高二生物大单元整体学程选择性必修三基因工程

高二生物大单元整体学习学程第十八单元基因工程高效科研小组：学科主任：包科领导：年级主任：班级：小组：姓名：2023年8月第十八单元 基因工程—利用转基因技术提升社会效益和经济效益一、单元概述20世纪70年代诞生的基因工程技术，开创了人类按照自己的意愿在体外操纵生命的新纪元。在随后的40—50年间，基因工程技术取得了巨大的令人鼓舞的成就，当今以它为核心的生物技术和相关产业已经成为许多国家研究发展的重点，通过基因工程生产的产品也早就融入了我们生活的方方面面。本单元将深入了解基因工程的基本原理和技术流程，了解基因工程在农牧业、医药卫生、食品工业等方面的应用及其发展前景，还延伸介绍了蛋白质工程的原理和应用。通过本单元的学习，能基于基因工程应用的事实，运用基因工程的原理，参与有关推广和应用基因工程产品等社会行为的讨论，理性地作出个人决策。认同基因工程给现代农牧业、食品及医药等行业带来了深刻的变化，产生了巨大的社会效益和经济效益。二、单元要素（一）单元内容标准概念5基因工程赋予生物新的遗传特性5.1基因工程是一种重组DNA技术5.1.1概述基因工程是在遗传学微生物学生物化学和分子生物学等学科基础上发展来的5.1.2阐明DNA重组技术的实现需要利用限制性核酸内切酶、DNA连接酶和载体三种基本工具5.1.3阐明基因工程的基本操作程序主要包括目的基因的获取、基因表达载体的构建、目的基因导入受体细胞和目的基因及其表达产物的检测鉴定等步骤5.1.4举例说明基因工程在农牧，食品医药等行业的广泛应用，改善了人类的生活品质5.2蛋白质工程是基因工程的延伸5.2.1概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质5.2.2举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程（二）单元学习任务1.相关概念建构基因工程、蛋白质工程、限制酶、DNA连接酶、载体2.相关研究方法目的基因的筛选与获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞的常用方法、目的基因的检测与鉴定3.运用基因工程技术研发“黄金大米”、检测病毒基因、制备基因工程疫苗4.基因工程和蛋白质工程在农业、医药、工业生产中的应用（三）单元学习目标1.研读教材，说出基因工程和蛋白质工程的区别和联系，结合基因工程生产抗虫棉、胰岛素等实例，简述基因工程的基本工具、基本操作程序和应用，初步构建基因工程的知识体系。2.模拟DNA分子的重组过程，归纳基因工程基本工具的种类、特点及其作用，构建大肠杆菌生产重组人胰岛素的流程，总结基因工程的基本操作程序，阐明利用蛋白质工程改造天然胰岛素的基本思路，探讨转基因食品的利与弊。3.搜集并分析“黄金大米”、“新冠病毒核酸检测”等热点问题，阐述获得“黄金大米”的基本步骤，识图分析RT－PCR技术检测病毒基因的原理，科学分析“乙肝基因工程疫苗”的生产和使用过程，阐释基因工程疫苗比血源性疫苗更安全的原因。4.围绕基因工程的基本工具、操作程序、基因工程和蛋白质工程的联系与应用重构本单元，运用基因工程原理，辩证分析转基因技术、生殖性克隆在实际生产生活中的利与弊，从食品安全、社会伦理和社会价值等角度，对生物技术的安全性和伦理性问题等社会热点议题进行科学的评判。（四）单元学习计划学习阶段主要学习任务学时安排整体感知结合学程预习课本并厘清概念，借助思维导图建构知识体系。说出基因工程和蛋白质工程的区别和联系。1探究建构梳理大肠杆菌生产重组人胰岛素的流程，归纳基因工程的基本操作程序；阐明蛋白质工程改造天然胰岛素的基本思路，探讨转基因食品的利与弊。3应用迁移结合材料，阐述获得转基因“黄金大米”的基本步骤；说明RT－PCR技术中PCR反应体系设置不同温度参数的目的；阐释基因工程疫苗比血源性疫苗更安全的原因。1重构拓展重构基因工程基本工具、4个操作程序间的联系、基因工程和蛋白质工程的联系，运用基因工程原理，解决农牧业、医药卫生和食品工业等方面的问题。能够对生物技术的安全性和伦理性问题等社会热点议题进行科学的评判。2（五）单元学习资源学习阶段资源类别（课件微课素材资源包、习题、教案）资源分层（ABCT)整体感知学习活动1：基因工程视频“转基因棉花在中国”文本材料、学习活动2：基因工程知识体系文本TAT探究建构学习活动4：转基因胰岛素的生产视频学习活动6：“转基因大豆油对身体有什么危害吗”文本TB应用迁移学习活动7：“黄金大米”视频学习活动8：实时荧光RT－PCR技术视频学习活动9：基因工程疫苗的生产视频TAT重构拓展单元拓展：五种育种方式比较图片B（六）单元学习目标追求三、单元学习内容（一）整体感知基因工程—初步构建基因工程人类基因工程近年来，基于基因工程改造的CART细胞疗法在治疗血液类癌方面展现了强大疗效，研究人员也在积极探索CART治疗实体瘤的潜力,随着基因编辑技术的进步，我们已经可以实现在原代人T细胞中的特定位点精确整合目标基因。基因工程是在分子水平对生物遗传作人为干预,迄今为止，基因工程已经在从细菌到家畜的几乎所有生命体上做了实验，并取得了成功。事实上，所有用于治疗糖尿病的胰岛素都来自一种细菌，其DNA中被插入人类可产生胰岛素的基因，细菌便可自行复制胰岛素。基因工程技术使得许多植物具有了抗病虫害和抗除草剂的能力......什么是基因工程？培育转基因产品一般包括哪几个步骤？基因工程给我们的生产和生活带来了怎样的影响？【学习目标】1.研读教材，说出对基因工程和蛋白质工程的理解，比较两者之间的区别与联系。2.结合基因工程生产抗虫棉、胰岛素等实例，简述基因工程的基本工具、基本操作程序和应用，初步构建基因工程的知识体系。3.查阅材料，列举23个生产生活中的转基因生物或产品，并简述其产生过程。学习活动1：初步感知基因工程和蛋白质工程1.我国拥有自主知识产权的转基因抗虫棉就是基因工程的产物。什么是基因工程？基因工程的操作水平是什么？2.最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白,科学家通过改造它,获得了黃色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领技有着重要应用。科学家对蛋白质分子进行设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。简要说明蛋白质工程和基因工程有什么区别和联系？学习活动2：初步构建基因工程的基本工具和操作程序结合基因工程生产抗虫棉、胰岛素等实例，概述基因工程的基本工具及其作用、基因工程基本操作程序和应用，初步构建单元体系。（二）探究建构基因工程—重组人胰岛素重组胰岛素的生产与改造胰岛素是机体内唯一降低血糖的激素，广泛存在于人和动物的胰脏中。传统的生产胰岛素方法是从猪、牛等动物的胰腺中获取，但此方法生产成本极高。生产供为一个糖尿病病人使用一年的胰岛素，可能需要上千头牛。现如今随着基因工程的飞速发展，人们可以利用大肠杆菌作为受体获取“人胰岛素”。这种制备方法不仅产量高，而且具有免疫原性显著降低、生物活性强、吸收速率快等一系列优点。科学家还通过改造胰岛素基因实现了对胰岛素的改造，研发出速效胰岛素类似物。如何利用大肠杆菌生产重组胰岛素呢？科学家又是如何利用蛋白质工程改造胰岛素的呢？【学习目标】1.模拟DNA分子的重组过程，归纳基因工程基本工具的种类、特点及其作用。2.构建大肠杆菌生产重组人胰岛素的流程，总结基因工程的基本操作程序，阐述蛋白质工程改造天然胰岛素的基本思路，评价利用细菌生产蛋白质食品的可行性。3.分享交流转基因食品的利与弊，为合理利用转基因技术获得生物或产品提出23条建议。学习活动3：模拟DNA分子的重组请在两张纸条上分别写下以下两段DNA序列，并找到两条片段上EcoRI的识别序列和切割位点，用剪刀切割后形成的是什么类型的末端？尝试将下边DNA链上切下的片段重组到上边的DNA链切口处，请写出重组后的DNA序列。思考：重组后的DNA序列进入受体细胞需要借助“分子运输车”—载体，常用的载体有哪些？作为载体应具备怎样的条件？学习活动4：设计方案生产重组人胰岛素1.在生产重组人胰岛素的过程中，目的基因是什么？在生产制备过程中常用PCR技术获取和扩增目的基因，请总结PCR反应的基本条件和过程。2.胰岛素基因表达载体的构建有什么意义？它由哪几部分组成？分别有什么作用？3.什么是转化？将胰岛素基因导入大肠杆菌，常采用什么方法？若将目的基因导入植物细胞、动物受精卵细胞可采用什么方法？4.胰岛素基因进入大肠杆菌后，是否稳定维持和表达其遗传特性，只有通过检测与鉴定才能知道。请写出在分子水平检测和个体水平鉴定的方法。学习活动5：“改造”天然胰岛素随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展,蛋白质工程取得了很大的进展。目前,它已成为研究蛋白质结构和功能的重要手段,并将广泛应用于医药和其他工农业生产中。分析下列资料,回答问题。资料1在正常人体内,血液中胰岛素的含量通常在进食后30~60min达到高峰。而目前使用的胰岛素制剂,注射120min后其作用效果才出现高峰。实验证明,胰岛素在低浓度(小于109mol/L)时主要以单体形式存在,在高浓度(大于109mo/L)时以二聚体的形式存在,从而延长了胰岛素从注射部位进入血液所需的时间。资料2人胰岛素由A链和B链构成,其中B链的第20~29位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域。若将B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置,即可有效抑制胰岛素的聚合。这种改变结构的胰岛素不会形成二聚体，从而使胰岛素快速起作用。1.利用蛋白质工程改造天然胰岛素的基本思路是什么？2.能否根据人类需要的蛋白质结构，设计相应的基因，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？请说明理由。学习活动6：探讨基因工程应用的利弊目前，是否该在农业中采用转基因动植物已成为人们争论的焦点：支持者认为，转基因的农产品更容易生长，也含有更多的营养（甚至药物），有助于减缓世界范围内的饥荒和疾病；而反对者则认为，在农产品中引入新的基因会产生副作用，尤其是会破坏环境。随着基因工程应用的推广，近来，一些市民和媒体纷纷向市政府反映了他们对转基因农产品或转基因安全性的担忧，呼吁市政府制定条例对转基因生物及转基因食品的生产和销售加以控制。你对基因工程的应用及其产品又有怎样的看法呢？自主选择角色进行角色扮演，举办一场听证会，从不同立场分析基因工程应用的利弊。角色如下：A.基因工程研发人员角色B.转基因生物农场主或转基因食品生产商。C.环保志愿者D.消费者E.食品与药品检测监督部门。探讨转基因食品的利与弊，提出23条合理利用转基因技术获得生物或产品的建议。（三）应用迁移基因工程—解决食品工业和医药卫生问题基因工程的应用及前景基因工程在20世纪70年代兴起后，得到了飞速发展，在农牧业、医药卫生和食品工业方面，展示出了广阔的前景。研究证明，一些困扰人类健康的主要疾病，如心脑血管疾病、糖尿病、肝病、癌症等都与基因有关。找出这些基因并针对相应的病变区位进行药物筛选，甚至基于已有的基因知识来设计新药，就能“有的放矢”地修补或替换这些病变基因，从而根治顽症。医生还会根据各人不同的基因序列给予因人而异的指导，使其养成科学合理的生活习惯，最大可能地预防疾病。【学习目标】1.搜集并分析“黄金大米”等基因工程应用的资料，阐述获得转基因“黄金大米”的基本步骤，制定出防止目的基因和质粒自身环化和随意连接的措施。2.结合“新冠病毒核酸检测”等热点问题，分析RT－PCR技术检测病毒基因的原理，说明PCR反应体系设置不同温度参数的目的。3.结合情境资料，科学分析“乙肝基因工程疫苗”的生产和使用过程，阐释基因工程疫苗比血源性疫苗更安全的原因。学习活动7：转基因“黄金大米”八氢番茄红素合酶（其基因用psy表示）和胡萝卜素脱饱和酶（其基因用crtⅠ表示）参与β—胡萝卜素的合成。pmi为磷酸甘露醇异构酶基因，它编码的蛋白质可使细胞在特殊培养基上生长。科学家将pay和crtⅠ基因转入水稻，使水稻胚乳中富含β—胡萝卜素，其β胡萝卜素的含量是普通大米的23倍，因大米在抛光后呈黄色，由此产生的大米被称为“黄金大米”。请写出利用转基因技术获得富含β—胡萝卜素的“黄金大米”的基本操作程序。【拓展提升】在用甲、乙构建基因表达载体时，容易出现目的基因和质粒的自身环化和随意连接现象，请结合图示分析出现这种现象的原因，并说明如何保证目的基因和质粒的正向连接。学习活动8：利用RT－PCR技术检测病毒基因新冠病毒感染人体之后，首先会在呼吸道系统中进行繁殖，因此可以通过检测痰液、鼻咽拭子中的病毒核酸判断人体是否感染病毒。检测新型冠状病毒特异序列的方法最常见的是实时荧光RT—PCR技术。RT—PCR技术是将RNA的反转录（RT）和DNA的聚合酶链式扩增（PCR）相结合的技术。因PCR反应模板仅为DNA，因此在进行PCR反应前，应将新型冠状病毒核酸（RNA）经反转录酶的作用逆转录为cDNA，再以cDNA为模板，在DNA聚合酶作用下扩增合成目的片段。RT—PCR技术灵敏而且用途广泛，可用于检测细胞中基因表达水平、细胞中RNA病毒的含量和直接克隆特定基因的cDNA序列。请思考下列问题：1.提取RNA病毒的H基因时，提取液中需要加入盐酸胍以抑制RNA酶的活性，加入盐酸胍的目的是什么？2.以病毒的H基因为模板，设计上游引物H1和下游引物H2，用RT－PCR技术对目的基因进行扩增。PCR反应体系如下：H基因缓冲液等4种脱氧核苷酸上游引物H1下游引物H2①酶双蒸H2O2.5μL5μL0.5μL1μL1μL1μL14μL上表中的①酶有哪些？在PCR仪上依次设置不同的循环温度参数：45℃—45min，94℃—30s、55℃—45s、72℃—60s，多轮循环。其中45℃处理和72℃处理的目的分别是什么？3.将RT－PCR技术扩增后的产物进行电泳处理，结果如图所示。其中可能感染病毒的样品是什么？RT－PCR技术也可用于基因工程目的基因的检测与鉴定。该技术主要用于检测什么？4.实时荧光定量PCR技术因其灵敏度高，可用于对样品中特定DNA序列进行定量分析。将荧光标记的Taqman探针与待测样本DNA混合，当探针完整时，不产生荧光。在PCR过程中，与目的基因结合的探针被TaqDNA聚合酶水解，R与Q分离后，在特定光的激发下R发出荧光，随着循环次数的增加，荧光信号强度增加，通过实时检测荧光信号强度，可得Ct值(达到荧光阈值所经历的循环次数)。下列相关叙述正确的是（

）A．荧光基因R连接在探针的3’端B．该反应体系中并未加入ATP，所以新链的合成不需要消耗能量C．TaqDNA聚合酶在该反应中的作用是合成磷酸二酯键D．Ct值越小，说明样品中特定DNA序列的含量越多学习活动9：探究乙型肝炎疫苗乙型病毒性肝炎（viralhepatitistypeB）是由乙型肝炎病毒引起的以肝脏病变为主的一种传染病。临床上以食欲减退、恶心、上腹部不适、肝区痛、乏力为主要表现。部分患者可有黄疸发热和肝大伴有肝功能损害。有些患者可慢性化，甚至发展成肝硬化，少数可发展为肝癌。人类是乙型肝炎病毒的唯一宿主,接种乙肝疫苗是预防乙肝病毒感染的最有效方法，乙型肝炎疫苗的研制先后经历了血源性疫苗和基因工程疫苗阶段。如图为“乙肝基因工程疫苗”的生产和使用过程,质粒中lacz基因可使细菌利用加入培养基的物质Xgal,从而使菌落显现出蓝色,若无该基因,菌落则成白色。1.图中过程①有两种限制酶选择方案,它们分别是什么？你觉的哪种选择最好，请说明你的理由。2.如何筛选出含目的基因的重组质粒的大肠杆菌？请写出你的实验设计思路及现象。3.用基因工程疫苗接种比血源性疫苗更安全,试从疫苗的结构特点解释原因是什么？（四）重构拓展基因工程—重构基因工程体系基因工程的未来基因工程的诞生实现了在微生物、植物、动物之间的基因交流，人类以前不能实现的种种奇思妙想变为了现实。基因工程赋予了生物新的遗传特性，以人类需求为目标进行产品的开发，进而推动生物学的不断进步，提高人类生活质量。当今，国际上一项合作性的基因组测序计划正在大规模的实施中，眼下已取得了阶段的突破性研究进展，随着功能性基因不断被开发，分离及转基因技术的不断完善，转基因表达效率不断提高，21世纪基因工程研究必然有一个更大的发展。人类将因为有了基因工程会使寿命大大延长，生物的多样性将得到维护和发展……。科学家们纷纷发表文章称“基因工程，前