科学前沿 组装细胞教案设计（一等奖）

《科学前沿组装细胞》教案

合成生物学将催生下一次生物技术革命。目前,科学家们已经不局限于非常辛苦地进行基因剪接,而是开始构建遗传密码,以期利用合成的基因构建新的生物体,合成生物学在未来几年有望取得迅速进展。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。基于以上理由本人选择了生物必修一第二节中的科学前沿组装细胞,并作出适当拓展,使学生能对最新生物科学前沿有一个较为全面的了解。

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

学情分析

通过学习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,经过初中生物的学习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,但人工合成细胞可能打破这种学说,如何实现可引起学生的极大兴趣,为本节的学习奠定了动机基础。

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

教学过程

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。

这个被称为Syn3.0的人造生命在美国加利福尼亚州的实验器皿中横空出世。它的基因数量是世界上基因组规模最大的生物——重楼百合的282000分之一。

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”。

(教学意图:通过人物介绍更进一步引起学生兴趣与好奇心,增强后续学习的动机) 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,找到最少的基因,人工合成细胞,包裹细胞膜,检测

(教学意图:引导学生阅读材料,通过角色扮演总结归纳出合成细胞的大体思路,培养学生筛选信息,总结归纳能力) 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。

教师通过概念图和图片介绍支原体的结构、传播途径、引起人类的疾病

活动5【讲授】寻找最少的基因

教师通过常见生物果蝇的染色体,通过简单模型来介绍基因、DNA、染色体的关系

学生尝试找出规律:一条染色体上有许多个基因,基因在染色体上呈线性排列

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:鸟枪测序法和引物步查法

确定基因中碱基序列的方法:链终止法测序、化学降解法测序、自动化测序、非常规DNA测序

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《Science》杂志发表的文章“Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome”介绍了 J. Craig Venter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? 化学方法合成主要是固相亚磷酰胺三酯法

大片段DNA合成的基本策略是: 1、将dNTP(也就是原料)按照要求的DNA序列合成寡核苷酸; 2、将寡核苷酸组成较短的DNA序列(400-600bp); 3、将短的DNA序列通过融合连接的方法连成长的基因序列(>1kbp); 4、通过普通的酶连接法或细胞体内重组合成更长的基因和组成基因组的长片段(≥ 10kb); 5、在大肠杆菌及酵母中依次组装,最后达到超过1 Mb的基因组; 6、将合成的基因组移植到细胞中去,并使合成的基因组的基因按要求表达。

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。合成1Mbp的双链DNA大约需要20w美元。这只是碱基的价钱,还有时间、基因设计分析等等; 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? 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】不同的观点

细胞的生命是由其物质环境和能量环境所控制的,而不是其基因。基因只不过是用于细胞、组织和器官构造的分子蓝图。而环境却像一个“承包商”,解读、运用那些基因模型,并最终为细胞的生命性状做准备。使生命机制投入运作的,是单个细胞对环境的“认知”,而不是基因。

------《信念的力量:新生物学给我们的启示》美 布鲁斯·H·利普顿

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？

学生分组讨论思考,教师总结归纳,再适当拓展: 70年前,诺贝尔物理学奖得主薛定谔提出了著名的“薛定谔之问”——生命是什么。70年后,“人造生命之父”克雷格•文特尔通过合成第一个“人造细胞”的方式给出了*完美的解答。从解码生命、开创全基因组霰弹测序法到合成噬菌体phi x174,从合成第一个完整的基因组,到把一个物种转变为另一个物种,终到合成第一个人造细胞,文特尔和他的团队完成了一个又一个“不可能完成的任务”,他们在某种意义上,“扮演了上帝的角色”。假设火星上的生命与地球上的生命都是基于 DNA的,

假设火星有生命或者曾经有过生命,假设火星上有一

个基因测序设备,可以读取任何有可能存在于那里的“火星人”的 DNA 序列,那么,只需要 4.3 分钟把“火星人”

的基因序列发送回地球,我们就可以在地球上的实验室里重造“火星人”!生命的未来值得我们每一个人期待,不是吗? 活动11【讲授】板书设计

科学前沿

组装细胞

一、合成细胞的大体流程

1、寻找最简单的细胞

2、找到最少基因

3、人工合成基因

4、包裹细胞膜

5、检测

二、不同的观点

三、合成细胞对生态环境和人类社会的影响