2025年合成生物学(合成生物材料与应用)试卷及答案

2025年合成生物学(合成生物材料与应用)试卷及答案一、单项选择题（共15题，每题2分，共30分）1.以下哪种微生物是合成生物材料领域最常用的异源宿主菌株？A.酿酒酵母（Saccharomycescerevisiae）B.枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）C.大肠杆菌（Escherichiacoli）D.谷氨酸棒杆菌（Corynebacteriumglutamicum）2.生物3D打印技术中，用于构建合成生物材料支架的“生物墨水”核心成分通常是？A.金属纳米颗粒B.重组蛋白或多糖水凝胶C.聚乳酸（PLA）塑料颗粒D.陶瓷粉末3.以下哪种合成生物材料的构建不依赖基因编辑技术？A.重组蜘蛛丝蛋白纤维B.微生物合成的聚羟基脂肪酸酯（PHA）C.酶催化合成的壳聚糖衍生物D.工程酵母生产的胶原蛋白4.合成生物材料设计中，“模块化设计”的核心目的是？A.降低材料生产成本B.实现功能单元的可替换与组合C.提高材料的机械强度D.缩短研发周期5.无细胞合成系统在合成生物材料中的主要优势是？A.无需维持细胞活性，反应条件灵活B.可直接利用复杂代谢网络C.产物分泌效率更高D.适合长期连续生产6.以下哪种材料属于“智能响应型合成生物材料”？A.大肠杆菌合成的聚3羟基丁酸酯（PHB）B.温度敏感型重组弹性蛋白水凝胶C.工程蓝细菌生产的纤维素D.酵母表达的人源化胶原蛋白7.合成生物材料的“生物相容性”主要指？A.材料在自然环境中的降解速率B.材料与生物体组织、细胞的相互适应能力C.材料对微生物的抑制效果D.材料与其他人工材料的结合强度8.构建微生物合成平台时，“代谢途径正交化”的主要策略是？A.敲除宿主原有代谢路径B.引入异源酶并优化其与宿主的兼容性C.提高宿主的生长速率D.增加目标产物的分泌效率9.以下哪种技术可用于定量分析合成生物材料的力学性能？A.扫描电子显微镜（SEM）B.动态力学分析（DMA）C.荧光定量PCR（qPCR）D.高效液相色谱（HPLC）10.合成生物材料规模化生产中，“碳源利用效率”的关键影响因素是？A.发酵罐的搅拌速度B.目标产物的分子量C.代谢路径的热力学效率D.宿主菌株的抗生素抗性11.以下哪种蛋白质是合成生物材料中常用的“自组装模块”？A.血红蛋白B.丝心蛋白（Fibroin）C.免疫球蛋白D.肌动蛋白12.用于骨组织工程的合成生物材料需具备的关键特性不包括？A.与骨基质的矿化相容性B.可控的降解速率C.高导电性D.适宜的孔隙率13.合成生物材料“功能验证”的核心步骤是？A.基因测序确认构建成功B.体外细胞实验与体内动物实验C.发酵条件优化D.材料成分的质谱分析14.以下哪种方法可用于提高微生物合成PHA的分子量？A.缩短发酵时间B.增加碳源中脂肪酸的比例C.敲除PHA解聚酶基因D.降低发酵温度15.合成生物材料在包装领域的应用优势不包括？A.可完全生物降解B.原料来源可再生（如葡萄糖）C.生产成本显著低于石油基塑料D.可通过基因编辑赋予抗菌功能二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分，错选、漏选均不得分）1.合成生物材料的设计原则包括？A.功能导向性（TargetedFunctionality）B.模块化（Modularity）C.可预测性（Predictability）D.生物安全性（Biosafety）2.以下哪些技术可用于表征合成生物材料的微观结构？A.X射线衍射（XRD）B.原子力显微镜（AFM）C.核磁共振（NMR）D.流式细胞术（FCM）3.微生物合成多糖类生物材料（如透明质酸）的关键调控节点包括？A.前体物质（如UDP葡萄糖）的供应B.糖基转移酶的表达水平C.宿主的渗透压耐受能力D.产物的分泌效率4.合成生物材料在医疗领域的应用案例包括？A.工程细菌生产的可降解手术缝合线B.重组胶原蛋白填充剂用于皮肤修复C.微生物合成的抗菌肽涂层医疗器械D.酵母表达的病毒样颗粒（VLPs）疫苗载体5.制约合成生物材料大规模产业化的主要瓶颈有？A.目标产物的分离纯化成本高B.宿主菌株的遗传稳定性不足C.发酵过程的工艺放大难度大D.公众对基因编辑生物的接受度低三、填空题（共10空，每空2分，共20分）1.合成生物材料的核心构建策略包括异源合成、元件优化和__________。2.CRISPRCas9系统在合成生物材料构建中的主要作用是__________。3.聚羟基脂肪酸酯（PHA）的重复单元结构为__________（用化学结构式或名称表示）。4.蛋白质基生物材料的自组装驱动力主要包括氢键、疏水相互作用和__________。5.生物3D打印中，“交联”步骤的目的是__________。6.无细胞合成系统中，能量供应通常通过添加__________（如ATP或磷酸烯醇式丙酮酸）实现。7.合成生物材料的“降解可控性”可通过调控材料的__________（如结晶度、分子量）或引入敏感型结构（如二硫键）实现。8.工程菌株代谢路径优化的常用方法包括酶活性调节、代谢流重定向和__________。9.评价合成生物材料“环境友好性”的关键指标是__________（如降解产物的毒性、碳足迹）。10.蜘蛛丝蛋白的高强度特性主要源于其分子中__________（如β折叠片层）的有序排列。四、简答题（共4题，第12题每题8分，第34题每题9分，共34分）1.（封闭型）简述基因回路（GeneticCircuit）在合成生物材料功能调控中的应用原理。2.（封闭型）比较微生物发酵法与无细胞合成法生产合成生物材料的优缺点（需各列出3点）。3.（开放型）分析合成生物材料在替代传统石油基塑料时面临的技术挑战（至少5点）。4.（开放型）以“可降解血管支架”为例，说明合成生物材料的设计需考虑哪些关键性能指标（至少6点）。五、应用题（共2题，第1题12分，第2题19分，共31分）1.（计算类）某工程菌株利用葡萄糖（C₆H₁₂O₆）为碳源合成聚乳酸（PLA，(C₃H₄O₂)ₙ），其代谢路径为：葡萄糖→2丙酮酸→2乳酸→PLA（假设乳酸聚合无碳损失）。（1）计算每摩尔葡萄糖理论上可合成的PLA质量（PLA的摩尔质量为72ng/mol，n为聚合度）；（2）若实际发酵中葡萄糖到乳酸的转化率为85%，乳酸到PLA的聚合效率为90%，计算1吨葡萄糖的实际PLA产量（保留2位小数）。2.（综合分析类）某团队计划开发一种基于工程大肠杆菌的合成生物材料，目标是替代传统聚氨酯用于环保型鞋底生产。需完成以下任务：（1）设计该材料的核心功能模块（需包含生物组分与功能描述）；（2）提出3种提高大肠杆菌合成目标材料产量的代谢工程策略；（3）列出该材料需验证的关键性能指标（至少5项）；（4）分析规模化生产时可能遇到的工艺挑战（至少3项）。答案及解析一、单项选择题1.C（大肠杆菌是最常用的异源宿主，遗传背景清晰，操作简便）2.B（生物墨水需支持细胞存活或生物大分子功能，通常为重组蛋白或多糖水凝胶）3.C（酶催化合成无需修改宿主基因，其他选项均涉及基因编辑）4.B（模块化设计便于功能单元的替换与组合，是合成生物学的核心原则）5.A（无细胞系统无需维持细胞活性，反应条件更灵活）6.B（温度敏感型材料可响应环境变化，属于智能材料）7.B（生物相容性指材料与生物体的相互适应能力）8.B（代谢途径正交化通过引入异源酶并优化其与宿主的兼容性实现）9.B（动态力学分析（DMA）用于定量材料的力学性能）10.C（代谢路径的热力学效率直接影响碳源利用效率）11.B（丝心蛋白是典型的自组装模块，可形成有序纤维）12.C（骨组织工程材料无需高导电性）13.B（功能验证需通过细胞和动物实验确认实际效果）14.C（敲除PHA解聚酶可减少降解，提高分子量）15.C（当前合成生物材料成本通常高于石油基塑料）二、多项选择题1.ABCD（均为合成生物材料的核心设计原则）2.ABC（流式细胞术用于细胞分析，不用于材料微观结构表征）3.ABCD（前体供应、酶活性、渗透压耐受、分泌效率均影响多糖合成）4.ABCD（均为医疗领域的实际应用案例）5.ABCD（均为产业化的主要瓶颈）三、填空题1.底盘细胞改造（或“宿主优化”）2.精确编辑宿主基因组（或“基因敲除/插入”）3.R3羟基脂肪酸（或结构式：CH₃CH(OH)CH₂CO）4.范德华力（或“离子键”）5.固定材料结构，提高机械强度6.高能磷酸化合物7.化学组成（或“分子结构”）8.辅因子平衡（或“代谢节点调控”）9.生物降解率（或“生命周期评估”）10.二级结构（或“β折叠结构”）四、简答题1.基因回路通过将调控元件（如启动子、转录因子）与目标基因连接，构建可响应环境信号（如温度、小分子）的遗传调控网络。例如，设计一个温度敏感型回路：当温度升高时，转录因子激活，启动目标材料合成基因的表达；温度降低时，回路关闭，停止合成。通过这种方式，可实现材料合成的时空可控性，或根据需求调节材料的组成与性能（如分子量、交联度）。2.微生物发酵法优点：①利用完整代谢网络，可合成复杂分子；②可通过发酵工艺优化提高产量；③适合长期连续生产。缺点：①需维持细胞活性，反应条件受限；②副产物多，纯化难度大；③基因稳定性可能影响批次一致性。无细胞合成法优点：①无需维持细胞活性，反应条件灵活（如高温、添加有毒底物）；②无副产物干扰，产物纯度高；③反应体系简单，易于调控。缺点：①依赖外源添加辅酶（如ATP），成本高；②缺乏代谢网络支持，仅能合成简单分子；③无法实现长期连续生产（酶易失活）。3.技术挑战包括：①材料性能不足（如机械强度、耐水性低于传统塑料）；②生产成本高（发酵、纯化工艺复杂）；③规模化放大困难（小试到中试的工艺参数难以匹配）；④降解可控性差（环境中降解速率不可预测）；⑤原料利用效率低（碳源到目标产物的转化率不足）；⑥功能修饰难度大（如抗菌、着色等附加功能需额外工艺）。4.可降解血管支架的关键性能指标：①机械强度（需支撑血管，避免塌陷）；②降解速率（需与血管再生速率匹配，通常612个月完全降解）；③生物相容性（无免疫排斥，不引发血栓）；④表面亲水性（促进内皮细胞黏附与生长）；⑤孔隙率（适宜孔隙结构利于营养物质交换）；⑥抗钙化能力（避免支架表面钙盐沉积）；⑦载药功能（可负载抗增殖药物，预防再狭窄）。五、应用题1.（1）葡萄糖（C₆H₁₂O₆）→2丙酮酸（C₃H₄O₃）→2乳酸（C₃H₆O₃）→PLA（(C₃H₄O₂)ₙ）。每摩尔葡萄糖生成2摩尔乳酸，乳酸脱水聚合为PLA时，每分子乳酸脱去1分子水（H₂O），即乳酸（C₃H₆O₃）→PLA单元（C₃H₄O₂）+H₂O。因此，2摩尔乳酸可生成2摩尔PLA单元（n=2时，PLA摩尔质量为72×2=144g/mol）。葡萄糖摩尔质量为180g/mol，2摩尔PLA单元质量为2×72=144g（n=1时，PLA单元摩尔质量为72g/mol）。因此，每摩尔葡萄糖理论可合成144gPLA（n=2时），或简化为每摩尔葡萄糖生成2×(72n)/n=144gPLA（与n无关）。（2）1吨葡萄糖=1,000,000g，物质的量=1,000,000/180≈5555.56mol。理论乳酸产量=5555.56×2×85%=9444.45mol。实际PLA产量=9444.45×90%×72g（PLA单元摩尔质量72g/mol）=9444.45×0.9×72≈612,000g=612.00kg。2.（1）核心功能模块设计：弹性模块：表达重组弹性蛋白（如人源弹性蛋白重复序列），赋予材料高弹性；强度模块：表达蜘蛛丝蛋白（如MaSp1）的β折叠结构域，提高拉伸强度；交联模块：表达酪氨酸酶，催化酪氨酸残基形成二硫键或多巴键，增强材料交联度；疏水模块：表达脂肪酸修饰酶（如脂酰转移酶），在蛋白表面连接短链脂肪酸，提高耐水性。（2）代谢工程策略：①过