非选择题-解答题 较难0.4 引用2 组卷513
阅读下列材料,并回答问题:
纤维素酶的分子改造
纤维素酶的分子改造先后经历了以下 3 个阶段:以定点突变为基础的“定点理性设计”;以易错 PCR等技术主导的“定向进化”;以数据驱动设计或结构生物信息学指导的“结构理性设计”。
20世纪80年代,随着定点突变技术的快速发展,纤维素酶理性改造策略应运而生。该技术的基本思路是:先研究分析纤维素酶的三维结构信息,再基于对其结构与功能关系的理解,选定特定的氨基酸进行改造,找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。常用的定点突变技术是重叠延伸PCR(过程如图1),可对目的基因特定碱基进行定点替换、缺失或者插入,实现对目的蛋白的改造。
然而,目前仅获得了纤维素酶家族的少数成员三维结构,通过定点突变为代表的理性设计进行纤维素酶分子的改造在短期内仍难以获得广泛的成效。因此,采用“非理性”设计就成为一种重要的研究手段。所谓“非理性”设计,即定向进化,就是在对蛋白质的三维结构及催化机制不是很清楚的条件下,模拟自然进化过程,利用易错PCR等技术对基因进行随机突变,提高基因突变频率和基因突变的多样性,并与定向筛选策略相结合,最终获得具有某些优良特性的酶分子(过程如图2)。
尽管定向进化技术在对纤维素酶进行改造时可能会得到意想不到的“有益收获”,但由于对要改造的蛋白质分子结构信息并不清楚,因此操作起来具有明显的“盲目性”。
近十年随着计算机运算能力大幅提升以及先进算法不断涌现,计算机辅助蛋白质设计改造得到了极大的重视和发展,形成了“结构理性设计”的新策略。这一策略借助蛋白质保守位点及蛋白质的三维结构分析,通过非随机的方式选取若干个氨基酸位点作为改造靶点,并结合有效密码子的理性选用,构建“小而精”的突变体文库。与定向进化相比,“结构理性设计”可提供明确的改造方案,大幅降低建立、筛选突变体文库所需的工作量,增大理性设计成功的概率。
(1)纤维素酶的分子改造过程属于_____ 工程。
(2)根据图1所示的重叠延伸PCR过程,回答下列问题。
①该过程应该分别选择图中所示的哪种引物?请填写以下表格(若选用该引物划“√”,若不选用该引物划“×”)。_____
②重叠延伸PCR通过_____ 实现定点突变,引物b和c上的突变位点的碱基应_____ 。PCR1和PCR2需要分别进行的原因是______ 。
(3)请据图2写出用定向进化策略改造纤维素酶的操作过程____ 。
(4)用定向进化策略改造纤维素酶,下列哪些说法正确?_____ 。
A.定向进化策略可以使纤维素酶朝着人们需要的方向进化
B.定向进化策略获得的纤维素酶的基因序列在筛选前是已知的
C.定向进化策略的实质是达尔文进化论在分子水平上的延伸和应用
D.与定点诱变相比,定向进化策略不需解析酶的结构和功能,更接近自然进化过程
E。基因工程技术是定向进化策略改造纤维素酶的基础
(5)有人认为,以数据驱动设计或结构生物信息学指导的“结构理性设计”必将成为纤维素酶的分子改造的主流方向。该说法是否正确,请结合本文作出判断,并撰写一段文字,向公众进行科学解释_____ 。
纤维素酶的分子改造
纤维素酶的分子改造先后经历了以下 3 个阶段:以定点突变为基础的“定点理性设计”;以易错 PCR等技术主导的“定向进化”;以数据驱动设计或结构生物信息学指导的“结构理性设计”。
20世纪80年代,随着定点突变技术的快速发展,纤维素酶理性改造策略应运而生。该技术的基本思路是:先研究分析纤维素酶的三维结构信息,再基于对其结构与功能关系的理解,选定特定的氨基酸进行改造,找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。常用的定点突变技术是重叠延伸PCR(过程如图1),可对目的基因特定碱基进行定点替换、缺失或者插入,实现对目的蛋白的改造。
然而,目前仅获得了纤维素酶家族的少数成员三维结构,通过定点突变为代表的理性设计进行纤维素酶分子的改造在短期内仍难以获得广泛的成效。因此,采用“非理性”设计就成为一种重要的研究手段。所谓“非理性”设计,即定向进化,就是在对蛋白质的三维结构及催化机制不是很清楚的条件下,模拟自然进化过程,利用易错PCR等技术对基因进行随机突变,提高基因突变频率和基因突变的多样性,并与定向筛选策略相结合,最终获得具有某些优良特性的酶分子(过程如图2)。
尽管定向进化技术在对纤维素酶进行改造时可能会得到意想不到的“有益收获”,但由于对要改造的蛋白质分子结构信息并不清楚,因此操作起来具有明显的“盲目性”。
近十年随着计算机运算能力大幅提升以及先进算法不断涌现,计算机辅助蛋白质设计改造得到了极大的重视和发展,形成了“结构理性设计”的新策略。这一策略借助蛋白质保守位点及蛋白质的三维结构分析,通过非随机的方式选取若干个氨基酸位点作为改造靶点,并结合有效密码子的理性选用,构建“小而精”的突变体文库。与定向进化相比,“结构理性设计”可提供明确的改造方案,大幅降低建立、筛选突变体文库所需的工作量,增大理性设计成功的概率。
(1)纤维素酶的分子改造过程属于
(2)根据图1所示的重叠延伸PCR过程,回答下列问题。
①该过程应该分别选择图中所示的哪种引物?请填写以下表格(若选用该引物划“√”,若不选用该引物划“×”)。
引物a | 引物b | 引物c | 引物d | |
PCR1 | ||||
PCR2 | ||||
重叠延伸 |
②重叠延伸PCR通过
(3)请据图2写出用定向进化策略改造纤维素酶的操作过程
(4)用定向进化策略改造纤维素酶,下列哪些说法正确?
A.定向进化策略可以使纤维素酶朝着人们需要的方向进化
B.定向进化策略获得的纤维素酶的基因序列在筛选前是已知的
C.定向进化策略的实质是达尔文进化论在分子水平上的延伸和应用
D.与定点诱变相比,定向进化策略不需解析酶的结构和功能,更接近自然进化过程
E。基因工程技术是定向进化策略改造纤维素酶的基础
(5)有人认为,以数据驱动设计或结构生物信息学指导的“结构理性设计”必将成为纤维素酶的分子改造的主流方向。该说法是否正确,请结合本文作出判断,并撰写一段文字,向公众进行科学解释
20-21高三上·北京朝阳·期末
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人体内的t-PA蛋白能高效降解血栓,是心梗和脑血栓的急救药。然而,为心梗患者注射大剂量的基因工程t-PA会诱发颅内出血。研究证实,将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸,能显著降低出血副作用。据此,先对天然的t-PA基因进行序列改造,然后再采取传统的基因工程方法表达该突变基因,可制造出性能优异的t-PA突变蛋白。图12是通过重叠延伸PCR技术获取t-PA改良基因和利用质粒pCLYII构建含t-PA改良基因的重组质粒示意图(图中重叠延伸PCR过程中引物a、b用来扩增突变位点的上游DNA序列,引物c、d用来扩增突变位点的下游DNA序列)。
(1)科学家将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸,生产出性能优良的t-PA突变蛋白属于____。
(2)该案例中改造t-PA突变蛋白的策略是____。
(3)获得性能优良的t-PA突变蛋白的正确顺序是____ (选择正确的编号并进行排序)。
① t-PA蛋白功能分析和结构设计
②借助易错PCR技术对t-PA基因进行随机突变
③借助定点突变改造t-PA基因序列
④检验t-PA蛋白的结构和功能
⑤设计t-PA蛋白氨基酸序列和基因序列
⑥利用工程菌发酵合成t-PA蛋白
(4)已知t-PA蛋白第84为是半胱氨酸,相应的基因模板链(图中t-PA基因的上链)上的碱基序列是ACA,丝氨酸的密码子是UCU。重叠延伸PCR示意图中的黑点便是突变部位的碱基,引物b中该突变位点的碱基序列是____ 。引物C该突变位点的碱基是____ 。
(5)据图可知,PCR3时,需要的引物是____。(选填编号)
(6)关于PCR技术所需DNA聚合酶的说法正确的是____。
(7)若获得的t-PA突变基因如图所示,那么质粒pCLY11需用限制酶____ 切开,才能与t-PA突变基因高效连接。
(8)mnlacZ表达产物会把细胞染色蓝色,否则为白色。将转化后的大肠杆菌接种在含有____ 的培养基上进行筛选,含重组质粒的大肠杆菌应具有的表型是____ 。
(1)科学家将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸,生产出性能优良的t-PA突变蛋白属于____。
A.基因工程 | B.蛋白质工程 |
C.发酵工程 | D.细胞工程 |
(2)该案例中改造t-PA突变蛋白的策略是____。
A.定点突变 | B.定向进化 |
C.物理诱变 | D.重新设计 |
(3)获得性能优良的t-PA突变蛋白的正确顺序是
① t-PA蛋白功能分析和结构设计
②借助易错PCR技术对t-PA基因进行随机突变
③借助定点突变改造t-PA基因序列
④检验t-PA蛋白的结构和功能
⑤设计t-PA蛋白氨基酸序列和基因序列
⑥利用工程菌发酵合成t-PA蛋白
(4)已知t-PA蛋白第84为是半胱氨酸,相应的基因模板链(图中t-PA基因的上链)上的碱基序列是ACA,丝氨酸的密码子是UCU。重叠延伸PCR示意图中的黑点便是突变部位的碱基,引物b中该突变位点的碱基序列是
(5)据图可知,PCR3时,需要的引物是____。(选填编号)
A.引物a | B.引物b | C.引物c | D.引物d |
(6)关于PCR技术所需DNA聚合酶的说法正确的是____。
A.组成它的主要化学元素为C、H、O、N、P |
B.在90℃高温下会失活 |
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D.能与双缩脲试剂发生紫色反应 |
(7)若获得的t-PA突变基因如图所示,那么质粒pCLY11需用限制酶
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