文档介绍：生物工程在生物领域中的发展
摘要:本文介绍有关生物工程的四大工程,即基因工程、细胞工程、蛋白质工程和发酵工程,
的概念和发展。
关键词:基因工程细胞工程发酵工程蛋白质工程
1 基因工程
基因工程的概念
遗传工程,又称基因工程,是利用DNA 重组技术,将目的基因与载体DNA 在体外进行
[1]
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。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和转化来直接改变基因的构造与特性。现时,遗传工
程已在多项应用里取得成果。当中有不少例子都应用于改良农作物,又或为医学研究提供实
验品。
基因工程的基本操作步骤
取得符合人们要求的DNA 片段
如植物的抗病(抗病毒抗细菌)基因,种子的贮藏蛋白的基因,以及人的胰岛素基因干扰
素基因等,都是目的基因。
要从浩瀚的“基因海洋”中获得特定的目的基因,是十分不易的。科学家们经过不懈地探索,
想出了许多办法,其中主要有两条途径:一条是从供体细胞的DNA 中直接分离基因;另一
条是人工合成基因。
直接分离基因最常用的方法是“鸟枪法”,又叫“散弹射击法”。鸟枪法的具体做法是:用限制
酶将供体细胞中的DNA 切成许多片段,将这些片段分别载入运载体,然后通过运载体分别
转入不同的受体细胞,让供体细胞提供的DNA (即外源DNA)的所有片段分别在各个受体
细胞中大量复制(在遗传学中叫做扩增),从中找出含有目的基因的细胞,再用一定的方法
把带有目的基因的DNA 片段分离出来。如许多抗虫抗病毒的基因都可以用上述方法获得。
用鸟枪法获得目的基因的优点是操作简便,缺点是工作量大,具有一定的盲目性。又由于真
核细胞的基因含有不表达的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两条。一条途径是以目的基因转录成的信使RNA 为模版,
反转录成互补的单链DNA,然后在酶的作用下合成双链DNA,从而获得所需要的基因。另
一条途径是根据已知的蛋白质的氨基酸序列,推测出相应的信使RNA 序列,然后按照碱基
互补配对的原则,推测出它的基因的核苷酸序列,再通过化学方法,以单核苷酸为原料合成
目的基因。如人的血红蛋白基因胰岛素基因等就可以通过人工合成基因的方法获得。
目的基因与运载体结合
基因表达载体的构建是实施基因工程的第二步,也是基因工程的核心。将目的基因与运载体
结合的过程,实际上是不同来源的DNA 重新组合的过程。如果以质粒作为运载体,首先要
用一定的限制酶切割质粒,使质粒出现一个缺口,露出黏性末端。然后用同一种限制酶切断
目的基因,使其产生相同的黏性末端。将切下的目的基因的片段插入质粒的切口处,再加入
适量DNA 连接酶,质粒的黏性末端与目的基因DNA 片段的黏性末端就会因碱基互补配对而
结合,形成一个重组DNA 分子。如人的胰岛素基因就是通过这种方法与大肠杆菌中的质粒
DNA 分子结合,形成重组DNA 分子(也叫重组质粒)的。
将目的基因导入受体细胞
目的基因的片段与运载体在生物体外连接形成重组DNA 分子后,下一步是将重组DNA 分子
引入受体细胞中进行扩增。
基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌,枯草杆菌,土壤农杆菌,酵母菌和动植物细胞等。
用人工方法使体外重组的DNA 分子转移到受体细胞,主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。例如,如果运载体是质粒,受体细胞是细菌,一般是将细菌用氯化钙处理,以增大细菌
细胞壁的通透性,使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞。目的基因导入受体细胞后,就
可以随着受体细胞的繁殖而复制,由于细菌的繁殖速度非常快,在很短的时间内就能够获得
大量的目的基因。
目的基因的检测与鉴定
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。这是基因工程的第四步工作。以上步骤完成后,在全部的受体细胞中,真正能够摄入
重组DNA 分子的受体细胞是很少的。因此,必须通过一定的手段对受体细胞中是否导入了
目的基因进行检测。检测的方法有很多种,例如,大肠杆菌的某种质粒具有青霉素抗性基因,
当这种质粒与外源DNA 组合在一起形成重组质粒,并被转入受体细胞后,就可以根据受体
细胞是否具有青霉素抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因。重组DNA 分子进入受体细
胞后,受体细胞必须表现出特定的性状,才能说明目的基因完成了表达过程。
基因工程大事记
1860 至1870 年奥地利学者孟德尔根据豌豆杂交实验提出遗传因子概念,并总结