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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
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. （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，
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
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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）
2. （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）
3. （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
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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
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）
1. （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）
（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
3
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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）
2. （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
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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
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）
3. （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
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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
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，
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确保技术的安全、合理使用。（2 分）
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. （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 利用
₂
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，若不符合
₂
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
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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）
2. （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
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
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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）
3. （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）
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1. （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）
（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）
2. （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
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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
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）
3. （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，
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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）
（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）
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. （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
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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
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）
2. （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）
3. （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）
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（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
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）
（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
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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）
2. （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
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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
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）
3. （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
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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
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）
1．C
2．B
3．C
4．C
5．C
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6．B
7．B
8．C
9．A
10．D
11．(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
12．(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
13．(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
14．(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
15．(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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