:P1噬菌体载体为环状DNA,其上只含有一个EcoRⅠ的酶切位点,因此用EcoRⅠ切割后,该环状DNA分子变为链状DNA分子,切割后含有2个 游离的磷酸基团;用EcoRⅠ切割目的基因所在片段和P1噬菌体载体后形成的黏性末端相同,可正向连接或反向连接,不止产生1种重组DNA。

2.(2022·山东淄博二模)由于乳酸菌难以在高密度下培养,研究人员将乳酸菌的乳酸脱氢酶基因(LDH)导入酵母菌,通过酵母菌发酵生产乳酸。回答下列问题。

(1)PCR获取LDH时所用的引物是　　　　　　　　　　　,该过程中引物的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(2)将LDH插入质粒前,用EcoRⅠ和ApaⅠ酶切质粒和LDH,双酶切的优点是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　,将LDH连接在质粒上时所用的酶是　　　　　　　　。 

(3)首先将LDH表达载体导入大肠杆菌并进行筛选,筛选时培养基中应加入　                          。

再将含有基因表达载体的大肠杆菌与酵母菌置于电转杯中,通过电激将目的基因表达载体导入酵母菌。质粒在酵母菌中不会随着酵母菌繁殖而丢失的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(4)如图是酵母菌发酵过程中乳酸含量的变化。在培养时间超过100 h后,乳酸浓度不再上升的主要原因是　　　　　　　　　。为提高乳酸的生产效率,连续发酵时添加新培养基最长周期为　　　h。 

解析:(1)由题图可知,PCR扩增LDH所用的引物是引物①和引物④,原因是DNA聚合酶只能从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸而不能把单个的脱氧核苷酸连接在一起。该过程中引物的作用是定位目的基因的位置,与模板链结合,作为DNA聚合酶的作用起点。

(2)由题图可知,质粒的启动子和终止子之间存在EcoRⅠ和ApaⅠ酶的酶切位点,将LDH插入质粒前,可用EcoRⅠ和ApaⅠ酶切质粒和LDH,双酶切的优点是防止目的基因和质粒自身环化,有利于目的基因(LDH)和质粒的正向连接。将LDH连接在质粒上时所用的酶是T4DNA连接酶,因为EcoRⅠ酶切出的是黏性末端,而ApaⅠ酶切出的是平末端。

(3)首先将LDH表达载体导入大肠杆菌并进行筛选,由于质粒上含有氨苄青霉素抗性基因,筛选时培养基中应加入氨苄青霉素。再将含有基因表达载体的大肠杆菌与酵母菌置于电转杯中,通过电激将目的基因表达载体导入酵母菌。质粒在酵母菌中不会随着酵母菌繁殖而丢失的原因是质粒上含有真核生物复制原点,能在酵母菌中复制。

(4)由题图可知,在培养时间超过100 h后,乳酸浓度不再上升,其主要原因是乳酸浓度过高,导致pH下降,抑制酵母菌生长。为提高乳酸的生产效率,连续发酵时添加新培养基最长周期应为60 h,因为60 h之前,酵母菌产生乳酸的效率较高,60 h之后效率降低,100 h之后基本不再产生。

答案:(1)引物①、引物④　与模板链结合,作为DNA聚合酶的作用起点,同时起定位作用

(2)防止LDH和质粒自身环化,有利于LDH在质粒上正向连接　T4DNA连接酶

(3)氨苄青霉素　质粒上含有真核生物复制原点,能在酵母菌中复制

(4)乳酸浓度过高导致pH下降,抑制酵母菌生长　60

 [总结提升]

基因表达载体各部分的作用

基于PCR技术及电泳鉴定等技术考查推理与理解能力

3.(2021·湖北卷)某实验利用PCR技术获取目的基因,实验结果显示除目的基因条带(引物与模板完全配对)外,还有2条非特异条带(引物和模板不完全配对)。为了减少反应非特异条带的产生,以下措施中有效的是(　D　)

A.增加模板DNA的量 

B.延长热变性的时间

C.延长延伸的时间 

D.提高复性的温度

解析:增加模板DNA的量可以提高反应速度,但不能有效减少非特异性条带;延长热变性的时间和延长延伸的时间会影响变性延伸过程,但对于延伸中的配对影响不大,故不能有效减少反应非特异性条带的产生;非特异性产物增加的原因可能是复性温度过低会造成引物与模板的结合位点增加,故可通过提高复性的温度来减少反应非特异性条带的产生。

 [拓展延伸]

PCR扩增后出现非特异性条带的原因和对策

非特异性条带的出现,其主要原因:一是与引物有关,引物与靶序列不完全互补或引物聚合形成二聚体易出现非特异性条带,此外引物越短越容易出现非特异性条带;二是与Mg2+浓度过高、复性温度过低,及PCR循环次数过多有关;三是与酶的质和量有关,往往一些来源的酶易出现非特异性条带而另一来源的酶则不出现,酶量过多有时也会出现非特异性扩增。其对策有①必要时重新设计引物;②降低酶量或调换另一来源的酶;③降低引物量,适当增加模板量,减少循环次数;④适当提高复性温度或采用二温度点法(94 ℃左右变性,65 ℃左右复性与延伸)。

4.PCR技术是把某一DNA片段在酶的作用下,在体外合成许多相同片段的一种方法,利用它能快速而特异地扩增任何要求的目的基因或DNA分子片段;电泳技术则是在外电场作用下,利用分子携带的净电荷不同,把待测分子的混合物放在一定的介质(如琼脂糖凝胶)中进行分离和分析的实验技术,利用它可分离氨基酸、多肽、蛋白质、核苷酸、核酸等物质做亲子鉴定。图中是电泳装置及相应电泳结果。

(1)电泳和叶绿体色素分离采用的纸层析法比较,后者使用的介质是　　　　,叶绿体中的色素能够在滤纸条上彼此分离开的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(2)PCR技术能把某一DNA片段进行扩增,依据的原理是　        。

(3)图3是把含21个氨基酸的多肽进行水解,得到的氨基酸混合物进行电泳的结果,据图可推知该多肽由　　　　种氨基酸构成(不同氨基酸电泳形成的条带不同)。 

(4)图4通过提取某小孩和其母亲以及待测四位男性的DNA,分别由酶处理后,生成含有若干DNA片段,并进行扩增得到的混合物,然后进行电泳所得到的一组DNA指纹图谱。请分析:F1～F4中,谁是该小孩真正生物学上的父亲?　　　　。为什么?　 　           。

解析:(1)纸层析法应用的是层析液。层析液能分离色素的原理是各种色素在层析液中的溶解度不同,随之在滤纸上的扩散速度不同。

(2)PCR的原理是DNA半保留复制和DNA热变性。

(3)由题图可知出现了6种电泳条带,说明水解后形成了6种氨基酸,即应由6种氨基酸组成。

(4)由DNA指纹图谱分析可知,小孩的生物学父亲应是F2,因为提取的该小孩的DNA片段中有一部分DNA与M相同;另一部分DNA与F2相同。

答案:(1)层析液　各种色素在层析液中的溶解度不同,在滤纸上的扩散速度也不同　(2)DNA半保留复制及DNA热变性　(3)6　(4)F2　提取的该小孩的DNA片段中有一部分DNA与M相同,另一部分DNA与F2相同,故F2是该小孩真正生物学上的父亲

基于蛋白质工程的原理考查综合分析和推理能力

5.(2021·辽宁卷)腈水合酶(N0)广泛应用于环境保护和医药原料生产等领域,但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽,可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)。下列有关叙述错误的是(　D　)

A.N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一

B.加入连接肽需要通过改造基因实现

C.获得N1的过程需要进行转录和翻译

D.检测N1的活性时先将N1与底物充分混合,再置于高温环境

解析:在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽,可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1),则N1与N0氨基酸序列有所不同,这可能是影响其热稳定性的原因之一;蛋白质工程的作用对象是基因,即加入连接肽需要通过改造基因实现;N1为蛋白质,蛋白质的合成需要经过转录和翻译两个过程;酶具有高效性,检测N1的活性需先将其置于高温环境,再与底物充分混合。

6.玉米中赖氨酸含量比较低的原因是赖氨酸合成过程中的两种关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性,受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。赖氨酸达到一定浓度时会抑制这两种酶的活性。为了提高玉米中的赖氨酸含量,兴趣小组提出的下列方法不可行的是(　D　)

A.用紫外线处理玉米愈伤组织,筛选有利突变体

B.将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞

C.通过基因定点突变技术修饰天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶基因的个别碱基

D.利用蛋白质工程直接改造天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的空间结构

解析:离体的细胞或组织通过脱分化培养可以形成愈伤组织,愈伤组织分裂能力比较强,用紫外线处理玉米愈伤组织会发生突变,可以筛选有利突变体;赖氨酸达到一定浓度时会抑制天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性,因此将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞,能充分利用细胞内的赖氨酸合成蛋白质,从而降低细胞内赖氨酸对天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的抑制,从而提高玉米中的赖氨酸含量;将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸,将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸,就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍,因此,增加玉米细胞中赖氨酸含量最有效的途径是通过基因定点突变技术修饰天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶基因的个别碱基;蛋白质工程是对基因修饰或基因合成,从而改变蛋白质的结构,而不是直接改造蛋白质的空间结构。

 [总结提升]

蛋白质工程与基因工程的区别和联系

热点二　生物技术的安全性与伦理问题

[情境引领]

为有效防范由各类生物因子、生物技术误用或滥用等引起的生物性危害,生物安全已纳入国家安全体系。判断下列关于生物技术的安全性与伦理问题说法正误。

(1)应严格选择转基因植物的目的基因,避免产生对人类有害的物质。(　√　)

(2)对转基因生物安全性的争论主要集中在食品安全、生物安全和环境安全上,面对转基因技术的利弊,要趋利避害,不能因噎废食。(　√　)

(3)利用“设计试管婴儿”技术可以防止某些遗传病孩子的出生。(　√　)

(4)中国政府禁止生殖性克隆人。(　√　)

(5)生物武器与常规武器相比具有传染性强、不易被发现,不受自然条件影响等特点。(　×　)

提示:生物武器容易受地形、风向等多种自然条件的影响。

[基础巩固]

1.试管婴儿的生殖方式是有性生殖,“克隆人”的生殖方式是无性生殖。

2.设计试管婴儿与试管婴儿的主要区别是设计试管婴儿多了胚胎移植前的遗传学诊断过程。

3.生殖性克隆与治疗性克隆最主要的区别是目的不同,生殖性克隆的目的是用于生育,产生新个体;治疗性克隆的目的是治疗人类疾病。

4.生物武器包括致病菌类、病毒类和生化毒剂类等。

5.我国对待生物武器的态度是在任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器,并反对生物武器及其技术和设备的扩散。对待转基因产品的安全性的态度是趋利避害,而不能因噎废食。

[思维拓展]

1.四倍体鱼生长快、肉质好、抗病力强,但研究人员并不直接把它投入生产,而是将它与二倍体鱼杂交的后代投入生产。这样做的意义主要是什么?

提示:三倍体减数分裂时联会紊乱,不能形成可育配子,从而达到防止基因污染,保护物种多样性的目的。

2.为了防止转基因作物的目的基因通过花粉转移到自然界中其他植物体内,科学家设法将目的基因整合到受体细胞的叶绿体基因组中,其原因最可能是什么?

提示:转基因植物中的细胞质基因与其他植物的基因间不能通过花粉发生基因交流。

基于生物技术的安全性问题考查识记与理解能力

1.大田种植转基因抗虫棉的同时,间隔种植少量非转基因的棉花等其他农作物,供棉铃虫取食。这种做法的主要目的是(　B　)

A.维持棉田物种的多样性

B.减缓棉铃虫抗性基因频率增加的速度

C.使食虫鸟有虫可食

D.维持棉田生态系统中的能量流动

解析:题述做法的主要目的是减缓棉铃虫抗性基因频率增加的速度,从而延缓具有抗性基因的棉铃虫新品种的出现。

2.(不定项)(2022·江苏南京模拟)下列有关“基因污染”叙述中,正确的是(　ACD　)

A.转基因生物有可能成为“外来物种”,影响生态系统的稳定性

B.转基因生物的外源基因本身来源于自然界,故不存在“基因污染”的问题

C.抗除草剂基因有可能通过花粉传播进入杂草,从而产生“超级杂草”

D.“基因污染”有可能会从一种生物扩散到其他多种生物物种

解析:外源基因可能会通过花粉等扩散到其他物种,所以转基因生物存在“基因污染”的问题。

基于生物技术的伦理问题和生物武器考查识记与理解能力

3.(不定项)(2022·全国模拟)新冠肺炎疫情暴发,随着病毒溯源工作的开展,生物安全问题开始受到广泛关注。下列做法利于维护生物安全的是(　ABD　)

A.实验室所用的生物材料进行严格管理,防止泄漏

B.构建严密的社会管理体系,应对突发生物安全事件

C.搜集并公开公众遗传数据,以便研究防治新冠肺炎的药物

D.在任何情况下均不发展、不生产、不储存生物武器

解析:搜集并公开公众遗传数据,可能会让不法分子钻空子,不利于维护生物安全。

4.请回答下列有关生物技术的安全性和伦理问题。

(1)一些科学家认为,由于不同物种间存在　　　　　　,同时花粉的传播距离和　　　　　　　　有限,转基因农作物很难与其他植物杂交,因而不大可能对生物多样性造成威胁。 

(2)在转基因生物或产品研究过程中,绝大多数科学家都能自觉遵守科学研究道德。例如,把重组DNA的转移限制在遗传上具有　　　　　　　的生物上;对外源DNA进行认真选择,避免能够表达出对人体有毒性或过敏的　　　　　　　　。 

(3)一些对克隆人持反对态度的科学家认为,由于克隆技术尚不成熟,现在就做克隆人很可能孕育出有严重缺陷的孩子。但是支持克隆人的科学家则认为,一些技术问题可以通过胚胎分级、　　　　 　　和

　　　　　　　　等方法得到解决。 

(4)对于克隆技术,中国政府的态度是　　　　　　      　　,主张对　　　　　　　　　　　　进行有效监控和严格审查。 

解析:(1)一些科学家认为,由于不同物种间存在生殖隔离,同时花粉的传播距离和存活时间有限,不会造成转基因农作物与其他植物的杂交,因而也不太可能对生物多样性造成威胁。(2)在转基因生物或产品研究过程中,为保证转基因生物的安全,要把重组DNA的转移限制在遗传上具有特定缺陷的生物上;对外源DNA进行认真选择,避免能够表达出对人体有毒性或过敏的蛋白质等。(3)支持克隆人的科学家认为,一些技术问题可以通过胚胎分级、基因诊断和染色体检查等方法得到解决。(4)中国政府对于克隆技术的态度是禁止生殖性克隆人,主张对治疗性克隆进行有效监控和严格审查。

答案:(1)生殖隔离　存活时间　(2)特定缺陷　蛋白质　(3)基因诊断　染色体检查　(4)禁止生殖性克隆人　治疗性克隆