對“基因工程的應用”和“蛋白質工程”教學內容的優化整合

梁長余

(江蘇省常州市北郊高級中學東南大學附屬中學 213031)

蛋白質工程是在基因工程的基礎上發展起來的，是基因工程的延伸與發展。縱觀目前我國各版本的高中生物學教材，發現“基因工程的應用”和“蛋白質工程”的內容均安排在選修3《現代生物科技專題》，但對其的組織編排卻差異很大。筆者在教學中嘗試將不同版本教材相關內容進行加工處理與優化整合，以案例和提問的形式從利用基因工程技術改善生物性狀、獲取基因產品的角度組織教學，收到了較好的效果。

1改善生物的性狀

案例1 抗軟化番茄的培育：番茄是一種雙子葉植物，其營養豐富，是人們喜愛的一類果蔬。在普通番茄細胞中含有多聚半乳糖醛酸酶基因，控制細胞產生多聚半乳糖醛酸酶，該酶能破壞細胞壁，使番茄軟化，不耐貯藏。科學家通過基因工程成功培育出了抗軟化番茄，這種番茄保鮮時間長，口味更佳(圖1)。

問題：請嘗試利用基因工程設計抗軟化番茄的培育過程。

學生設計方案，小組討論完善，并講解設計思路，最后，教師作點評、修正，重溫基因工程的操作流程。

案例2 基因治療：以氣泡娃娃的故事作為引子。SCID是一種嚴重免疫缺陷疾病，這種疾病會使人的免疫系統完全失去作用。科學家曾對一名雙親均正常的患病女孩進行臨床診斷，發現其致病的主要機理如圖2所示(ADA是腺苷酸脫氨酶，dATP是雙鏈三磷酸腺苷)，最終結果導致細胞發育失常，細胞損傷或死亡。1991年，美國批準了人類第一個對該免疫缺陷遺傳病(SCID)的基因治療方案(圖3)。

圖1 通過基因工程培育抗軟化番茄

圖2 SCID的主要致病機理

教師引領學生分析圖形，了解基因治療的大體流程，并作適當提醒：①基因治療不是對病變基因的修復和切除；②正常基因沒有改變病變基因的表達途徑，在基因治療的過程中，正常基因、病變基因都可以表達，由于正常基因的表達掩蓋了病變基因的表達，使病人表現正常，最終達到治療疾病的目的；③基因治療雖有成功案例，但目前仍處于臨床試驗階段。

2獲取基因產品

圖3 SCID的基因治療過程

(①～④表示過程，A、B表示細胞或結構)

案例3 生產藥用蛋白——胰島素：近年來全世界糖尿病人數一直在快速增加，從1985年的3000萬人已增至3.66億，預計在今后20年內全球糖尿病人數將達6億。然而，從一頭豬或牛的胰腺中只能取出3mL(300單位)胰島素，而一位患者每天就需要40單位胰島素，胰島素供不應求的問題亟待解決。

問題：嘗試設計方案，通過基因工程生產人的胰島素。

圖4 乳腺生物反應器設計方案

有多種設計方案，如工程菌生產、乳腺生物反應器、膀胱生物反應器等。教師引領學生學習乳腺生物反應器(圖4)，啟發學生對三種設計方案進行多方位比較。例如，基因結構、基因表達水平、生產條件、生物性別(只能雌性)和年齡(哺乳期)等。

案例4 蛋白質工程生產胰島素：通過基因工程技術生產的胰島素進入血液的速度緩慢，易于堆積在皮下聚合形成二聚體或多聚體。科學家經過不懈的努力，通過優化設計和定點誘變，將胰島素分子上的兩個氨基酸加以改變，即胰島素B鏈B28脯氨酸-B29賴氨酸改為B28賴氨酸-B29脯氨酸，使改造后的胰島素既保持了天然胰島素分子的主要構象，又能解聚為單體，提高了進入血液的速度和高效性能。

問題：要獲得高性能胰島素，直接對天然胰島素加以改造是否可行，為什么？你有更好的方案嗎？

啟發學生回顧“中心法則”相關內容，逆向推理，且蛋白質結構過于復雜、難以操作，即便改造成功，也不能遺傳給后代。這樣，蛋白質工程的概念自然生成，即預期蛋白質的功能→設計預期的蛋白質三維結構→推測應有的氨基酸序列→基因修飾或合成相應的目的基因→構建基因表達載體→導入受體細胞→產生相應蛋白質。

可見蛋白質工程是基因工程的延伸與發展。蛋白質工程不僅能更充分地利用自然界存在的基因和蛋白質，而且能在分子水平上對其進行再設計和改造，進而創造出自然界不存在的基因和蛋白質。

3梳理總結

將“改善生物性狀”和“獲取基因工程產品”及其相關案例進行梳理和總結(圖5)，可使學生對蛋白質工程和基因工程的應用有更深入的認識。

圖5 基因工程的應用和蛋白質工程及其案例