2025年高二生物上學期蛋白質(zhì)工程挑戰(zhàn)題蛋白質(zhì)工程是繼基因工程之后發(fā)展起來的第二代生物技術(shù)，它通過對基因進行定向改造或從頭合成，實現(xiàn)對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的精準調(diào)控。隨著AI技術(shù)與合成生物學的深度融合，蛋白質(zhì)工程已從傳統(tǒng)的單點突變進入到全序列設計與動態(tài)功能調(diào)控的新階段。以下從基礎原理、技術(shù)突破、應用實踐、倫理爭議四個維度設置挑戰(zhàn)題，全面考查對蛋白質(zhì)工程的理解與創(chuàng)新應用能力。一、基礎原理綜合應用題（1）核心概念辨析術(shù)語對比：比較蛋白質(zhì)工程中“定點突變”與“從頭設計”的操作對象差異，分析西湖大學設計的跨膜孔蛋白（由兩層α螺旋同心環(huán)組成）屬于哪類技術(shù)，并說明其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)于天然蛋白的分子機制。解釋為何重組人胰島素生產(chǎn)需通過基因工程而非直接化學合成，從氨基酸序列長度、翻譯后修飾、生產(chǎn)成本三方面闡述理由。流程設計：某團隊欲改造T7RNA聚合酶以提高RNA復制保真度，參考美國EVOLVEpro工具的優(yōu)化策略，寫出其技術(shù)路線：（預期功能→→→基因合成→______→功能驗證）（提示：需包含結(jié)構(gòu)預測、序列優(yōu)化、表達系統(tǒng)選擇三個關鍵步驟）（2）結(jié)構(gòu)與功能關系分析案例分析：玉米賴氨酸含量改造中，天冬氨酸激酶第352位蘇氨酸被替換為異亮氨酸后，酶活性不再受賴氨酸反饋抑制。結(jié)合氨基酸側(cè)鏈性質(zhì)解釋原因：蘇氨酸（極性不帶電）→異亮氨酸（非極性脂肪族）的替換如何改變酶的活性中心構(gòu)象？若進一步將第104位天冬酰胺（極性不帶電）替換為精氨酸（帶正電），可能對酶功能產(chǎn)生什么影響？空間結(jié)構(gòu)模擬：利用AlphaFold預測某抗體可變區(qū)結(jié)構(gòu)時，發(fā)現(xiàn)其CDR環(huán)（互補決定區(qū)）存在兩個能量最低構(gòu)象。若要提高該抗體與抗原的結(jié)合特異性，應如何通過氨基酸突變鎖定單一構(gòu)象？（提示：考慮引入二硫鍵或改變側(cè)鏈體積）二、前沿技術(shù)創(chuàng)新題（1）AI輔助設計應用算法原理：EVOLVEpro工具通過深度學習優(yōu)化蛋白質(zhì)序列時，需輸入天然蛋白質(zhì)的哪些特征參數(shù)？（至少列舉3項）。若目標是提高酶的熱穩(wěn)定性，訓練數(shù)據(jù)應側(cè)重包含哪些環(huán)境適應性物種的蛋白質(zhì)序列？實驗設計：設計一個“AI預測-實驗室驗證”閉環(huán)實驗，以改造枯草桿菌蛋白酶（工業(yè)洗滌劑用酶）為例：輸入數(shù)據(jù)：野生型酶的______、、（結(jié)構(gòu)、功能、進化信息）優(yōu)化目標：在60℃下酶活提升2倍，且對表面活性劑耐受性增強驗證指標：（酶活測定）、（圓二色譜分析二級結(jié)構(gòu)變化）（2）合成生物學交叉題動態(tài)調(diào)控：利用“光控蛋白開關”技術(shù)，設計一種可誘導激活的CRISPR-Cas9系統(tǒng)。要求：將Cas9蛋白拆分為N端與C端結(jié)構(gòu)域，分別融合______（藍光受體蛋白）和______（互作蛋白）解釋光照如何觸發(fā)Cas9活性恢復（提示：構(gòu)象變化導致功能域重組）生物安全：某公司開發(fā)的“自毀型工程菌”在生產(chǎn)重組干擾素后可被誘導凋亡，其設計思路是在______基因中插入______（溫度敏感型啟動子/自殺基因），該技術(shù)如何同時解決產(chǎn)物純化與生態(tài)風險問題？三、應用場景實踐題（1）醫(yī)藥領域創(chuàng)新速效胰島素改造：天然胰島素在體內(nèi)易形成六聚體導致起效延遲。通過B鏈第28位脯氨酸→天冬氨酸的突變，可破壞六聚體形成。結(jié)合氨基酸側(cè)鏈性質(zhì)分析：脯氨酸（環(huán)狀亞氨基酸）→天冬氨酸（酸性帶負電）如何改變分子間作用力？若需進一步延長作用時間，可對胰島素進行哪些化學修飾？（舉2例：如PEG化、脂肪酸鏈偶聯(lián)）腫瘤靶向治療：基于Crunch蛋白質(zhì)的“細胞清除”技術(shù)（2025年《自然-生物醫(yī)學工程》），設計針對HER2陽性乳腺癌的靶向療法：改造Crunch蛋白的______結(jié)構(gòu)域以識別HER2受體，同時保留其______結(jié)構(gòu)域以激活巨噬細胞吞噬功能臨床應用時需避免“脫靶效應”，可采取哪些分子優(yōu)化策略？（2）工業(yè)與農(nóng)業(yè)應用生物催化優(yōu)化：用于生物柴油生產(chǎn)的脂肪酶在有機相（如正己烷）中易失活。通過蛋白質(zhì)工程提高其有機溶劑耐受性的方法有：表面氨基酸替換：增加______（帶電荷/疏水）殘基比例，減少溶劑分子對活性中心的滲透內(nèi)部氫鍵網(wǎng)絡強化：在α螺旋中引入______（甘氨酸/脯氨酸）以提高剛性抗逆作物培育：改造光合系統(tǒng)Ⅱ中的放氧復合體（OEC），使其在干旱條件下維持穩(wěn)定活性。關鍵靶點可能包括：增強錳簇（Mn4CaO5）與周圍氨基酸殘基的______（配位鍵/范德華力）提高D1蛋白的周轉(zhuǎn)效率，可替換其N端______（降解信號序列/磷酸化位點）四、倫理與安全論證題（1）技術(shù)風險評估生態(tài)安全：某實驗室擬釋放基因驅(qū)動改造的蚊子（含抗瘧蛋白）以控制瘧疾傳播，需評估哪些潛在風險？（至少列舉3項：如基因水平轉(zhuǎn)移、食物鏈擾動、抗性基因進化）社會公平：AI設計的新型抗生素專利被跨國公司壟斷，可能加劇“醫(yī)療資源不平等”。提出兩種開源共享方案，平衡知識產(chǎn)權(quán)保護與公共健康需求。（2）倫理決策模擬情景分析：利用胎兒成纖維細胞改造的“人源化豬器官”已進入臨床實驗階段，其細胞表面抗原基因被敲除并插入人類相容性基因。該技術(shù)是否符合倫理？請從“動物權(quán)利”“跨物種感染風險”“器官移植公平性”三個角度進行正反論證。五、實驗設計與數(shù)據(jù)分析題（1）突變體篩選方案某團隊通過易錯PCR獲得一批水蛭素突變體（天然水蛭素抗凝血活性為1000ATU/mg），請設計篩選流程：初篩：采用______（凝血酶時間測定法/表面等離子體共振技術(shù)）快速檢測活性；復篩：對初篩陽性克隆進行______（測序驗證/結(jié)晶學分析），確定突變位點；表征：若某突變體在47位天冬酰胺→賴氨酸后活性提高4倍，如何通過等溫滴定量熱法（ITC）驗證其與凝血酶的結(jié)合親和力變化？（2）數(shù)據(jù)解讀與誤差分析突變體突變位點熱穩(wěn)定性（Tm/℃）催化效率（kcat/Km）M1S102A58.3（±0.5）2.3×10?（±0.2）M2Y215F62.1（±0.3）1.8×10?（±0.1）M3S102A+Y215F65.7（±0.4）3.1×10?（±0.3）結(jié)論分析：M3雙突變體的協(xié)同效應體現(xiàn)在哪些方面？（熱穩(wěn)定性、催化效率）誤差討論：若M1的Tm值標準差（±0.5）顯著大于M2（±0.3），可能的實驗原因是什么？（提示：考慮蛋白質(zhì)純度、儀器精度）參考答案與評分標準（部分要點）一、基礎原理綜合應用題（1）流程設計答案：預期功能→結(jié)構(gòu)預測與模擬→序列優(yōu)化與突變體庫構(gòu)建→基因合成→大腸桿菌/酵母表達系統(tǒng)→功能驗證（2）結(jié)構(gòu)與功能分析：蘇氨酸→異亮氨酸的替換增加了活性中心的疏水性，阻止賴氨酸結(jié)合；天冬酰胺→精氨酸可能引入正電荷排斥，進一步增強對賴氨酸的耐受性。二、前沿技術(shù)創(chuàng)新題（1）AI輔助設計：輸入?yún)?shù)包括：氨基酸序列、三維結(jié)構(gòu)坐標、進化保守性圖譜、動力學數(shù)據(jù)；訓練數(shù)據(jù)應包含嗜熱菌、極端pH環(huán)境微生物的蛋白質(zhì)序列。四、倫理與安全論證題（2）倫理決策模擬（正反論證要點）：支持：解決器官短缺危機，豬器官大小與人類接近；反對：豬的痛苦感知能力存疑，可能引發(fā)豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒（PERV）跨物種感染。命題說明：跨學科融合：整合生物化學（酶活性調(diào)節(jié)）、分子生物學（基因編輯）、計算生物學（AI預測）、倫理學（風險評估）等多學科知識；分層考查：基礎題（30%）側(cè)重概念