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基因工程

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遺傳工程的元素

基因工程英语Genetic engineering,又称为遺傳工程)是利用DNA重組技術,將目的基因與載體DNA在體外進行重組,然後把這種重組DNA分子引入受體細胞,並使之增殖和表達的技術[1]。遺傳工程與傳統培育方式不同之處,在於物種在傳統培育方式中透過間接的形式變更,而遺傳工程是直接變更其基因。遺傳工程透過分子選殖轉化來直接改變基因的構造與特性。

語源[编辑]

「遺傳工程」譯自英語的「genetic engineering」,而這個概念最初是由傑克·威廉森在他於1951年出版的科幻小說龍島》(Dragon's Island[2]提出的。兩年後的1953年,詹姆斯·杜威·沃森佛朗西斯·克里克展示了DNA很可能是傳遞遺傳信息的中介。

步驟[编辑]

肯雅人在檢查經過具有抗蟲害基因轉移的玉米

如果將一種生物DNA中的某個遺傳密碼片段連接到另外一種生物的DNA鏈上去,將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並創造出新的生物類型,這基因工程一般包括四個步驟:

  1. 取得符合人們要求的DNA片段,這種DNA片段被稱為“目的基因”;
  2. 构建基因的表达载体;
  3. 將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[编辑]

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·内森斯漢彌爾頓·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[编辑]

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[编辑]

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[编辑]

排序基因的專用電腦

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,就表明目的基因已插入染色体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[编辑]

生产新型疫苗[编辑]

用酵母菌生产人的乙型肝炎病毒疫苗

生产人胰岛素[编辑]

先取出大腸桿菌的質體和人類胰島素基因共同可用的DNA限制酶,將大腸桿菌質體和人類胰島素基因利用限制酶切開,接著利用DNA連接酶把人類胰島素基因和大腸桿菌質體基因連接起來,送回去給大腸桿菌,這時如果成功大腸桿菌就可以轉殖出人類的胰島素了。

研制干扰素等[编辑]

动物基因工程与品种改良[编辑]

基因诊断和基因治疗[编辑]

风险和伦理学问题[编辑]

為了減少病蟲害,與增加產量,在動植物內基因中,嵌入抗蟲、抗雜草的蘇力菌生長激素等外來基因。然而基因改造工程卻刻意忽視這些經由人類之手所產生的毒物,經由食物鏈的累積,所產生的影響。於是經過基因改造的馬齒玉米的外皮堅硬到難以入口,只能加工成玉米澱粉,或是食用酒精,再成為人類食物的原料。

在虛構作品[编辑]

参考文献[编辑]

  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 

参见[编辑]