生物技术思考题2

生物技术概论思考题1、基因工程的理论依据是什么？简述基因工程操作的基本技术路线。理论依据：（1）不同基因具有相同的物质基础。所有生物的DNA组成和基本结构都是一样的。（2）基因是可切割的。基因直线排列在DNA分子上。除少数基因重叠排列外，大多数存在着间隔序列。可以完整的一个一个地从DNA分子上切割下来。（3）基因是可以转移的。携带基因的DNA分子可以在不同生物体之间转移，或者在生物体内的染色体DNA上转移，还可以在不同染色体间跳跃，插入到靶DNA分子之中。多肽与基因之间存在对应关系。基因的转移或重组可根据其表达产物多肽的性质来考虑。（4）多肽与基因之间存在对应关系。一种多肽就有一种对应的基因（5）遗传密码是通用的。一系列三连密码子同氨基酸之间的对应关系，在所有生物中都相同。（6）基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代。经重组的基因一般来说是能传代的，可获得稳定的转基因生物。路线2、阐述基因工程的科学意义、应用价值及发展前景。利用生物技术知识分析转基因食品为什么可能存在风险。阐述基因工程的科学意义、应用价值及发展前景：基因工程是生物工程的一个重要分支，它和细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程共同组成了生物工程。它是用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质——DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新技术。它克服了远缘杂交的不亲和障碍。基因工程可应用于农牧业、食品工业、环境保护、医学等多个领域。科学界预言，21世纪是一个基因工程世纪。可能存在风险：1.基因技术采用耐抗菌素基因来标识转基因化的农作物，在基因食物进入人体后可能会影响抗生素对人体的药效，作物中的突变基因可能会导致新的疾病；2.转基因技术中的蛋白质转移可能会引起人体对原本不过敏的食物产生过敏，分割重组后的新的蛋白质性状是否完全符合我们设想的需求有待考证；3.基因的人工提炼和添加，有可能增加和积聚食物中原有的微量毒素，不可预见的生物突变.甚至会使原来的毒素水平提高，或产生新的毒素；4.对于生态系统而言，转基因食品是对特定物种进行干预，人为使之在生存环境中获得竞争优势，这必将使自然生存法则时效性破坏，引起生态平衡的变化，且基因化的生物、细菌、病毒等进入环境，保存或恢复是不可能的，其较化学或核污染严重，危害更是不可逆转。3、分离目的基因的途径有哪些？如何从PCR技术从生物材料中分离目的基因？途径：酶切直接分离法；PCR扩增法；化学合成法；构建基因组文库或cDNA文库分离法从PCR技术从生物材料中分离目的基因：4、怎样才能在体外大量培养哺乳动物细胞？开展干细胞研究对人类有何积极意义？大量培养哺乳动物细胞：意义：5、酶工程中米氏方程为，请推导该方程是如何得到的过程，在建立模型和推导时做了哪些假设，并解释Km的物理意义。三个假设：（1）酶E与底物S形成复合物ES，ES解离为E和产物P（2）S浓度比E浓度大得多，生成的产物量非常少（3）整个过程处于稳态，ES形成与分解相等Km值称为米氏常数，Vmax是酶被底物饱和时的反应速度，[S]为底物浓度。由此可见Km值的物理意义为反应速度（v）达到1/2Vmax时的底物浓度（即Km=[S]），单位一般为mol/L，只由酶的性质决定，而与酶的浓度无关蛋白质的分离纯化有哪些方法？各自的分离原理是什么？6、请列举至少一种将反应与分离耦合或集成的例子，并分析其是如何实现反应/分离过程集成的，利用了哪些原理？7、生物材料的特点包括构成物质简单而结构复杂＿、材料内部界面呈现逐渐过渡结构＿、从无序到有序的自组装过程＿、功能适应性＿、创伤自愈合特性＿和分级结构。8、天然生物材料进过亿万年的演变和进化，其结构和功能达到近乎完美的程度。在众多的天然生物材料中，贝壳珍珠层由于其独特的结构结构、极高的强度和良好的韧性而受到广泛关注。研究发现，贝壳珍珠层由文石片碳酸钙(约95%)及有机质(约5%)组成，其韧性是文石片的3000多倍，这种超常的力学性能归因于珍珠层独特的多尺度、多级次“砖-泥”组装结构。请从材料结构角度分析贝壳仿生材料的增韧机理。（1）（2）（3）（4）9、试论述降解植物纤维细胞壁的微生物和酶降解植物纤维细胞壁的微生物：植物纤维原料的腐朽有三种方式，即软腐、褐腐和白腐，分别降解植物纤维细胞壁中的一种或多种组分。基于纤维物料不同的腐朽方式，把腐朽菌分为白腐菌(white-rotfungi)、褐腐菌(brown-rotfungi)和软腐菌(soft-rotfungi)。一、降解植物纤维细胞壁的真菌：1、软腐真菌：它们都对碳水化合物的作用十分明显，但对木素的作用很少。主要有纤维水解毛壳菌、黑曲霉、里氏木霉、镰孢、微紫青霉和各种拟青霉、炭团菌、炭危菌等。2、褐腐真菌：它们也优先作用于纤维素和半纤维素，而对木素的降解很有限。包括茯苓、香干酪菌、密黏褶菌、洁丽香菇、革裥菌、粉孢革菌、硫色炯孔菌和松生拟层孔菌。3、白腐菌：是惟一可在任何范围内袭击植物细胞壁所有成分的木材腐朽菌。主要有黄孢原毛平革菌、杂色木云芝、双帽弧菌、射脉菌、灰腐质霉、粪生黑蛋巢菌、糙皮侧耳、蠕虫孢子角孔菌、二梭多孔菌以及焦菌。二、降解植物纤维细胞壁的裂殖菌：瘤胃菌是植物纤维细胞壁的主要降解者，它靠产生酶活作用于这些细胞壁的结构组分。这些细菌具有完整的多糖降解酶并同样具有附着于纤维的能力。这些菌种强烈地附着于部分降解的细胞壁，但仅仅侵蚀与细菌直接接触的部分或相邻的组分，一般来说，能完全降解植物细胞壁，但有时其作用在降解完成前就中断了。某些放线菌、菌丝状真细菌，也积极降解木质纤维素物料。链霉菌属黄绿链霉菌能快速繁殖在韧皮细胞并降解薄壁细胞和厚壁而高度木化的石细胞。进一步降解完全破坏薄壁细胞，而石细胞的细胞壁被侵蚀。链霉菌属绿色孢子链霉菌氧化解聚植物残渣的木素以及降解纤维素与半纤维素。典型的木质纤维材料降解细菌：假单胞杆菌，在分类学上它属于假单胞菌目，假单胞菌科。典型降解木质纤维材料的放线菌—链霉菌降解植物纤维细胞壁的酶：酶降解纤维素最少需要三种酶协同作用，另外氧化和磷酸化酶同样参与某些微生物对纤维素的降解。降解天然纤维素成为葡萄糖的酶有以下几种:①内切葡聚糖酶，它随机作用于葡萄糖链并切断1,4-β-葡糖苷链。②外切葡聚糖酶，常称纤维二糖降解酶，它从纤维素非还原性末端基分离纤维二糖而有时是葡萄糖。③l,4-β-葡糖苷酶，它降解纤维二糖和其他水溶性纤维糊精成为葡萄糖。半纤维素降解酶解聚半纤维素主链的主要有两种酶：内切-1,4-β-D-木糖酶；内切-1,4-β-D-甘露糖酶。木素降解酶漆酶、木素过氧化物酶(LiP)和锰过氧化物酶(MnP)；10、试论述漆酶生物漂白中木素和碳水化合物的反应LMS生物漂白中木素和碳水化合物的反应：(1)木素在LMS生物漂白中的反应:a.木素模型化合物发生四种类型的反应：芳环断裂、β-醚键断裂、Cα-Cβ断裂和Cα氧化。b.漆酶／HBTs系统能有效地脱除桦木KP浆的木素和经氧脱木素的桦木KP浆中的木素。c.紫丁香基结构比愈创木基型结构更容易与漆酶／HBTs反应。d.对羟苯基结构对LMS氧化是稳定的。c.生物漂白前后松木浆中残余木素没有太大变化。LMS主要诱导木素降解碎片与氧反应，导致从E段废液中分离的木素结构发生变化，而侧链如Cα-Cβ键的断裂在纸浆脱木素中起着重要作用。(2)LMS生物漂白对碳水化合物和己烯糖醛酸的影响：a.漆酶／HBTs处理实际上没有引起木聚糖的溶出，即使增加漆酶和HBTs用量或者提高处理温度，对纤维素和半纤维素也没有影响。b.LMS生物漂白前后浆中的己烯糖醛酸含量也大体相同，这清楚地表明，桦木KP浆中的己烯糖醛酸对漆酶／HBTs处理是稳定的。c.漆酶在HBTs存在下，并没有将纤维素中的羟基氧化成对碱不稳定的羰基。d.漆酶／HBTs与木素的高反应性能以及与碳水化合物的低反应性能，它非常适用于生产高质量纸浆。11、试论述韧皮纤维生物制浆的方法、特点(一)直接法：通常称为浸渍法。由能分解果胶质(pecto-cellulose)的微生物对果胶质进行的分解作用。它是指将能产生使纤维彼此解离的酶的微生物直接接种于纤维原料中，在微生物生长繁殖的同时，分泌大量的酶，使得将纤维黏结在一起的物质分解、溶出，从而使纤维彼此分离成浆。(1)自然发酵浸渍：它是利用附着在原料或者是由周围环境侵入，生长繁殖的各种微生物群体作用来制浆的方法。可分别在厌氧或好氧条件下进行。(2)增殖发酵浸渍：把有用的微生物人为地大量地接种于制浆原料配制的培养介质中，创造一种有利于该类微生物生长繁殖的环境条件，使之大量增殖，来加速生物浸渍制浆的进程。(3)纯种发酵浸渍：除接种的微生物以外，没有其他的微生物存在，在纯种培养液中对纤维原料进行生物制浆的过程。(二)间接法：也称为酶浸渍法，或者为酶法制浆(enzymaticpulping)。它是指将微生物维持在一定环境条件下，使其产生大量的酶，然后经酶浓缩、提取，加入到纤维原料的处理过程中。(三)与浸渍法相关的有用微生物：发酵浸渍法有关的果胶分解微生物很多，以曲霉(Aspergillus)、青霉(Penicillium)、毛霉(Mucor)、根霉(Rhizopus)等为主体；其他像半知菌有葡萄孢霉(Botrytiscinerea)、镰刀霉(Fusaricum)；细菌有厌氧性梭状芽孢杆菌(Clostridium)和好氧性芽孢杆菌(Bacillus)等。特点：造纸工业中，包括麻类在内的韧皮纤维生物法制浆是应用果胶酶或接种产果胶酶的微生物降解原料中的果胶质,使原料分散成纤维束或单纤维的过程。近年来,国内外对韧皮纤维脱胶的微生物种类及其酶学特征、影响脱胶的诸多因素以及酶解产物的动态变化开展了广泛的研究。与化学法相比，机械法制浆可以大大的提高纸浆得率，从而节约大量林木资源。但是，磨木浆的能量消耗很大，而且成品纸的强度等质量性能不如硫酸盐浆，因而限制了这项技术的发展。然而生物技术的引入有助于解决这些问题生物制浆是利用微生物所具有的分解木素的能力，来除去制浆原料或纸浆中的木素，使植物组织与纤维彼此分离制成纸浆的过程。目前，生物法制浆是指借助于微生物或微生物所产生的酶的作用，进行生物预处理，再与相应的制浆过程相结合而生产纸浆的过程。生物制浆的优点减少制浆的能耗、提高纸质量和设备生产能力、减少制浆对环境的污染这种无污染零排放的生产工艺技术无疑是项国际领先专利技术，符合国家的各项政策导向：1、是环保项目：消除造纸行业污染，净化国土、造福于子孙后代。2、是节能项目：节省大量水、电、煤。3、是扶贫项目：增加全国各地农民收入、变废为宝，过去很多地区的农民将稻麦草烧掉、污染环境。4、是替代进口节省外汇项目，纸浆进口花费大量国家外汇，生物制浆提高纸浆质量，可用草浆代替进口木浆。5、可实现农业可持续发展：草类资源是循环再生永久性持续资源，稻草、麦草、芦苇、甘蔗渣、玉米秸、、龙须草、竹子、速生林等各种植物都是生物制浆的原料。6、增加各乡、镇、地、市的财政税收。等。12、试论述生物制浆过程存在的主要障碍。对微生物的要求：繁殖速度快，分解木素能力极强，尽可能少分解或不分解纤维素等。目前从自然界分离到的白腐菌菌株及经诱变处理选育得到的木素降解酶产生菌，其降解木素的能力还远没有达到生物制浆的要求。1、木素的存在状况2、生物制浆过程中存在的主要困难（1）木素生物降解的困难性（2）木素降解酶产生菌扩大培养的困难性（3）生物制浆过程中伴有纤维素的降解木素的含量与结构随原料种类不同而不同。原料细胞壁中，不同区域的木素含量与结构也不同。木素和半纤维素的混合物填充于微细纤维之间，木素与半纤维素之间存在化学连接，形成木素与碳水化合物复合体（LCC）。1）木素生物降解的困难性①木素是植物组织进化的产物，它使树干的化学和物理性能得以强化，以增强对恶劣环境的抵抗能力，因