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  • 來源:數字光魔
  • 發布時間:2020-04-13 18:19

基因工程是生物工程的一個重要分支,它和細胞工程、酶工程、蛋白質工程和微生物工程共同組成了生物工程。 所謂基因工程(genetic engineering)是在分子水平上對基因進行操作的複雜技術,是将外源基因通過體外重組後導入受體細胞内,使這個基因能在受體細胞内複制、轉錄、翻譯表達的操作。它是用人為的方法将所需要的某一供體生物的遺傳物質——DNA大分子提取出來,在離體條件下用适當的工具酶進行切割後,把它與作為載體的DNA分子連接起來,然後與載體一起導入某一更易生長、繁殖的受體細胞中,以讓外源物質在其中“安家落戶”,進行正常的複制和表達,從而獲得新物種的一種嶄新技術。



基因工程是在分子生物學和分子遺傳學綜合發展基礎上于本世紀70年代誕生的一門嶄新的生物技術科學。一般來說,基因工程是指在基因水平上的遺傳工程,它是用人為方法将所需要的某一供體生物的遺傳物質--DNA大分子提取出來,在離體條件下用适當的工具酶進行切割後,把它與作為載體的DNA分子連接起來,然後與載體一起導入某一更易生長、繁殖的受體細胞中,以讓外源遺傳物質在其中"安家落戶",進行正常複制和表達,從而獲得新物種的一種嶄新的育種技術。 這個定義表明,基因工程具有以下幾個重要特征:首先,外源核酸分子在不同的寄主生物中進行繁殖,能夠跨越天然物種屏障,把來自任何一種生物的基因放置到新的生物中,而這種生物可以與原來生物毫無親緣關系,這種能力是基因工程的第一個重要特征。第二個特征是,一種确定的DNA小片段在新的寄主細胞中進行擴增,這樣實現很少量DNA樣品"拷貝"出大量的DNA,而且是大量沒有污染任何其它DNA序列的、絕對純淨的DNA分子群體。科學家将改變人類生殖細胞DNA的技術稱為“基因系治療”(germlinetherapy),通常所說的“基因工程”則是針對改變動植物生殖細胞的。無論稱謂如何,改變個體生殖細胞的DNA都将可能使其後代發生同樣的改變。 

迄今為止,基因工程還沒有用于人體,但已在從細菌到家畜的幾乎所有非人生命物體上做了實驗,并取得了成功。事實上,所有用于治療糖尿病的胰島素都來自一種細菌,其DNA中被插入人類可産生胰島素的基因,細菌便可自行複制胰島素。基因工程技術使得許多植物具有了抗病蟲害和抗除草劑的能力;在美國,大約有一半的大豆和四分的玉米都是轉基因的。目前,是否該在農業中采用轉基因動植物已成為人們争論的焦點:支持者認為,轉基因的農産品更容易生長,也含有更多的營養(甚至藥物),有助于減緩世界範圍内的饑荒和疾病;而反對者則認為,在農産品中引入新的基因會産生副作用,尤其是會破壞環境。 


誠然,仍有許多基因的功能及其協同工作的方式不為人類所知,但想到利用基因工程可使番茄具有抗癌作用、使鲑魚長得比自然界中的大幾倍、使寵物不再會引起過敏,許多人便希望也可以對人類基因做類似的修改。畢竟,胚胎遺傳病篩查、基因修複和基因工程等技術不僅可用于治療疾病,也為改變諸如眼睛的顔色、智力等其他人類特性提供了可能。目前我們還遠不能設計定做我們的後代,但已有借助胚胎遺傳病篩查技術培育人們需求的身體特性的例子。比如,運用此技術,可使患兒的父母生一個和患兒骨髓匹配的孩子,然後再通過骨髓移植來治愈患兒。

随着DNA的内部結構和遺傳機制的秘密一點一點呈現在人們眼前,特别是當人們了解到遺傳密碼是由 RNA轉錄表達的以後,生物學家不再僅僅滿足于探索、提示生物遺傳的秘密,而是開始躍躍欲試,設想在分子的水平上去幹預生物的遺傳特性。 如果将一種生物的 DNA中的某個遺傳密碼片斷連接到另外一種生物的DNA鍊上去,将DNA重新組織一下,就可以按照人類的願望,設計出新的遺傳物質并創造出新的生物類型,這與過去培育生物繁殖後代的傳統做法完全不同。 這種做法就像技術科學的工程設計,按照人類的需要把這種生物的這個“基因”與那種生物的那個“基因”重新“施工”,“組裝”成新的基因組合,創造出新的生物。這種完全按照人的意願,由重新組裝基因到新生物産生的生物科學技術,就稱為“基因工程”,或者說是“遺傳工程”。  


基本操作步驟

1.獲取目的基因是實施基因工程的第一步。如植物的抗病(抗病毒 抗細菌)基因,種子的貯藏蛋白的基因,以及人的胰島素基因幹擾素基因等,都是目的基因。


要從浩瀚的“基因海洋”中獲得特定的目的基因,是十分不易的。科學家們經過不懈地探索,想出了許多辦法,其中主要有兩條途徑:一條是從供體細胞的DNA中直接分離基因;另一條是人工合成基因。



 

直接分離基因最常用的方法是“鳥槍法”,又叫“散彈射擊法”。鳥槍法的具體做法是:用限制酶将供體細胞中的DNA切成許多片段,将這些片段分别載入運載體,然後通過運載體分别轉入不同的受體細胞,讓供體細胞提供的DNA(即外源DNA)的所有片段分别在各個受體細胞中大量複制(在遺傳學中叫做擴增),從中找出含有目的基因的細胞,再用一定的方法把帶有目的基因的DNA片段分離出來。如許多抗蟲抗病毒的基因都可以用上述方法獲得。


用鳥槍法獲得目的基因的優點是操作簡便,缺點是工作量大,具有一定的盲目性。又由于真核細胞的基因含有不表達的DNA片段,一般使用人工合成的方法。


目前人工合成基因的方法主要有兩條。一條途徑是以目的基因轉錄成的信使RNA為模版,反轉錄成互補的單鍊DNA,然後在酶的作用下合成雙鍊DNA,從而獲得所需要的基因。另一條途徑是根據已知的蛋白質的氨基酸序列,推測出相應的信使RNA序列,然後按照堿基互補配對的原則,推測出它的基因的核苷酸序列,再通過化學方法,以單核苷酸為原料合成目的基因。如人的血紅蛋白基因胰島素基因等就可以通過人工合成基因的方法獲得。


2.基因表達載體的構建(即目的基因與運載體結合)是實施基因工程的第二步,也是基因工程的核心。


将目的基因與運載體結合的過程,實際上是不同來源的DNA重新組合的過程。如果以質粒作為運載體,首先要用一定的限制酶切割質粒,使質粒出現一個缺口,露出黏性末端。然後用同一種限制酶切斷目的基因,使其産生相同的黏性末端。将切下的目的基因的片段插入質粒的切口處,再加入适量DNA連接酶,質粒的黏性末端與目的基因DNA片段的黏性末端就會因堿基互補配對而結合,形成一個重組DNA分子。如人的胰島素基因就是通過這種方法與大腸杆菌中的質粒DNA分子結合,形成重組DNA分子(也叫重組質粒)的。


3.将目的基因導入受體細胞是實施基因工程的第三步。目的基因的片段與運載體在生物體外連接形成重組DNA分子後,下一步是将重組DNA分子引入受體細胞中進行擴增。


基因工程中常用的受體細胞有大腸杆菌,枯草杆菌,土壤農杆菌,酵母菌和動植物細胞等。


用人工方法使體外重組的DNA分子轉移到受體細胞,主要是借鑒細菌或病毒侵染細胞的途徑。例如,如果運載體是質粒,受體細胞是細菌,一般是将細菌用氯化鈣處理,以增大細菌細胞壁的通透性,使含有目的基因的重組質粒進入受體細胞。目的基因導入受體細胞後,就可以随着受體細胞的繁殖而複制,由于細菌的繁殖速度非常快,在很短的時間内就能夠獲得大量的目的基因。


4.目的基因導入受體細胞後,是否可以穩定維持和表達其遺傳特性,隻有通過檢測與鑒定才能知道。這是基因工程的第四步工作。



 

以上步驟完成後,在全部的受體細胞中,真正能夠攝入重組DNA分子的受體細胞是很少的。因此,必須通過一定的手段對受體細胞中是否導入了目的基因進行檢測。檢測的方法有很多種,例如,大腸杆菌的某種質粒具有青黴素抗性基因,當這種質粒與外源DNA組合在一起形成重組質粒,并被轉入受體細胞後,就可以根據受體細胞是否具有青黴素抗性來判斷受體細胞是否獲得了目的基因。重組DNA分子進入受體細胞後,受體細胞必須表現出特定的性狀,才能說明目的基因完成了表達過程。  


前景

科學界預言,21世紀是一個基因工程世紀。基因工程是在分子水平對生物遺傳作人為幹預,要認識它,我們先從生物工程談起:生物工程又稱生物技術,是一門應用現代生命科學原理和信息及化工等技術,利用活細胞或其産生的酶來對廉價原材料進行不同程度的加工,提供大量有用産品的綜合性工程技術。


生物工程的基礎是現代生命科學、技術科學和信息科學。生物工程的主要産品是為社會提供大量優質發酵産品,例如生化藥物、化工原料、能源、生物防治劑以及食品和飲料,還可以為人類提供治理環境、提取金屬、臨床診斷、基因治療和改良農作物品種等社會服務。


生物工程主要有基因工程、細胞工程、酶工程、蛋白質工程和微生物工程等5個部分。其中基因工程就是人們對生物基因進行改造,利用生物生産人們想要的特殊産品。随着DNA的内部結構和遺傳機制的秘密一點一點呈現在人們眼前,生物學家不再僅僅滿足于探索、提示生物遺傳的秘密,而是開始躍躍欲試,設想在分子的水平上去幹預生物的遺傳特性。


美國的吉爾伯特是堿基排列分析法的創始人,他率先支持人類基因組工程 如果将一種生物的DNA中的某個遺傳密碼片斷連接到另外一種生物的DNA鍊上去,将DNA重新組織一下,不就可以按照人類的願望,設計出新的遺傳物質并創造出新的生物類型嗎?這與過去培育生物繁殖後代的傳統做法完全不同,它很像技術科學的工程設計,即按照人類的需要把這種生物的這個“基因”與那種生物的那個“基因”重新“施工”,“組裝”成新的基因組合,創造出新的生物。這種完全按照人的意願,由重新組裝基因到新生物産生的生物科學技術,就被稱為“基因工程”,或者稱之為“遺傳工程”。  


曆史

人類基因工程走過的主要曆程怎樣呢?1866年,奧地利遺傳學家孟德爾神父發現生物的遺傳基因規律;1868年,瑞士生物學家弗裡德裡希發現細胞核内存有酸性和蛋白質兩個部分。酸性部分就是後來的所謂的DNA;1882年,德國胚胎學家瓦爾特弗萊明在研究蝾螈細胞時發現細胞核内的包含有大量的分裂的線狀物體,也就是後來的染色體;1944年,美國科研人員證明DNA是大多數有機體的遺傳原料,而不是蛋白質;1953年,美國生化學家華森和英國物理學家克裡克宣布他們發現了DNA的雙螺旋結果,奠下了基因工程的基礎;1980年,第一隻經過基因改造的老鼠誕生;1996年,第一隻克隆羊誕生;1999年,美國科學家破解了人類第 22組基因排序列圖;未來的計劃是可以根據基因圖有針對性地對有關病症下藥。


人類基因組研究是一項生命科學的基礎性研究。有科學家把基因組圖譜看成是指路圖,或化學中的元素周期表;也有科學家把基因組圖譜比作字典,但不論是從哪個角度去闡釋,破解人類自身基因密碼,以促進人類健康、預防疾病、延長壽命,其應用前景都是極其美好的。人類10萬個基因的信息以及相應的染色體位置被破譯後,破譯人類和動植物的基因密碼,為攻克疾病和提高農作物産量開拓了廣闊的前景。将成為醫學和生物制藥産業知識和技術創新的源泉。美國的貝克維茲正在觀察器皿中的菌落,他曾對人類基因組工程提出警告。



 

科學研究證明,一些困擾人類健康的主要疾病,例如心腦血管疾病、糖尿病、肝病、癌症等都與基因有關。依據已經破譯的基因序列和功能,找出這些基因并針對相應的病變區位進行藥物篩選,甚至基于已有的基因知識來設計新藥,就能“有的放矢”地修補或替換這些病變的基因,從而根治頑症。基因藥物将成為21世紀醫藥中的耀眼明星。基因研究不僅能夠為篩選和研制新藥提供基礎數據,也為利用基因進行檢測、預防和治療疾病提供了可能。比如,有同樣生活習慣和生活環境的人,由于具有不同基因序列,對同一種病的易感性就大不一樣。明顯的例子有,同為吸煙人群,有人就易患肺癌,有人則不然。醫生會根據各人不同的基因序列給予因人而異的指導,使其養成科學合理的生活習慣,最大可能地預防疾病。  


人類基因工程

信息技術的發展改變了人類的生活方式,而基因工程的突破将幫助人類延年益壽。目前,一些國家人口的平均壽命已突破80歲,中國也突破了70歲。有科學家預言,随着癌症、心腦血管疾病等頑症的有效攻克,在2020至2030年間,可能出現人口平均壽命突破100歲的國家。到2050年,人類的平均壽命将達到90至95歲。


人類将挑戰生命科學的極限。1953年2月的一天,英國科學家弗朗西斯.克裡克宣布:我們已經發現了生命的秘密。他發現DNA是一種存在于細胞核中的雙螺旋分子,決定了生物的遺傳。有趣的是,這位科學家是在劍橋的一家酒吧宣布了這一重大科學發現的。破譯人類和動植物的基因密碼,為攻克疾病和提高農作物産量開拓了廣闊的前景。1987年,美國科學家提出了“人類基因組計劃”,目标是确定人類的全部遺傳信息,确定人的基因在23對染色體上的具體位置,查清每個基因核苷酸的順序,建立人類基因庫。1999年,人的第22對染色體的基因密碼被破譯,“人類基因組計劃”邁出了成功的一步。可以預見,在今後的四分世紀裡,科學家們就可能揭示人類大約5000種基因遺傳病的緻病基因,從而為癌症、糖尿病、心髒病、血友病等緻命疾病找到基因療法。


繼2000年6月26日科學家公布人類基因組"工作框架圖"之後,中、美、日、德、法、英等6國科學家和美國塞萊拉公司2001年2月12日聯合公布人類基因組圖譜及初步分析結果。這次公布的人類基因組圖譜是在原"工作框架圖"的基礎上,經過整理、分類和排列後得到的,它更加準确、清晰、完整。人類基因組蘊涵有人類生、老、病、死的絕大多數遺傳信息,破譯它将為疾病的診斷、新藥物的研制和新療法的探索帶來一場革命。人類基因組圖譜及初步分析結果的公布将對生命科學和生物技術的發展起到重要的推動作用。随着人類基因組研究工作的進一步深入,生命科學和生物技術将随着新的世紀進入新的紀元。 



 

基因工程在20世紀取得了很大的進展,這至少有兩個有力的證明。一是轉基因動植物,一是克隆技術。轉基因動植物由于植入了新的基因,使得動植物具有了原先沒有的全新的性狀,這引起了一場農業革命。如今,轉基因技術已經開始廣泛應用,如抗蟲西紅柿、生長迅速的鲫魚等。1997年世界十大科技突破之首是克隆羊的誕生。這隻叫“多利”母綿羊是第一隻通過無性繁殖産生的哺乳動物,它完全秉承了給予它細胞核的那隻母羊的遺傳基因。“克隆”一時間成為人們注目的焦點。盡管有着倫理和社會方面的憂慮,但生物技術的巨大進步使人類對未來的想象有了更廣闊的空間。  


基因工程大事記

1860至1870年 奧地利學者孟德爾根據豌豆雜交實驗提出遺傳因子概念,并總結出孟德爾遺傳定律。


1909年 丹麥植物學家和遺傳學家約翰遜首次提出“基因”這一名詞,用以表達孟德爾的遺傳因子概念。


1944年 3位美國科學家分離出細菌的DNA(脫氧核糖核酸),并發現DNA是攜帶生命遺傳物質的分子。


1953年 美國人沃森和英國人克裡克通過實驗提出了DNA分子的雙螺旋模型。


1969年 科學家成功分離出第一個基因。


1980年 科學家首次培育出世界第一個轉基因動物轉基因小鼠。


1983年 科學家首次培育出世界第一個轉基因植物轉基因煙草。


1988年 K.Mullis發明了PCR技術。


1990年10月 被譽為生命科學“阿波羅登月計劃”的國際人類基因組計劃啟動。


1998年 一批科學家在美國羅克威爾組建塞萊拉遺傳公司,與國際人類基因組計劃展開競争。


1998年12月 一種小線蟲完整基因組序列的測定工作宣告完成,這是科學家第一次繪出多細胞動物的基因組圖譜。


1999年9月 中國獲準加入人類基因組計劃,負責測定人類基因組全部序列的1%。中國是繼美、英、日、德、法之後第6個國際人類基因組計劃參與國,也是參與這一計劃的惟一發展中國家。


1999年12月1日 國際人類基因組計劃聯合研究小組宣布,完整破譯出人體第22對染色體的遺傳密碼,這是人類首次成功地完成人體染色體完整基因序列的測定。


2000年4月6日 美國塞萊拉公司宣布破譯出一名實驗者的完整遺傳密碼,但遭到不少科學家的質疑。


2000年4月底 中國科學家按照國際人類基因組計劃的部署,完成了1%人類基因組的工作框架圖。


2000年5月8日 德、日等國科學家宣布,已基本完成了人體第21對染色體的測序工作。


2000年6月26日 科學家公布人類基因組工作草圖,标志着人類在解讀自身“生命之書”的路上邁出了重要一步。


2000年12月14日 美英等國科學家宣布繪出拟南芥基因組的完整圖譜,這是人類首次全部破譯出一種植物的基因序列。



 

2001年2月12日 中、美、日、德、法、英6國科學家和美國塞萊拉公司聯合公布人類基因組圖譜及初步分析結果。


科學家首次公布人類基因組草圖“基因信息”。  


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