2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子導向的合成生物學考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.分子導向的合成生物學區(qū)別于傳統(tǒng)生物工程的核心在于（）。A.使用了更昂貴的設(shè)備B.強調(diào)從系統(tǒng)層面進行整體設(shè)計C.主要關(guān)注基因的個體編輯D.應(yīng)用范圍僅限于醫(yī)藥領(lǐng)域2.下列哪項技術(shù)是分子導向合成生物學中實現(xiàn)精確基因修飾的關(guān)鍵工具？（）A.PCR（聚合酶鏈式反應(yīng)）B.基因槍轉(zhuǎn)化C.CRISPR/Cas9系統(tǒng)D.基因芯片技術(shù)3.在設(shè)計合成基因線路時，模塊化設(shè)計的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在？（）A.提高了基因線路的復(fù)雜程度B.降低了線路組裝和調(diào)試的難度C.減少了所需生物反應(yīng)器的數(shù)量D.使基因線路只能表達特定時間4.如果要設(shè)計一個簡單的基因線路，使得當環(huán)境存在物質(zhì)X時，細胞產(chǎn)生綠色熒光蛋白（GFP），以下哪種構(gòu)建思路是合理的？（）A.將檢測X的酶與GFP基因直接連接B.使用X激活的啟動子驅(qū)動GFP基因表達C.將GFP基因置于一個只有X才能進入的細胞隔間D.將GFP基因置于一個只有在黑暗環(huán)境下才能表達的啟動子控制下5.在代謝工程領(lǐng)域，分子導向的設(shè)計通常旨在？（）A.最大化細胞中所有代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量B.改造或關(guān)閉特定的代謝通路以產(chǎn)生目標化合物C.減少細胞生長速率以節(jié)省能量D.增加細胞對不良環(huán)境脅迫的抵抗力6.計算模擬在分子導向合成生物學中的作用不包括？（）A.預(yù)測基因線路的動態(tài)行為B.優(yōu)化基因網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)置C.直接替代實驗進行所有驗證D.幫助設(shè)計實驗方案7.以下哪個概念不屬于分子導向合成生物學所倡導的設(shè)計原則？（）A.標準化（Standardization）B.批量生產(chǎn)（MassProduction）C.層次化（HierarchicalDesign）D.模塊化（Modularity）8.將一個簡單的邏輯門（如AND門）構(gòu)建在細胞內(nèi)，其基本要求是？（）A.至少需要兩種輸入信號和一種輸出信號B.輸入信號必須是化學物質(zhì)，輸出信號必須是光信號C.線路必須能在所有宿主細胞中穩(wěn)定工作D.線路只能在特定溫度下才能被激活9.以下哪項是合成生物學領(lǐng)域一個重要的“設(shè)計構(gòu)建驗證”（Design-Build-Test-Learn,DBTL）循環(huán)環(huán)節(jié)？（）A.大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)B.在計算機上模擬預(yù)期行為C.將設(shè)計的線路構(gòu)建到細胞中并測試其功能D.向?qū)＠稚暾垖＠Ｗo10.分子導向合成生物學的發(fā)展引發(fā)了關(guān)于生物安全性和倫理問題的擔憂，其中一個主要擔憂是？（）A.技術(shù)過于昂貴，導致資源分配不均B.設(shè)計的生物系統(tǒng)可能失控并造成環(huán)境危害C.合成生物學可能被用于軍事目的開發(fā)生物武器D.學習該領(lǐng)域需要高深的理論知識，普通人難以掌握二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在橫線上）1.分子導向合成生物學旨在通過____________和____________來重新設(shè)計生物系統(tǒng)，以實現(xiàn)特定的功能。2.基因編輯工具CRISPR/Cas9的核心組成部分是____________和____________。3.一個簡單的基因線路通常包含____________、____________和____________三個基本元件。4.在代謝工程中，通過____________或____________特定基因，可以改變細胞內(nèi)的代謝流量。5.生物信息學工具在合成生物學中可用于____________、____________和____________等任務(wù)。6.設(shè)計合成生物系統(tǒng)時，考慮____________和____________是確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和功能性的重要方面。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述分子導向合成生物學與傳統(tǒng)基因工程的根本區(qū)別。2.解釋什么是合成基因線路，并舉例說明一種常見的合成基因線路及其功能。3.簡述在合成生物學項目中實施“設(shè)計構(gòu)建驗證”循環(huán)的重要性。四、論述題（10分）結(jié)合具體的例子，論述分子導向合成生物學在生物制造領(lǐng)域的設(shè)計思路及其優(yōu)勢。五、實驗設(shè)計題（15分）假設(shè)你希望設(shè)計一個簡單的分子系統(tǒng)，用于檢測環(huán)境中是否存在某種特定的重金屬離子（如鉛離子Pb2?）。該系統(tǒng)應(yīng)能在存在Pb2?時，通過產(chǎn)生某種可觀察的顏色變化（如變?yōu)榧t色）來發(fā)出信號。請簡述你的設(shè)計思路，包括需要使用的核心元件（如傳感器、報告基因等）、元件之間的連接方式以及預(yù)期的工作原理。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.B5.B6.C7.B8.A9.C10.B二、填空題1.分子層面；計算方法2.CRISPR向?qū)NA(gRNA)；Cas9核酸酶3.傳感器(Sensor)；調(diào)控器(Regulator)；輸出元件(Output)4.敲除(Knockout)；過表達(Overexpression)5.基因挖掘；序列分析；模型構(gòu)建6.可擴展性(Scalability)；魯棒性(Robustness)三、簡答題1.解析思路：區(qū)分點在于是否強調(diào)系統(tǒng)層面的整體設(shè)計、模塊化構(gòu)建以及計算模擬的應(yīng)用。傳統(tǒng)基因工程更多是針對單一基因或蛋白質(zhì)進行改造，目標相對單一；而分子導向合成生物學著眼于整個生物系統(tǒng)，如同工程學一樣進行設(shè)計、構(gòu)建、測試和優(yōu)化，強調(diào)多基因協(xié)同作用和網(wǎng)絡(luò)行為，并廣泛應(yīng)用計算工具進行預(yù)測和設(shè)計。2.解析思路：首先定義合成基因線路是人為設(shè)計構(gòu)建的、具有特定功能的基因組合。然后舉例，例如“邏輯門線路”，它可以模擬計算機的邏輯運算（如AND、OR門），根據(jù)輸入信號的有無組合決定輸出信號（如產(chǎn)生或關(guān)閉某個基因的表達）。重點在于說明其“合成”特性和“線路”結(jié)構(gòu)，以及實現(xiàn)“特定功能”的目標。3.解析思路：說明該循環(huán)是迭代式的設(shè)計流程。設(shè)計（根據(jù)需求提出方案）、構(gòu)建（將方案轉(zhuǎn)化為實際生物元件）、驗證（在實驗中測試構(gòu)建系統(tǒng)的功能）是基本步驟。通過驗證獲得反饋信息（Learn），這些信息可以用來改進下一個設(shè)計周期，從而逐步優(yōu)化系統(tǒng)性能，減少試錯成本，提高設(shè)計效率。四、論述題解析思路：論述需包含“設(shè)計思路”和“優(yōu)勢”兩方面，并需結(jié)合“生物制造”背景。*設(shè)計思路：應(yīng)圍繞“目標產(chǎn)物”展開。首先，需要通過代謝通路分析或基因挖掘，找到能夠產(chǎn)生目標產(chǎn)物的天然菌株或通路。然后，利用基因編輯、合成生物學元件庫等技術(shù)，對關(guān)鍵限速酶基因進行過表達或沉默，或者引入新的酶基因來增強目標產(chǎn)物的合成通路。同時，可能需要下調(diào)與目標產(chǎn)物合成相競爭的其他代謝通路。此外，還需考慮優(yōu)化菌株的生長條件、提高目標產(chǎn)物的外排效率等。整個過程是系統(tǒng)性的，基于對生物系統(tǒng)原理的理解進行有目的的改造和優(yōu)化。*優(yōu)勢：分子導向合成生物學在生物制造中的優(yōu)勢體現(xiàn)在：*高效性：可以快速篩選和改造微生物，縮短研發(fā)周期，相比傳統(tǒng)化學合成或發(fā)酵優(yōu)化更為高效。*經(jīng)濟性：利用生物系統(tǒng)可以在溫和條件下（常溫常壓、水相環(huán)境）進行復(fù)雜化合物的合成，可能降低生產(chǎn)成本和環(huán)境污染。*環(huán)境友好：有潛力替代高污染的化學合成路線，開發(fā)綠色制造技術(shù)。*定制化：可以設(shè)計生產(chǎn)手性藥物、特殊材料等傳統(tǒng)方法難以合成的復(fù)雜分子。*可及性：通過設(shè)計，可以構(gòu)建生產(chǎn)特定中間體或能源的菌株，滿足多元化需求。五、實驗設(shè)計題解析思路：設(shè)計題需包含核心元件選擇、連接方式、工作原理說明。*核心元件選擇：需要一個能夠特異性結(jié)合Pb2?的傳感器元件（如一個啟動子或核糖開關(guān)，其表達受Pb2?調(diào)控），和一個報告基因（如產(chǎn)生紅色熒光蛋白mCherry或產(chǎn)生紅色素物質(zhì)的基因）作為輸出信號。*連接方式：將Pb2?傳感器元件（如Pb2?響應(yīng)型啟動子）置于報告基因的上游。當環(huán)境中有Pb2?時，傳感器元件被激活，驅(qū)動報告基因的表達，從而產(chǎn)生可觀察的