1、2016-2017 生命科学与技术研究进展考试题库请各位同学注意：生命科学与技术研究进展课程考试时间为：第十二周周六（2016 年 11 月 19 日）晚上 18:3021:30考试地点：东十二楼 F101 教室1.简述 2-3 种转基因新技术的理论基础和操作原则。1.植物转基因基因组中含有外源基因的植物。它可通过原生质体融合、细胞重组、遗传物质转移、染色体工程技术获得，有可能改变植物的某些遗传特性，培育高产、优质、抗病毒、抗虫、抗寒、抗旱、抗涝、抗盐碱、抗除草剂等的作物新品种，如玉米稻 、北极鳄梨、转基因三倍体毛白杨。2.动物转基因就是基因组中含有外源基因的动物。它是按照预先的设计，通过细胞
2、融合、细胞重组、遗传物质转移、染色体工程和基因工程技术将外源基因导入精子、卵细胞或受精卵，再以生殖工程技术，有可能育成转基因动物。人工转基因技术原理是将人工分离和修饰过的优质基因，导入到生物体基因组中，从而达到改造生物的目的。 具有不确定性。常用的方法和工具包括显微注射、基因枪、电破法、脂质体等。2.展望你对转基因技术应用的前景。转基因技术是利用分子生物学技术将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体性状的可遗传修饰。转基因技术已广泛应用于医药、工业、农业、环保、能源、新材料等领域。目前已有基因工程疫苗、基因工程胰岛素和基因工程干扰素等药物。其使用基因拼接技术
3、或 DNA 重组技术(即转基因技术)，指按照人们的意愿，定向地改造生物的遗传性状，产生出人类需要的基因产物，以此生产出的药物原料和药品。利用转基因技术进行遗传改良有着重要的意义，可以：第一、增加产量。第二、改良品质。第三、增强抗逆性。第四、生产转基因药品。同时，转基因技术的发展打破了自然发展的规律或多或少破坏了生物界领域的和谐。转基因技术对生态系统和人类健康的危害: 第一,基因飘逸即基因流或基因水平转移到其他近缘物种。第二,转基因植物产生的杀虫毒素可由根部渗入土壤, 某种单一的转基因植物的大量种植可能会对土壤生物及微生物和环境产生不良影响, 因而减少本地区物种的多样性。 第三,转基因产品的毒性
4、, 能引起人的过敏反应。 第四,转入植物的标记基因(特别是抗生素基因) ,有可能通过某种途径扩散到其他微生物中并使其产生新的抗药性,导致超级病原菌的产生。因此转基因作物安全性需考虑的问题：（1）转基因作物的食品安全性：毒性、过敏反应、抗药性等。（2）环境释放的生态风险 作为“外来种”是否带来生态风险 ；在环境中的残留及可能造成的基因污染；对土壤生态系统的影响 ；可能演变成农田杂草或将基因传递到其他杂草的风险 。3.请试论述生物能源的优越性及不足。优越性：生物质能源具有资源丰富、可再生、低污染，能解决能源危机和保护生态环境。易燃烧，污染少，灰分较低。能控制环境污染，减轻对石油资源的依赖，推动农业
5、产业链的发展，是解决全球能源危机的理想途径。(1)提供低硫燃料，(2)提供廉价能源(于某些条件下)，(3)将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)，(4)与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。 另外，生物燃料是唯一能大规模替代石油燃料的能源产品，而水能、风能、太阳能、核能及其他新能源只适用于发电和供热。 生物燃料是产品上的多样性。能源产品有液态的生物乙醇和柴油，固态的原型和成型燃料，气态的沼气等多种能源产品。既可以替代石油、煤炭和天然气，也可以供热和发电。 生物燃料是原料上的多样性。生物燃料可以利用作物秸秆、林业加工剩余物、畜禽粪便、食品加工业的有机废水废渣、城市垃圾，还可利用
6、低质土地种植各种各样的能源植物。 是生物燃料的 “物质性”，可以像石油和煤炭那样生产塑料、纤维等各种材料以及化工原料等物质性的产品，形成庞大的生物化工生产体系。生物燃料的“可循环性”和“环保性”。 生物燃料的“带动性”。生物燃料可以拓展农业生产领域，带动农村经济发展，增加农民收入；还能促进制造业、建筑业、汽车等行业发展。在中国等发展生物燃料，还可推进农业工业化和中小城镇发展，缩小工农差别，具有重要的政治、经济和社会意义。生物燃料具有对原油价格的“抑制性”。 生物燃料是创造就业机会和建立内需市场。不足:(1)植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物，(2)单位土地面的有机物能量偏低，(3)缺乏适合栽
7、种植物的土地，(4)有机物的水分偏多(50%95%) 还有：热值及热效率低，体积大而不易运输，目前达不到规模化生产的程度:生物质合成燃料乙醇存在着“与人争粮”的问题，生物质合成生物柴油存在着污染较大的不足，生物制氢存在着产氢效率低，氢气收集困难等弊端，沼气发酵则存在着发酵效率低、持续运行能力差的缺点。4.当前生物能源的主要品种有哪些？研究进展如何？生物能源的种类包括森林能源、农作物秸秆、禽畜粪便和生活垃圾等。利用生物能源的主要技术有：利用剩余粮食、能源作物和农作物秸秆等生产燃料乙醇；生物质液化生产生物柴油，例如在利用菜籽油替代柴油的研发方面，英国及北欧国家正在进行；生物制氢，可通过气化和微生物
8、催化脱氢方法制氢；厌氧发酵发生产沼气等。由于生物质能源所具有的环保、可再生等特点，同时又能推动农业产业链的发展，在目前国际原油市场回落无望的情况下，生物质能源再度加温，已被认为是解决全球能源危机的最理想途径之一。目前，欧美及世界多数地区都在寻求生物能源发展之道。我国 2004 年开始在部分地区试点使用乙醇汽油之后，生物质能源发展方面也取得了较大的进展。以玉米、小麦等生产乙醇，用豆油、棉油等生产生物柴油各地纷纷兴起。但“粮食能源化”是否会影响粮食安全？最新技术进展和专家研究结论表明：鼓励发展非粮生物质能源是解决我国粮食安全和能源安全的根本之道。5.针对某种现有药物制剂的缺陷，设计一种纳米药物制剂
9、，并从该制剂的处方、制备工艺、质量研究以及 PK/PD 优势等方面加以阐明（可以参考已上市纳米药物）。紫杉醇(PTX)是常用的抗肿瘤药物，其主要机制是促进细胞微管聚合并抑制微管解聚，导致细胞纺锤体失去正常功能，抑制肿瘤细胞的有丝分裂，进而诱导细胞凋亡。 由于紫杉醇的低溶解性，临床上常采用体积比 1/1 的聚氧乙烯蓖麻油(Cremophor EL)和乙醇助溶，该制剂称为太素(Taxol?)。但聚氧乙烯蓖麻油易引起过敏反应和低血压等不良反应，极大的限制了临床应用。聚合物胶束采用两亲性聚合物包裹药物，大小仅 2050nm，可以提高药物的生物可降解性和降低排斥反应，同时可以作为难溶性药物的输送载体。
10、两嵌段聚合物由亲水片段和疏水片段两部分组成。最具代表性的亲水性片段聚乙二醇(PEG)对人体具有较低的毒性，是目前最广泛用来作为聚合物胶束亲水链段的聚合物。而研究较多的疏水段主要为易于水解，产物无毒、具有良好的生物兼容性的脂肪族聚酯，如聚丙交酯(PLA)、聚己内酯(PCL)等。 经 PEG 表面修饰后的药物运输系统，能够减少药物载体与血液中蛋白的相互作用，大大降低网状内皮系统对粒子的识别和摄取，显著提高药物载体在血液中的循环时间，改变药物代谢性能，提高药效。但是也会造成细胞摄取的减少和胞内释放的降低，即“PEG-dilemma”现象。另外，PEG 的毒性是随着分子量的增加而降低，但随之水溶性和代
11、谢速度也呈下降趋势，同时 PEG 本身不降解，大量连续使用容易产生副作用。羟乙基淀粉(HES)较之 PEG 有许多优点之处：可生物降解；可大量长期使用而无副作用。载紫杉醇 HES-PCL 聚合物胶束具有以下优势： HES、PCL 均可生物降解；生物相容性好的 HES 组成亲水外壳，在体内既不聚集也不被网状内皮系统(RES)摄取，可在全身脉管系统中自由循环，作用时间长；该剂型具有粒径小(20-50nm)、水溶性好、被动靶向；不需要使用其他助溶剂，总体毒性得以降低，进而允许更高注射剂量，提高疗效。6.论述纳米药物的纳米特征及质量研究方法1)纳米药物的粒度研究，包括数量分布、重量分布、体积分布和光强
12、分布等。 光子相干光谱法(PCS)：是一种微小颗粒在液体中的扩散系数的技术。通过精确测量颗粒散射光强与时间的函数关系以测定扩散系数，系统利用光强探测器检测胶体或高分子溶液中颗粒由于布朗运动而产生的散射光强随时间的变化，应用光谱相干分析技术计算布朗运动的扩散系数，进而得到粒度及其分布。离心沉降法：该法是利用重心沉降的原理，测量颗粒的沉降速度，进而测得颗粒的粒度。激光衍射法：也称小角激光散射法，是亚微颗粒的粒度测定的首选方法。由于激光衍射法可测定的粒度范围为 0.5080um，可用于测定样品中存在的大颗粒或者纳米颗粒的团聚体的粒度。2)饱和溶解度和溶出度，与之相关的有血药浓度或生物利用度：透析法：
13、3)药物晶型，与之相关是药物的稳定性和药物的饱和溶解度。：差示扫描量热法(DSC)广角 X 射线衍射法(WAXS)4)载药量和包封率：载药量是指纳米粒中药物质量(包括游离药物质量与被包封的药物质量)与纳米粒的质量的比值。测定药物含量常用方法有：紫外分光光度计法，荧光光度计法，高效液相色谱法等。包封率是指纳米药物载体中的药物量与体系中药物总量(纳米药物载体中的药物量与介质中的药物量之和)的比值。包封率的测定方法：测定药物包封率的方法主要有透析法、葡聚糖凝胶柱法、超滤法等，通过透析、葡聚糖凝胶柱层析和超滤等方法使游离的药物从载药纳米粒体系中分离出来，测出游离药物含量后，根据包封率=(药物总量-游离
14、药物量)/药物总量即可得到包封率。突释效应和渗漏率：药物在微囊、微球、脂质体中的情况一般有三种，即吸附、包人和嵌入。在体外释放试验时，表面吸附的药物会快速释放，称为突释效应。开始半小时内的释放量要求低于 40%。若微囊、微球、脂质体产品分散在液体介质中贮藏，应检查渗漏率，可由下式计算：渗漏率=产品在贮藏一段时间后渗漏到介质中的药量产品在贮藏前包封的药量100%5)脂质体氧化程度的检查脂质体含有的磷脂容易被氧化，这是脂质体突出的问题。在含有不饱和脂肪酸的脂质混合物中，磷脂的氧化分三个阶段：单个双键的偶合、氧化产物的形成、乙醛的形成及键断裂。因为各阶段产物不同，氧化程度很难用一种试验方法评价。本指
15、导原则采用氧化指数为指标。氧化指数的测定：由于氧化偶合后的磷脂在波长 230nm 左右具有紫外吸收峰而有别于未氧化的磷脂。测定脂质体的磷脂时，其氧化指数应控制在 0.2 以下。具体方法是：将磷脂溶于无水乙醇配成一定浓度的澄明溶液，分别测定在波长 233nm 及 215nm 的吸光度，由下式计算氧化指数：氧化指数=A233nm/A215nm7.论述肿瘤靶向纳米药物设计的五得原则“五得”原则：跑得动，停得下，钻得深，进得去，放得出1）跑得动（long circulation）：纳米药物要实现缓释，延长体内的循环时间，可通过表面修饰来改变微粒的表面性质，以达到长循环的效果：纳米粒表面的亲水性与亲脂性
16、将影响到纳米粒与调理蛋白的吸附结合力的大小，从而影响到吞噬细胞对其吞噬的快慢。一般而言，纳米粒的表面亲脂性越大，其对调理蛋白的结合力越强，故要延长纳米粒在体内的循环时间需增加其表面的亲水性，这是对纳米粒进行表面修饰时选择材料的一个必要条件。纳米粒的表面电荷影响到纳米粒与体内物质如调理素等的静电作用力，负电荷表面往往使纳米粒相对于正电荷或中性表面在体内更易被清除，而中性表面更适合于延长纳米粒在体内的循环时间，故常用非离子表面活性剂。这类非离子表面活性剂包衣纳米粒长循环的机制被认为是不带电荷，亲水表面的包衣层以及聚合物的立体排阻效应，有效地阻断了巨噬细胞对纳米粒的吞噬过程亲水性的包衣能减少纳米粒对
17、血中成分的吸附，从而降低血浆蛋白的调理作用。2）停得下(targeting)：即药物在肿瘤组织富集，一般利用 EPR 效应可提高药物对肿瘤组织的选择性。正常组织中的微血管内皮间隙致密、结构完整，大分子和脂质颗粒不易透过血管壁，而实体瘤组织中血管丰富、血管壁间隙较宽、结构完整性差，淋巴回流缺失，造成大分子类物质和脂质颗粒具有选择性高通透性和滞留性，这种现象被称作实体瘤组织的高通透性和滞留效应，3)钻得深(penetration)：通过调节纳米药物的尺寸大小(如子母弹纳米药物)，可变性，或共输送 siRNA 到肿瘤组织增强药物在肿瘤组织的渗透。4)进得去(internalization)：药物进入
18、肿瘤细胞，提高肿瘤组织对药物的摄取，具体手段为抑制耐药性、增强靶向性、改变纳米载体的亲疏水性及表面电荷。一般常用小分子干扰 RNA，干扰肿瘤细胞多药耐药基因的表达，抑制多药耐药性,还可以通过对纳米载体进行泊洛沙姆 188 等修饰，逆转多药耐药性。对纳米载体表面进行化学修饰，通过配体-受体、抗体-抗原介导，实现肿瘤细胞的主动靶向，促进纳米药物向细胞内转运。5)放得出(release)：纳米药物的释放问题，主要包括释放部位以及释放速率。通过调节载体材料种类或配比可以调控药物的定时释放、定位释放和释放速率。如利用温敏或 pH 敏感材料作为载体，可以实现药物的智能响应释放。8.简述资源生物技术内涵，以
19、及涉及的科学问题、关键技术和主要应用领域。答：内涵：资源生物技术是围绕重要生物资源（基因资源、蛋白质资源以及动植物、微生物资源等），综合分子生物学生物化学遗传学化学 物理学 信息学等多学科技术，面向资源生物学与生物技术制造、药物与生物基化学品研发，为社会提供产品和服务的技术体系。应用：1.生物农药的研制与开发 在生态系统中, 微生物对农药的降解起着重要作用。研究发现, 对几大类农药(如: 有机氯、有机磷、有机汞、除草剂等) 都存在着降解菌。利用基因工程手段筛选或诱发微生物突变株、构建高效降解菌是减轻、消除农药污染的有效途径。 2.生物能源产业（纤维素生产乙醇技术和生物柴油） 随着石油价格的日益
20、攀升，利用木质纤维素类等可再生资源纤维素酶法发酵生产乙醇，作为汽油替代物和化工原料的研究日益受到重视。生物柴油(Biodiesel)是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。生物柴油是生物质能的一种，它是生物质利用热裂解等技术得到的一种长链脂肪酸的单烷基酯。3.生物活性药物 以生物质为原料, 采用现代生物技术加工、制备出用于预防、治疗和诊断的活性药物。例如紫杉醇药物活性成分的生物合成。 涉及的科学问题：农业，医药，工业，环境，海洋生物资源问题9.简述工业生物技术主要研究内容和重要应用领域。研究内容：
21、以微生物或酶为催化剂进行物质转化，大规模生产人类所学的化学品，医药，能源及材料等，解决人类目前面临的资源、能源及环境危机。为医药生物技术提供下游支撑，为农业生物技术提供后续加工手段。应用领域：发酵，农业化学，有机物，医药，环境，能源，食品，高分子材料。10.什么是生物芯片，并请给出具体应用实例 1 例？对生物样本进行快速并行处理和分析的微型器件。由于历史的原因，现阶段见诸于传媒的生物芯片指的是一种不含微通道，没有流体流动，以生物分子间的静态杂交和高密度点阵为特征的芯片这种芯片先于微流控芯片问世，专一地应用于某些生物领域，在特定的历史条件下得名生物芯片，并在某些场合沿用至今，在微流控芯片广泛应用
22、于生物领域的今天，这种薄片以称之为杂交点阵芯片更为确切。杂交点阵芯片可以被看作是微流控芯片中操作但愿只有亲和杂交一种，且流体的速度为零时的特例。杂交点阵芯片通量很高，但是它没有流体流动，传质仅靠扩散，反应相对缓慢，低效。在性能上存在着相当大的改进空间。目前一种倾向性的做法是，将微流控芯片上的某些元素，特别是反应其流动特征的混合技术，引入杂交点阵芯片中，大幅度地提高后者的反应效率。分类：根据芯片的功能基因芯片可以分为基因表达谱芯片和 DNA 测序芯片;根据基因芯片所用的基因探针类型的不同，可以分为 cDNA 微阵列和寡核普酸微阵列两大类;根据应用领域的不同可将基因芯片称为各种专用型芯片，如病毒检
23、测芯片、表达谱芯片、指纹图谱芯片、诊断芯片、测序芯片、毒理学芯片。11.神经元活动的时空特异性控制方法有哪些？有何优点？显微注射质粒法，通过注射质粒，在神经元的基因序列中人为添加启动子等调控序列，可有效调控神经元活动。在空间特异性上，可通过植入两个或以上的质粒，不同类型的调控序列只对相应类型的神经元有效，这样只有在同时使两个调控序列有效的神经元，其相关蛋白表达才能得到，而其他神经元则无法表达该蛋白。在时间特异性上，通过加入特定条件调控序列（如热休克启动子），在特定时间上给予其启动条件，即可使该神经元在特定时间上具有活性。优点：灵活度高，可操作性强，效果明显，适用广泛（无论是确定单个神经元功能或
24、整个神经通路的构造都可适用）。12神经元活动记录的技术方法有哪些？其优缺点是什么？反应神经元活动记录的主要是测试其离子通道电流。膜片钳技术：利用一个玻璃微吸管电极完成膜片或全细胞电位的监测、钳制和膜电流的记录，通过观测膜电流的变化来分析通道个体或群体的分子活动、探讨离子通道特性。优点：能测量单个神经元单一离子通道的电流，数据直观，结构工艺完善。缺点：操作复杂，流程繁琐。荧光探针钙图像分析技术：为检测细胞内游离钙离子浓度提供了有效手段，通过植入钙敏蛋白，用其荧光程度来间接反映神经元钙离子通道的活性。优点：流程及操作相对简单，仪器价格便宜。缺点：得到的是简介数据，说服力较小，存在一定的适用范围。1
25、）单电极记录技术：优点：能够测量单个神经元的的电位，结构和工艺也很完善。缺点：不能深入了解神经系统的工作机制，也不能同时记录检测不同神经元的电位变化，研究他们的相互关系。 2）多电极记录技术：优点：能同时记录多个神经元的同步活，更好的理解广泛分布的神经元功能全体的信息处理及其内在调节特性，对特定时间内特定区域的神经元群体由刺激引起的反应变化进行同步记录。缺点：一方面，多电极胞外记录的信噪比比较低，同时，多电极上记录到的信号往往可能是几个相邻的神经元放电波形的叠加。另一方面，当前通过对多电极记录方法对神经元群体编码活动特性的研究受到制约。13膜片钳电活动记录技术有何应用？(1)在通道研究中的重要
26、作用膜片钳技术可直接观察和分辨单离子通道电流及其开闭时程、区分离子通道的离子选择性、发现新的离子通道及亚型，并能在记录单细胞电流和全细胞电流的基础上进一步计算出细胞膜上的通道数和开放概率，研究某些胞内或胞外物质对离子通道开闭及通道电流的影响等。研究细胞信号的跨膜转导和细胞分泌机制。结合分子克隆和定点突变技术，膜片钳技术可研究离子通道分子结构与生物学功能关系。 用于药物在其靶受体上作用位点的分析。(2)与药物作用有关的心肌离子通道心肌细胞通过各种离子通道对膜电位和动作电位稳态的维持而保持正常的功能。(3)对离子通道生理与病理情况下作用机制的研究通过对各种生理或病理情况下细胞膜某种离子通道特性的研
27、究，了解该离子的生理意义及其在疾病过程中的作用机制。(4)对单细胞形态与功能关系的研究将膜片钳技术与单细胞逆转录多聚酶链是反应技术结合，在全细胞膜片钳记录下，将单细胞内容物或整个细胞（包括细胞膜）吸入电极中，将细胞内存在的各种 mRNA 全部快速逆转录成 cDNA，再经常规 PCR 扩增及待检的特异 mRNA 的检测，借此可对形态相似而电活动不同的结果做出分子水平的解释或为单细胞逆转录多聚酶链式反应提供标本，为同一结构中形态非常相似但功能不同的事实提供分子水平的解释。(5)对药物作用机制的研究在通道电流记录中，可分别于不同时间、不同部位（膜内或膜外）施加各种浓度的药物，研究它们对通道功能的可能
28、影响，了解那些选择性作用于通道的药物影响人和动物生理功能的分子机理。这是目前膜片钳技术应用最广泛的领域，既有对西药药物机制的探讨，也广泛用在重要药理的研究上。(6)在心血管药理研究中的应用(7)创新药物研究与高通量筛选(8)在神经科学中的应用膜片钳技术与离体脑片技术结合，可以定位研究神经元离子通道，还可以进行神经元突触联系的研究，与使用培养的或急性分散的神经元相比具有不可替代的优势。14.试比较通过 T-DNA 插入突变或基因过表达两种方法研究某一基因生物学功能的优缺点。T-DNA 插入突变 优点：能方便进行正反向遗传学研究。 该技术构建的突变体研究功能的反向遗传学技术逐渐取代了传统的化学诱变
29、、图位克隆等技术。 能构建突变体库。 可以直接采用质粒挽救和 Tail-PCR 扩增侧翼序列，方便了基因的分离与克隆。 缺点：研究主要局限于少数模式动物。 若要发现新基因，必须构建新载体。基因过表达：通过人工构建的方式在目的基因上游加入调控元件，使基因可在人为控制的条件下实现大量转录和翻译，从而实现基因产物的过表达。 优点：调控元件选择范围广。 获取的分析样本量大，降低分析偏差。缺点：表达过程时间长，难以准确表达。 对实验操作精度要求高。15.简述植物功能基因组学研究常用的主要技术手段。功能基因组学的研究又往往被称为后基因组学研究,它是利用结构基因组学提供的信息和产物,通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能,使得生物学研究从对单一基因或蛋白质的研究转向对多个基因或蛋白质同时进行系统的研究。 EST 技术、基因芯片技术、生物信息学等是功能基因组学常用的技术方法。 1、基因表达谱分析技术，如高通量基因芯片、高通量原位杂交技术等；2、以 T-DNA 或转座子介导的基因标签技术；3、功能缺失技术，如基因打靶技术，反义 RNA，核酶，RNA 干扰，显性负突变技术；4、基因功能增强技术，如基因超量表达，诱导表达及基因异位表达技术。
