基因工程论文:基因工程原理及进展

基因工程原理及进展

【摘要】 基因工程技术是一项正在蓬勃发展的技术，它将给人类社会带来一场深刻的变革，我们有必要了解基因工程的概念、原理、技术程序，以及基因工程在农业、工业、医药等方面的应用和进展情况。

[关键词] 基因工程 原理 技术程序 应用进展

人类之所以不同于其他动物，是因为人类可以改造自然，使人类与大自然和谐相处。生物工程是运用现代生物科学的理论和方法，按照人类的需要改造和设计生物的结构和功能，以便更经济、更有效、更大规模地生产人类所需要的物质和产品的技术，它包括基因工程、细胞工程、蛋白质工程、酶和发酵工程。其中基因工程是在遗传物质的分子水平上改造和设计生物的结构和功能的技术，是一项正在蓬勃发展的技术，它将给人类社会带来一场深刻的变革。

首先，让我们来了解一下基因工程的基本原理及技术程序。基因工程的基本原理是在体外将不同来源的DNA进行剪切和重组，形成镶嵌DNA分子，然后将之导入宿主细胞，使其扩增表达，从而使宿主细胞获得新的遗传特性，形成新的基因产物。它有3个基本的步骤：①从合适材料分离或制备目的基因或DNA片段。②目的基因或DNA片段与载体连接作成重组DNA分子。③重组DNA分子引入宿主细胞，在其中扩增和表达。不同种类生物的生物学特性不同，其基因工程在操作上和具体技术上必然有所差异，但技术核心都是DNA的重组，即利用一系列的DNA限制性内切酶、连接酶等分子手术工具，在某种生物DNA链上切下某个目标基因或特殊的DNA片段，然后根据设计要求，将其接合到受体生物DNA链上。一个完整的用于生产生产目的的基因工程技术程序包括的基本内容有：①外源目标基因的分离、克隆以及目标基因的结构与功能研究。②适合转移、表达载体的构建或目标基因的表达调控结构重组。③外源基因的导入。④外源基因在宿主基因组上的整合、表达及检测与转基因生物的筛选。⑤外源基因表达产物的生理功能的检定。⑥转基因新品系的选育和建立以及转基因新品系的效益分析。⑦生态与进化安全保障机制的建立。⑧消费安全评价。

一、外源目标基因的分离、克隆及功能结构分析

获得合乎人类某种需要的目标基因是开展一项基因工程的前提和全部工作的核心，基因工程的第一步就是获得目标基因。目前人们已经能够通过多种途径和方法来获取目标基因，比如从构建的基因文库中调取和筛选目标基因，通过化学方法合成已知核苷酸序列的目标基因，以及通过逆转录酶用mRNA为模板合成目标基因等。

二、构建能在受体生物细胞中表达的重组目标基因

要使一个外源目标基因能整合到受体细胞的基因组中并能在整合后在受体基因组的调控下有效地转录和翻译，就必须事先对目标基因的功能结构用DNA重组技术进行适当的修饰，也就是将目标基因与一种特别的DNA分子重组，这种特别的DNA分子称为基因载体，目前所用的载体主要有以下几类：质粒、λ噬菌体、柯斯质粒、病毒载体、YAC载体等，各类载体具有独特的生物学特性，可用于不同的目标基因。

三、外源重组目标基因的导入

将重组的外源目标基因转入到宿主细胞中的过程称为基因导入或基因转移。接受外源基因的细胞称为受体细胞。由于受体生物学特征的不同以及基因工程目的不同，外源基因导入的方法也不同，有的是用载体导入，有的是直接用物理的方法导入。目前使用的有转化、转染、电穿孔导入法、基因枪射入法、显微注射法、脂质体介导法等，向细菌等微生物中导入外源目标基因常用质粒转化和噬菌体转染方法；向植物细胞中导入外源基因常用基因枪注入法和Ti质粒导入法；能由原生质体再生出植株的植物细胞还可以用电穿孔导入法及脂质体融合法；动物的受精卵一般通过人工显微镜注射法导入外源基因；动物的体细胞可用电穿孔法和病毒转染法导入外源基因，但对用于生产目的的基因工程常常避免用病毒转染法。

四、转基因细胞或个体的鉴别和筛选

在对宿主的细胞进行了外源目标基因导入处理以后，有些细胞可能并没有外源基因的进入，另有一些细胞可能在外源基因进入后因各种原因而不能使外源基因表达，因此必须对被进行了基因转移处理的细胞或个体进行鉴别，以筛选出导入外源目标基因的转基因细胞或个体。鉴别和筛选转基因生物一般在两个层面上进行：一是检测目标基因是否表达，二是检测目标基因是否整合到了宿主的染色体上和能否稳定传代。表达检测的方法主要有转录产物的印迹杂交法、免疫印迹检测法、免疫组织化学检测法等。整合检测可通过DNA分子杂交来确定。

五、转基因品系的效益分析。

一个生产性能优越的转基因品系，首要的条件是目标基因的表达产物必须有正常的生理功能，另一个必要标志是其目标基因必须有适度的高效表达特性和可持续生产能力。

六、生态与进化安全保障

由于转基因生物与其他生物一样具有可遗传、易扩散及自主的特性，而且人类对生命、生态系统、生物的演化实际上还知之甚少，对不同物种间基因的人工组合，外源基因对受体生物进化的可能影响，转基因生物对生态系统的长期影响等都无法进行评估，因此如果人们不事先采取控制措施，转基因生物一旦进入到自然环境中就可能打破生态平衡，破坏生态环境和自然种质资源。对转基因生物的控制措施有物理的方法和生物的方法：物理的方法就是通过各种严格的管理措施和物理屏障尽量使转基因生物不能从实验室逃逸进入到自然环境里去；生物的方法一般就是造成转基因生物与非转基因生物之间的生殖隔离，如利用三倍体不育的特性将用于生产的转基因动物或植物变成三倍体等。

七、消费安全评价

（一）消费安全评价一般要考虑以下一些主要的方面：①导入外源目标基因本身编码的产物是否安全。②外源目标基因是否稳定。③使用的载体是否安全。④使用的报道基因（就是能产生很容易观察的性状的基因）是否会产生有害物质。⑤外源基因导入后是否会诱导受体生物产生新的有害遗传性状或不利于健康的成分。为了保护人类的健康，许多国家都已通过立法或其他形式对转基因产品进行消费安全评价和严格的管理，对进口转基因食品严格限制。

（二）让我们来了解一下基因工程在农业、工业及环境保护、医药、食品等方面的应用。随着生命科学和基因工程技术的进一步发展和完善，越来越多以基因工程改良的植物、动物和微生物品种已经或将要应用于社会生产。农业生产的方式必将发生重大的改变，农产品的产量和质量将大幅度提高；许多高耗能、高污染的化工产业将可能被低耗能、低污染的基因工程产业所取代；经过人工改良的动物、植物和微生物将不但能高效而清洁地生产出医药化工所能生产的药品和试剂，还能生产出医药化工所不能生产的效力强大、作用专一的特殊药品；人体器官培养将成为产业，器官移植将成为临床常规等。

1．基因工程在农业方面的应用。粮食短缺曾是长期威胁我国人民和世界人民生活的一个最大问题，也仍然是一个没有从根本上解决的问题。我国的杂交水稻技术使水稻的产量有了大幅度的提高，为解决我国和世界粮食问题做出了巨大的贡献。最近我国杂交水稻研究中心的科学家与美国科学家的联合研究发现了一个高光合效率的基因，专家们的分析认为，如果将此高光合效率基因转移到杂交水稻中，则杂交水稻的产量有可能在原有的基础上再提高20%。虫害是降低农作物产量的主要原因之一，全世界每年都因虫害要损失数千亿美元。化学杀虫剂的长期和大量使用已经产生出许多严重的问题，而用基因工程方法培育出的能抗虫害，不需要施用农药，对人、畜食用安全的作物，则不仅能提高种植的经济效益，而且能有效地保护我们的生存环境。我国科研工作者研制的转Bt毒蛋白基因棉花、转Bt毒蛋白基因烟草、水稻、杨树等植物，都有很强的杀虫效果。基因工程在农业方面的应用前景是相当广阔的，除了前面说的增产、抗虫害，还可能培育出能固氮的转基因作物，能抗旱、抗寒的转基因植物等。

2．基因工程在工业及环境保护方面的应用。应用基因工程技术，使植物成为能替代微生物发酵设备的生物反应器，更经济地生产出人类所需要的各种原料已经成为非常具有吸引力的领域。现在已经培育了多种可作为生物反应器的转基因植物，能产生出可分解的塑料原料、石油、工业用脂肪、糖类和酶类等。经典工业所产生废水、废气和废料，以及人民生活所产生的垃圾等各种污染物，已经构成对人类生活和生产活动的严重威胁。环境保护是人类目前面临的与人类前途生死攸关的重大问题。基因重组技术为解决这些问题提供了可能性，通过基因重组，人们可以根据需要将某种微生物的基因转移到另一种微生物中，创造一些对有害物质分解能力更强、更能适应环境要求的新菌种。利用微生物分解各种废弃物的同时能产生出重要的工业原料是转基因微生物应用的一个重点，植物的纤维素和木质素是木材工业中常见的废弃物，人们可利用转基因微生物来分解纤维素，生产工业用的原料，如乙醇等石油化工产品。许多低耗能、少污染的基因工程逐渐取代高耗能、高污染的化工产业已成为一种趋势。

3．基因工程在医药方面的应用。在医药方面，基因工程主要用来生产各种重要的人蛋白药物，迄今为止，人们已经分离和克隆了300多种不同的人用蛋白药物的基因，其中有数十种基因已经在不同的宿主中进行了表达和对其表达产物进行了功能分析和检测，有20多种经批准已经投放市场，如通过转基因微生物生产的干扰素、胰岛素、人和动物用生长激素等。胰岛素是最早通过转基因微生物生产的蛋白药物。人们将编码胰岛素A链和B链的基因编码序列分别克隆到细菌质粒载体上，并都与半乳糖苷酶基因串联在一起。由细菌中分开合成的蛋白质是都连接有半乳糖苷酶的胰岛素A链和B链。纯化和收集合成产物后用溴化氰处理除去半乳糖苷酶，然后再用磺酸处理，就可以使A链和B链通过二硫键连接到一起而组成完整的胰岛素。人们还在尝试用转基因哺乳动物如牛、羊的乳腺作为生物反应器，高效生产人类所需要的蛋白药物。有人还将人的珠蛋白基因的调控区与人的两个1珠蛋白基因和一个珠蛋白基因重组在一起，转移到猪的受精卵中，得到的转基因猪在血液中出现了人的血红蛋白，也许在不久的将来，人们便可以用转基因猪生产的人血红蛋白来辅助输血。猪的各种器官的大小与人类的器官比较一致，有人设想用基因工程的方法改造猪的某些器官的抗

原特性，以生产出用于人类医疗移植的器官，解决器官来源的问题。我们期待着基因工程能给人类带来更健康的生命、更富足的物质、更舒适的环境。

（三）我们了解一下基因工程的进展状况。基因工程技术是一项正在蓬勃发展的技术，而且也已经取得了许多重要的应用成果，但我们也应该看到，基因工程技术不是一项已经成熟的技术，仍然还很粗糙和原始，在许多方面尚需完善和改进。

1．基因工程在技术上存在一定的不确定性和盲目性。目前的基因工程在技术上有很多的不确定性。这种不确定性表现在两个方面，一是技术方面的不稳定性，二是由于对不同生物的生理特性的了解不很深入，如我们将鱼类抗冻蛋白基因转移到不抗寒的罗非鱼等热带鱼中，虽然抗冻蛋白基因得到表达，但并没有使受体鱼产生预期的抗寒效果。目前我们所进行的基因工程基本上只能对简单的、单基因控制的性状进行设计和改造，操作对象只限于一些比较简单的单因子基因。但生物绝大部分的重要性状是由多个基因共同控制的，对这些多基因控制的性状，现有的基因工程技术几乎仍然是束手无策。我们对活的生物体中基因表达调控的机制知之甚少，有关的知识仅限于对启动子和增强子有所了解，对生物体整体的调节复杂性的认识还刚刚开始。

2．在安全性方面存在着不确定性。对社会大众来说，最主要和最关心的是基因工程的安全性问题，基因工程的安全性问题包括两个方面：一是基因工程产品的消费安全问题，二是转基因生物的生态安全问题。目前用转基因技术生产出来的食品因其成分的某些改变是否会对人类的健康产生不良的影响，这需要实验和时间来验证。有着某种生存优势的转基因生物如果进入到自然生态系统，就有可能排挤自然种群，降低生态系统里物种的多样性，打破生态平衡。

所以我们在大力发展转基因技术的同时，必须高度重视对转基因动物、植物及微生物品种的生物控制和控制技术的研究。在转基因品种的安全性没有进行全面的评估和没有可靠的生物控制措施之前，应严格禁止其进行生产和进入开放的自然生态系统，只有其生态安全性达到了传统育种方法培育的新品种时，或无生殖能力的转基因动物和植物才能允许进入自然界进行生产，也只有这样才是有益于人类和社会进步的。

参考文献：

[1]罗琛主编，生物工程与生命，北京，高等教育出版社，2000。

[2]颜青山主编，洞悉生命的真谛，西安，陕西科学技术出版社，2003，11。

[3]刘祖洞编著，遗传学，北京，高等教育出版社，1991。

[4]王镜岩等主编，生物化学，北京，高等教育出版社，

09生物职师班;张超超 2009101343