对“基因工程的应用”和“蛋白质工程”教学内容的优化整合

梁长余

(江苏省常州市北郊高级中学东南大学附属中学 213031)

蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，是基因工程的延伸与发展。纵观目前我国各版本的高中生物学教材，发现“基因工程的应用”和“蛋白质工程”的内容均安排在选修3《现代生物科技专题》，但对其的组织编排却差异很大。笔者在教学中尝试将不同版本教材相关内容进行加工处理与优化整合，以案例和提问的形式从利用基因工程技术改善生物性状、获取基因产品的角度组织教学，收到了较好的效果。

1改善生物的性状

案例1 抗软化番茄的培育：番茄是一种双子叶植物，其营养丰富，是人们喜爱的一类果蔬。在普通番茄细胞中含有多聚半乳糖醛酸酶基因，控制细胞产生多聚半乳糖醛酸酶，该酶能破坏细胞壁，使番茄软化，不耐贮藏。科学家通过基因工程成功培育出了抗软化番茄，这种番茄保鲜时间长，口味更佳(图1)。

问题：请尝试利用基因工程设计抗软化番茄的培育过程。

学生设计方案，小组讨论完善，并讲解设计思路，最后，教师作点评、修正，重温基因工程的操作流程。

案例2 基因治疗：以气泡娃娃的故事作为引子。SCID是一种严重免疫缺陷疾病，这种疾病会使人的免疫系统完全失去作用。科学家曾对一名双亲均正常的患病女孩进行临床诊断，发现其致病的主要机理如图2所示(ADA是腺苷酸脱氨酶，dATP是双链三磷酸腺苷)，最终结果导致细胞发育失常，细胞损伤或死亡。1991年，美国批准了人类第一个对该免疫缺陷遗传病(SCID)的基因治疗方案(图3)。

图1 通过基因工程培育抗软化番茄

图2 SCID的主要致病机理

教师引领学生分析图形，了解基因治疗的大体流程，并作适当提醒：①基因治疗不是对病变基因的修复和切除；②正常基因没有改变病变基因的表达途径，在基因治疗的过程中，正常基因、病变基因都可以表达，由于正常基因的表达掩盖了病变基因的表达，使病人表现正常，最终达到治疗疾病的目的；③基因治疗虽有成功案例，但目前仍处于临床试验阶段。

2获取基因产品

图3 SCID的基因治疗过程

(①～④表示过程，A、B表示细胞或结构)

案例3 生产药用蛋白——胰岛素：近年来全世界糖尿病人数一直在快速增加，从1985年的3000万人已增至3.66亿，预计在今后20年内全球糖尿病人数将达6亿。然而，从一头猪或牛的胰腺中只能取出3mL(300单位)胰岛素，而一位患者每天就需要40单位胰岛素，胰岛素供不应求的问题亟待解决。

问题：尝试设计方案，通过基因工程生产人的胰岛素。

图4 乳腺生物反应器设计方案

有多种设计方案，如工程菌生产、乳腺生物反应器、膀胱生物反应器等。教师引领学生学习乳腺生物反应器(图4)，启发学生对三种设计方案进行多方位比较。例如，基因结构、基因表达水平、生产条件、生物性别(只能雌性)和年龄(哺乳期)等。

案例4 蛋白质工程生产胰岛素：通过基因工程技术生产的胰岛素进入血液的速度缓慢，易于堆积在皮下聚合形成二聚体或多聚体。科学家经过不懈的努力，通过优化设计和定点诱变，将胰岛素分子上的两个氨基酸加以改变，即胰岛素B链B28脯氨酸-B29赖氨酸改为B28赖氨酸-B29脯氨酸，使改造后的胰岛素既保持了天然胰岛素分子的主要构象，又能解聚为单体，提高了进入血液的速度和高效性能。

问题：要获得高性能胰岛素，直接对天然胰岛素加以改造是否可行，为什么？你有更好的方案吗？

启发学生回顾“中心法则”相关内容，逆向推理，且蛋白质结构过于复杂、难以操作，即便改造成功，也不能遗传给后代。这样，蛋白质工程的概念自然生成，即预期蛋白质的功能→设计预期的蛋白质三维结构→推测应有的氨基酸序列→基因修饰或合成相应的目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→产生相应蛋白质。

可见蛋白质工程是基因工程的延伸与发展。蛋白质工程不仅能更充分地利用自然界存在的基因和蛋白质，而且能在分子水平上对其进行再设计和改造，进而创造出自然界不存在的基因和蛋白质。

3梳理总结

将“改善生物性状”和“获取基因工程产品”及其相关案例进行梳理和总结(图5)，可使学生对蛋白质工程和基因工程的应用有更深入的认识。

图5 基因工程的应用和蛋白质工程及其案例