高中 | 第2节 基因表达与性状的关系 题目答案及解析

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必修二 遗传与进化

第四章 基因的表达

第2节 基因表达与性状的关系

聚乳酸是一种生物可降解塑料,可用化工方法生产,或用大肠杆菌以粮食为原料发酵生产。我国科研人员用合成生物学方法构建了蓝细菌细胞工厂来生产聚乳酸。

蓝细菌是能进行光合作用的                 养生物,所以用其生产聚乳酸可降低成本。

[["自"]]

蓝细菌含有藻蓝素和叶绿素,可以通过光合作用利用$\rm CO_{2}$来合成有机物,因此属于自养生物。

蓝细菌本身不具有聚乳酸合成途径,科研人员计划通过导入相关基因搭建以下代谢通路以合成聚乳酸(如图$\rm 1$

  

注:实线箭头表示蓝细菌原有代谢通路:虚线箭头表示导入相关酶基因后构建的新代谢通路。

①据图可知,引入的酶$\rm A$催化反应需$\rm NADH$作为还原剂,但蓝细菌通过                反应可以生成较多$\rm NADPH$,所以科研人员对酶$\rm A$进行                工程改造使其可利用$\rm NADPH$以提高生产效率。

②此外,科研人员还计划敲除酶$\rm D$基因,其目的是                                                                

[["

光;蛋白质;阻止蓝细菌合成酶$\\rm D$,抑制丙酮酸生成脂肪,使更多的丙酮酸用于合成聚乳酸

"]]

①蓝细菌可以进行光合作用,光合作用的光反应可以产生$\rm NADPH$,由题干可知,引入的酶$\rm A$催化反应需要$\rm NADH$(还原型辅酶Ⅰ)作为还原剂,$\rm NADPH$是还原性辅酶Ⅱ,也具有还原性,由于酶$\rm A$是蛋白质,若要使其能够利用$\rm NADPH$,需要对酶$\rm A$进行蛋白质工程改造。

②由图可知,酶$\rm D$可催化丙酮酸生成脂肪,若敲除$\rm D$基因,则酶$\rm D$缺乏,丙酮酸无法生成脂肪,更多的丙酮酸可用于生产聚乳酸。

为了选择最优启动子,科研人员构建了下图所示三种表达载体,并检测了酶$\rm B$和酶$\rm C$基因表达情况如图$\rm 2$

  

综合图$\rm 1$$\rm 2$可知,$\rm P_{t}$启动子是最优启动子,其依据是                                                                

[["

$\\rm L1$$\\rm L2$$\\rm L3$三种基因表达载体中,$\\rm L1$的酶$\\rm B$和酶$\\rm C$表达量最高,而$\\rm L1$中编码酶$\\rm B$和酶$\\rm C$的基因首端都是$\\rm P_{t}$启动子。

"]]

由图$\rm 1$可知,丙酮酸在酶$\rm A$催化作用下生成乳酸,乳酸在酶$\rm B$催化作用下生成乳酰辅酶$\rm A$,乳酰辅酶$\rm A$在酶$\rm C$的催化作用下生成聚乳酸,因此酶$\rm B$和酶$\rm C$的表达量越高,越有利于聚乳酸的合成。由图$\rm 2$可知,$\rm L1$$\rm L2$$\rm L3$三种基因表达载体中,无论是酶$\rm B$还是酶$\rm C$的表达量,都是$\rm L1$最高,而$\rm L1$中编码酶$\rm B$和酶$\rm C$的基因首端都是$\rm P_{t}$启动子,因此可推知$\rm P_{t}$启动子是最优启动子。

科研人员选择$\rm L1$表达载体导入受体细胞,并敲除酶$\rm D$基因,获得工程蓝细菌。然后将其在给予                 并通入                 的条件下进行培养,检测发现蓝细菌细胞工厂已经能生产较高产量的聚乳酸。

[["适宜光照","$\\rm CO_{2}$"]]

由图$\rm 1$可知,暗反应过程中生成丙酮酸可以经一系列反应最终生成聚乳酸,因此为了使蓝细菌高产聚乳酸,需要给其提供暗反应的原料即$\rm CO_{2}$,同时由上面分析可知,酶$\rm A$催化丙酮酸生成乳酸需要还原剂$\rm NADPH$,而$\rm NADPH$在光反应中形成,因此还需要给蓝细菌以适宜光照,才能有利于$\rm NADPH$合成,进而促进聚乳酸合成。

与原有的生产工艺相比,采用蓝细菌生产聚乳酸在优势是                                                                

[["

不会造成环境污染;可直接利用光能,减少粮食的消耗。

"]]

与化工方法生产聚乳酸相比,利用蓝细菌生产聚乳酸不会造成环境污染;与用大肠杆菌以粮食为原料发酵生产聚乳酸相比,利用蓝细菌生产聚乳酸可直接利用光能,减少粮食的消耗。

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