【Издательство PEP】Старшая школа, Биология, Выборочный обязательный курс, Книга 3: Макро-перспектива и инженерное мышление в генной инженерии

Генная инженерия — это не просто набор биологических лабораторных методов, а настоящая инженерная революция, основанная на«Проектирование-Сборка-Тестирование-Верификация (DBTV)»цикле. Она разрушает репродуктивную изоляцию между видами, рассматривая живые организмы как программируемые системы, и путем направленного манипулированияцелевыми генами(например, ген, кодирующийBt-инсектицидный белок), добивается точного изменения наследственных признаков по воле человека.

Логическая структура инженерного мышления

Выведение трансгенного Bt-хлопка в основном включает четыре этапа:скрининг и получение целевого гена, конструирование вектора экспрессии, введение целевого гена в клетки-реципиенты, а также детекция и идентификация целевого гена. Это модульное мышление требует предварительного прогнозирования совместимости на этапе проектирования, например, при конструировании «центрального узла» — вектора, необходимо заранее продумать логику подбора сайтов рестрикции.

Пример: Замкнутый цикл DBTV

Проектирование:определение гена Bt;Сборка:встраивание в плазмиду;Исполнение:трансформация агробактериями;Верификация:ПЦР-диагностика и тесты на устойчивость к насекомым. Это не просто набор технологий, а системный подход. По статистике, мировые площади под трансгенными культурами уже достигли $1.898 \times 10^8 \text{ hm}^2$.

ВОПРОС 1

Можно ли амплифицировать мРНК с помощью ПЦР?

Да, можно просто добавить мРНК в качестве матрицы в ПЦР-смесь

Нет, матрицей для ПЦР должна быть двухцепочечная ДНК, необходимо сначала провести обратную транскрипцию

Да, но необходимо использовать термостабильную РНК-полимеразу

ВОПРОС 2

Фокус раздела: каковы области применения генной инженерии?

Ограничивается сельским хозяйством, например, трансгенным хлопком

Главным образом в медицине, например, для производства интерферонов

Охватывает множество областей: сельское хозяйство, медицину, пищевую промышленность и другие

ВОПРОС 3

Какая рестриктаза при разрезании фрагмента B может дать фрагмент ДНК, соединимый с фрагментом ДНК, полученным при разрезании фрагмента A рестриктазой Spe I (5'-ACTAGT-3')?

Рестриктаза, сайт узнавания которой образует такие же липкие концы

Другая рестриктаза с точно такой же последовательностью узнавания

Рестриктаза, образующая тупые концы

ВОПРОС 4

Какой этап в процессе выведения трансгенного Bt-хлопка называют «центральным узлом»?

Скрининг и получение целевого гена

Конструирование вектора экспрессии гена

Введение целевого гена в клетки-реципиенты

ВОПРОС 5

Площадь выращивания Bt-хлопка в нашей стране достигла примерно $1.7 \times 10^6 \text{ hm}^2$. Это демонстрирует:

Эффект масштаба, достигнутый благодаря трансферу инженерных технологий

Ограниченность лабораторных технологий

Процесс естественного отбора в биологической эволюции

Обсуждение проекта по инженерии азотфиксации у риса

Решение проблемы загрязнения удобрениями на основе инженерного мышления

Корни риса не имеют клубеньковых бактерий, поэтому требуется внесение азотных удобрений. Ученые предложили два варианта: Вариант 1 — перенести гены азотфиксации в рис; Вариант 2 — модифицировать рис так, чтобы он мог вступать в симбиоз с клубеньковыми бактериями.

Если оба варианта будут реализованы, какой из них, по вашему мнению, более перспективен для внедрения? Обоснуйте свой ответ.

Ответ:
Это открытый вопрос. Аргументы за вариант 1: рис приобретает способность к самостоятельной азотфиксации, меньше зависит от факторов среды (например, численности популяции клубеньковых бактерий в почве), технологический процесс проще. Аргументы за вариант 2: более соответствует законам круговорота веществ в экосистеме, симбиотические отношения потенциально стабильнее, чем простая экспрессия нитрогеназы, и оценка безопасности может быть пройдена легче.

При реализации варианта 1, каков первый шаг «проектирования», который необходимо выполнить ученым?

Ответ:
Первым делом необходимо провести скрининг и получить целевой ген (ген азотфиксации), а затем, с учетом особенностей клеток риса, сконструировать подходящий вектор экспрессии, чтобы обеспечить правильную транскрипцию и трансляцию гена азотфиксации в клетках корня риса.