科学前沿 组装细胞教学设计及说课稿

《组装细胞》 凌源中学高一生物

李文玉

导语

组装细胞，实际上就是要人工组装生命。目前,科学家们已经不局限于非常辛苦地进行基因剪接,而是开始破译遗传密码,以期利用合成的方法构建新的生物体。另一方面，物理技术和微制造技术的发展的迅猛发展，使组装细胞成为可能。作为未来社会公民的高中生,应该了解可能影响他们未来生活的新技术,甚至是他们未来将要从事的事业。希望学生能对最新生物科学前沿有一个较为全面的了解。

1教学目标

1、根据阅读材料尝试说出合成细胞的大体思路

2、了解DNA结构、基因测序、大片段DNA的化学合成方法

3、讨论合成细胞技术对生态环境和人类社会的影响 2学情分析

这是一节复习课中的新课，说复习课是因为已经学习完高中生物必修一的内容,学生已经熟知细胞是最基本的生命系统,所以合成生命首先就要合成最基本的生命---细胞,同时学生对细胞的基本结构和遗传物质已经有大体了解,这就为合成细胞的核心步骤合成基因奠定了知识基础,进入高中阶段学生的逻辑分析能力,抽象思维能力已经上一个台阶,这就合成细胞的程序的学习奠定了认知基础,细胞只能来源于先前存在的细胞,这是细胞学说的第三部分,说新课是因为人工合成细胞可是一种新兴科技，希望借此引起学生的兴趣,为本节的学习奠定了动机基础。

3重点难点

重点:合成细胞的大体思路

难点:DNA的结构、大片段DNA的化学合成

4教学过程

4.1教学活动

活动1【导入】新闻：美制造出迄今最简单人造合成细胞

创造一个生命最少需要多少个基因?大名鼎鼎的美国生物学家、科学狂人克雷格·文特尔带领团队“算”出了目前的最小值:473个。在最新一期《科学》杂志中,他们宣称设计并制造出了最简单的人造合成细胞。

辛西娅是一种细菌。克雷格·文特尔）和他的团队以丝状支原体的基因组作为模板，化学合

成出一整套支原体的基因组，并将它移植到除去了DNA的山羊支原体（细胞内，这套人工合成的基因组最终指导它所在的细胞活了下来）。

活动2【讲授】人物介绍：克雷格·文特尔

克雷格·文特尔“人造生命之父”,基因测序领域的“科学狂人”。1946年出生于美国,加州大学圣迭戈分校生理学和药理学博士。1990年参与到总投资30亿美元的“人类基因组计划”的研究中,但中途退出,1998年创立“赛莱拉公司”,一人单挑6国科学家,仅用两年时间就完成了人类基因组序列的测定。“文特尔研究所”创始人,2003年合成噬菌体phi X174的DNA,2008年合成生殖支原体的基因组,2010年5月合成了包含110万个碱基对的丝状支原体基因组,然后将其移植到山羊支原体细胞中,创造了第一个“人造细胞”。

美国国家科学奖获得者,2007-2008年,连续两年入选《时代周刊》“全球最具影响力100人”榜单。2013年,被《前景》杂志评选为“最伟大思想家”。

活动3【讲授】人工合成细胞的基本程序

问题:了解了文特尔其人及其工作后,合成细胞到底是怎样进行的呢?通过阅读书本课后的材料---科学前沿,组装细胞,假如你是科学家请尝试说出合成细胞的大体思路。

学生分组阅读课后阅读材料,请学生代表尝试说出合成细胞的大体思路。

教师总结学生代表所说出的思路,引导归纳出合成细胞的大体程序: 寻找自然界中最简单的细胞,找到维持生命活动的必要的基因,人工合成这些基因,包裹细胞膜,检测。

活动4【讲授】人体生殖道支原体细胞

1990时代人类发现自然界中结构最简单的细胞是人体生殖道支原体细胞,基因组约有480个基因,而我们所熟知的大肠杆菌约有4000个基因。

活动5【讲授】找到维持生命活动的必要的基因

教师展示DNA分子的结构模式图,解析碱基和DNA分子中所蕴含的遗传信息的关系

学生明确基因中碱基的排列顺序代表着遗传信息

(教学意图:学生通过对DNA分子结构的了解,知晓基因是DNA中的一个片段,基因中的碱基序列代表着遗传信息,合成基因先要确定基因中的碱基序列) 合成支原体基因,先要确定基因在DNA中的位置再然后确定基因中的碱基序列,如何确定? 确定基因位置和数目的方法:鸟枪测序法 问题:确定了支原体的基因数量和基因碱基序列后,要合成其所有的基因吗? 学生分组讨论分析,通过阅读材料得知合成基本基因的工作量小,只要合成基本基因就可以了。

什么是基本基因?如何确定哪个基因是基本基因? 学生阅读课后资料,教师引导回答上述问题

活动6【讲授】人工合成基因

阅读:2010年《科学》杂志发表的文章“Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome”（由化学合成基因组控制产生的细菌细胞）介绍了 J. 克雷格·文特尔课题组人工合成1.08Mbp的基因组导入到 M. capricolum的受体细胞中并创造出新的M. mycoides细胞,可以认为是人工合成的生命结构,该细胞内只含人工合成的DNA序列并且有预期的表型,同时能够连续复制。

合成基因的方法是什么? 目前人工合成基因的方法除了从自然界中获取样品再通过PCR（聚合酶链式反应）扩增外，就是用化学合成的方法合成而不需要模板。化学方法合成主要是固相亚磷酰胺三酯法

大片段基因的合成难点在哪? 大致的理由其他人也说了,DNA长,周期长、易出错。

1、合成成本高。

2、DNA合成过程易出错,出错概率在1-11个/kbp,那么,每合成一段DNA则需要测序比对,找到突变位点并修复,这个过程复杂又漫长;更难的在于基因的排列、非结构基因分析、代谢通路、蛋白组学的研究等等,这些问题没有解决的情况下,人造生物的合成那还差得远。

活动7【活动】包裹细胞膜

包裹细胞膜,是否先要合成细胞膜? 包裹细胞膜后,细胞质哪来? 学生阅读课后材料回答上述问题,教师总结归纳

活动8【活动】人工合成细胞后的检测

合成完成后,其成功的标志是什么?可以独立生活、生长和增殖

学生阅读课后材料回答上述问题,教师总结归纳

活动9【讲授】意义所在

人造活细胞（Artificial living cells）。这项具有里程碑意义的实验表明，新的生命体可以在实验室里“被创造”，而不是一定要通过“进化”来完成。

“这是第一个人造细胞，”领导研究的克雷格·文特尔说，“这是地球上第一个父母是电脑、却可以进行自我复制的物种。”

研究人员表示，这是第一个完全由人造基因指令控制的细胞，它向人造生命形式迈出了关键一步。

这一成果有望在未来为人类解决食品短缺、能源危机等一些列问题

=活动10【活动】思考：人工合成细胞将会对生态环境和人类社会带来什么影响？

支持者：可用于生产燃油或消解毒性废物

“人造生命”相关技术的应用前景广阔。研究人员希望借此更好地了解驱动所有生命的基础机制，并利用基因工程制造某些种类的细菌，用于生产燃油或消解毒性废物等。

拉特格斯大学分子生物学家理查德·埃布赖特说：“这是人与自然关系的一个转折点，历

史上第一次有人创造了一个完整的带有预定特性的细胞。”斯坦福大学生物医学伦理中心主任戴维·马格努斯甚至认为，这项研究可能开启基因工程新纪元。

反对者：破坏生命的基本信念

美国波士顿大学生物医学工程教授吉姆·柯林斯则反驳说：“这项成果破坏了我们有关生命属性的基本信念，而这种信念对我们如何看待(人类)自己、如何看待我们在宇宙中的位置都非常重要。”

还有一些人担心这项技术可能被用于制造生物武器。环保组织“地球之友”成员埃里克·霍夫曼表示，必须确保相关的法规到位，以保护环境和人类健康免受这项有潜在危险的新技术的伤害。

谨慎者：非真正意义的“人造生命”

一部分科学家认为文特尔研究所只是部分合成了现有细胞，并未跨越“无中生有、创造生命”的界限。波士顿大学生物医学专家詹姆斯·柯林斯表示，他不认为上述合成的单细胞生物体意味着一种“人造生命”形式的诞生，它只是一个带有人造基因组的生物体，而非人造生物体。

动物植物今后都能被电脑设计，咋控制这些能自我复制的家伙

20日出版的新一期《经济学人》杂志封面文章预测，将来有一天，新的细菌、动物或者植物等生命体将被电脑设计，最后被人类制造出来。在某种程度上，这种创造生命的举动比第一颗原子弹爆炸更能证明人类掌控自然的能力。

《经济学人》杂志认为，“人造生命”看起来是一件令人惊奇的事，这种技术具有众多优势。就短期而言，可以应用于制造更好的药物、农产品、绿色燃料以及促进化学工业的发展；但从长期来看，谁也不知道它可能带来什么样的后果，这种技术与生俱来地存在着危险，如果滥用可能导致恐怖的灾难。

该刊因此提出了这样的问题：如何控制这些能自我复制的“人造生命”？谁能拥有“人造生命”基本工具的专利权？这些问题的答案无疑在于各国政策制定者如何保持理性，戒慎警惕，对此类技术加强管制

活动11【讲授】板书设计

组装细胞

一、合成细胞的大体流程

二、不同的观点

三、合成细胞对生态环境和人类社会的影响