基因工程

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遺傳工程的元素

基因工程英語Genetic engineering,又稱為遺傳工程)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[編輯]

「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[編輯]

肯亞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. 構建基因的表達載體;
  3. 將目的基因導入受體細胞;
  4. 目的基因的檢測與鑒定。

取得符合人們要求的DNA片段[編輯]

要把目的基因從供體 DNA長鏈準確地剪切下來,可不是一件容易的事。1968年,沃納·阿爾伯丹尼爾·內森斯漢彌爾頓·史密斯第一次從大腸桿菌中提取出了限制性內切酶,它能夠在DNA上尋找特定的「切點」,認準後將DNA分子的雙鏈交錯地切斷。人們把這種限制性內切酶稱為「分子剪刀」。這種「分子剪刀」可以完整地切下個別基因。自1970年代以來,人們已經分離提取了 400多種「分子剪刀」。有了形形色色的「分子剪刀」,人們就可以隨心所欲地進行DNA分子長鏈的切割了。

構建基因表達載體[編輯]

DNA的分子鏈被切開後,還得縫接起來以完成基因的拼接。1967年,科學家們在5個實驗室里幾乎同時發現並提取出一種,這種酶可以將兩個DNA片段連接起來,修復好DNA鏈的斷裂口。1974年以後,科學界正式肯定了這一發現,並把這種酶叫作DNA連接酶。從此,DNA連接酶就成了名符其實的「縫合」基因的「分子針線」。只要在用同一種「分子剪刀」剪切的兩種 DNA碎片中加上「分子針線」,就會把兩種DNA片段重新連接起來。

將目的基因導入受體細胞[編輯]

把「拼接」好的 DNA分子運送到受體細胞中去,必須尋找一種分子小、能自由進出細胞,而且在裝載了外來的 DNA片段後仍能照樣複製的運載體。理想的運載體是質體,因為質體能自由進出細菌細胞,應當用「分子剪刀」把它切開,再給它安裝上一段外來的 DNA片段後,它依然如故地能自我複製。此方法適用於植物細胞的基因工程。此外,將目的基因導入動物細胞可選用顯微注射法,導入微生物細胞可以使用鈣離子(如氯化鈣)處理細胞使其可以吸收外界的DNA分子。

目的基因的檢測與鑒定[編輯]

排序基因的專用電腦

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,只有通過檢測與鑒定才能知道。這是檢測基因工程是否成功的一步。

  • 首先,要檢測轉基因生物染色體的DNA上是否插入了目的基因。方法是採用DNA分子雜交技術,即將轉基因生物的基因組DNA提取出來,在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素等做標記,以此作為探針,使探針與基因組DNA雜交,如果顯示出雜交帶,就表明目的基因已插入染色體DNA中。該方法因發現者而命名為「Southern」印記。
  • 其次,還需要檢測目的基因是否轉錄出了mRNA,檢測方法同樣是分子雜交技術,與上述方法不同的是需從轉基因生物中提取mRNA,做上標記以進行檢測。由於Southern印記名稱的緣故,所以該方法被稱為「Northern」印記。
  • 最後,檢測目的基因是否翻譯成蛋白質。方法是從轉基因生物中提取蛋白質,用相應的抗體進行抗原-抗體雜交,若有雜交帶出現,表明目的基因已經形成蛋白質產品。該方法又成為「Western」印記。

應用及成果[編輯]

生產新型疫苗[編輯]

用酵母菌生產人的B型肝炎病毒疫苗

生產人胰島素[編輯]

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。

研製干擾素等[編輯]

動物基因工程與品種改良[編輯]

基因診斷和基因治療[編輯]

風險和倫理學問題[編輯]

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[編輯]

參考文獻[編輯]

  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 

參見[編輯]