梁長余

(江蘇省常州市北郊高級中學(xué)東南大學(xué)附屬中學(xué) 213031)

蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是基因工程的延伸與發(fā)展?？v觀目前我國各版本的高中生物學(xué)教材，發(fā)現(xiàn)“基因工程的應(yīng)用”和“蛋白質(zhì)工程”的內(nèi)容均安排在選修3《現(xiàn)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(xué)中嘗試將不同版本教材相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行加工處理與優(yōu)化整合，以案例和提問的形式從利用基因工程技術(shù)改善生物性狀、獲取基因產(chǎn)品的角度組織教學(xué)，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(yǎng)豐富，是人們喜愛的一類果蔬。在普通番茄細(xì)胞中含有多聚半乳糖醛酸酶基因，控制細(xì)胞產(chǎn)生多聚半乳糖醛酸酶，該酶能破壞細(xì)胞壁，使番茄軟化，不耐貯藏。科學(xué)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?yán)没蚬こ淘O(shè)計抗軟化番茄的培育過程。

學(xué)生設(shè)計方案，小組討論完善，并講解設(shè)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(yán)重免疫缺陷疾病，這種疾病會使人的免疫系統(tǒng)完全失去作用?？茖W(xué)家曾對一名雙親均正常的患病女孩進(jìn)行臨床診斷，發(fā)現(xiàn)其致病的主要機(jī)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(jié)果導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)育失常，細(xì)胞損傷或死亡。1991年，美國批準(zhǔn)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(jī)理

教師引領(lǐng)學(xué)生分析圖形，了解基因治療的大體流程，并作適當(dāng)提醒：①基因治療不是對病變基因的修復(fù)和切除；②正?；驔]有改變病變基因的表達(dá)途徑，在基因治療的過程中，正?；?、病變基因都可以表達(dá)，由于正?；虻谋磉_(dá)掩蓋了病變基因的表達(dá)，使病人表現(xiàn)正常，最終達(dá)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(chǎn)品

圖3 SCID的基因治療過程

(①～④表示過程，A、B表示細(xì)胞或結(jié)構(gòu))

案例3 生產(chǎn)藥用蛋白——胰島素：近年來全世界糖尿病人數(shù)一直在快速增加，從1985年的3000萬人已增至3.66億，預(yù)計在今后20年內(nèi)全球糖尿病人數(shù)將達(dá)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(yīng)求的問題亟待解決。

問題：嘗試設(shè)計方案，通過基因工程生產(chǎn)人的胰島素。

圖4 乳腺生物反應(yīng)器設(shè)計方案

有多種設(shè)計方案，如工程菌生產(chǎn)、乳腺生物反應(yīng)器、膀胱生物反應(yīng)器等。教師引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)乳腺生物反應(yīng)器(圖4)，啟發(fā)學(xué)生對三種設(shè)計方案進(jìn)行多方位比較。例如，基因結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)水平、生產(chǎn)條件、生物性別(只能雌性)和年齡(哺乳期)等。

案例4 蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)胰島素：通過基因工程技術(shù)生產(chǎn)的胰島素進(jìn)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?？茖W(xué)家經(jīng)過不懈的努力，通過優(yōu)化設(shè)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(gòu)象，又能解聚為單體，提高了進(jìn)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(fā)學(xué)生回顧“中心法則”相關(guān)內(nèi)容，逆向推理，且蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、難以操作，即便改造成功，也不能遺傳給后代。這樣，蛋白質(zhì)工程的概念自然生成，即預(yù)期蛋白質(zhì)的功能→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→基因修飾或合成相應(yīng)的目的基因→構(gòu)建基因表達(dá)載體→導(dǎo)入受體細(xì)胞→產(chǎn)生相應(yīng)蛋白質(zhì)。

可見蛋白質(zhì)工程是基因工程的延伸與發(fā)展。蛋白質(zhì)工程不僅能更充分地利用自然界存在的基因和蛋白質(zhì)，而且能在分子水平上對其進(jìn)行再設(shè)計和改造，進(jìn)而創(chuàng)造出自然界不存在的基因和蛋白質(zhì)。

3梳理總結(jié)

將“改善生物性狀”和“獲取基因工程產(chǎn)品”及其相關(guān)案例進(jìn)行梳理和總結(jié)(圖5)，可使學(xué)生對蛋白質(zhì)工程和基因工程的應(yīng)用有更深入的認(rèn)識。

圖5 基因工程的應(yīng)用和蛋白質(zhì)工程及其案例