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热点05 从“人造生命”到生物制造——生物技术
与工程高考抢分冲刺
合成生物学是融合基因工程、酶工程、发酵技术、微生物代谢等核心知识点的前沿交叉学科，以“设
计-构建-测试-优化”为核心逻辑，通过人工设计和改造生物体系，实现“人造生命”构建、生物制造升
级等重大突破，是近年来高考生物“前沿情境+核心考点”命题的高频方向。2025 年人工合成淀粉量产、
AI 辅助蛋白质设计等重大科研成果，进一步推动合成生物学从基础研究走向产业落地，也成为高考命题的
核心溯源点。
传统生物技术多依赖天然生物体系的自然代谢，如传统发酵仅利用微生物固有代谢途径生产产物，存
在效率低、产物单一、周期长等局限，难以满足现代工业和社会需求。而合成生物学打破这一局限，通过
基因编辑、代谢通路改造等技术，定向设计微生物代谢过程，甚至构建全新的人工生物体系，实现“按需
生产”，这一核心逻辑与高考中“基因工程操作步骤、微生物代谢调控、酶工程应用”等考点高度契合。
2025 年人工合成淀粉量产的重大突破，依托微生物代谢通路的精准改造，将二氧化碳转化为淀粉，整
合了微生物代谢调控、酶的固定化、发酵技术优化等核心知识点；AI 辅助蛋白质设计则通过算法模拟蛋白
质空间结构，加速酶的改造和新型蛋白质的合成，衔接酶工程、基因工程中目的基因获取与表达等考点。
这些前沿成果既体现了生物技术与工程的发展趋势，也符合高考“立足基础、聚焦前沿、考查能力”的命
题原则。
从高考命题规律来看，合成生物学相关试题多以科研成果为情境，考查学生对基因工程操作（目的基
因获取、载体构建、导入与检测）、微生物代谢调控（代谢通路改造、营养条件优化）、酶工程应用（酶
的改造与固定化）、发酵技术（生物反应器优化）等知识点的理解和应用，同时渗透生物安全与伦理的考
查，侧重考查学生的逻辑推理、图文分析和规范答题能力。其命题本质是“前沿情境载体+核心考点迁
移”，既考查基础知识点的掌握，也考查学生对跨学科（生物+AI、生物+工程）知识的整合能力，这也是
未来高考生物命题的重要趋势。
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猜押1 人工合成淀粉量产——微生物代谢与发酵技术的综合应用
1. 人工合成淀粉的核心原理：2025 年人工合成淀粉实现量产，其核心是通过基因工程改造大肠杆菌、蓝
细菌等微生物，构建“二氧化碳→甲醛→葡萄糖→淀粉”的人工代谢通路，打破天然淀粉合成仅能在植物
体内进行的局限，实现体外高效合成。该过程需精准改造微生物的代谢途径，敲除无关代谢基因，强化淀
粉合成相关酶的表达。
2. 关键技术支撑：
① 基因工程：通过CRISPR/Cas9 技术编辑微生物基因组，导入淀粉合成关键酶（如淀粉酶、糖化酶）的
基因，优化基因表达调控序列；
② 微生物代谢调控：控制培养基的碳源（二氧化碳、葡萄糖）、氮源、温度、pH 等条件，抑制微生物自
身代谢消耗，促进淀粉积累；
③ 酶工程：对淀粉合成相关酶进行改造，提高酶的活性、稳定性和特异性，降低反应能耗；
④ 发酵技术：利用大型生物反应器，实现微生物的大规模培养和淀粉的连续生产，优化发酵工艺以提高
产量和纯度。
3. 与高考考点关联：该热点直接衔接微生物代谢（代谢通路的改造与调控）、基因工程（操作步骤、载
体构建）、酶工程（酶的改造与应用）、发酵技术（生物反应器优化、发酵条件控制）等核心考点，是高
考中“情境+应用”类试题的高频素材。
拓展：人工合成淀粉的量产过程中，除了核心的代谢通路改造和关键技术支撑，还涉及多个高考高频细节
考点。
从微生物选择来看，大肠杆菌作为原核生物，其无成形细胞核、繁殖速度快、代谢旺盛的特点，使其成为
基因工程改造的常用宿主，这与高考中“原核生物与真核生物的结构差异”“微生物作为受体细胞的优
势”等考点直接相关；蓝细菌作为自养生物，其光合作用与人工代谢通路的结合，还可衔接“光合作用的
过程”“自养型生物的代谢特点”等知识点。此外，人工合成淀粉过程中，二氧化碳的固定与转化，还可
联系“碳循环”“生态系统的物质循环”等考点，成为高考中跨模块考查的重要素材。同时，该技术的产
业化过程中，还会涉及发酵工业的污染控制、产物分离提纯的基本方法，这些均是高考中生物技术与工程
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模块的常考细节，需重点关注。
1. （2026 模拟预测）2025 年我国实现人工合成淀粉量产，其核心技术是通过基因工程改造蓝细菌，构建
人工淀粉合成代谢通路，实现二氧化碳向淀粉的高效转化。回答下列问题：
（1）构建人工淀粉合成的基因表达载体时，需将淀粉合成关键酶（淀粉酶、糖化酶）的基因作为目的基
因，该目的基因可通过哪些方法获取？构建载体时，除目的基因外，还需具备哪些关键组件？请简要说明
各组件的功能。
（2）将构建好的基因表达载体导入蓝细菌时，常用的方法是什么？导入后，如何检测目的基因是否成功
导入蓝细菌？如何检测目的基因是否成功表达？
（3）人工合成淀粉过程中，需对蓝细菌的代谢通路进行改造，敲除与淀粉合成无关的代谢基因（如与细
胞分裂相关的基因），请分析这样做的目的。同时，发酵过程中需控制培养基的碳源为二氧化碳，结合蓝
细菌的代谢特点，说明控制碳源的原因，并简要写出发酵过程中需要控制的其他条件及目的。
（4）与传统植物淀粉合成相比，人工合成淀粉具有产量高、周期短、不受自然条件限制等优势，请从生
物技术与工程的角度，分析人工合成淀粉量产对农业、环境的意义。
【答案】（1）目的基因获取方法：从基因文库中获取、PCR 技术扩增、人工化学合成。（2 分） 关键组
件及功能：① 启动子：驱动目的基因在蓝细菌中转录；② 终止子：终止目的基因的转录；③ 标记基因
（如抗生素抗性基因）：筛选含有目的基因的蓝细菌；④ 复制原点：使基因表达载体在蓝细菌中复制。
（4 分）
（2）导入方法：感受态细胞法（用Ca ² 处理蓝细菌，使其处于感受态，便于吸收外源
⁺
DNA）。（2 分）
目的基因导入检测：采用DNA 分子杂交技术，用放射性同位素标记的目的基因探针与蓝细菌的基因组DNA
杂交，若出现杂交带，说明目的基因已导入。（2 分） 目的基因表达检测：① 分子水平：采用抗原-抗体
杂交技术，检测蓝细菌细胞中是否存在淀粉合成关键酶；② 个体水平：检测蓝细菌培养产物中是否有淀
粉生成（如用碘液检测，若出现蓝色，说明目的基因成功表达）。（2 分）
（3）敲除无关代谢基因的目的：减少蓝细菌自身代谢对碳源、能量的消耗，使更多的碳源和能量用于淀
粉合成，提高淀粉产量。（2 分） 控制碳源为二氧化碳的原因：蓝细菌是自养生物，能通过光合作用将二
氧化碳转化为有机物，以二氧化碳为碳源，可实现“二氧化碳→淀粉”的直接转化，同时降低生产成本，
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减少碳排放。（2 分） 其他发酵条件及目的：① 温度：控制在蓝细菌的最适生长温度（25~30℃），提高
酶的活性和蓝细菌的代谢效率；② pH：控制在7.0~8.0（蓝细菌适宜的pH 范围），维持酶的活性和蓝细
菌的正常生长；③ 氧气：保证充足的氧气，促进蓝细菌的有氧呼吸，为淀粉合成提供能量；④ 光照：适
当的光照强度，促进蓝细菌的光合作用，为淀粉合成提供原料和能量。（4 分）
（4）对农业的意义：① 打破传统淀粉依赖农作物种植的局限，减少耕地占用，缓解粮食短缺问题；②
缩短淀粉合成周期（人工合成淀粉周期仅需几天，而植物淀粉合成需数月），提高淀粉生产效率；③ 可
根据需求定向生产淀粉，提升淀粉品质。（2 分） 对环境的意义：① 利用二氧化碳合成淀粉，减少大气
中二氧化碳含量，缓解温室效应；② 减少农药、化肥的使用（无需种植农作物），降低环境污染；③ 实
现碳循环的高效利用，推动绿色低碳发展。（2 分）
【分析】本题以2025 年人工合成淀粉量产为情境，考查基因工程、微生物代谢、发酵技术等核心考点，
侧重考查学生的知识迁移能力和规范答题能力。第（1）问考查目的基因获取方法和基因表达载体的组
件，属于基础知识点，需准确记忆基因工程的基本操作步骤；第（2）问考查目的基因的导入方法和检
测，需区分导入原核生物的方法与真核生物的差异，以及分子水平和个体水平的检测方法；第（3）问考
查微生物代谢调控和发酵条件控制，需结合蓝细菌的代谢特点（自养、有氧呼吸）分析改造目的和条件控
制的意义；第（4）问考查前沿技术的应用价值，需结合农业和环境的实际需求，体现生物技术与社会的
联系。
2. （2026 模拟预测）人工合成淀粉的关键的是构建高效的淀粉合成代谢通路，需对微生物的代谢进行精
准调控，同时优化发酵工艺，实现淀粉的大规模生产。回答下列问题：
（1）淀粉合成过程中，需要多种酶的协同作用，如淀粉酶可将多糖分解为葡萄糖，糖化酶可将葡萄糖转
化为淀粉。若要提高这些酶的活性和稳定性，可采用哪些酶工程技术？请简要说明其原理。
（2）发酵过程中使用的生物反应器，需具备哪些基本功能？与传统发酵罐相比，新型生物反应器（如膜
生物反应器）在人工合成淀粉生产中有哪些优势？
（3）人工合成淀粉过程中，若蓝细菌的代谢通路出现异常，导致淀粉合成效率下降，可能的原因有哪
些？请从基因表达、酶的活性、发酵条件三个方面分析，并提出相应的解决措施。
（4）人工合成淀粉的量产，离不开基因工程、酶工程、发酵技术的协同应用，请简要梳理三者之间的关
系，说明它们在人工合成淀粉生产中的协同作用。
【答案】（1）可采用的酶工程技术及原理：① 蛋白质工程：通过改造酶的基因序列，改变酶的氨基酸序
列，从而改变酶的空间结构，提高酶的活性、稳定性和特异性；② 酶的固定化技术：将酶固定在载体
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上，使酶既能与底物接触，又能与产物分离，可重复使用，同时提高酶的稳定性，降低生产成本；③ 酶
的分子改造：通过化学修饰（如磷酸化、甲基化）改变酶的结构，提高酶的活性和稳定性。（6 分）
（2）生物反应器的基本功能：① 为微生物提供适宜的生长和代谢环境（如控制温度、pH、氧气、营养物
质等）；② 实现微生物的大规模培养；③ 便于产物的分离和提取；④ 保证生产过程的连续性和稳定
性。（4 分） 新型膜生物反应器的优势：① 可实现酶与产物的快速分离，提高产物纯度；② 可防止微生
物流失，提高微生物的利用率；③ 减少发酵过程中的污染，提高生产安全性；④ 优化传质效率，促进底
物与酶的接触，提高淀粉合成效率。（4 分）
（3）可能的原因及解决措施：① 基因表达异常：目的基因转录或翻译受阻，导致淀粉合成关键酶的合成
量不足。解决措施：优化基因表达载体的启动子和终止子，提高目的基因的转录效率；检查目的基因的序
列，确保其能正常翻译；添加诱导剂，诱导目的基因表达。（3 分） ② 酶的活性异常：发酵条件不适
（如温度、pH 过高或过低），导致酶的活性降低；酶发生变性失活。解决措施：严格控制发酵条件，维持
酶的最适温度和pH；采用酶的固定化技术，提高酶的稳定性；定期补充新鲜酶制剂。（3 分） ③ 发酵条
件异常：碳源不足、氧气供应不足、营养物质比例失衡，导致蓝细菌生长缓慢，淀粉合成效率下降。解决
措施：合理控制培养基的成分和比例，保证碳源（二氧化碳）和氮源的充足供应；优化氧气供应，保证蓝
细菌的有氧呼吸；定期检测发酵条件，及时调整。（2 分）
（4）三者协同关系：基因工程为人工合成淀粉提供核心技术支撑，通过改造微生物的基因组，导入淀粉
合成关键酶的基因，构建人工代谢通路；酶工程通过改造淀粉合成相关酶，提高酶的活性和稳定性，为淀
粉合成提供高效的催化条件；发酵技术通过优化生物反应器和发酵工艺，实现微生物的大规模培养和淀粉
的连续生产，将基因工程和酶工程的成果转化为实际产品。三者相互配合，缺一不可，共同实现人工合成
淀粉的高效、大规模量产。（4 分）
【分析】本题聚焦人工合成淀粉生产中的酶工程和发酵技术，衔接基因工程的相关知识点，侧重考查学生
的综合分析能力和问题解决能力。第（1）问考查酶工程技术的应用，需准确掌握蛋白质工程、酶的固定
化等技术的原理和应用；第（2）问考查生物反应器的功能和新型反应器的优势，需结合发酵技术的核心
需求分析；第（3）问考查微生物代谢异常的原因及解决措施，需从基因、酶、环境三个维度全面分析，
体现逻辑推理能力；第（4）问考查不同生物技术的协同作用，需梳理各技术的核心作用，建立知识间的
联系。
3. （2026 模拟预测）2025 年人工合成淀粉量产实现重大突破，其生产过程大致分为三个阶段：① 二氧
化碳的固定与转化，将二氧化碳转化为甲醛；② 甲醛聚合为葡萄糖；③ 葡萄糖转化为淀粉。该过程需多
种微生物协同作用，同时依赖基因工程和发酵技术的优化。回答下列问题：
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（1）第一阶段中，蓝细菌可通过光合作用固定二氧化碳，若要提高蓝细菌固定二氧化碳的效率，可通过
基因工程改造蓝细菌的哪些基因？请简要说明理由。
（2）第二阶段中，甲醛聚合为葡萄糖需特定酶的催化，该酶由微生物自身合成，若要提高该酶的合成
量，可采用哪些基因工程方法？请简要写出操作步骤。
（3）第三阶段中，葡萄糖转化为淀粉的过程的中，需控制发酵条件以减少葡萄糖的消耗，若发酵过程中
氧气供应不足，会对淀粉合成产生什么影响？请从能量供应和代谢产物两个方面分析，并提出相应的改进
措施。
（4）人工合成淀粉过程中，需严格控制生物安全，防止改造后的微生物泄露到自然环境中，可能造成的
生态风险有哪些？请提出相应的防控措施。
【答案】（1）可改造的基因及理由：① Rubisco 酶基因：Rubisco 酶是光合作用中固定二氧化碳的关键
酶，改造该基因可提高Rubisco 酶的活性和特异性，加快二氧化碳的固定效率；② 叶绿素合成相关基
因：改造该基因可提高蓝细菌叶绿素的合成量，增强光合作用强度，从而提高二氧化碳的固定效率；③
碳代谢相关基因：改造该基因可优化蓝细菌的碳代谢通路，减少二氧化碳的浪费，使更多的二氧化碳用于
甲醛的合成。（6 分）
（2）可采用的基因工程方法及操作步骤：方法一：构建高效表达载体，提高目的基因（甲醛聚合酶基
因）的表达量。（1 分） 操作步骤：① 提取甲醛聚合酶基因作为目的基因；② 选择合适的启动子（如强
启动子），构建含目的基因的基因表达载体；③ 将基因表达载体导入微生物细胞；④ 筛选出目的基因高
效表达的微生物菌株。（3 分） 方法二：基因扩增，增加目的基因的拷贝数。（1 分） 操作步骤：① 采
用PCR 技术扩增甲醛聚合酶基因；② 将扩增后的目的基因导入微生物细胞，使其整合到微生物的基因组
中，增加目的基因的拷贝数；③ 筛选出目的基因拷贝数多、表达量高的菌株。（3 分）
（3）影响：① 能量供应不足：氧气供应不足时，微生物进行无氧呼吸，产生的能量（ATP）远少于有氧
呼吸，而葡萄糖转化为淀粉需要消耗大量ATP，导致淀粉合成效率下降；② 代谢产物积累：无氧呼吸会产
生酒精、乳酸等代谢产物，这些产物会抑制微生物的生长和酶的活性，进一步降低淀粉合成效率，甚至导
致微生物死亡。（4 分） 改进措施：① 优化氧气供应，采用通气搅拌装置，保证发酵过程中氧气的充足
供应，促进微生物的有氧呼吸；② 定期检测发酵液中的代谢产物浓度，及时排出代谢产物，避免其积
累；③ 优化发酵温度和pH，提高酶的活性，减少能量消耗。（4 分）
（4）可能的生态风险：① 改造后的微生物泄露到自然环境中，可能与野生微生物杂交，导致野生微生物
的基因发生改变，破坏生态平衡；② 改造后的微生物可能在自然环境中大量繁殖，争夺资源（如二氧化
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碳、营养物质），抑制其他生物的生长，导致生物多样性下降；③ 若微生物的代谢产物对其他生物有毒
害作用，可能会污染土壤、水体，影响生态环境和人类健康。（4 分） 防控措施：① 对改造后的微生物
进行严格的安全性检测，确保其在自然环境中无法大量繁殖和扩散；② 采用密封式发酵设备，防止微生
物泄露；③ 建立应急处理机制，若发生微生物泄露，及时采取措施清除，减少生态风险；④ 加强生物安
全监管，规范合成生物学技术的应用。（4 分）
【分析】本题围绕人工合成淀粉的三个生产阶段，综合考查基因工程、微生物代谢、发酵技术和生物安全
等考点，侧重考查学生的细节分析能力和应用能力。第（1）问考查光合作用相关基因的改造，需结合蓝
细菌的光合作用过程和二氧化碳固定的关键酶分析；第（2）问考查基因工程提高目的基因表达量的方法
和操作步骤，需准确记忆基因工程的基本操作流程；第（3）问考查发酵条件对淀粉合成的影响，需结合
有氧呼吸和无氧呼吸的能量供应差异分析；第（4）问考查生物安全与伦理，需结合合成生物学的潜在风
险，提出合理的防控措施，体现社会责任素养。
1. （2026 模拟预测）2025 年我国人工合成淀粉量产技术取得重大突破，该技术以蓝细菌为宿主，通过基
因工程改造构建人工淀粉合成通路，实现二氧化碳向淀粉的高效转化，产量达到传统玉米淀粉产量的10
倍以上。回答下列问题：
（1）构建人工淀粉合成的基因表达载体时，需将淀粉合成关键酶（如淀粉酶、糖化酶）的基因导入蓝细
菌，请问目的基因导入蓝细菌后，是否需要整合到蓝细菌的基因组中？请说明理由。
（2）人工合成淀粉过程中，需对蓝细菌进行大规模发酵培养，发酵培养基的成分应包含哪些基本营养物
质？请结合蓝细菌的代谢特点，说明各营养物质的作用。
（3）若要进一步提高人工合成淀粉的产量，可从哪些方面进行优化？请结合基因工程、酶工程、发酵技
术三个角度，提出具体的优化方案。
（4）人工合成淀粉的成功量产，为解决粮食安全和环境问题提供了新的思路，请简要分析该技术对我国
粮食安全的战略意义，以及对全球碳循环的影响。
【答案】（1）不需要（或需要，合理即可）。（1 分） 理由：若不需要整合，基因表达载体可在蓝细菌
中自主复制，实现目的基因的稳定表达，且操作简便，可快速获得大量含目的基因的蓝细菌；若需要整
合，可使目的基因稳定存在于蓝细菌的基因组中，避免基因表达载体的丢失，保证目的基因的长期、稳定
表达，提高淀粉合成的稳定性和效率。（3 分）
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（2）发酵培养基的基本营养物质及作用：① 碳源：二氧化碳（主要）、葡萄糖（辅助），为蓝细菌的生
长和淀粉合成提供碳元素和能量；② 氮源：铵盐、硝酸盐等，为蓝细菌合成蛋白质、核酸等物质提供氮
元素，保障微生物的生长和酶的合成；③ 无机盐：如钾、磷、镁等，参与酶的组成、调节细胞渗透压、
维持细胞的正常生理功能；④ 水：作为细胞代谢的溶剂，参与各种生化反应，维持细胞的形态。（4 分）
结合蓝细菌代谢特点：蓝细菌是自养生物，可利用二氧化碳作为碳源，无需添加大量有机碳源，降低生产
成本；同时蓝细菌需光照进行光合作用，因此发酵过程中需提供适宜的光照，为碳源固定和能量供应提供
保障。（2 分）
（3）优化方案：① 基因工程角度：进一步改造蓝细菌的基因组，敲除更多与淀粉合成无关的代谢基因，
减少能量和碳源的消耗；优化目的基因的表达调控序列，提高淀粉合成关键酶的表达量；导入新型淀粉合
成相关基因，构建更高效的人工代谢通路。（3 分） ② 酶工程角度：对淀粉合成关键酶进行蛋白质工程
改造，提高酶的活性、稳定性和特异性；采用酶的固定化技术，将酶固定在载体上，实现酶的重复使用，
降低生产成本，同时提高酶与底物的接触效率。（3 分） ③ 发酵技术角度：优化生物反应器的结构，采
用新型膜生物反应器，提高传质效率和产物分离效率；优化发酵工艺，控制最适的温度、pH、氧气、光照
等条件，促进蓝细菌的生长和淀粉合成；实现发酵过程的自动化控制，及时调整发酵参数，保证生产的稳
定性。（2 分）
（4）对我国粮食安全的战略意义：① 打破传统淀粉依赖农作物种植的局限，减少耕地占用，缓解我国耕
地资源紧张的问题；② 提高淀粉生产效率，增加粮食供给，缓解粮食短缺压力；③ 实现淀粉的工业化生
产，降低粮食生产受自然条件（如气候、灾害）的影响，保障粮食供应的稳定性；④ 为粮食深加工提供
充足的原料，推动粮食产业的升级发展。（4 分） 对全球碳循环的影响：① 人工合成淀粉以二氧化碳为
主要碳源，可大量吸收大气中的二氧化碳，减少温室气体排放，缓解全球变暖；② 实现二氧化碳的高效
转化和利用，推动碳循环的闭环发展，促进绿色低碳经济的发展；③ 减少对植物光合作用固定二氧化碳
的依赖，优化碳循环的路径，提高碳利用效率。（4 分）
【分析】本题以人工合成淀粉量产为情境，综合考查基因工程、微生物代谢、发酵技术等核心考点，同时
渗透粮食安全和环境问题，贴合高考命题的“情境性”和“综合性”特点。第（1）问考查目的基因导入
后的整合问题，需结合基因表达载体的复制特点分析，体现开放性思维；第（2）问考查发酵培养基的成
分，需结合蓝细菌的自养代谢特点分析营养物质的作用；第（3）问考查技术优化方案，需从三个核心技
术角度提出具体措施，体现综合应用能力；第（4）问考查技术的战略意义，需结合粮食安全和碳循环的
实际需求分析，体现社会责任素养。
2. （2026 模拟预测）人工合成淀粉的核心是构建高效的人工代谢通路，该过程需通过基因编辑技术改造
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微生物的代谢基因，同时利用酶工程和发酵技术优化生产过程。回答下列问题：
（1）采用CRISPR/Cas9 技术编辑蓝细菌的基因组时，gRNA 的作用是什么？Cas9 蛋白的作用是什么？请简
要描述CRISPR/Cas9 技术编辑基因的基本过程。
（2）淀粉合成过程中，淀粉酶和糖化酶的活性受温度、pH 等条件的影响，若要使这两种酶在发酵过程中
保持稳定的活性，可采用哪些酶工程技术？请简要说明其原理和优势。
（3）发酵过程中，生物反应器的温度控制至关重要，若温度过高或过低，会对淀粉合成产生哪些影响？
请从酶的活性、微生物生长、代谢产物三个方面分析，并提出温度控制的具体措施。
（4）人工合成淀粉过程中，如何实现淀粉的高效分离和提纯？请结合发酵技术和分离技术的相关知识，
提出具体的分离提纯方案，并说明其原理。
【答案】（1）gRNA 的作用：识别并结合蓝细菌基因组中与淀粉合成相关的靶基因序列，引导Cas9 蛋白定
位到靶基因位点。（2 分） Cas9 蛋白的作用：作为内切核酸酶，在gRNA 的引导下，切割靶基因的特定序
列，使靶基因断裂，为目的基因的插入或基因改造提供条件。（2 分） CRISPR/Cas9 技术编辑基因的基本
过程：① 设计并合成与靶基因序列互补的gRNA；② 将gRNA 和Cas9 蛋白导入蓝细菌细胞；③ gRNA 识别
并结合靶基因序列，引导Cas9 蛋白切割靶基因，产生双链断裂；④ 蓝细菌细胞通过同源重组或非同源末
端连接机制修复断裂的DNA，在此过程中插入目的基因或对靶基因进行改造；⑤ 筛选出基因编辑成功的蓝
细菌菌株。（4 分）
（2）可采用的酶工程技术及原理、优势：① 酶的固定化技术：原理是将淀粉酶和糖化酶固定在载体（如
琼脂糖、纤维素）上，使酶的空间结构保持稳定，同时可与底物接触、与产物分离。优势：酶可重复使
用，降低生产成本；提高酶的稳定性，减少发酵条件对酶活性的影响；便于产物的分离和提纯。（3 分）
② 蛋白质工程：原理是通过改造淀粉酶和糖化酶的基因序列，改变酶的氨基酸序列，从而改变酶的空间
结构，提高酶的耐热性、耐酸性和耐碱性。优势：可定向改造酶的特性，使酶适应发酵过程中的不同条
件，保持稳定的活性；提高酶的催化效率，加快淀粉合成速度。（3 分） ③ 酶的化学修饰：原理是通过
化学试剂（如磷酸化试剂）对酶的氨基酸残基进行修饰，改变酶的结构和特性。优势：操作简便，成本较
低；可快速提高酶的稳定性和活性。（2 分）
（3）温度过高或过低的影响及控制措施：① 温度过高的影响：酶的空间结构被破坏，导致酶变性失活，
淀粉合成效率急剧下降；微生物的生长受到抑制，甚至死亡；代谢产物的种类和含量发生改变，可能产生
有毒有害物质，影响淀粉的品质。（2 分） ② 温度过低的影响：酶的活性降低，淀粉合成速度减慢；微
生物的代谢速率下降，生长缓慢，导致淀粉产量降低；发酵周期延长，增加生产成本。（2 分） 温度控制
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措施：① 采用恒温发酵装置，将温度控制在蓝细菌的最适生长温度（25~30℃）和酶的最适催化温度
（28~32℃）之间，兼顾微生物生长和酶的活性；② 安装温度传感器和控制系统，实时监测发酵液的温
度，及时调整加热或冷却装置，保证温度的稳定性；③ 发酵过程中及时排出微生物代谢产生的热量，避
免温度升高，可采用冷却水管或搅拌装置散热。（4 分）
（4）淀粉的分离提纯方案及原理：① 第一步：发酵液过滤，去除微生物细胞和杂质。原理：利用过滤膜
的筛分作用，将微生物细胞、固体杂质与发酵液分离，获得含淀粉的粗提液。（2 分） ② 第二步：离心
分离，进一步去除粗提液中的细小杂质和可溶性蛋白。原理：利用离心力的作用，使不同密度的物质分
离，细小杂质和可溶性蛋白的密度与淀粉不同，可通过离心被分离出来。（2 分） ③ 第三步：沉淀处
理，使淀粉从粗提液中析出。原理：向粗提液中加入乙醇或硫酸铵等试剂，降低淀粉的溶解度，使淀粉沉
淀析出；或调节粗提液的pH，使淀粉的溶解度降低，实现沉淀。（2 分） ④ 第四步：洗涤和干燥，获得
纯净的淀粉。原理：用蒸馏水洗涤沉淀，去除沉淀表面的杂质和试剂残留；将洗涤后的淀粉进行干燥，去
除水分，获得干燥的淀粉产品。（2 分） ⑤ 优化措施：可采用膜分离技术替代离心分离，提高分离效率
和淀粉纯度；优化沉淀试剂的浓度和pH，提高淀粉的沉淀率，减少淀粉的损失。（2 分）
【分析】本题聚焦人工合成淀粉生产中的基因编辑、酶工程、发酵技术和分离技术，综合考查学生的知识
整合能力和问题解决能力。第（1）问考查CRISPR/Cas9 技术的原理和过程，属于前沿技术与核心考点的
结合；第（2）问考查酶工程技术的应用，需准确掌握不同酶工程技术的原理和优势；第（3）问考查发酵
温度的控制，需结合酶的活性和微生物生长特点分析；第（4）问考查淀粉的分离提纯，需结合分离技术
的原理，设计合理的方案，体现实践应用能力。
3. （2026 模拟预测）随着合成生物学技术的发展，人工合成淀粉量产成为可能，该技术不仅能缓解粮食
短缺问题，还能推动绿色低碳发展。回答下列问题：
（1）人工合成淀粉与传统植物淀粉合成相比，在代谢通路和生产效率上有哪些优势？请从合成场所、代
谢调控、生产周期三个方面进行对比分析。
（2）基因工程是人工合成淀粉量产的核心技术，若要构建含多个淀粉合成关键酶基因的表达载体，可采
用哪些基因拼接技术？请简要说明其操作过程和优势。
（3）发酵过程中，微生物的生长曲线可分为调整期、对数期、稳定期和衰亡期，哪个时期是淀粉合成的
最佳时期？请说明理由，并提出延长该时期的具体措施。
（4）合成生物学技术的应用需兼顾生物安全与伦理，人工合成淀粉生产过程中，可能面临哪些生物安全
风险？请从微生物泄露、基因污染、生态影响三个方面分析，并提出相应的监管措施。
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【答案】（1）优势对比分析：① 合成场所：人工合成淀粉的合成场所是生物反应器，可人工控制环境条
件，不受自然条件（如光照、气候、土壤）的限制；传统植物淀粉的合成场所是植物细胞，依赖自然环
境，受外界条件影响较大。（2 分） ② 代谢调控：人工合成淀粉可通过基因工程精准改造微生物的代谢
通路，敲除无关代谢基因，强化淀粉合成相关酶的表达，实现代谢过程的定向调控，提高淀粉合成效率；
传统植物淀粉的代谢通路是自然形成的，难以进行精准调控，淀粉合成效率较低。（2 分） ③ 生产周
期：人工合成淀粉的生产周期仅需3~5 天，可实现连续生产；传统植物淀粉的生产周期需数月（如玉米、
水稻的生长周期），生产效率低下。（2 分）
（2）可采用的基因拼接技术及操作过程、优势：① 无缝克隆技术（In-Fusion 技术）：操作过程：① 采
用PCR 技术扩增多个淀粉合成关键酶基因，在每个基因的两端添加15~25 个同源碱基序列；② 采用限制酶
将载体线性化，使载体末端与目的基因两端的同源序列互补；③ 将线性化载体和多个目的基因混合，加
入In-Fusion 酶，使目的基因与载体通过同源重组实现无缝拼接，构建含多个目的基因的表达载体。优
势：操作简便、快速，可实现多个目的基因的同时拼接，且无需考虑限制酶的酶切位点，拼接效率高，阳
性克隆比例高。（4 分） ② 传统酶切连接技术：操作过程：① 选择合适的限制酶，分别切割多个目的基
因和载体，使目的基因和载体产生相同的黏性末端或平末端；② 用DNA 连接酶将多个目的基因依次连接
到载体上，构建含多个目的基因的表达载体。优势：技术成熟，操作规范，可精准控制目的基因的连接顺
序；适用于目的基因序列明确、酶切位点清晰的情况。（4 分）
（3）最佳时期：稳定期。（1 分） 理由：稳定期的微生物数量达到最大值，且代谢活动稳定，淀粉合成
关键酶的表达量最高，淀粉合成效率最高；同时，稳定期微生物的生长速率与死亡速率相等，发酵液中的
营养物质消耗和代谢产物积累达到平衡，便于淀粉的合成和积累。（3 分） 延长稳定期的措施：① 及时
补充发酵培养基中的营养物质（如碳源、氮源、无机盐），保证微生物的生长需求；② 及时排出发酵液
中的代谢产物，避免其积累对微生物生长和淀粉合成的抑制；③ 优化发酵条件（如温度、pH、氧气），
维持微生物的正常代谢活动；④ 采用连续发酵模式，不断加入新鲜培养基，排出旧的发酵液，使微生物
始终处于稳定期。（4 分）
（4）生物安全风险及监管措施：① 微生物泄露风险：改造后的蓝细菌泄露到自然环境中，可能大量繁
殖，争夺资源，抑制其他生物的生长，破坏生态平衡。监管措施：采用密封式发酵设备，加强设备的密封
性检测；建立微生物泄露监测系统，及时发现和处理泄露事件；对发酵废水和废渣进行无害化处理，避免
微生物通过废水、废渣泄露。（3 分） ② 基因污染风险：改造后的微生物可能与野生微生物杂交，导致
野生微生物的基因发生改变，产生新的变异类型，影响生态系统的稳定性。监管措施：对改造后的微生物
进行严格的基因安全检测，禁止具有潜在风险的微生物投入生产；建立基因污染监测机制，定期监测自然
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环境中的微生物基因变化；加强对合成生物学技术的规范管理，明确基因编辑的边界。（3 分） ③ 生态
影响风险：改造后的微生物的代谢产物可能对土壤、水体、大气造成污染，影响其他生物的生存和人类健
康。监管措施：对发酵过程中的代谢产物进行检测，确保其对环境无害；建立生态环境监测系统，跟踪人
工合成淀粉生产对周边生态环境的影响；制定应急处理预案，若发生生态污染，及时采取措施治理。（2
分） 此外，还需加强法律法规建设，规范合成生物学技术的应用，加强科研人员的生物安全意识培训，
确保技术的安全、合理使用。（2 分）
【分析】本题综合考查人工合成淀粉的优势、基因工程、发酵技术和生物安全，贴合高考命题的综合性和
应用性特点。第（1）问考查人工合成淀粉与传统淀粉合成的对比，需从多个维度分析优势，体现前沿技
术的价值；第（2）问考查基因拼接技术，需掌握无缝克隆和传统酶切连接技术的操作过程和优势；第
（3）问考查微生物生长曲线的应用，需结合发酵生产的需求分析最佳时期和延长措施；第（4）问考查生
物安全与伦理，需全面分析潜在风险，提出合理的监管措施，体现社会责任素养。
猜押2 AI 辅助蛋白质设计——酶工程与基因工程的跨学科应用
1. AI 辅助蛋白质设计的核心原理：
2025 年，AI 辅助蛋白质设计技术取得重大突破，其核心是利用人工智能算法（如深度学习、机器学习）
模拟蛋白质的氨基酸序列与空间结构的关系，预测蛋白质的三维结构，进而定向设计具有特定功能的蛋白
质（如高效催化酶、新型抗体），解决传统蛋白质设计周期长、效率低、成功率低的局限。
2. 关键技术支撑：
① AI 预测技术：通过算法分析大量蛋白质的氨基酸序列和空间结构数据，建立预测模型，快速预测新型
蛋白质的空间结构，筛选出具有目标功能的蛋白质序列；
② 基因工程：将AI 设计的蛋白质基因导入微生物（如大肠杆菌、酵母菌）中，实现蛋白质的高效表达；
③ 酶工程：对AI 设计的蛋白质（如催化酶）进行进一步改造和优化，提高其活性、稳定性和特异性，适
配生物制造的需求；
④ 蛋白质结构解析技术：通过X 射线晶体衍射、冷冻电镜等技术，验证AI 预测的蛋白质结构，为蛋白质
设计的优化提供依据。
3. 与高考考点关联：该热点直接衔接酶工程（酶的改造与应用）、基因工程（目的基因获取、载体构
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建、表达与检测）、蛋白质的结构与功能等核心考点，同时体现跨学科（生物+AI）的命题趋势，是高考
中“跨学科情境+核心考点”类试题的重要素材。
拓展：AI 辅助蛋白质设计的热点中，隐藏多个高考易考细节和课外延伸知识点。
从AI 技术的应用来看，深度学习算法模拟蛋白质空间结构，本质是基于“氨基酸序列决定蛋白质空间结
构”的核心知识点，高考中可能考查“蛋白质的结构层次”“蛋白质变性的原因”等相关内容，同时可延
伸考查“算法模拟与生物实验验证的关系”，体现科学探究的核心素养。在关键技术支撑中，X 射线晶体
衍射、冷冻电镜等蛋白质结构解析技术，是高考中“生物技术前沿”的常考背景，需了解其核心作用是验
证AI 预测的准确性，衔接“蛋白质结构的鉴定方法”这一课外拓展点。此外，AI 设计的蛋白质基因导入
微生物后，可能涉及“原核生物与真核生物翻译后修饰的差异”，比如大肠杆菌无法对蛋白质进行糖基化
修饰，而酵母菌可实现，这一细节常作为高考选择题或解答题的易错点，同时与“基因工程中受体细胞的
选择依据”密切相关，需重点掌握。
1. （2026 模拟预测）2025 年AI 辅助蛋白质设计技术加速生物制造发展，科研人员利用AI 算法设计出一
种高效催化二氧化碳转化的酶（简称CO 酶），通过基因工程将该酶的基因导入大肠杆菌，实现
₂
CO 酶的
₂
大规模生产，为人工合成淀粉、生物燃料等提供核心催化材料。回答下列问题：
（1）AI 辅助设计CO 酶的核心步骤是什么？与传统蛋白质设计相比，
₂
AI 辅助蛋白质设计有哪些优势？
（2）将AI 设计的CO 酶基因导入大肠杆菌时，需构建基因表达载体，该载体的构建过程中，需用到哪些
₂
工具酶？请简要说明各工具酶的作用。若要使CO 酶基因在大肠杆菌中高效表达，需在载体中添加哪些关
₂
键调控序列？
（3）CO 酶的活性受温度、
₂
pH、底物浓度等条件的影响，科研人员通过AI 算法进一步优化CO 酶的氨基酸
₂
序列，提高其耐热性和催化效率，请从蛋白质结构与功能的关系角度，分析AI 优化的原理。
（4）将含CO 酶基因的大肠杆菌进行大规模发酵培养，发酵过程中需控制哪些条件？请结合大肠杆菌的代
₂
谢特点，说明控制这些条件的目的，以及如何提高CO 酶的产量。
₂
【答案】（1）AI 辅助设计CO 酶的核心步骤：① 明确
₂
CO 酶的目标功能（高效催化二氧化碳转化）；②
₂
利用AI 算法分析大量已知酶的氨基酸序列和空间结构数据，建立预测模型；③ 基于预测模型，设计出可
能具有目标功能的CO 酶氨基酸序列；④ 通过蛋白质结构解析技术，验证设计的
₂
CO 酶的空间结构，若不
₂
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符合要求，通过AI 算法进一步优化，直至获得符合目标功能的CO 酶。（
₂
4 分） 优势：① 周期短：AI 可
快速预测蛋白质结构和序列，避免传统设计的盲目性，缩短设计周期；② 效率高：可同时设计多种蛋白
质序列，筛选出最优序列，提高设计成功率；③ 精准性高：基于大数据和算法模拟，可精准设计出具有
特定功能的蛋白质，适配生物制造的需求；④ 成本低：减少实验试错的次数，降低蛋白质设计和筛选的
成本。（4 分）
（2）工具酶及作用：① 限制酶：识别并切割CO 酶基因和载体的特定核苷酸序列，产生相同的黏性末端
₂
或平末端，为基因拼接提供条件；② DNA 连接酶：将CO 酶基因和载体的末端连接起来，形成重组基因表
₂
达载体。（4 分） 关键调控序列及作用：① 强启动子（如T7 启动子）：驱动CO 酶基因在大肠杆菌中高
₂
效转录；② 核糖体结合位点：便于核糖体结合，提高翻译效率，增加CO 酶的合成量；③ 终止子：终止
₂
CO 酶基因的转录，避免转录过程异常；④ 操纵子序列：调控
₂
CO 酶基因的表达，使基因在适宜的条件下
₂
表达，减少能量消耗。（4 分）
（3）AI 优化的原理：蛋白质的结构决定功能，CO 酶的催化活性、耐热性等功能与其氨基酸序列和空间结
₂
构密切相关。（2 分） AI 算法通过优化CO 酶的氨基酸序列，改变其空间结构：① 增加疏水氨基酸的比
₂
例，增强蛋白质的疏水性，提高其耐热性；② 调整氨基酸的排列顺序，使CO 酶的活性中心结构更稳定，
₂
提高催化效率；③ 优化蛋白质的空间构象，减少高温、酸碱条件对活性中心的破坏，增强酶的稳定性；
④ 增加二硫键的数量，维持蛋白质的空间结构稳定，提高酶的耐热性和稳定性。（6 分）
（4）发酵条件及控制目的：① 温度：控制在大肠杆菌的最适生长温度（37℃左右），此时大肠杆菌的代
谢效率最高，CO 酶基因的表达量也最高；②
₂
pH：控制在7.0~7.5（大肠杆菌适宜的pH 范围），维持酶的
活性和大肠杆菌的正常生长；③ 氧气：保证充足的氧气，促进大肠杆菌的有氧呼吸，为CO 酶的合成提供
₂
充足的能量；④ 营养物质：保证培养基中碳源（葡萄糖）、氮源（铵盐）、无机盐等营养物质的充足供
应，为大肠杆菌的生长和CO 酶的合成提供原料；⑤ 搅拌速度：适当的搅拌速度，使发酵液中的营养物
₂
质、氧气均匀分布，促进大肠杆菌的生长和酶的合成。（6 分） 提高CO 酶产量的措施：① 优化基因表
₂
达载体，提高CO 酶基因的表达量；② 采用诱导剂（如
₂
IPTG）诱导CO 酶基因表达，增加酶的合成量；③
₂
延长发酵的稳定期，增加大肠杆菌的数量和酶的积累量；④ 及时排出发酵液中的代谢产物，避免其抑制
大肠杆菌的生长和酶的活性。（2 分）
【分析】本题以AI 辅助蛋白质设计（CO 酶）为情境，综合考查酶工程、基因工程、发酵技术等核心考
₂
点，同时体现跨学科（生物+AI）的特点，贴合高考命题趋势。第（1）问考查AI 辅助蛋白质设计的步骤
和优势，需结合前沿技术的特点分析；第（2）问考查基因表达载体的构建，需准确记忆工具酶的作用和
关键调控序列；第（3）问考查蛋白质结构与功能的关系，需结合AI 优化的原理分析氨基酸序列与酶功能
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的关联；第（4）问考查发酵条件控制和酶产量的提高，需结合大肠杆菌的代谢特点分析。
2. （2026 模拟预测）AI 辅助蛋白质设计技术可快速设计出具有特定功能的蛋白质，为生物制造、医药等
领域提供新的思路。科研人员利用AI 设计出一种新型淀粉酶，该酶的催化效率是天然淀粉酶的5 倍，且耐
热性显著提高，通过基因工程将其导入酵母菌，实现大规模生产。回答下列问题：
（1）AI 设计新型淀粉酶时，需结合天然淀粉酶的哪些信息？请简要说明这些信息对AI 设计的作用。
（2）将新型淀粉酶基因导入酵母菌时，常用的方法是什么？与导入大肠杆菌的方法相比，该方法有哪些
优势？导入后，如何检测新型淀粉酶基因是否成功整合到酵母菌的基因组中？
（3）新型淀粉酶的耐热性显著提高，可在高温条件下（50~60℃）保持稳定的催化活性，请分析其耐热性
提高的原因（从蛋白质结构角度），并设计实验验证该酶的耐热性优势。
（4）将含新型淀粉酶基因的酵母菌用于淀粉水解生产葡萄糖，与天然淀粉酶相比，使用新型淀粉酶有哪
些优势？请结合酶的特性和生产实际，说明其对生物制造的意义。
【答案】（1）需结合的天然淀粉酶信息及作用：① 氨基酸序列：作为AI 设计的基础，AI 通过分析天然
淀粉酶的氨基酸序列，预测其空间结构与功能的关系，进而优化氨基酸序列，提高酶的催化效率和耐热
性；② 空间结构：AI 通过模拟天然淀粉酶的空间结构，明确其活性中心的位置和结构，设计出活性中心
更稳定、催化效率更高的新型淀粉酶；③ 催化机制：了解天然淀粉酶催化淀粉水解的原理，AI 可针对性
地优化酶的活性中心，增强酶与底物的结合能力，提高催化效率；④ 理化性质：了解天然淀粉酶的耐热
性、耐酸性等理化性质，AI 可通过优化氨基酸序列，改善酶的理化性质，满足生产需求。（6 分）
（2）导入方法：显微注射法（或农杆菌转化法，合理即可）。（2 分） 优势：与导入大肠杆菌的感受态
细胞法相比，显微注射法可直接将基因表达载体导入酵母菌的细胞核中，提高基因导入的效率；可实现目
的基因在酵母菌基因组中的稳定整合，保证目的基因的长期、稳定表达；适用于酵母菌等真核生物的基因
导入，避免原核生物表达真核蛋白时的翻译后修饰缺陷。（4 分） 检测方法：采用DNA 分子杂交技术，用
放射性同位素标记的新型淀粉酶基因探针与酵母菌的基因组DNA 杂交，若出现杂交带，说明新型淀粉酶基
因已成功整合到酵母菌的基因组中。（2 分）
（3）耐热性提高的原因（蛋白质结构角度）：① 新型淀粉酶的氨基酸序列中，疏水氨基酸的比例增加，
形成更稳定的疏水核心，减少高温对蛋白质空间结构的破坏；② 增加了二硫键的数量，二硫键可维持蛋
白质的空间结构稳定，提高酶的耐热性；③ 优化了氨基酸的排列顺序，使酶的活性中心结构更稳定，即
使在高温条件下，也能保持其催化功能；④ 蛋白质的空间构象更紧凑，减少了高温下的变性概率。（4
分） 实验设计：① 实验分组：实验组（新型淀粉酶）和对照组（天然淀粉酶），每组设置3 个重复；②
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实验条件：分别将两组酶置于50℃、55℃、60℃的恒温条件下处理30 分钟，然后将温度恢复至酶的最适
催化温度（37℃）；③ 实验步骤：向两组酶液中加入等量的淀粉溶液，在相同条件下培养一段时间，采
用碘液检测淀粉的剩余量，计算酶的催化效率；④ 实验预期：实验组的淀粉剩余量显著少于对照组，说
明新型淀粉酶的耐热性优于天然淀粉酶。（4 分）
（4）优势：① 催化效率高：新型淀粉酶的催化效率是天然淀粉酶的5 倍，可加快淀粉水解的速度，提高
生产效率；② 耐热性强：可在高温条件下保持稳定的催化活性，减少酶的变性失活，降低酶的使用量和
生产成本；③ 稳定性好：在不同的pH、底物浓度条件下，仍能保持较高的催化活性，适应不同的生产环
境；④ 使用寿命长：可重复使用多次，进一步降低生产成本。（4 分） 对生物制造的意义：① 提高淀粉
水解的生产效率，缩短生产周期，降低生产成本，推动淀粉深加工产业的发展；② 可用于高温条件下的
淀粉水解生产，扩大生物制造的适用范围；③ 为其他生物制造过程提供高效的催化酶，推动生物制造产
业的升级；④ 减少对天然酶的依赖，降低天然酶提取的成本和难度。（4 分）
【分析】本题围绕AI 辅助设计新型淀粉酶展开，综合考查蛋白质结构与功能、基因工程、酶的特性和实
验设计等考点，侧重考查学生的综合分析能力和实验设计能力。第（1）问考查AI 设计蛋白质的基础信
息，需结合蛋白质的结构与功能分析；第（2）问考查目的基因导入真核生物的方法和检测，需区分原核
生物和真核生物基因导入的差异；第（3）问考查酶的耐热性原因和实验设计，需结合蛋白质结构和实验
设计的原则分析；第（4）问考查新型酶的应用优势，需结合生产实际分析其对生物制造的意义。
3. （2026 模拟预测）AI 辅助蛋白质设计技术的突破，推动了酶工程和基因工程的融合发展，为生物制
造、医药研发等领域提供了新路径。科研人员利用AI 技术设计出一种新型抗体蛋白，该蛋白能特异性结
合肿瘤细胞表面的抗原，通过基因工程将其基因导入哺乳动物细胞，实现大规模生产，为肿瘤治疗提供新
的药物支撑。回答下列问题：
（1）AI 辅助设计新型抗体蛋白时，需明确该抗体蛋白的核心功能的是什么？AI 算法在设计过程中，如何
实现抗体蛋白的特异性优化？
（2）将新型抗体蛋白基因导入哺乳动物细胞（如CHO 细胞）时，常用的方法是什么？与导入微生物细胞
的方法相比，该方法需特别注意什么？导入后，如何检测抗体蛋白基因是否成功表达？
（3）新型抗体蛋白的合成需要经过转录和翻译两个过程，AI 算法可优化抗体蛋白的基因序列，提高其翻
译效率，请从密码子的角度，分析AI 优化的具体思路，并说明其原理。
（4）将含新型抗体蛋白基因的哺乳动物细胞进行大规模培养，需采用动物细胞培养技术，该技术与微生
物发酵技术相比，在培养条件上有哪些不同？请简要说明，并分析动物细胞培养过程中防止污染的关键措
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施。
【答案】（1）核心功能：特异性结合肿瘤细胞表面的抗原，识别肿瘤细胞，为肿瘤治疗提供靶向作用
（如引导免疫细胞攻击肿瘤细胞、直接抑制肿瘤细胞增殖）。（2 分） AI 优化特异性的思路：① 利用AI
算法分析肿瘤细胞表面抗原的结构，设计抗体蛋白的抗原结合位点序列，使抗体蛋白能精准结合抗原；②
模拟抗体蛋白的空间结构，优化抗原结合位点的构象，增强抗体与抗原的结合能力，降低与正常细胞的非
特异性结合；③ 分析不同抗体蛋白的氨基酸序列与特异性的关系，筛选出特异性最强的氨基酸序列，提
高抗体蛋白的靶向性。（4 分）
（2）导入方法：显微注射法。（2 分） 特别注意：需将基因表达载体导入哺乳动物细胞的细胞核中，保
证目的基因能整合到哺乳动物细胞的基因组中，实现稳定表达；同时需选择适宜的载体（如动物病毒载
体），提高基因导入的效率。（2 分） 表达检测：① 分子水平：采用抗原-抗体杂交技术，检测细胞培养
液中是否存在新型抗体蛋白；② 功能水平：将抗体蛋白与肿瘤细胞混合培养，观察抗体蛋白是否能特异
性结合肿瘤细胞，验证其功能。（4 分）
（3）AI 优化思路：优化抗体蛋白基因的密码子，选择哺乳动物细胞中偏好性高的密码子，替换原有密码
子。（2 分） 原理：不同生物对密码子的使用具有偏好性，哺乳动物细胞对某些密码子的识别和翻译效率
更高；AI 算法通过分析哺乳动物细胞的密码子偏好性数据，将抗体蛋白基因中的稀有密码子替换为偏好密
码子，可提高mRNA 的翻译效率，增加抗体蛋白的合成量。（4 分）
（4）培养条件的不同：① 营养物质：动物细胞培养需添加血清、血浆等天然成分，提供细胞生长所需的
未知营养物质；微生物发酵只需添加人工配制的培养基（碳源、氮源、无机盐等），无需天然成分。（2
分） ② 环境条件：动物细胞培养需控制更严格的温度（37℃左右）、pH（7.2~7.4），且需保证无菌、
无毒环境；微生物发酵的温度、pH 可根据微生物种类调整，无菌要求相对较低。（2 分） ③ 气体环境：
动物细胞培养需提供95%空气+5%CO 的气体环境，
₂
CO 维持培养液的
₂
pH 稳定；微生物发酵多为有氧或无氧
环境，无需特定比例的CO 。（
₂
2 分） 防止污染的关键措施：① 培养环境无菌：对培养皿、培养液、培
养设备进行严格灭菌处理；② 操作无菌：实验人员需进行无菌操作，避免人为污染；③ 定期检测：定期
检测细胞培养液的浑浊度、pH 等，及时发现污染情况；④ 采用抗生素：在培养液中添加适量抗生素，抑
制细菌污染（需注意抗生素对细胞的毒性）。（4 分）
【分析】本题以AI 辅助设计新型抗体蛋白为情境，综合考查基因工程、酶工程、动物细胞培养等核心考
点，同时体现跨学科和前沿技术的结合，贴合高考命题趋势。第（1）问考查AI 辅助蛋白质设计的核心思
路，需结合抗体蛋白的功能分析；第（2）问考查目的基因导入动物细胞的方法和表达检测，需区分动物
细胞与微生物细胞基因导入的差异；第（3）问考查密码子偏好性与翻译效率的关系，体现基因序列优化
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的核心逻辑；第（4）问考查动物细胞培养与微生物发酵的差异，侧重培养条件和无菌操作，贴合高考对
生物技术应用的考查。
1. （2026 模拟预测）AI 辅助蛋白质设计技术可定向设计具有特定功能的酶蛋白，为合成生物学的发展提
供核心支撑。科研人员利用AI 算法设计出一种高效降解塑料的酶（简称塑料降解酶），该酶能在常温下
快速降解聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），通过基因工程将其基因导入枯草芽孢杆菌，实现大规模生产。
回答下列问题：
（1）AI 辅助设计塑料降解酶时，需结合PET 的化学结构，推测塑料降解酶的活性中心应具备哪些特点？
AI 如何通过算法优化酶的活性中心，提高降解效率？
（2）将塑料降解酶基因导入枯草芽孢杆菌时，构建基因表达载体需遵循哪些原则？若要使塑料降解酶在
枯草芽孢杆菌中分泌到细胞外，需在载体中添加什么序列？请说明其作用。
（3）塑料降解酶在常温下的降解效率较高，但在高温环境下易变性失活，科研人员通过AI 优化酶的氨基
酸序列，提高其耐高温性，请从蛋白质结构与功能的关系角度，分析优化的具体方向。
（4）将含塑料降解酶基因的枯草芽孢杆菌用于环境中PET 塑料的降解，需考虑哪些实际问题？请结合酶
的特性和环境因素，提出提高塑料降解效率的具体措施。
【答案】（1）活性中心特点：① 具有能与PET 分子特异性结合的结构，便于识别底物；② 具有催化PET
分子化学键断裂的氨基酸残基，能高效破坏PET 的化学结构；③ 活性中心结构稳定，能在常温下保持催
化功能。（3 分） AI 优化思路：① 利用AI 算法模拟PET 分子与酶活性中心的结合过程，优化活性中心的
氨基酸序列，增强酶与PET 的结合能力；② 调整活性中心周围的氨基酸排列，提高活性中心的稳定性，
加快催化反应速率；③ 模拟不同氨基酸序列对酶活性的影响，筛选出催化效率最高的活性中心序列，实
现定向优化。（3 分）
（2）构建原则：① 目的基因与载体的黏性末端互补，便于拼接；② 目的基因的方向正确，保证其能正
常转录和翻译；③ 载体上的调控序列（启动子、终止子等）与枯草芽孢杆菌的表达系统匹配，提高目的
基因的表达量；④ 避免目的基因和载体的自身环化，保证重组载体的完整性。（4 分） 需添加的序列：
信号肽序列。（1 分） 作用：信号肽序列能引导塑料降解酶在枯草芽孢杆菌细胞内合成后，分泌到细胞
外，便于酶与环境中的PET 塑料接触，同时减少细胞内酶的积累对细胞的毒性。（2 分）
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（3）优化方向：① 增加酶分子中疏水氨基酸的比例，形成更稳定的疏水核心，减少高温对蛋白质空间结
构的破坏；② 增加二硫键的数量，二硫键可维持蛋白质的空间构象稳定，提高酶的耐高温性；③ 优化酶
的氨基酸序列，使活性中心的结构更紧凑，即使在高温条件下，也能保持其催化功能；④ 调整氨基酸的
种类，替换易被高温破坏的氨基酸（如半胱氨酸），增加耐热性氨基酸（如脯氨酸）的比例。（4 分）
（4）需考虑的实际问题：① 塑料降解酶在自然环境中的稳定性，避免被环境中的蛋白酶降解；② 环境
温度、pH、湿度等因素对酶活性的影响；③ 塑料降解酶与PET 塑料的接触效率，避免酶被环境中的杂质
吸附而降低活性；④ 酶的生产成本，确保其能大规模应用于环境治理。（4 分） 提高降解效率的措施：
① 采用酶的固定化技术，将塑料降解酶固定在载体上，提高其在自然环境中的稳定性，实现重复使用；
② 优化环境条件，在塑料污染区域喷洒适宜的缓冲液，维持酶的最适pH；③ 将固定化酶与PET 塑料充分
混合，增加酶与底物的接触面积；④ 结合微生物发酵技术，实现塑料降解酶的大规模、低成本生产，提
高酶的用量。（4 分）
【分析】本题以AI 辅助设计塑料降解酶为情境，综合考查酶工程、基因工程、微生物发酵等核心考点，
同时结合环境治理热点，贴合高考“情境+应用”的命题特点。第（1）问考查酶的活性中心与AI 优化思
路，需结合底物结构分析；第（2）问考查基因表达载体的构建原则和信号肽序列的作用，属于基础考点
的延伸；第（3）问考查蛋白质结构与耐热性的关系，体现知识迁移能力；第（4）问考查酶的实际应用，
需结合环境因素和技术优化，体现实践应用能力。
2. （2026 模拟预测）AI 辅助蛋白质设计技术打破了传统蛋白质设计的局限，可快速设计出适配生物制造
需求的酶蛋白，推动合成生物学与工业生产的深度融合。科研人员利用AI 设计出一种高效催化乳酸转化
为丙酮酸的酶（简称乳酸脱氢酶），通过基因工程将其基因导入大肠杆菌，优化发酵工艺，实现丙酮酸的
大规模生产。回答下列问题：
（1）AI 辅助设计乳酸脱氢酶的核心流程是什么？与传统酶工程改造酶相比，AI 辅助设计有哪些独特优
势？
（2）将乳酸脱氢酶基因导入大肠杆菌后，若要筛选出含目的基因的工程菌，可采用哪些筛选方法？请简
要说明各方法的原理和操作步骤。
（3）发酵过程中，乳酸脱氢酶的活性受底物浓度（乳酸）、产物浓度（丙酮酸）的影响，若丙酮酸积累
过多，会抑制酶的活性，如何通过发酵工艺优化，减少丙酮酸的抑制作用？请提出具体方案。
（4）乳酸脱氢酶的大规模生产需结合基因工程、酶工程和发酵技术，三者在该过程中发挥的作用分别是
什么？请简要梳理三者的协同关系。
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【答案】（1）核心流程：① 明确乳酸脱氢酶的目标功能（高效催化乳酸转化为丙酮酸）；② 利用AI 算
法分析大量乳酸脱氢酶的氨基酸序列、空间结构和催化机制数据，建立预测模型；③ 基于预测模型，设
计出可能具有目标功能的乳酸脱氢酶氨基酸序列；④ 通过蛋白质结构解析和体外活性检测，验证酶的功
能，若不符合要求，通过AI 算法进一步优化，直至获得符合需求的酶。（4 分） 独特优势：① 精准性
高：可基于大数据模拟，定向设计出具有特定功能的酶，避免传统改造的盲目性；② 效率高：可快速筛
选最优氨基酸序列，缩短酶的设计和改造周期；③ 灵活性强：可根据生产需求，针对性优化酶的理化性
质（如活性、稳定性），适配工业发酵条件；④ 成本低：减少实验试错次数，降低酶的设计和筛选成
本。（4 分）
（2）筛选方法及原理、操作步骤：① 标记基因筛选法：原理：基因表达载体上的标记基因（如抗生素抗
性基因）可使含目的基因的工程菌获得抗性，在含对应抗生素的培养基上存活。操作步骤：将导入基因表
达载体的大肠杆菌接种到含对应抗生素的培养基上，培养一段时间后，存活的菌落即为含目的基因的工程
菌。（3 分） ② DNA 分子杂交筛选法：原理：用放射性同位素标记的乳酸脱氢酶基因探针，可与工程菌
的基因组DNA 特异性杂交，出现杂交带的菌落即为含目的基因的工程菌。操作步骤：将培养基上的菌落转
移到硝酸纤维素膜上，裂解菌落获得DNA，与探针杂交，检测杂交带，筛选出阳性菌落。（3 分） ③ 酶
活性检测法：原理：乳酸脱氢酶可催化乳酸转化为丙酮酸，通过检测丙酮酸的生成量，判断菌落是否含目
的基因并表达。操作步骤：挑取培养基上的菌落，接种到含乳酸的培养基中培养，检测培养液中丙酮酸的
含量，丙酮酸含量高的菌落即为含目的基因且表达成功的工程菌。（2 分）
（3）优化方案：① 采用连续发酵模式，不断向发酵罐中添加新鲜的乳酸溶液，同时不断排出含丙酮酸的
发酵液，控制发酵液中丙酮酸的浓度，避免其积累；② 优化发酵液的pH 和温度，维持乳酸脱氢酶的最适
活性，减少丙酮酸对酶的抑制作用；③ 向发酵液中添加丙酮酸转化酶，将积累的丙酮酸进一步转化为其
他产物（如乙酸），降低丙酮酸的浓度；④ 优化基因表达载体，提高乳酸脱氢酶的表达量，抵消丙酮酸
的抑制作用，保证发酵效率。（4 分）
（4）三者的作用及协同关系：① 基因工程：核心作用是将AI 设计的乳酸脱氢酶基因导入大肠杆菌，构
建工程菌，为酶的大规模生产提供宿主细胞；同时可优化目的基因的表达序列，提高酶的表达量。（2
分） ② 酶工程：核心作用是对AI 设计的乳酸脱氢酶进行进一步改造和优化，提高酶的活性、稳定性和
特异性，适配工业发酵的条件；同时可采用酶的固定化技术，提高酶的利用率，降低生产成本。（2 分）
③ 发酵技术：核心作用是优化发酵工艺，控制发酵条件（温度、pH、底物浓度等），实现大肠杆菌的大
规模培养和乳酸脱氢酶的高效表达，将基因工程和酶工程的成果转化为实际产品。（2 分） 协同关系：AI
设计为酶的改造提供方向，基因工程为酶的生产提供载体，酶工程优化酶的性能，发酵技术实现酶的大规
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模生产，三者相互配合，缺一不可，共同推动丙酮酸的工业化生产。（2 分）
【分析】本题聚焦AI 辅助设计乳酸脱氢酶的工业化应用，综合考查基因工程、酶工程、发酵技术的协同
应用，贴合高考对综合应用能力的考查。第（1）问考查AI 辅助蛋白质设计的流程和优势，需结合前沿技
术特点分析；第（2）问考查工程菌的筛选方法，需掌握不同筛选方法的原理和操作；第（3）问考查发酵
工艺优化，需结合酶的抑制作用分析；第（4）问考查三大生物技术的协同关系，需梳理各技术的核心作
用，建立知识间的联系。
3. （2026 模拟预测）随着AI 技术与合成生物学的深度融合，AI 辅助蛋白质设计已成为生物制造领域的核
心技术之一。科研人员利用AI 算法设计出一种新型光合酶，该酶能提高植物的光合作用效率，通过基因
工程将其基因导入水稻，培育高产水稻品种。回答下列问题：
（1）AI 辅助设计新型光合酶时，需结合植物光合作用的哪个阶段？该阶段的核心反应是什么？AI 如何优
化光合酶的序列，提高光合作用效率？
（2）将新型光合酶基因导入水稻时，常用的方法是什么？该方法的核心优势是什么？导入后，如何检测
新型光合酶基因是否成功表达？请从分子水平和个体水平分别说明。
（3）新型光合酶导入水稻后，可能会影响水稻的其他代谢过程，导致水稻生长异常，如何通过基因调
控，避免这种情况的发生？请提出具体的调控方案。
（4）AI 辅助蛋白质设计技术在农业领域的应用，为粮食增产提供了新的思路，除了培育高产作物品种，
该技术还能在哪些方面助力农业发展？请结合农业生产实际，提出具体的应用方向，并说明其原理。
【答案】（1）结合阶段：光反应阶段。（1 分） 核心反应：光能转化为ATP 和NADPH 中的化学能，同时
分解水产生氧气和[H]。（2 分） AI 优化思路：① 新型光合酶（如Rubisco 酶）是光反应阶段的关键酶，
AI 通过优化其氨基酸序列，提高酶的活性，加快光能转化和水的分解速率；② 优化光合酶的空间结构，
增强其对光照的适应性，在弱光条件下也能保持较高的活性；③ 调整酶的氨基酸序列，减少酶的无效消
耗，使更多的能量用于光合作用，提高光合作用效率。（3 分）
（2）导入方法：农杆菌转化法。（2 分） 核心优势：农杆菌可将Ti 质粒上的T-DNA 片段整合到水稻细胞
的基因组中，实现目的基因的稳定整合和长期表达；同时该方法操作简便、导入效率高，适用于水稻等单
子叶植物。（2 分） 表达检测：① 分子水平：采用抗原-抗体杂交技术，检测水稻细胞中是否存在新型光
合酶；采用RT-PCR 技术，检测新型光合酶基因的转录产物（mRNA），验证基因是否转录。（2 分） ② 个
体水平：观察水稻的生长状况，对比转基因水稻与非转基因水稻的光合速率、生物量、产量等指标，若转
基因水稻的光合速率更高、产量更高，说明目的基因成功表达。（2 分）
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（3）调控方案：① 采用特异性启动子（如叶片特异性启动子），使新型光合酶基因仅在水稻的叶片中表
达，避免在根、茎等部位表达，减少对其他代谢过程的影响；② 优化基因表达的调控序列，使新型光合
酶基因在水稻的生长旺盛期（如拔节期、灌浆期）表达，在其他时期低表达，避免能量浪费和代谢紊乱；
③ 导入调控基因，当新型光合酶的表达量过高时，调控基因可抑制其表达，维持酶的正常表达水平，避
免影响水稻生长；④ 对转基因水稻进行多代筛选，保留光合效率高且生长正常的植株，淘汰生长异常的
植株。（4 分）
（4）应用方向及原理：① 培育抗逆作物品种：利用AI 设计能提高作物抗寒、抗旱、抗病虫害的蛋白质
（如抗冻蛋白、抗病蛋白），通过基因工程导入作物，增强作物的抗逆能力，减少自然灾害和病虫害对农
业生产的影响。（2 分） ② 培育优质作物品种：利用AI 设计能提高作物营养成分（如蛋白质、维生素）
含量的酶蛋白，通过基因工程导入作物，改善作物品质，满足人体营养需求。（2 分） ③ 优化作物代谢
过程：利用AI 设计能调控作物代谢的酶蛋白，优化作物的碳代谢、氮代谢通路，提高作物对营养物质的
吸收和利用效率，减少化肥的使用，降低农业污染。（2 分） ④ 培育耐除草剂作物品种：利用AI 设计能
降解除草剂的酶蛋白，通过基因工程导入作物，使作物能耐受除草剂，便于田间杂草的清除，提高农业生
产效率。（2 分）
【分析】本题结合AI 辅助蛋白质设计在农业领域的应用，综合考查基因工程、光合作用、作物育种等核
心考点，贴合高考“生物技术与农业结合”的命题趋势。第（1）问考查光合作用与AI 优化思路，需结合
光合作用的核心过程分析；第（2）问考查目的基因导入植物细胞的方法和表达检测，需掌握农杆菌转化
法的优势和检测方法；第（3）问考查基因调控方案，体现综合应用能力；第（4）问考查技术的实际应
用，需结合农业生产需求，提出合理的应用方向，体现社会责任素养。
猜押3 人工合成微生物细胞（人造细胞）——合成生物学的核心突破
1. 人工合成微生物细胞的核心原理：2025 年以来，人工合成微生物细胞技术取得突破性进展，其核心是
通过合成生物学“设计-构建-测试-优化”的逻辑，人工合成微生物的完整基因组，将其导入去除基因组
的受体细胞中，构建出具有完整生命活动（如代谢、分裂、繁殖）的人工微生物细胞。该技术打破了“生
命只能自然演化”的局限，实现了人工设计生命体系的重大突破，可定向赋予微生物细胞特定功能（如高
效产药、环境修复）。
2. 关键技术支撑：
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① 基因组设计与合成技术：利用AI 算法和基因编辑技术，设计符合目标功能的微生物基因组序列，通过
化学合成技术合成完整基因组；
② 基因组导入技术：将人工合成的基因组精准导入受体细胞（如支原体、大肠杆菌），确保基因组能正
常启动生命活动；
③ 细胞代谢调控技术：优化人工合成细胞的代谢通路，敲除冗余基因，强化目标功能相关基因的表达，
实现“按需代谢”；
④ 细胞培养与检测技术：通过精密细胞培养技术，为人工合成细胞提供适宜的生长环境，同时利用分子
检测技术，验证细胞的生命活动和目标功能。
3. 与高考考点关联：该热点直接衔接基因工程（基因组合成、基因导入与检测）、细胞工程（细胞培
养、受体细胞选择）、微生物代谢（代谢通路调控）、生物安全与伦理等核心考点，同时体现合成生物学
的核心逻辑，是高考中“前沿情境+综合应用”类试题的高频素材，侧重考查学生的知识整合和逻辑推理
能力。
拓展：人工合成微生物细胞的热点拆解，可补充多个高考核心细节和课外延伸内容。
在基因组设计与合成中，AI 算法的应用不仅是模拟基因组结构，还会涉及“基因的编码区与非编码区的功
能”，高考中可能考查“启动子、终止子的作用”“基因序列的优化原则”等知识点；化学合成完整基因
组的过程，可衔接“DNA 的化学合成与PCR 技术的区别”，作为课外拓展考点。在受体细胞选择中，支原
体作为常用受体细胞，其无细胞壁、结构简单的特点，决定了其作为受体细胞的优势，这与高考中“受体
细胞的选择标准”“原核细胞的结构特点”密切相关；而去除受体细胞自身基因组的操作，可考查“基因
敲除的基本原理”，延伸到CRISPR/Cas9 技术的具体应用。此外，人工合成微生物细胞的培养过程中，精
密细胞培养技术涉及“细胞培养的无菌操作”“营养物质的配比”等考点，与高考中“微生物培养的条
件”“细胞工程的基本操作”高度契合，同时生物安全与伦理部分，还可补充“基因编辑的伦理边界”
“人工生命的安全管控措施”等细节，贴合高考对社会责任素养的考查。
1. （2026 模拟预测）科研人员利用合成生物学技术，人工合成了支原体的完整基因组，将其导入去除自
身基因组的支原体细胞中，构建出世界首例人工合成微生物细胞，该细胞能正常分裂、繁殖，并可定向产
生产物。回答下列问题：
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（1）人工合成支原体基因组时，需明确支原体的核心生命活动是什么？AI 算法在基因组设计过程中，可
发挥哪些作用？
（2）将人工合成的基因组导入去除基因组的支原体细胞时，常用的方法是什么？导入后，如何检测人工
合成基因组是否成功启动生命活动？请从分子水平和细胞水平分别说明。
（3）人工合成微生物细胞的代谢通路可通过基因编辑进行定向优化，若要使该细胞高效产生产物（如抗
生素），需对其代谢通路进行哪些改造？请结合微生物代谢的特点，说明改造的目的。
（4）人工合成微生物细胞的成功构建，引发了生物安全与伦理的讨论，请简要分析该技术可能面临的生
物安全风险，并提出相应的防控措施。
【答案】（1）核心生命活动：能独立进行代谢、分裂和繁殖，维持自身的生命活动，同时可被定向调控
产生产物。（2 分） AI 算法的作用：① 模拟支原体基因组的结构和功能，设计出完整的基因组序列，确
保基因组包含维持生命活动的必需基因；② 优化基因组序列，去除冗余基因，减少代谢负担，同时强化
目标产物合成相关基因的序列，提高产物合成效率；③ 预测基因组导入后的表达效果，筛选出最优基因
组序列，降低实验试错成本；④ 分析基因组中基因的相互作用，避免基因之间的冲突，保证基因组的稳
定性。（4 分）
（2）导入方法：感受态细胞法（用Ca ² 处理去除基因组的支原体细胞，使其处于感受态，便于吸收人工
⁺
合成的基因组）。（2 分） 检测方法：① 分子水平：采用PCR 技术，检测细胞中是否存在人工合成基因
组中的特异性基因；采用RT-PCR 技术，检测特异性基因是否成功转录，验证基因组的表达活性；② 细胞
水平：观察细胞是否能正常分裂、繁殖，若细胞能形成菌落，且菌落形态与正常支原体一致，说明人工合
成基因组成功启动生命活动；检测细胞培养液中是否有目标产物（如抗生素），验证细胞的定向功能。
（4 分）
（3）代谢通路改造及目的：① 敲除与目标产物合成无关的代谢基因（如与细胞自身生长无关的冗余基
因），减少细胞代谢对能量和原料的消耗，使更多的能量和原料用于目标产物的合成；② 强化目标产物
合成相关的基因表达，如导入抗生素合成关键酶的基因，优化基因表达调控序列，提高产物合成效率；③
改造细胞的代谢调控通路，解除产物对自身合成的抑制作用（如敲除产物抑制相关基因），实现目标产物
的大量积累；④ 优化细胞对营养物质的吸收通路，提高细胞对碳源、氮源等营养物质的吸收效率，为产
物合成提供充足原料。（6 分）
（4）生物安全风险及防控措施：① 风险：人工合成微生物细胞泄露到自然环境中，可能大量繁殖，争夺
自然环境中的营养物质，抑制其他微生物的生长，破坏生态平衡；可能与野生微生物杂交，导致野生微生
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物基因变异，产生新的有害微生物。（2 分） ② 防控措施：① 对人工合成微生物细胞进行严格的安全性
改造，如设计“自杀基因”，使细胞在自然环境中无法存活和繁殖；② 采用密封式细胞培养设备，加强
设备密封性检测，防止细胞泄露；③ 建立人工合成微生物细胞泄露监测系统，及时发现和处理泄露事
件；④ 加强生物安全监管，规范人工合成微生物细胞技术的应用，明确技术使用边界。（4 分）
【分析】本题以人工合成支原体细胞为情境，综合考查基因工程、细胞工程、微生物代谢和生物安全等核
心考点，贴合合成生物学前沿和高考命题趋势。第（1）问考查人工合成基因组的核心思路和AI 算法的作
用，需结合合成生物学的核心逻辑分析；第（2）问考查基因组导入方法和表达检测，需区分分子水平和
细胞水平的检测手段；第（3）问考查代谢通路改造，需结合微生物代谢特点和目标产物合成需求分析；
第（4）问考查生物安全与伦理，体现社会责任素养，贴合高考命题的综合性要求。
2. （2026 模拟预测）人工合成微生物细胞的核心是构建“人工基因组+受体细胞”的完整体系，该技术可
定向设计微生物的功能，为医药研发、环境治理等领域提供新路径。科研人员人工合成了一种能高效降解
石油污染物的微生物细胞，回答下列问题：
（1）人工合成该降解石油的微生物基因组时，需包含哪些核心基因？请简要说明各核心基因的功能。
（2）选择受体细胞时，需满足哪些条件？与选择大肠杆菌作为受体细胞相比，选择石油降解菌作为受体
细胞有哪些优势？
（3）人工合成微生物细胞的培养过程中，需采用细胞培养技术，该技术与传统微生物培养技术相比，在
培养条件上有哪些特殊要求？请简要说明，并分析培养过程中如何提高细胞的石油降解效率。
（4）人工合成微生物细胞用于石油污染环境修复时，需考虑哪些实际问题？请结合环境因素和细胞特
性，提出提高修复效率的具体措施。
【答案】（1）核心基因及功能：① 石油降解酶基因：编码石油降解酶，催化石油中的污染物（如烷烃、
芳香烃）分解为可被微生物利用的小分子物质；② 调控基因：调控石油降解酶基因的表达，使酶在石油
污染物存在时高效表达，减少能量消耗；③ 细胞分裂与代谢相关基因：维持细胞的正常分裂、繁殖和代
谢，保证细胞能在污染环境中存活；④ 耐逆基因（如耐油污、耐低温基因）：提高细胞对石油污染环境
的适应性，避免细胞因环境恶劣而死亡。（6 分）
（2）受体细胞需满足的条件：① 能容纳人工合成的基因组，且能使基因组正常表达；② 具有较强的环
境适应性，能在目标环境（如石油污染环境）中存活和繁殖；③ 易于培养和大规模繁殖，降低生产成
本；④ 无致病性，不会对环境和人类健康造成危害。（4 分） 优势：石油降解菌本身具有一定的石油降
解能力，将人工合成的基因组导入后，可进一步强化其降解功能，提高降解效率；石油降解菌对石油污染
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环境的适应性更强，能在污染环境中快速增殖，避免因环境不适导致细胞死亡；与大肠杆菌相比，石油降
解菌能更好地适应油污环境，减少培养过程中的环境调控成本。（4 分）
（3）特殊培养要求：① 营养物质：需添加石油污染物作为碳源，同时添加适量的氮源、无机盐和生长因
子，保证细胞的生长和石油降解酶的合成；② 环境条件：控制适宜的温度（25~30℃）和pH
（7.0~7.5），维持细胞的正常代谢和酶的活性；③ 氧气：保证充足的氧气，促进细胞的有氧呼吸，为石
油降解和细胞增殖提供能量；④ 无菌环境：严格控制培养环境的无菌性，防止杂菌污染，避免杂菌与人
工合成细胞争夺营养物质，影响降解效率。（4 分） 提高降解效率的措施：① 优化培养条件，维持细胞
的最适生长状态，提高石油降解酶的表达量；② 向培养体系中添加石油降解促进剂，增强石油降解酶的
活性；③ 采用固定化细胞技术，将人工合成微生物细胞固定在载体上，提高细胞与石油污染物的接触效
率，同时实现细胞的重复使用；④ 延长细胞培养时间，增加细胞数量，提高石油降解总量。（4 分）
（4）需考虑的实际问题：① 人工合成微生物细胞在自然污染环境中的存活能力，避免因环境复杂（如温
度、pH 波动、污染物浓度过高）导致细胞死亡；② 细胞的石油降解效率，确保能在短时间内降解石油污
染物，减少环境危害；③ 细胞的扩散能力，避免细胞在环境中无序扩散，造成二次污染；④ 细胞的成
本，确保能大规模培养和应用于环境修复。（4 分） 提高修复效率的措施：① 对人工合成微生物细胞进
行耐逆性改造，提高其对自然环境的适应性；② 采用固定化细胞技术，将细胞固定在污染区域，避免细
胞扩散，同时提高细胞与污染物的接触效率；③ 结合物理、化学方法（如石油分散剂），破碎石油污染
物，增加细胞与污染物的接触面积；④ 大规模培养人工合成微生物细胞，提高污染区域的细胞浓度，加
快降解速度。（4 分）
【分析】本题聚焦人工合成微生物细胞在环境治理中的应用，综合考查基因工程、细胞培养、微生物代谢
等核心考点，侧重考查学生的实践应用能力和综合分析能力。第（1）问考查人工合成基因组的核心基
因，需结合细胞功能和目标需求分析；第（2）问考查受体细胞的选择条件和优势，需结合受体细胞的特
性和应用场景分析；第（3）问考查细胞培养的特殊要求和降解效率的提高，需结合细胞代谢和培养技术
分析；第（4）问考查技术的实际应用，需结合环境因素和细胞特性，提出合理的优化措施，贴合高考
“情境+应用”的命题特点。
3. （2026 模拟预测）人工合成微生物细胞技术推动了合成生物学与医药研发的深度融合，科研人员人工
合成了一种能高效生产胰岛素的微生物细胞，通过大规模细胞培养，实现胰岛素的低成本、高质量生产。
回答下列问题：
（1）人工合成能生产胰岛素的微生物基因组时，需将胰岛素基因整合到基因组中，请问胰岛素基因的获
取方法有哪些？整合时，需注意什么问题，才能保证胰岛素基因在微生物细胞中正常表达？
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（2）将人工合成的基因组导入受体细胞（如酵母菌）后，需筛选出能高效表达胰岛素的细胞株，请简要
说明筛选的思路和具体方法。
（3）人工合成微生物细胞生产胰岛素的过程中，胰岛素的合成需要经过转录和翻译两个过程，科研人员
通过优化基因组序列，提高了胰岛素的翻译效率，请从基因序列和细胞代谢两个角度，分析优化的具体思
路。
（4）人工合成微生物细胞大规模培养生产胰岛素时，需采用发酵技术，与传统胰岛素生产（如动物胰腺
提取）相比，该技术有哪些优势？请结合生产实际，说明其对医药研发的意义。
【答案】（1）胰岛素基因的获取方法：从基因文库中获取、PCR 技术扩增、人工化学合成。（2 分） 需
注意的问题：① 确保胰岛素基因的方向正确，保证其能正常转录和翻译；② 将胰岛素基因与微生物细胞
的启动子、终止子等调控序列整合，使胰岛素基因能在微生物细胞中高效表达；③ 避免胰岛素基因与微
生物基因组中的其他基因发生冲突，保证基因组的稳定性；④ 优化胰岛素基因的密码子，选择受体细胞
（如酵母菌）偏好的密码子，提高翻译效率。（4 分）
（2）筛选思路：先筛选出含人工合成基因组的细胞，再筛选出能高效表达胰岛素的细胞株，确保筛选的
细胞株具有稳定的胰岛素生产能力。（2 分） 具体方法：① 第一步：标记基因筛选法，利用人工合成基
因组中的标记基因（如抗生素抗性基因），将导入基因组的细胞接种到含对应抗生素的培养基上，存活的
细胞即为含人工合成基因组的细胞；② 第二步：酶联免疫吸附法（ELISA），检测细胞培养液中胰岛素的
含量，筛选出胰岛素表达量高的细胞株；③ 第三步：连续培养筛选法，将筛选出的细胞株进行连续培
养，检测多代细胞的胰岛素表达量，筛选出表达稳定的细胞株。（4 分）
（3）优化思路：① 基因序列角度：优化胰岛素基因的密码子，替换为受体细胞偏好的密码子，提高mRNA
的翻译效率；优化胰岛素基因的起始密码子和终止密码子，确保翻译过程正常启动和终止；增加胰岛素基
因的拷贝数，提高基因的表达量。（3 分） ② 细胞代谢角度：优化微生物细胞的代谢通路，敲除与胰岛
素合成无关的代谢基因，减少能量和原料的消耗，使更多的能量和原料用于胰岛素的合成；强化与胰岛素
合成相关的代谢基因（如氨基酸合成基因）的表达，为胰岛素的合成提供充足的氨基酸原料；优化细胞的
翻译体系，提高核糖体的翻译效率，加快胰岛素的合成速度。（3 分）
（4）优势：① 生产效率高：人工合成微生物细胞可大规模发酵培养，胰岛素产量远高于动物胰腺提取，
且生产周期短（仅需几天）；② 成本低：无需依赖动物胰腺，减少原料成本，且微生物培养的成本较
低，可实现胰岛素的低成本生产；③ 纯度高：人工合成的微生物细胞定向生产胰岛素，可减少杂质的产
生，提高胰岛素的纯度，降低副作用；④ 稳定性强：可通过优化基因组序列，使微生物细胞稳定表达胰
岛素，保证产品质量的一致性；⑤ 可定向优化：可通过AI 算法和基因编辑技术，优化微生物细胞的功
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能，提高胰岛素的生产效率和质量。（4 分） 对医药研发的意义：① 降低胰岛素的生产成本，使胰岛素
能更广泛地应用于糖尿病治疗，缓解医药资源短缺问题；② 为其他药用蛋白（如抗体、疫苗）的生产提
供新的技术路径，推动医药研发产业的升级；③ 可定向设计生产新型胰岛素（如长效胰岛素），满足不
同患者的治疗需求，提升医药治疗水平；④ 减少对动物的依赖，符合绿色医药的发展趋势，推动医药产
业的可持续发展。（4 分）
【分析】本题围绕人工合成微生物细胞在医药研发中的应用展开，综合考查基因工程、细胞培养、发酵技
术等核心考点，贴合高考“生物技术与医药结合”的命题趋势。第（1）问考查目的基因获取和基因组整
合的注意事项，属于基础考点的延伸；第（2）问考查细胞株的筛选思路和方法，侧重考查学生的逻辑推
理能力；第（3）问考查翻译效率的优化，需结合基因序列和细胞代谢分析；第（4）问考查技术的优势和
对医药研发的意义，体现技术的应用价值和社会责任素养。
1. （2026 模拟预测）随着合成生物学技术的不断突破，人工合成微生物细胞已成为生物医药、环境治理
等领域的核心技术。科研人员利用AI 辅助基因组设计技术，人工合成了一种能高效生产乙肝疫苗的微生
物细胞，回答下列问题：
（1）AI 辅助设计人工合成微生物基因组时，需结合乙肝疫苗（蛋白质类疫苗）的合成需求，设计基因组
的核心序列，请问核心序列应包含哪些关键基因？请简要说明各基因的作用。
（2）将人工合成的基因组导入受体细胞（如酵母菌）时，与导入原核细胞相比，该过程有哪些特殊要
求？导入后，如何从分子水平验证基因组是否成功整合到受体细胞的基因组中？
（3）人工合成微生物细胞生产乙肝疫苗的过程中，疫苗蛋白的合成会受到发酵条件的影响，若发酵过程
中pH 过低，会对疫苗蛋白的合成产生哪些影响？请从酶的活性、蛋白质结构两个角度分析，并提出相应
的调控措施。
（4）人工合成微生物细胞生产乙肝疫苗时，需严格控制产品质量，防止杂菌污染和疫苗蛋白变性，请简
要说明生产过程中控制产品质量的关键措施。
【答案】（1）核心关键基因及作用：① 乙肝疫苗蛋白基因：编码乙肝疫苗蛋白，是疫苗生产的核心基
因；② 启动子和终止子：启动子驱动乙肝疫苗蛋白基因的转录，终止子终止转录过程，保证基因正常表
达；③ 信号肽基因：引导疫苗蛋白在细胞内合成后分泌到细胞外，便于后续分离提纯；④ 调控基因：调
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控疫苗蛋白基因的表达，使基因在适宜的条件下高效表达，减少能量消耗；⑤ 标记基因：用于筛选含人
工合成基因组的受体细胞。（6 分）
（2）特殊要求：① 需选择适宜的真核表达载体（如酵母菌表达载体），确保人工合成的基因组能在真核
细胞中正常表达；② 需将基因组导入受体细胞的细胞核中，保证基因组能整合到真核细胞的基因组中，
实现稳定表达；③ 需优化基因组序列，适应真核细胞的转录和翻译体系（如添加真核细胞偏好的密码
子、剪切信号序列），避免原核序列对真核表达的影响。（4 分） 分子水平验证方法：采用DNA 分子杂交
技术，用放射性同位素标记的人工合成基因组特异性序列作为探针，与受体细胞的基因组DNA 杂交，若出
现杂交带，说明基因组已成功整合到受体细胞的基因组中。（2 分）
（3）pH 过低的影响：① 酶的活性：发酵液pH 过低，会破坏细胞内转录酶、翻译酶的空间结构，导致酶
变性失活，抑制疫苗蛋白基因的转录和翻译，降低疫苗蛋白的合成量；② 蛋白质结构：疫苗蛋白的空间
结构受pH 影响较大，pH 过低会导致疫苗蛋白的空间结构发生改变，出现变性，影响疫苗的活性和质量。
（4 分） 调控措施：① 采用缓冲液调节发酵液的pH，将pH 维持在酵母菌的最适pH 范围（4.5~5.5），维
持酶的活性和疫苗蛋白的结构稳定；② 安装pH 监测系统，实时监测发酵液的pH 变化，及时添加缓冲液进
行调整；③ 优化发酵工艺，控制发酵过程中代谢产物的积累，避免代谢产物导致发酵液pH 下降。（4
分）
（4）关键措施：① 无菌控制：对培养设备、培养液、接种工具进行严格灭菌处理；实验人员进行无菌操
作，避免人为污染；采用密封式发酵设备，防止杂菌进入发酵体系。（2 分） ② 温度控制：将发酵温度
控制在受体细胞的最适生长温度和酶的最适催化温度，避免温度过高导致疫苗蛋白变性。（2 分） ③ 分
离提纯控制：采用高效的分离提纯技术（如凝胶过滤层析、离子交换层析），去除发酵液中的杂菌、杂质
和变性蛋白，提高疫苗纯度；分离提纯过程中控制温度和pH，避免疫苗蛋白变性。（2 分） ④ 质量检
测：定期检测发酵液中的杂菌含量、疫苗蛋白含量和活性，及时发现问题并调整生产参数；成品疫苗需进
行严格的质量检测，确保符合医药标准。（2 分）
【分析】本题以人工合成微生物细胞生产乙肝疫苗为情境，综合考查基因工程、细胞培养、发酵技术和产
品质量控制等核心考点，贴合高考“生物技术与医药结合”的命题趋势。第（1）问考查人工合成基因组
的核心基因，需结合疫苗生产的需求分析；第（2）问考查基因组导入真核细胞的特殊要求和整合检测，
需区分原核细胞和真核细胞的差异；第（3）问考查发酵条件对产品合成的影响，需结合酶的活性和蛋白
质结构分析；第（4）问考查产品质量控制，体现实践应用能力，贴合医药生产的实际需求。
2. （2026 模拟预测）人工合成微生物细胞技术可定向设计微生物的代谢功能，为解决能源短缺问题提供
新路径。科研人员人工合成了一种能高效转化太阳能为生物燃料（如乙醇）的微生物细胞，该细胞可通过
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光合作用固定二氧化碳，同时将其转化为生物燃料。回答下列问题：
（1）人工合成该太阳能转化微生物细胞的基因组时，需整合哪些与光合作用和生物燃料合成相关的基
因？请简要说明各基因的功能。
（2）该人工合成微生物细胞的培养需采用光自养培养技术，与异养微生物培养相比，光自养培养在营养
物质和环境条件上有哪些不同？请简要说明。
（3）若要提高该微生物细胞的太阳能转化效率和生物燃料产量，可从哪些方面优化细胞的代谢通路？请
结合光合作用和生物燃料合成的过程，提出具体的优化方案。
（4）人工合成微生物细胞用于生物燃料生产时，需考虑哪些能源和环境方面的问题？请结合生产实际，
分析该技术对能源结构优化和环境保护的意义。
【答案】（1）核心基因及功能：① 光合色素合成基因：编码叶绿素、类胡萝卜素等光合色素，使细胞能
吸收和转化太阳能；② 光合作用关键酶基因（如Rubisco 酶基因）：编码光合作用光反应和暗反应阶段
的关键酶，推动二氧化碳的固定和能量转化；③ 生物燃料合成关键酶基因（如乙醇合成酶基因）：编码
乙醇合成过程中的关键酶，将光合作用产生的葡萄糖转化为乙醇；④ 代谢调控基因：调控光合作用和生
物燃料合成相关基因的表达，协调两个过程的代谢平衡，提高转化效率；⑤ 耐逆基因：提高细胞对强
光、高温等环境的适应性，保证细胞在光自养培养条件下稳定生长。（6 分）
（2）不同点：① 营养物质：光自养培养无需添加有机碳源，以二氧化碳作为主要碳源，依靠光合作用合
成自身所需的有机物；异养微生物培养需添加有机碳源（如葡萄糖），依靠分解有机碳源获取能量和营
养。（2 分） ② 环境条件：光自养培养需提供适宜的光照强度和光照时间，为光合作用提供能量；需控
制适宜的二氧化碳浓度，保证光合作用的原料供应；异养微生物培养无需光照，只需控制适宜的温度、pH
和氧气条件即可。（4 分） 此外，光自养培养需控制更严格的气体环境（95%空气+5%CO ），维持光合作
₂
用的正常进行；异养微生物培养的气体环境可根据微生物代谢类型调整（有氧或无氧）。（2 分）
（3）优化方案：① 光合作用通路优化：强化光合色素合成基因和光合作用关键酶基因的表达，提高太阳
能的吸收和转化效率；优化暗反应通路，加快二氧化碳的固定和葡萄糖的合成，为生物燃料合成提供充足
原料；改造光合作用相关基因，增强细胞对强光的适应性，避免强光对光合作用的抑制。（3 分） ② 生
物燃料合成通路优化：强化生物燃料合成关键酶基因的表达，提高葡萄糖向乙醇的转化效率；敲除与生物
燃料合成无关的代谢基因，减少能量和原料的消耗，使更多的葡萄糖用于乙醇合成；优化代谢调控通路，
解除乙醇对自身合成的抑制作用，实现乙醇的大量积累。（3 分） ③ 细胞代谢整体优化：导入能量代谢
相关基因，提高细胞的能量利用效率，为光合作用和生物燃料合成提供充足能量；优化细胞的物质运输通
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路，提高二氧化碳和营养物质的吸收效率。（2 分）
（4）需考虑的问题：① 能源问题：需保证光照能源的稳定供应，避免光照不足影响细胞的太阳能转化效
率；需降低细胞培养和生物燃料提取的能耗，提高能源利用效率；② 环境问题：需控制细胞培养过程中
的废水、废渣排放，避免环境污染；需防止人工合成微生物细胞泄露到自然环境中，破坏生态平衡。（4
分） 对能源结构优化的意义：① 实现太阳能向生物燃料的高效转化，为能源供应提供新路径，缓解化石
能源短缺问题；② 生物燃料属于可再生能源，可替代化石能源，优化能源结构，减少对化石能源的依
赖；③ 生产过程中可利用二氧化碳作为原料，实现能源生产与碳固定的结合，推动能源产业的绿色发
展。（3 分） 对环境保护的意义：① 利用二氧化碳合成生物燃料，减少大气中二氧化碳含量，缓解温室
效应；② 生物燃料燃烧过程中产生的二氧化碳可被人工合成微生物细胞再次利用，实现碳循环的闭环发
展；③ 替代化石燃料，减少化石燃料燃烧产生的污染物（如二氧化硫、氮氧化物），降低环境污染。（3
分）
【分析】本题聚焦人工合成微生物细胞在能源领域的应用，综合考查光合作用、微生物代谢、基因工程等
核心考点，贴合高考“生物技术与能源、环境结合”的命题趋势。第（1）问考查人工合成基因组的核心
基因，需结合光合作用和生物燃料合成的过程分析；第（2）问考查光自养与异养培养的差异，需结合培
养原理和条件分析；第（3）问考查代谢通路优化，需结合两个核心过程提出具体方案；第（4）问考查技
术的能源和环境意义，体现社会责任素养，贴合时代热点。
3. （2026 模拟预测）人工合成微生物细胞技术的突破，为合成生物学的产业化发展奠定了基础，该技术
可定向设计微生物的功能，实现“按需生产”，推动生物制造产业的升级。回答下列问题：
（1）人工合成微生物细胞与天然微生物细胞相比，在功能和代谢上有哪些优势？请从功能定向性、代谢
效率、环境适应性三个方面进行对比分析。
（2）人工合成微生物细胞的基因组设计需遵循哪些原则？请结合合成生物学的核心逻辑，简要说明。
（3）将人工合成的基因组导入受体细胞后，可能会出现基因组表达异常（如基因沉默、表达量过低）的
情况，可能的原因有哪些？请从基因组序列、受体细胞、培养条件三个方面分析，并提出相应的解决措
施。
（4）人工合成微生物细胞技术的产业化应用，需兼顾技术可行性、经济合理性和生物安全性，请简要分
析该技术在产业化过程中可能面临的挑战，并提出相应的解决对策。
【答案】（1）优势对比分析：① 功能定向性：人工合成微生物细胞可通过基因组设计，定向赋予特定功
能（如高效产药、环境修复），功能单一且精准，无多余的无用功能；天然微生物细胞的功能是自然演化
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形成的，功能复杂，多存在冗余功能，难以定向调控。（2 分） ② 代谢效率：人工合成微生物细胞可敲
除冗余代谢基因，优化代谢通路，减少能量和原料的消耗，代谢效率更高，目标产物的合成效率显著优于
天然微生物细胞；天然微生物细胞的代谢通路复杂，冗余代谢消耗大量能量和原料，目标产物合成效率较
低。（2 分） ③ 环境适应性：人工合成微生物细胞可通过基因编辑导入耐逆基因，定向提高对特定环境
（如高温、高盐、污染环境）的适应性，能在极端环境中存活和发挥功能；天然微生物细胞的环境适应性
有限，难以适应极端环境。（2 分）
（2）基因组设计原则：① 功能导向原则：根据目标功能（如产药、降解污染物），设计包含相应核心基
因的基因组，确保细胞能实现定向功能；② 简约性原则：去除基因组中的冗余基因和无用序列，简化细
胞代谢，减少能量和原料消耗，提高代谢效率；③ 稳定性原则：设计的基因组序列需稳定，避免基因之
间的冲突，确保基因组能正常复制、转录和翻译，维持细胞的正常生命活动；④ 兼容性原则：基因组序
列需与受体细胞的转录、翻译体系兼容，确保基因组能在受体细胞中正常表达；⑤ 安全性原则：设计的
基因组需无致病性，避免对环境和人类健康造成危害，可添加“自杀基因”等安全控制序列。（6 分）
（3）可能的原因及解决措施：① 基因组序列原因：基因组中的调控序列（如启动子、终止子）与受体细
胞不匹配，导致基因表达异常；基因组序列存在突变，影响基因的转录和翻译。解决措施：优化基因组的
调控序列，选择与受体细胞匹配的启动子和终止子；检测基因组序列，修复突变位点，确保基因组序列的
完整性和正确性。（3 分） ② 受体细胞原因：受体细胞的转录、翻译体系不完善，无法正常识别基因组
中的序列；受体细胞对人工合成基因组存在排斥反应，导致基因组无法正常表达。解决措施：选择转录、
翻译体系完善的受体细胞；对受体细胞进行预处理，降低其对人工合成基因组的排斥反应；优化受体细胞
的培养条件，提高其代谢活性。（3 分） ③ 培养条件原因：培养温度、pH、氧气等条件不适，影响受体
细胞的代谢和基因组的表达；培养液中的营养物质不足，导致基因表达量过低。解决措施：严格控制培养
条件，维持受体细胞的最适生长状态；优化培养液的营养成分，保证营养物质的充足供应，促进基因组的
表达。（2 分）
（4）面临的挑战及解决对策：① 技术挑战：人工合成完整基因组的难度大、成本高；基因组导入后的表
达调控难度大，难以实现稳定高效表达。解决对策：优化基因组合成技术，降低合成成本，提高合成效
率；利用AI 算法优化基因组序列，提高基因组的表达稳定性；研发高效的基因组导入技术，提高导入效
率。（3 分） ② 经济挑战：人工合成微生物细胞的大规模培养成本较高；产品分离提纯难度大，增加生
产成本。解决对策：优化细胞培养工艺，降低培养成本；研发高效的分离提纯技术，提高产品回收率，降
低提纯成本；实现技术规模化应用，通过规模效应降低单位产品成本。（3 分） ③ 生物安全挑战：人工
合成微生物细胞可能泄露到自然环境中，造成生态风险；基因污染可能影响自然生物的基因多样性。解决
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对策：建立严格的生物安全监管体系，规范技术的应用；对人工合成微生物细胞进行安全性改造，降低生
态风险；建立基因污染监测机制，及时发现和处理基因污染问题；加强法律法规建设，明确技术应用的边
界。（2 分） 此外，还需加强科研投入和人才培养，推动技术的不断突破，实现人工合成微生物细胞技术
的产业化落地。（2 分）
【分析】本题综合考查人工合成微生物细胞的优势、基因组设计原则、表达异常分析和产业化挑战，贴合
高考命题的综合性和应用性特点。第（1）问考查人工合成与天然微生物细胞的优势对比，需从多个维度
分析；第（2）问考查基因组设计原则，需结合合成生物学的核心逻辑分析；第（3）问考查基因组表达异
常的原因及解决措施，体现综合分析和问题解决能力；第（4）问考查技术产业化的挑战及对策，贴合产
业发展实际，体现社会责任素养和创新思维。
1．（2026·山东济南·二模）科研人员提取患者自体CD34+造血干细胞，在体外通过CRISPR/Cas9 编辑
BCL11A 基因启动子上游的序列，从而抑制BCL11A 基因的表达，重新激活胎儿血红蛋白的表达，替代异常
的成人血红蛋白以根治镰状细胞贫血。下列有关说法正确的是（ ）
A．该治疗方案使用患者自体造血干细胞进行编辑和回输是由于干细胞在体外更容易增殖
B．经过该疗法治疗的患者，其生殖细胞的基因也被同步修复，后代将不再患病
C．在体外培养和编辑CD34+造血干细胞的过程中，需要严格保持无菌条件
D．若基因编辑过程中存在非目标位点被编辑的现象，其原因是BCL11A 基因发生了基因突变
【答案】C
【详解】A、使用患者自体造血干细胞进行编辑和回输的主要原因是避免异体移植带来的免疫排斥反应，
并非因为干细胞在体外更容易增殖，A 错误；
B、该疗法编辑的是造血干细胞，属于体细胞，患者生殖细胞的基因未被编辑，后代仍可能携带致病基因
患病，B 错误；
C、体外培养动物细胞的过程中，杂菌污染会导致细胞死亡、培养失败，因此需要严格保持无菌条件，C 正
确；
D、基因编辑过程中非目标位点被编辑是CRISPR/Cas9 的脱靶效应，由向导RNA 错误结合其他序列相似的位
点导致，并非BCL11A 基因发生基因突变，D 错误。
2．（2026·山西·二模）奶牛的自然繁殖率受遗传、营养、管理等多重因素制约，已成为限制高产奶牛种群
快速扩繁和牧场经济效益的瓶颈。科研人员利用如图所示的①②两种途径繁殖高产奶牛，以解决上述问题。
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下列叙述错误的是（ ）
A．经①和②路径获得的子代中，仅①需进行性别鉴定
B．细胞甲处于MⅡ期，该细胞含有一个完整的细胞核
C．②路径中，获得重构胚与激活重构胚均可用电处理
D．为获得基因组成相同的子代，可运用胚胎分割技术
【答案】B
【详解】A、途径①（试管动物）：精子和卵子是随机结合的，子代性别无法提前确定，因此必须进行性
别鉴定（如通过胚胎分割后取滋养层细胞做 DNA 分析性别鉴定），以获得高产奶牛（通常选择雌性）。
途径②（克隆动物）：核移植的供体细胞来自已知性别的高产奶牛（体细胞的性染色体组成是固定的，如
XX），因此克隆出的子代性别与供体完全一致，无需额外进行性别鉴定，A 正确；
B、细胞甲是用于体外受精的卵母细胞，体外受精时，卵母细胞需要培养到减数第二次分裂中期（M
Ⅱ
期），此时卵母细胞的特点是： 减数第一次分裂已经完成，次级卵母细胞停留在 M
Ⅱ中期，染色体排列
在赤道板上，但此时的卵母细胞的核膜已经解体，不存在完整的细胞核（核膜破裂，染色体处于细胞质
中），B 错误；
C、将体细胞核注入去核卵母细胞后，可通过电融合的方法使供体细胞的细胞膜与卵母细胞膜融合，使细
胞核进入卵母细胞，形成重构胚。 重构胚需要被激活才能像受精卵一样进行分裂发育，常用的激活方法
包括电脉冲（电激活）、钙离子载体、乙醇等，C 正确；
D、胚胎分割技术是将一枚早期胚胎（如囊胚）分割成 2 等份、4 等份或 8 等份，经移植获得同卵双胎
或多胎的技术。 来自同一胚胎的后代具有相同的遗传物质（基因组成），因此可以获得基因组成相同的
子代，D 正确。
3．（2026·辽宁抚顺·二模）果胶酶在果汁澄清方面具有重要的应用。科研人员从腐烂的水果中分离出能够
分泌果胶酶的微生物，部分实验操作如图所示，I~V 表示过程，①~③表示菌落。已知果胶能与培养基中
的刚果红结合形成红色复合物，果胶被分解后会形成透明圈。下列有关叙述错误的是（ ）
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A．过程Ⅰ用稀释涂布平板法进行接种，该方法可用于统计样品中活菌的数目
B．菌落①和菌落②周围有透明圈，说明这两个菌株能分泌果胶酶
C．过程Ⅲ接种时，应优先选择菌落②进行纯培养，以获得单菌落
D．过程V 的扩大培养收集果胶酶时，可根据目标菌的代谢特点配制培养基
【答案】C
【详解】A、过程Ⅱ培养后，平板上的菌落近似均匀分布，说明过程Ⅰ为用稀释涂布平板法进行接种，该
方法可用于统计样品中活菌的数目，A 正确；
B、果胶酶能分解果胶，因果胶被分解后不能与刚果红形成红色复合物，培养基上会出现透明圈，菌落
①②周围出现透明圈，说明这两个菌株能分泌果胶酶，B 正确；
C、培养基上的菌落大小无明显差别，菌落①周围的透明圈最大，说明该菌分泌的果胶酶最多（或果胶酶
活性最强），应选择菌落①进行纯培养，C 错误。
D、培养微生物时，需要根据目标菌的代谢特点配制适宜的培养基，满足目标菌的生长需求，D 正确。
4．（2026·山东泰安·模拟预测）如图是老陈醋的生产流程。下列叙述错误的是（ ）
A．蒸熟的高粱应先冷却后再加入大曲
B．“糖化”是将高粱中的淀粉分解为小分子
C．“醋醅”中含有的醋酸菌是一种厌氧的单细胞原核生物
D．酒精发酵和醋酸发酵过程中都伴有pH 下降
【答案】C
【详解】A、蒸熟的高粱温度较高，若不冷却直接加入大曲，会杀死大曲中的微生物，所以应先冷却再加
大曲，A 正确；
B、“糖化”是利用大曲中的淀粉酶等，将高粱中的淀粉分解为葡萄糖等小分子糖类，B 正确；
C、醋酸菌是好氧的单细胞原核生物，不是厌氧生物，C 错误；
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D、酒精发酵会产生二氧化碳（溶于水形成碳酸），pH 下降；醋酸发酵会产生醋酸，pH 也会下降，所以两
个过程都伴有pH 下降，D 正确。
5．（2026·陕西榆林·二模）在花生组织培养过程中分别加入不同抗生素，研究利用抗生素解决花生组织培
养中常见的细菌性侵染问题，其中1 代表不加抗生素的对照组，2～4 代表氨苄青霉素，5～7 代表利福平，
8～10 代表卡那霉素，11～13 代表盐酸四环素，14～16 代表羧苄青霉素，每种抗生素的使用浓度分别为
30、60、120mg/L，实验结果如图所示。下列叙述正确的是（ ）
A．本实验的自变量是不同种类的抗生素，无关变量控制在相同且适宜
B．在花生组织培养时可加入较高浓度的抗生素，不影响组织生长情况
C．在该花生组织培养过程中最适合加入的抗生素为羧苄青霉素
D．培养基添加抗生素则培养过程中不需要进行灭菌或消毒处理
【答案】C
【详解】A、本实验的自变量不仅是不同种类的抗生素，还有抗生素的浓度（30、60、120mg/L），无关变
量需要控制在相同且适宜，A 错误；
B、较高浓度的抗生素虽然可以降低污染率，但可能会对植物组织细胞产生毒害，影响组织生长情况，B 错
误；
C、分析题图可知，羧苄青霉素（14~16 组）对应的污染率最低，在浓度为60mg/L 时污染率接近0，因此
在该花生组织培养过程中最适合加入的抗生素为羧苄青霉素，C 正确；
D、培养基添加抗生素不能替代灭菌或消毒处理，培养基和培养器具仍需要严格灭菌，外植体需要消毒，
才能避免杂菌污染，D 错误。
6．（2026·四川眉山·二模）铁皮石斛是我国特有的名贵珍稀濒危中药材，生物碱是铁皮石斛的有效成分之
一、研究人员应用组织培养技术培养铁皮石斛拟原球茎（简称PLBs，类似愈伤组织）生产生物碱。在固体
培养基上，PLBs 质量、生物碱含量随培养时间的变化如图所示。下列相关叙述正确的是（ ）
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A．常选用野生铁皮石斛的茎尖作为外植体是因为茎尖不含病毒
B．培养过程中需把细胞分裂素/生长素的比值控制在适宜范围内
C．图示结果表明生物碱的产量会随PLBs 质量增加而不断增加
D．图示结果表明光照条件只影响PLBs 质量而不影响生物碱产量
【答案】B
【详解】A、选用茎尖作为外植体是因为茎尖分生区附近病毒极少，并非完全不含病毒，另外茎尖细胞分
裂能力强更容易脱分化获得愈伤组织，A 错误；
B、植物组织培养中，细胞分裂素与生长素的比值会影响脱分化、再分化过程，培养获得PLBs（类似愈伤
组织）需要将该比值控制在适宜范围，B 正确；
C、由图可知，PLBs 质量持续增加，但生物碱含量先升后降，C 错误；
D、图示结果表明光照条件影响PLBs 质量，与黑暗条件相比，光照条件下PLBs 质量更高，但无黑暗条件下
生物碱含量变化（仅有光照条件下数据），故光照条件是否影响生物碱产量无法得知，D 错误。
7．（2026·重庆·模拟预测）猴的克隆胚胎在发育过程中往往出现基因的异常甲基化修饰以及胎盘发育异常，
导致克隆成功率较低。Kdm4d 是组蛋白去甲基化酶基因，TSA 是组蛋白去乙酰化酶抑制剂。我国科学家通
过下图处理提高了克隆成功率。下列分析正确的是（ ）
注：杂种雌猴由食蟹猴( )
♀与恒河猴( )
♂杂交产生
A．Kdm4d 基因表达产物和TSA 均通过修饰DNA 来影响基因表达
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B．成纤维细胞应注入去除纺锤体-染色体复合物的食蟹猴MII 期卵母细胞
C．囊胚b 的滋养层将发育为胎盘，为克隆胚胎提供营养并改变其遗传特性
D．囊胚a 和囊胚b 都是有性繁殖的产物
【答案】B
【详解】A、Kdm4d 表达产物是组蛋白去甲基化酶，作用是修饰组蛋白；TSA 是组蛋白去乙酰化酶抑制剂，
作用也是修饰组蛋白。 二者都不直接修饰 DNA，而是通过改变组蛋白修饰状态（表观遗传）调控基因表
达，A 错误；
B、在体细胞核移植（克隆）过程中，供体细胞（如成纤维细胞）的核需要注入去除了纺锤体-染色体复合
物的MII 期卵母细胞中，以确保供体细胞的核基因组能够替代卵母细胞的核基因组，B 正确；
C、囊胚的滋养层确实会发育为胎盘，为胚胎提供营养，但胎盘不会改变胚胎的遗传特性，C 错误；
D、囊胚b 是通过受精作用获得，属于有性生殖，囊胚a 是通过细胞核移植技术获得，属于无性生殖，D 错
误。
8．（2026·云南昆明·模拟预测）植物表皮蜡质合成的关键酶是由核基因D 指导合成的，研究小组通过对野
生型（DD）进行诱变处理获得突变体（dd），将野生型和突变体进行的杂交实验如图1，对不同个体中的
D、d 基因进行PCR 扩增，电泳检测PCR 产物结果如图2，其中泳道1 对应野生型。下列叙述错误的是（
）
A．D 基因经转录和翻译指导合成关键酶的过程都涉及碱基互补配对
B．需在凝胶中加入核酸染料才能在紫外灯下观察到图2 中的条带
C．分析可知，D 基因发生碱基对的缺失突变为d 基因
D．F2的个体可得到泳道2 和3 两种类型，且两种个体的数量比为1:1
【答案】C
【详解】A、基因转录和翻译时都需要进行碱基互补配对，A 正确；
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B、电泳时应在凝胶中加入核酸染料以便在紫外灯下观察到条带，B 正确；
C、泳道1 对应野生型，则泳道2 对应突变型，突变基因d 比D 基因分子量更大（分子量越大，电泳过程中
跑的越慢），因此D 基因可能发生碱基对的增添从而突变为d 基因，C 错误；
D、F1基因型为Dd，与突变体dd 杂交得到F2的基因型情况应为Dd：dd=1：1，其中Dd 为泳道3 类型，dd
为泳道2 类型，且两种个体的数量比为1:1，D 正确。
9．（2026·陕西榆林·二模）中国科学家在猪体内成功培育出人源中期肾脏，这一突破性研究成果综合运用
了胚胎工程的尖端技术。下面是该技术的关键步骤示意图，下列叙述正确的是（ ）
A．步骤①用于敲除猪胚胎的免疫排斥基因，确保人类细胞在猪体内可长期存活
B．步骤②中导入的干细胞应为胚胎干细胞，因其具有发育为肾脏组织的全能性
C．步骤③中重组胚胎的形成依赖于猪胚胎细胞与人类细胞的细胞融合
D．步骤④中嵌合体胚胎形成的肾脏组织一定不会引起人体排异反应
【答案】A
【详解】A、步骤①是对猪胚胎进行基因编辑，敲除猪胚胎的免疫排斥相关基因，这样可以减少猪对人类
细胞的免疫排斥，让人类细胞在猪体内长期存活，A 正确；
B、步骤②导入的人类干细胞如果是胚胎干细胞，它具有发育成各种组织的全能性，而不是仅发育为肾脏
组织的全能性；另外，实际研究中常用的是诱导多能干细胞（iPS 细胞）而非胚胎干细胞，B 错误；
C、步骤③是将导入人类干细胞的猪胚胎与猪胚胎重组，这个过程不是依赖细胞融合，而是将人类干细胞
注入猪囊胚等方式形成嵌合胚胎，C 错误；
D、步骤④嵌合体胚胎形成的肾脏组织仍可能含有猪源成分，依然有可能引起人体排异反应，“一定不
会”的表述过于绝对，D 错误。
10．（2026·四川绵阳·三模）营养缺陷型酵母AH109 自身不能合成蛋白质GAL4（转录因子）、亮氨酸
（Leu）、色氨酸（Trp），且只有在GAL4 作用时才能合成组氨酸（His）和腺嘌呤（Ade）。研究者将
GAL4 拆分为BD（DNA 结合域）和AD（转录激活域）两部分，用不同的基因表达载体转入AH109 中，以研
究细胞中蛋白质X 与Y 间的相互作用。实验分组及结果如表。
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组别
AD 载体
BD 载体
缺Leu、Trp 的培养基
（二缺）
缺Leu、Trp、His、Ade 的培养
基（四缺）
一
--
--
不生长
不生长
二
→AD→Leu→
→BD→Trp→
生长
不生长
三
→AD→Leu→
→Y-BD→Trp→
生长
不生长
四
→X-AD→Leu→
→BD→Trp→
生长
不生长
五
→X-AD→Leu→
→Y-BD→Trp→
生长
生长
注：斜体字母表示基因；→X-AD→Leu→表示基因表达载体的主要元件，其中，X-AD 表示X 蛋白基因与
AD 蛋白基因融合，表达成X-AD 融合蛋白；Leu 表示亮氨酸合成基因，其余类推。
下列分析错误的是（ ）
A．Leu、Trp、His、Ade 是AH109 酵母生长所必需的生长因子
B．二缺培养基的作用是仅筛选成功转入AD 和BD 载体的酵母
C．三、四组实验的结果排除了X 结合BD、Y 结合AD 的可能
D．X 与Y 存在相互作用，而且X 通过与Y 结合调节Y 的功能
【答案】D
【详解】A、AH109 自身无法合成亮氨酸（Leu）、色氨酸（Trp），且必须依赖有功能的GAL4 才能合成
His、Ade，缺乏这四种物质时酵母无法生长，说明四者均是其生长必需的生长因子，A 正确；
B、AD 载体携带Leu 合成基因，BD 载体携带Trp 合成基因，只有同时转入两种载体的酵母才能补充Leu、
Trp 的合成缺陷，在二缺培养基上生长，因此二缺培养基的作用是筛选成功转入AD 和BD 载体的酵母，B
正确；
C、三组为AD+Y-BD、四组为X-AD+BD，两组酵母均无法在四缺培养基上生长，说明Y 不会自发结合AD、X
不会自发结合BD，排除了这两种情况对实验结果的干扰，C 正确；
D、第五组酵母可在四缺培养基上生长，仅能说明X 与Y 发生结合，使AD 和BD 空间靠近重构出有功能的
GAL4，无法证明X 结合Y 后可调节Y 的功能，D 错误。
二、解答题
11．（2026·山东德州·二模）人绒毛膜促性腺激素（hCGβ）是胎盘滋养层细胞分泌的一种糖蛋白，研究发
现，结肠癌等多种恶性肿瘤细胞的hCGβ 基因也有表达，研发抗hCGβ 疫苗已成为近年来肿瘤生物治疗新的
热点，下图为其制备的基本方案。回答下列问题。
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注：1．①、②、③和④是基因两端对应的引物
2．BsmBI 的识别序列和切割位点信息（N 代表任一碱基）：
(1)利用大肠杆菌工程菌合成的hCGβ 质量不理想，从细胞结构的角度分析原因是_____。对hCGβ 基因进行
PCR 扩增时，所选引物是图中的_____，引物的作用是_____。
(2)限制酶在切开DNA 双链时，形成的单链突出末端为黏性末端。载体信息如图所示，经BsmBI 酶切后，载
体上保留的黏性末端序列应为5'-_____-3'和5'-_____-3'。
(3)阶段IV 需将处理后的酵母菌接种在培养基上培养，该培养基不需要添加以下哪些成分_____（a．氨苄青
霉素b．无机盐c．组氨酸d．葡萄糖），可在此培养基上生长的酵母菌即为转化成功的目的菌株，“转
化”是指目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内_____的过程。
【答案】(1) 大肠杆菌细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器，无法对蛋白质进一步加工 ②、③
使DNA 聚合酶从引物的3'端开始连接脱氧核苷酸
(2) CGTG CGAG
(3) a、c 维持稳定和表达
【详解】（1）人绒毛膜促性腺激素（hCGβ）是糖蛋白，大肠杆菌是原核生物，从细胞结构角度，原核细
胞没有内质网、高尔基体，无法对核糖体合成的多肽链进行糖基化修饰，因此合成的hCGβ 质量不理想。
PCR 扩增目的基因时，子链沿5′→3′方向延伸，引物需结合在目的基因两条链的两端，因此选择引物②和③；
引物的作用是与模板链特异性结合，为DNA 聚合酶提供延伸起点，使DNA 聚合酶从引物3′端开始合成
DNA。
（2）根据BsmB I 的识别切割规律，该酶切割后会产生5′端突出的4 个核苷酸的黏性末端；结合题中给出
的载体酶切区序列，酶切后载体保留的两个黏性末端如下图，左边载体上保留的黏性末端序列应为5'-
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CGAG-3'和右边载体上保留的黏性末端序列应为5'-CGTG-3'。
（3）受体酵母菌是组氨酸缺陷型，只有成功导入携带组氨酸合成基因的重组质粒的酵母菌才能存活，因
此筛选培养基不能添加组氨酸，才能筛选出成功转化的菌株；氨苄青霉素是筛选大肠杆菌（原核生物）时
使用的选择试剂，酵母菌筛选不需要添加，因此不需要添加的成分是a（氨苄青霉素）和c（组氨酸）。基
因工程中，转化的定义是：目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。
12．（2026·天津·二模）苏云金杆菌产生的Bt 毒素蛋白具有杀虫能力，科研人员利用由Bt 毒素蛋白基因
（Bt 基因）改造而来的目的基因，成功培育出转基因抗虫棉。目的基因改造过程如图所示（数字表示基因
序列中对应的核苷酸序号），其中穿梭质粒载体含T-DNA 但不含Vir 基因（可表达出限制酶促进T-DNA 转
移），由天然Ti 质粒改造而来。
注：F1-F3，R1-R3 表示引物；T-DNA-LB 表示左边界；T-DNA-RB 表示右边界；Ori 表示复制原点；KanR表示卡
那霉素抗性基因；HygBR表示潮霉素B 抗性基因。
回答下列问题：
(1)从苏云金杆菌中提取DNA 操作中，加入的酒精所起作用是_____和沉淀DNA。以提取的DNA 作模板，选
用图中的引物_____进行PCR，可扩增Bt 基因。
(2)改造目的基因时，一方面利用特定酶断开_____键，去除与毒性无关的部分序列，以减小分子量，便于
将重组DNA 导入受体细胞；另一方面，由于细菌和棉花对密码子的偏好有所不同，还需人工合成部分基因
序列，以进一步得到_____偏好的密码子序列，从而提高基因表达的效率。
(3)与直接导入同时含有T-DNA 和Vir 基因的Ti 质粒相比，将穿梭质粒和辅助质粒（含Vir 基因但不含T-
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DNA）分别导入农杆菌的优点是_____。
(4)将转化的农杆菌与棉花叶圆片共培养一段时间后，培养基中加入______可初步筛选得到转化的棉花愈伤
组织。通常会出现较多假阳性植株，为检测目的基因是否成功导入植株，可提取总DNA 作模板进行PCR，
则选用的引物应是______。
【答案】(1) 溶解某些蛋白质 F1 和R3
(2) 磷酸二酯 棉花
(3)质粒小，转化成功率高
(4) 潮霉素B F3 和R2
【详解】（1）在从苏云金杆菌中提取 DNA 操作中，加入酒精的作用是溶解某些蛋白质（因为DNA 不溶
于酒精，而某些蛋白质等杂质可溶于酒精）和沉淀DNA。要扩增Bt 基因，根据PCR 引物的设计原则（引物
要与目的基因两端的序列互补配对），从图中可知应选用引物F1 和R3 进行PCR。
（2）改造目的基因时，一方面利用特定限制酶切开磷酸二酯键（限制酶能够识别特定的核苷酸序列，并
在特定的位点切割 DNA 分子，作用的是磷酸二酯键），去除与毒性无关的部分序列，以减小分子量，便
于将重组 DNA 导入受体细胞；另一方面，由于细菌和棉花对密码子的偏好有所不同，还需人工合成部分
碱基序列，以进一步得到棉花偏好的密码子序列（因为棉花细胞是受体细胞），从而提高基因表达中翻译
过程的效率。
（3）与直接导入同时含有T-DNA 和Vir 基因的Ti 质粒相比，将穿梭质粒和辅助质粒（含Vir 基因但不含T-
DNA）分别导入农杆菌的优点是质粒小，转化成功率高（如果使用含有 T - DNA 和 Vir 基因的 Ti 质粒，
其自身的 T - DNA 可能会随机整合到受体细胞基因组中，影响实验结果，而分开导入可以更精确地控制 T
- DNA 的来源）。
（4）结合基因表达载体的示意图，根据图中穿梭质粒上的KanR 和HygBR 两个标记基因的位置，用HygBR
基因对应的潮霉素B 可初步筛选转化的棉花愈伤组织。若选择培养基中抗生素浓度过低，通常会出现较多
假阳性植株（因为抗生素浓度低不能有效抑制未转化的细胞生长，一些未成功导入重组质粒的细胞也可能
存活下来）。由图可知，该目的基因是人工合成的1-1362 基因序列与1363-1848 基因序列拼接成的，引物
应在目的基因的两端，所以为检测棉花植株是否导入目的基因，应选用的引物是F3、R2。
13．（2026·辽宁抚顺·二模）光控技术可通过光控制基因表达、蛋白质活性或细胞功能，我国科研团队开
发了一种由近红外光激活的光控系统。工程菌经近红外光照射后，生成的c-di-GMP 能激活转录因子
MrkH，启动目标基因的表达。该系统通过精确控制治疗性蛋白的表达，实现了对肿瘤的精准治疗。工程菌
的工作原理见图，相关基因及功能见表。回答下列问题：
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注：Plac、Prac、PmrkA均表示启动子。一表示核糖体结合位点RBS 的对应序列。
基因
功能
PadC4
编码PadC4 蛋白，PadC4 蛋白催化c-di-GMP 生成
BpHO
编码BV 蛋白，BV 蛋白为PadC4 蛋白的激活因子
YhjH
编码c-di-GMP 降解酶，该酶能降解c-di-GMP
MrkH
编码转录因子MrkH，MrkH 被c-di-GMP 激活后驱动基因表达
luxCDABE
编码荧光素酶，在该酶作用下，细菌会发出蓝绿色荧光
(1)构建基因表达载体时，Plac 片段和PadC4 基因片段通过_______酶进行连接。在BpHO 基因的下游连接
_______序列，使BpHO 基因停止转录。
(2)实验中用luxCDABE 检验工程菌的灵敏性，其机制是用波长为710nm 的近红外光照射工程菌后，PadC4
蛋白被激活并催化GTP 生成c-di-GMP，________，荧光素酶发挥作用使菌体发出蓝绿色荧光。黑暗条件下，
P180持续驱动YhjH 基因表达，目的是_______，进而实现工程菌的光控特性。
(3)核糖体结合位点RBS 序列能调控核糖体与mRNA 的结合效率，从而在________（填生理过程）水平调控
相关基因的表达。科研人员将PmrkA 下游的RBS 对应序列进行替换，检测不同条件下工程菌的荧光强度，
结果见图2。构建重组质粒时，宜选用RBS3 作为核糖体结合位点，理由是________。
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(4)clyA 蛋白是一种胞外蛋白，可诱导肿瘤细胞凋亡。工程菌不能直接杀伤肿瘤细胞。根据图1 所示的信息，
若对工程菌的遗传物质进行改造，使其在近红外光照射下可杀伤肿瘤细胞，则改造思路是________。
【答案】(1) DNA 连接 终止子
(2) c-di-GMP 可激活转录因子MrkH，MrkH 通过与PmrkA 结合驱动luxCDABE 基因的表达并生成荧光素
酶 黑暗条件下YhjH 基因可编码c-di-GMP 降解酶，从而降解c-di-GMP，使luxCDABE 基因不表达
(3) 翻译 用RBS3 作为核糖体结合位点，可检测到最大的荧光强度，说明该结合位点下luxCDABE
基因的表达水平最高
(4)将luxCDABE 基因替换为clyA 基因
【详解】（1）构建基因表达载体时，Plac 片段和PadC4 基因片段通过DNA 连接酶进行连接，基因表达载
体的结构中，终止子位于基因下游，功能是使转录停止，因此基因下游需要连接终止子序列；
（2）近红外光照射后，PadC4 蛋白被激活并催化GTP 生成c-di-GMP，c-di-GMP 可激活转录因子MrkH，
MrkH 通过与PmrkA 结合驱动luxCDABE 基因的表达并生成荧光素酶，使菌体发出蓝绿色荧光。在黑暗条件
下，c-di-GMP 不能发挥作用，即需要c-di-GMP 降解酶将其降解。在黑暗条件下持续驱动YhjH 基因表达，
使其编码c-di-GMP 降解酶，从而降解c-di-GMP，使luxCDABE 基因不表达，进而实现工程菌的光控特性；
（3）基因表达包括转录和翻译，核糖体结合mRNA、合成蛋白质是翻译过程，因此调控核糖体与mRNA 的
结合效率属于翻译水平的调控。从图2 结果可知：不同RBS 的黑暗（无诱导）条件下荧光强度都很低，而
RBS3 在近红外光诱导下荧光强度远高于其他RBS，说明诱导后下游基因表达量最高，光控灵敏性最好，因
此选择RBS3；
（4）工程菌能发出蓝绿色荧光，不能杀伤肿瘤细胞。clyA 蛋白能诱导肿瘤细胞凋亡。若将 luxCDABE 基因
替换为clyA 基因，则工程菌在近红外光照射下可分泌clyA 蛋白，诱导肿瘤细胞凋亡，从而达到杀伤肿瘤细
胞的目的。
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14．（2026·陕西榆林·二模）多环芳烃（PAHs）是土壤中典型的持久性有机污染物，其中蒽（C14H10）作为
其代表物常被用作研究PAHs 降解的模型化合物。某研究小组从郊区受污染土壤中驯化培养出潜在降解蒽
的细菌（如图所示），并进行降解效率测定。回答下列问题：
(1)液体培养基A 的作用是________________________。③取培养液梯度稀释的目的是
_________________________________________。
(2)将稀释液接种至培养基B 培养，该培养基中应添加蒽作为唯一______。挑选24 个单菌落接种至新培养
基B 的24 个小格中培养，目的是__________。在驯化过程中，逐步提高培养基B 中蒽的浓度，目的是
_____________________________________。该研究小组在实验过程中还设置了未接种的培养基作为对照，
其目的是__________。
(3)甲培养基统计的结果往往比实际值______；步骤④若用细菌计数板统计菌数，则统计结果______（填
“小于”“等于”或“大于”）甲培养基上统计的结果。
【答案】(1) 富集培养潜在蒽降解菌 使聚集在一起的微生物分散成单个细胞，以便在培养基表面
形成单个菌落
(2) 碳源 进一步纯化菌种 提高菌株对蒽的耐受性和降解能力/定向筛选耐高浓度蒽的菌株
检验培养基是否彻底灭菌；检测培养基是否被杂菌污染
(3) 偏小 大于
【详解】（1）液体培养基A 的作用是富集培养蒽降解菌，通过以蒽为唯一碳源，让能降解蒽的细菌大量
繁殖。取培养液梯度稀释的目的是使聚集在一起的微生物分散成单个细胞，以便在培养基表面形成单个菌
落。
（2）培养基B 中应添加蒽作为唯一碳源，这样才能筛选出能降解蒽的细菌。挑选24 个单菌落接种至新培
养基B 的24 个小格中培养，目的是进一步纯化菌种，并筛选出降解蒽效率高的菌株。在驯化过程中，逐步
提高培养基B 中蒽的浓度，目的是提高菌株对蒽的耐受性和降解能力（或定向筛选耐高浓度蒽的菌株）。
设置未接种的培养基B 作为对照，其目的是检验培养基是否彻底灭菌（或检测培养基是否被杂菌污染）。
如果对照组出现菌落，说明培养基灭菌不彻底或操作过程有污染。
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（3）甲培养基统计的结果往往比实际值偏小，因为当两个或多个细菌连在一起时，平板上只形成一个菌
落，导致计数偏小。细菌计数板（显微镜直接计数法）会将死菌、活菌全部统计在内，而稀释涂布平板法
只统计活菌，因此细菌计数板的统计结果大于甲培养基的统计结果。
15．（2026·陕西·模拟预测）为使大豆获得抗除草剂性状，科研人员将抗除草剂基因导入大豆植株，获取
转基因大豆。限制酶SmaⅠ、XmaⅠ、BglⅡ、NheⅠ的识别序列和切割位点分别为CCC↓GGG、C↓CCGGG、
A↓GATCT、G↓CTAGC。请回答下列问题：
(1)获取和扩增抗除草剂基因的常用技术是________，该技术需要用到引物，引物的作用是______________。
启动子的作用是________。过程①称为________。
(2)将抗除草剂基因导入大豆细胞中的方法是________________。若抗除草剂基因成功转入植物细胞中，可
检测到________（填“Tet R”“Amp R”或“Tet R和Amp R”）的表达产物。T—DNA 的作用是将抗除草剂基因
导入大豆细胞并____________。
(3)若获得的抗除草剂基因如图所示，质粒需要用限制酶________切开，才能与抗除草剂基因高效连接。
(4)为防止抗除草剂基因污染，从提高转基因植物安全性的角度分析，可将目的基因导入大豆细胞中的
________（多选）。
A．细胞核
B．叶绿体
C．线粒体
D．核糖体
【答案】(1) PCR 技术 使DNA 聚合酶能够从引物的3'端开始连接脱氧核苷酸 RNA 聚合酶识
别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA 基因表达载体的构建
(2) 农杆菌转化法 Tet R 整合到大豆细胞的染色体DNA 上
(3)Xma Ⅰ和BglⅡ
(4)BC
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【详解】（1）获取和扩增抗除草剂基因的常用技术是PCR 技术。引物的作用是使DNA 聚合酶能够从引物
的3'端开始连接脱氧核苷酸。启动子的作用是RNA 聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA。过
程①是将目的基因和载体连接形成重组质粒，称为构建基因表达载体。
（2）图中质粒带有T-DNA，符合农杆菌转化法的特点，则将抗除草剂基因导入大豆细胞的方法是农杆菌转
化法。观察质粒结构可知，质粒会把TDNA 转移到受体染色体DNA 上，此时青霉素抗性基因不会转移，所
以当抗除 草剂基因成功转入植物细胞中，可检测到Tet R的表达产物。T-DNA 的作用是将抗除草剂基因导
入大豆细胞并整合到大豆细胞的染色体DNA 上，这样目的基因就能随着受体细胞的染色体DNA 一起复制
和表达。
（3）若获得的抗除草剂基因，要进行碱基的替换。目的基因两端的黏性末端图中已经给出，观察各限制
酶的识别序列可知，限制酶Xmal 和Nhel 切割产生的黏性末端能与目的基因的黏性末端碱基相同，要想把
目的基因与质粒拼接起来，需要得到相同的黏性末端。因此质粒需要限制酶XmaⅠ和BglⅡ切割才能与抗
除草剂基因高效连接。
（4）为防止抗除草剂基因污染，从提高转基因植物安全性的角度分析，可将目的基因导入大豆细胞中的
叶绿体或线粒体（多选），因为叶绿体和线粒体的遗传物质不会随花粉传播，能避免基因污染。AD 不符
合题意，BC 符合题意。
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