基因工程

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遗传工程的元素

基因工程(英语:Genetic engineering,又称为遗传工程)是利用DNA重组技术,将目的基因与载体DNA在体外进行重组,然后把这种重组DNA分子引入受体细胞,并使之增殖和表达的技术[1]。遗传工程与传统培育方式不同之处,在于物种在传统培育方式中透过间接的形式变更,而遗传工程是直接变更其基因。遗传工程透过分子选殖转化来直接改变基因的构造与特性。

语源

“遗传工程”译自英语的“genetic engineering”,而这个概念最初是由杰克·威廉森在他于1951年出版的科幻小说龙岛》(Dragon's Island[2]提出的。两年后的1953年,詹姆斯·杜威·沃森佛朗西斯·克里克展示了DNA很可能是传递遗传信息的中介。

步骤

肯雅人在检查经过具有抗虫害基因转移的玉米

如果将一种生物DNA中的某个遗传密码片段连接到另外一种生物的DNA链上去,将DNA重新组织一下,就可以按照人类的愿望,设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型,这基因工程一般包括四个步骤:

  1. 取得符合人们要求的DNA片段,这种DNA片段被称为“目的基因”;
  2. 构建基因的表达载体;
  3. 将目的基因导入受体细胞;
  4. 目的基因的检测与鉴定。

取得符合人们要求的DNA片段

要把目的基因从供体 DNA长链准确地剪切下来,可不是一件容易的事。1968年,沃纳·阿尔伯丹尼尔·内森斯汉弥尔顿·史密斯第一次从大肠杆菌中提取出了限制性内切酶,它能够在DNA上寻找特定的“切点”,认准后将DNA分子的双链交错地切断。人们把这种限制性内切酶称为“分子剪刀”。这种“分子剪刀”可以完整地切下个别基因。自1970年代以来,人们已经分离提取了 400多种“分子剪刀”。有了形形色色的“分子剪刀”,人们就可以随心所欲地进行DNA分子长链的切割了。

构建基因表达载体

DNA的分子链被切开后,还得缝接起来以完成基因的拼接。1967年,科学家们在5个实验室里几乎同时发现并提取出一种,这种酶可以将两个DNA片段连接起来,修复好DNA链的断裂口。1974年以后,科学界正式肯定了这一发现,并把这种酶叫作DNA连接酶。从此,DNA连接酶就成了名符其实的“缝合”基因的“分子针线”。只要在用同一种“分子剪刀”剪切的两种 DNA碎片中加上“分子针线”,就会把两种DNA片段重新连接起来。

将目的基因导入受体细胞

把“拼接”好的 DNA分子运送到受体细胞中去,必须寻找一种分子小、能自由进出细胞,而且在装载了外来的 DNA片段后仍能照样复制的运载体。理想的运载体是质粒,因为质粒能自由进出细菌细胞,应当用“分子剪刀”把它切开,再给它安装上一段外来的 DNA片段后,它依然如故地能自我复制。此方法适用于植物细胞的基因工程。此外,将目的基因导入动物细胞可选用显微注射法,导入微生物细胞可以使用钙离子(如氯化钙)处理细胞使其可以吸收外界的DNA分子。

目的基因的检测与鉴定

排序基因的专用电脑

目的基因导入受体细胞后,是否可以稳定维持和表达其遗传特性,只有通过检测与鉴定才能知道。这是检测基因工程是否成功的一步。

  • 首先,要检测转基因生物染色体的DNA上是否插入了目的基因。方法是采用DNA分子杂交技术,即将转基因生物的基因组DNA提取出来,在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素等做标记,以此作为探针,使探针与基因组DNA杂交,如果显示出杂交带,就表明目的基因与插入染色体DNA中。该方法因发现者而命名为“Southern”印记。
  • 其次,还需要检测目的基因是否转录出了mRNA,检测方法同样是分子杂交技术,与上述方法不同的是需从转基因生物中提取mRNA,做上标记以进行检测。由于Southern印记名称的缘故,所以该方法被称为“Northern”印记。
  • 最后,检测目的基因是否翻译成蛋白质。方法是从转基因生物中提取蛋白质,用相应的抗体进行抗原-抗体杂交,若有杂交带出现,表明目的基因已经形成蛋白质产品。该方法又成为“Western”印记。

应用及成果

生产新型疫苗

用酵母菌生存的人乙型肝炎病毒疫苗

生产人胰岛素

研制干扰素等

动物基因工程与品种改良

基因诊断和基因治疗

风险和伦理学问题

为了减少病虫害,与增加产量,在动植物内基因中,嵌入抗虫、抗杂草的苏力菌生长激素等外来基因。然而基因改造工程却刻意忽视这些经由人类之手所产生的毒物,经由食物链的累积,所产生的影响。于是经过基因改造的马齿玉米的外皮坚硬到难以入口,只能加工成玉米淀粉,或是食用酒精,再成为人类食物的原料。

参考文献

  1. ^ Genetic engineering - Definitions from Dictionary.com. dictionary.reference.com. [2008-04-26]. 
  2. ^ Sterling, Bruce, Science fiction neologisms that passed into public use, WIRED, 2009-04-05 

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