2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子生物學(xué)在新材料中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)的代表字母填在題后的括號內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不是中心法則所描述的內(nèi)容？A.DNA復(fù)制B.RNA轉(zhuǎn)錄C.蛋白質(zhì)翻譯D.蛋白質(zhì)降解2.在利用分子生物學(xué)方法進(jìn)行新材料合成時(shí)，酶工程的主要優(yōu)勢在于？A.可在極端條件下工作B.產(chǎn)物特異性高，副反應(yīng)少C.可大規(guī)模生產(chǎn)，成本較低D.反應(yīng)速率極快3.分子自組裝技術(shù)利用生物分子的哪些特性來構(gòu)建有序結(jié)構(gòu)？A.化學(xué)鍵能B.表面張力C.特異性識別與相互作用D.重力作用4.基因工程中，PCR技術(shù)主要用于？A.基因的定點(diǎn)插入B.目標(biāo)基因的擴(kuò)增C.蛋白的翻譯后修飾D.調(diào)控基因的表達(dá)5.DNA納米技術(shù)中，“DNAorigami”的主要構(gòu)建原理是？A.DNA的雜交驅(qū)動折疊B.蛋白質(zhì)對DNA的纏繞C.離子交換驅(qū)動聚沉D.化學(xué)交聯(lián)固定結(jié)構(gòu)6.在生物傳感器中，利用分子生物學(xué)技術(shù)可以構(gòu)建具有特定識別能力的？A.基底材料B.信號轉(zhuǎn)換元件C.識別元件（如抗體、適配體、酶、核酸適配體）D.電源部分7.組織工程中，用于提供細(xì)胞附著、增殖和分化微環(huán)境的材料被稱為？A.細(xì)胞因子B.生長因子C.生物支架D.基因載體8.CRISPR-Cas9技術(shù)在材料改性中的應(yīng)用潛力主要體現(xiàn)在？A.大規(guī)模基因組測序B.精確修飾生物合成途徑中的基因C.快速分離純化蛋白質(zhì)D.建立高效的細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)9.下列哪種分子探針技術(shù)常用于檢測材料表面與特定生物分子的相互作用？A.X射線衍射（XRD）B.場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）C.表面等離子體共振（SPR）D.核磁共振（NMR）10.合成生物學(xué)在新型功能材料開發(fā)中的核心思想是？A.利用計(jì)算機(jī)模擬材料性能B.重新設(shè)計(jì)、構(gòu)建或改造生物系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)特定功能C.研究材料在生物體內(nèi)的降解機(jī)制D.開發(fā)更高效的材料合成催化劑二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.分子克隆技術(shù)通常需要利用__________連接目的基因和載體，并通過轉(zhuǎn)化進(jìn)入宿主細(xì)胞。2.蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者，其結(jié)構(gòu)和功能直接關(guān)系到__________的性能。3.利用酶作為催化劑合成材料，其優(yōu)點(diǎn)之一是反應(yīng)條件溫和，環(huán)境友好，符合__________的理念。4.DNA納米技術(shù)通過精確操控DNA鏈的__________和相互作用，構(gòu)筑具有特定結(jié)構(gòu)和功能的納米材料。5.在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，分子生物學(xué)技術(shù)有助于提高材料的__________和降低其免疫原性。6.基因編輯技術(shù)如CRISPR-Cas9，能夠?qū)崿F(xiàn)對DNA序列的__________和替換，為材料基因工程提供了強(qiáng)大工具。7.分子生物傳感器通常由__________、信號轉(zhuǎn)換器和輸出裝置三部分組成。8.分子印跡技術(shù)可以制備具有特定分子識別位點(diǎn)的高選擇性材料，其識別位點(diǎn)源于__________分子。9.細(xì)胞膜表面的__________分子（如受體）是細(xì)胞與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換和信號傳遞的關(guān)鍵。10.“分子模板”策略利用生物分子（如DNA、蛋白質(zhì)）作為框架或模板，指導(dǎo)__________材料的精確合成或自組裝。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述核酸分子雜交技術(shù)在材料表面修飾或功能化中的應(yīng)用原理。2.簡述利用基因工程改造微生物以生產(chǎn)生物基材料的基本思路。3.簡述表面等離子體共振（SPR）技術(shù)可以用來研究材料與生物分子相互作用的原理。4.簡述蛋白質(zhì)工程在功能材料設(shè)計(jì)中的主要作用。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述分子生物學(xué)技術(shù)在開發(fā)生物可降解高分子材料方面的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)。2.論述如何利用分子生物學(xué)知識和工具設(shè)計(jì)一個(gè)能夠特異性檢測某種環(huán)境污染物（如重金屬離子）的生物傳感器。五、設(shè)計(jì)題（10分）設(shè)計(jì)一個(gè)利用分子生物學(xué)技術(shù)（至少兩種）來制備具有特定光學(xué)性質(zhì)（如熒光）的納米復(fù)合材料的方案，并簡述其原理和潛在應(yīng)用。試卷答案一、選擇題1.D解析思路：中心法則描述遺傳信息在生物體內(nèi)傳遞的過程，包括DNA復(fù)制（遺傳信息自我復(fù)制）、RNA轉(zhuǎn)錄（DNA指導(dǎo)RNA合成）和蛋白質(zhì)翻譯（RNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成）。蛋白質(zhì)降解是蛋白質(zhì)生命周期的后期階段，不屬于信息傳遞過程。2.B解析思路：酶是生物催化劑，具有高選擇性和高專一性，能在溫和條件下催化特定反應(yīng)，從而提高產(chǎn)物純度，減少副產(chǎn)物，這是其在材料合成中的主要優(yōu)勢。A、C、D雖然也可能是酶的優(yōu)勢或相關(guān)應(yīng)用，但B選項(xiàng)最核心。3.C解析思路：分子自組裝是基于生物分子（如DNA、蛋白質(zhì)）之間固有且特異性的相互作用（如堿基互補(bǔ)配對、疏水作用、范德華力等）驅(qū)動的有序結(jié)構(gòu)形成過程。4.B解析思路：PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）是一種在體外快速擴(kuò)增特定DNA片段的技術(shù)，是分子生物學(xué)中最常用的技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于基因研究、診斷等領(lǐng)域。5.A解析思路：DNAorigami技術(shù)是利用一條長鏈DNA作為骨架，通過大量短鏈DNA（staples）與骨架DNA的雜交，使其彎曲、折疊，從而構(gòu)建出各種預(yù)定形狀的二維或三維納米結(jié)構(gòu)。6.C解析思路：生物傳感器的識別元件是直接與目標(biāo)分析物（生物分子或小分子）發(fā)生特異性相互作用的部分，分子生物學(xué)技術(shù)可以設(shè)計(jì)和制備各種識別元件，如核酸適配體、抗體、酶、適配體等。7.C解析思路：生物支架是組織工程中提供三維空間結(jié)構(gòu)，支持細(xì)胞附著、生長、增殖、分化和合成細(xì)胞外基質(zhì)，最終形成組織或器官的scaffold材料。8.B解析思路：CRISPR-Cas9技術(shù)能夠?qū)蚪M進(jìn)行精確編輯，即對特定基因進(jìn)行添加、刪除或替換，從而可以改造生物合成途徑中的關(guān)鍵基因，以生產(chǎn)特定的有用物質(zhì)，如生物材料。9.C解析思路：表面等離子體共振（SPR）技術(shù)是一種實(shí)時(shí)、原位、定量檢測分析物與固定在傳感器表面配體之間相互作用的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于研究生物分子（如蛋白質(zhì)、抗體、核酸）與配體的結(jié)合動力學(xué)。10.B解析思路：合成生物學(xué)是工程學(xué)的一個(gè)分支，其核心思想是利用工程學(xué)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建原則，對生物系統(tǒng)（如細(xì)胞）進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、改造或構(gòu)建，以實(shí)現(xiàn)特定的有用功能，這在材料科學(xué)中可用于創(chuàng)造新型生物材料或生物制造過程。二、填空題1.協(xié)同解析思路：分子克隆是將目的基因插入到載體（如質(zhì)粒）中，通常需要限制性內(nèi)切酶切割產(chǎn)生粘性末端，然后通過DNA連接酶的作用使目的基因和載體骨架連接在一起，這個(gè)過程稱為協(xié)同連接。2.功能解析思路：蛋白質(zhì)是構(gòu)成細(xì)胞和生物體結(jié)構(gòu)的基本單位，同時(shí)承擔(dān)幾乎所有的生命活動功能，因此蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)直接決定了其生物學(xué)功能，進(jìn)而影響基于該蛋白質(zhì)或含該蛋白質(zhì)的材料的功能表現(xiàn)。3.綠色化學(xué)解析思路：利用酶進(jìn)行材料合成符合綠色化學(xué)的原則，因?yàn)槊复呋姆磻?yīng)條件通常在常溫常壓、水相中即可進(jìn)行，能耗低，環(huán)境友好，且酶可回收利用。4.排列順序解析思路：DNAorigami技術(shù)通過精確設(shè)計(jì)大量短鏈DNA（staples）的序列，使其能夠與中心長鏈DNA（scaffold）特異性雜交，并通過這些雜交作用控制長鏈DNA的彎曲和折疊路徑，從而實(shí)現(xiàn)對DNA鏈空間排列順序的精確控制。5.生物相容性解析思路：生物醫(yī)用材料需要與人體組織、細(xì)胞良好相互作用，不引起排斥反應(yīng)，即具有良好的生物相容性。分子生物學(xué)技術(shù)可用于修飾材料表面，引入生物活性分子或修飾其理化性質(zhì)，以改善生物相容性。6.修改解析思路：基因編輯技術(shù)如CRISPR-Cas9的核心能力是在基因組特定位點(diǎn)進(jìn)行精確的修改，包括插入、刪除（敲除）或替換堿基序列。7.識別元件解析思路：分子生物傳感器的基本結(jié)構(gòu)包括能夠特異性識別目標(biāo)分析物的識別元件、將識別信號轉(zhuǎn)換為可測量的物理或化學(xué)信號的信號轉(zhuǎn)換器以及顯示或輸出信號的裝置。8.模板分子解析思路：分子印跡技術(shù)模擬生物識別過程，將模板分子固定在功能單體上，通過聚合反應(yīng)形成印跡孔道，這些孔道的大小和形狀與模板分子complementary，從而對模板分子結(jié)構(gòu)類似物具有特異性識別能力，模板分子是形成識別位點(diǎn)的依據(jù)。9.糖蛋白解析思路：細(xì)胞膜表面的糖蛋白（Glycoproteins）等大分子物質(zhì)具有重要的識別、粘附、信號傳導(dǎo)等功能，它們是細(xì)胞與外界環(huán)境進(jìn)行信息交流和物質(zhì)交換的關(guān)鍵分子。10.功能解析思路：“分子模板”策略利用生物分子作為精確的框架或指導(dǎo)，不僅可以用于構(gòu)建具有特定幾何形狀的納米結(jié)構(gòu)材料，更可以用于指導(dǎo)具有特定功能（如光學(xué)、電學(xué)、催化活性）的材料單元的有序排列和組合。三、簡答題1.簡述核酸分子雜交技術(shù)在材料表面修飾或功能化中的應(yīng)用原理。解析思路：核酸分子雜交是指具有堿基互補(bǔ)配對的DNA或RNA鏈在一定條件下結(jié)合形成雙鏈分子的過程。利用這一原理，可以將帶有特定序列的寡核苷酸鏈（如DNA或RNA）通過化學(xué)方法固定在材料表面。當(dāng)溶液中存在與其互補(bǔ)的靶分子（另一種核酸或經(jīng)過改造的蛋白質(zhì)、小分子）時(shí)，靶分子會與固定在表面的探針分子雜交。這種雜交事件可以通過連接在探針分子上的報(bào)告分子（如酶、熒光染料、納米顆粒）來檢測，從而實(shí)現(xiàn)對材料表面特定分子存在的檢測或功能化修飾。例如，可以利用DNA適配體識別并結(jié)合目標(biāo)小分子，然后連接酶或熒光基團(tuán)進(jìn)行傳感或標(biāo)記。2.簡述利用基因工程改造微生物以生產(chǎn)生物基材料的基本思路。解析思路：利用基因工程改造微生物生產(chǎn)生物基材料的基本思路是：首先，確定目標(biāo)生物材料的合成途徑或關(guān)鍵酶；其次，通過基因組測序和基因編輯技術(shù)（如CRISPR-Cas9）對微生物（如細(xì)菌、酵母、真菌）的基因組進(jìn)行修飾，例如，引入能夠合成目標(biāo)材料的基因、刪除Competing途徑中的基因、改造或強(qiáng)化關(guān)鍵限速酶的基因表達(dá)；再次，優(yōu)化微生物的生長條件（如營養(yǎng)物質(zhì)、溫度、pH）和代謝途徑，提高目標(biāo)材料的產(chǎn)量和得率；最后，進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)和分離純化。整個(gè)過程是遵循“設(shè)計(jì)-構(gòu)建-篩選-優(yōu)化”的工程化思路。3.簡述表面等離子體共振（SPR）技術(shù)可以用來研究材料與生物分子相互作用的原理。解析思路：SPR技術(shù)基于分析物分子在靠近金屬（通常為金或銀）表面時(shí)，其感生偶極矩會發(fā)生改變，導(dǎo)致在金屬/介質(zhì)界面處產(chǎn)生局域化的表面等離子體激元（表面等離振子）。當(dāng)分析物分子靠近金屬表面并與固定在表面的配體發(fā)生相互作用時(shí)，會引起金屬表面附近區(qū)域折射率的變化，進(jìn)而改變表面等離子體激元的振幅和相位。這種變化可以通過檢測反射光的角度或波長變化來實(shí)時(shí)監(jiān)測。相互作用過程中，分析物在金屬表面附近的濃度呈指數(shù)衰減，因此SPR能夠提供分析物與配體之間相互作用的動力學(xué)信息（結(jié)合/解離速率常數(shù)、解離常數(shù)）和熱力學(xué)信息（結(jié)合熱），從而用于研究材料表面修飾物（如固定化的多肽、蛋白質(zhì)、核酸適配體）與生物分子（如目標(biāo)蛋白質(zhì)、抗體、核酸）之間的特異性相互作用。4.簡述蛋白質(zhì)工程在功能材料設(shè)計(jì)中的主要作用。解析思路：蛋白質(zhì)工程是通過對已知蛋白質(zhì)的氨基酸序列進(jìn)行有目的的改造或設(shè)計(jì)全新蛋白質(zhì)，從而改變其結(jié)構(gòu)和功能的技術(shù)。在功能材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：1）提高材料的性能：通過改造蛋白質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)域，可以增強(qiáng)其力學(xué)強(qiáng)度、穩(wěn)定性、生物相容性或特定化學(xué)穩(wěn)定性。2）賦予材料特定功能：設(shè)計(jì)具有特定催化活性的酶材料用于催化反應(yīng)，設(shè)計(jì)具有特定結(jié)合能力的蛋白質(zhì)材料用于傳感、捕獲或藥物遞送。3）調(diào)控材料的微觀結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)本身具有自組裝能力，通過蛋白質(zhì)工程改變其序列可以調(diào)控其自組裝行為，從而設(shè)計(jì)出具有特定微觀結(jié)構(gòu)（如納米纖維、薄膜、多孔材料）的功能材料。4）實(shí)現(xiàn)材料的功能可調(diào)性：通過引入可調(diào)控的序列元件，使材料的功能能夠在外界刺激（如pH、溫度、光照）下發(fā)生可逆變化。四、論述題1.論述分子生物學(xué)技術(shù)在開發(fā)生物可降解高分子材料方面的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)。解析思路：應(yīng)用前景：分子生物學(xué)技術(shù)為生物可降解高分子材料的開發(fā)提供了強(qiáng)大工具?；蚬こ炭捎糜诟脑煳⑸铮ㄈ缂?xì)菌、酵母）的代謝途徑，使其高效生產(chǎn)具有特定降解性能（如酶解、光解）或特定結(jié)構(gòu)的生物基高分子（如聚羥基脂肪酸酯PHA、聚乳酸PLA的衍生物）。蛋白質(zhì)工程可以設(shè)計(jì)或改造具有生物催化活性的酶，用于促進(jìn)高分子的合成或降解?；蚓庉嫾夹g(shù)可精確修飾參與高分子合成的基因，優(yōu)化材料性能。DNA納米技術(shù)可用于構(gòu)建具有智能響應(yīng)或結(jié)構(gòu)可控的生物可降解材料。面臨的挑戰(zhàn)：1）生物合成途徑復(fù)雜，需要深入理解高分子合成與降解的分子機(jī)制。2）材料性能（如力學(xué)強(qiáng)度、加工性能、降解速率與環(huán)境影響）與生物合成途徑的調(diào)控存在復(fù)雜關(guān)系，優(yōu)化難度大。3）成本問題，目前許多生物合成路線的效率和經(jīng)濟(jì)性有待提高。4）規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)尚需完善。5）確保材料在特定應(yīng)用環(huán)境中的穩(wěn)定性和可控降解。2.論述如何利用分子生物學(xué)知識和工具設(shè)計(jì)一個(gè)能夠特異性檢測某種環(huán)境污染物（如重金屬離子）的生物傳感器。解析思路：設(shè)計(jì)特異性檢測重金屬離子的生物傳感器，可以利用分子生物學(xué)知識和工具構(gòu)建具有高選擇性和靈敏度的識別元件。設(shè)計(jì)步驟與原理：1）選擇或設(shè)計(jì)識別元件：利用分子進(jìn)化技術(shù)（如噬菌體展示、鏈霉親和素展示）篩選能夠特異性識別目標(biāo)重金屬離子（如Hg2?,Cd2?,Pb2?）的蛋白質(zhì)（如抗體、肽段、核酸適配體，即分子印跡蛋白/核酶/適配體）。或者，利用基因工程改造現(xiàn)有金屬結(jié)合蛋白（如金屬硫蛋白、藍(lán)銅礦蛋白）或設(shè)計(jì)全新的人工金屬結(jié)合蛋白。2）構(gòu)建傳感信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：將識別元件與信號轉(zhuǎn)換部分連接。常用方法包括：將識別蛋白（如抗體）連接到酶（如辣根過氧化物酶）上，重金屬結(jié)合后導(dǎo)致酶活性變化，通過底物顯色或發(fā)光檢測；將識別元件固定在電化學(xué)傳感器表面，重金屬結(jié)合引起表面性質(zhì)改變，通過電信號（如電流、電位）變化檢測；或?qū)⒆R別元件與熒光分子連接，重金屬結(jié)合后導(dǎo)致熒光強(qiáng)度、波長或壽命變化。3）整合與優(yōu)化：將識別元件和信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)整合到合適的傳感平臺（如酶標(biāo)板、電化學(xué)傳感器、光纖傳感器、微流控芯片）。利用定點(diǎn)突變、蛋白質(zhì)工程等技術(shù)優(yōu)化識別元件的特異性和靈敏度，以及信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的響應(yīng)范圍和穩(wěn)定性。4）應(yīng)用：將構(gòu)建好的生物傳感器用于樣品中目標(biāo)重金屬離子的檢測，通過測量信號變化量來確定污染物的濃度。關(guān)鍵在于獲得高親和力、高特異性的識別元件，并建立可靠的