第一篇：基因工程綜述

植物基因工程技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展

摘 要:近幾年來植物基因工程的研究進(jìn)展十分迅速。在植物抗病、抗蟲、抗除草劑和改變植物的某些成份方面都巳得到不少轉(zhuǎn)基因植株,有的巳經(jīng)建成了品系。為提高作物的產(chǎn)量、抗逆能力、改進(jìn)它們的品質(zhì),進(jìn)行快速、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)的良種選育提供了一條全新的誘人的途徑，將給人類社會帶來一場深刻的變革，我們有必要了解植物基因工程的概念、原理、技術(shù)程序，以及在農(nóng)業(yè)、工業(yè)等方面的應(yīng)用和進(jìn)展情況。

關(guān)鍵詞:植物基因工程 原理 技術(shù)程序 應(yīng)用進(jìn)展

正文

（一）植物基因工程是近幾年發(fā)展起來的分子生物技術(shù)。基因工程是按照人們的意愿,把一種生物的有用基因提取或合成出來,在生物體外對DNA分子進(jìn)行剪切、拼接、修飾和重新組合,然后轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行組織培養(yǎng)和無性繁殖,在受體細(xì)胞內(nèi)復(fù)制并得到表達(dá),產(chǎn)生受體細(xì)胞新的遺傳性狀,產(chǎn)出人類所需的基因產(chǎn)物。利用植物基因工程技術(shù),改良作物蛋白質(zhì)成分,提高作物中必需的氨基酸含量,培育抗病毒、抗蟲害、抗除草劑、抗鹽、抗旱等抗逆境植株,有的已建立了品系,為快速培育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的良種開辟一條全新途徑,并展示了植物基因工程在未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的誘人前景。

1、目的基因的獲取

開展植物基因工程的工作,首先必須取得目的基因。獲取目的基因的途徑有直接分離和人工合成法。

1.1目的基因的分離

直接分離是用在核苷酸序列中具有特定切點(diǎn)的DNA限制性內(nèi)切酶將供體細(xì)胞中含目的基因的DNA片段切取分離出來。

1.2人工合成基因

目前人工合成基因的方法主要有:一是以目的基因轉(zhuǎn)錄成的mRNA為模板,反轉(zhuǎn)錄成互補(bǔ)的單鏈DNA,然后在酶的催化下合成雙鏈DNA,而獲得所需要的基因。另一條途徑是根據(jù)已知的蛋白質(zhì)的氨基酸序列,推測出相應(yīng)mRNA序列,然后按照堿基互補(bǔ)配對的原則,推測出它的結(jié)構(gòu)基因的核苷酸序列,再通過化學(xué)方法以四種脫氧核苷酸(dNTA)為原料合成目的基因。三是通過DNA序列自動測序儀對提出的目的基因進(jìn)行核苷酸序列分析,采用聚合酶鏈?zhǔn)椒?PCR)技術(shù),快速、簡便地擴(kuò)增目的基因的DNA片段。其基本方法是:先提取植物的染色體DNA或RNA,對于RNA,需經(jīng)過逆轉(zhuǎn)錄酶合成第一鏈cDNA,然后以染色體DNA或第一鏈cDNA為模板,以人工合成的一對寡聚核苷酸為引物,在dNTP存在下,通過DNA模板的變性、模板與引物的退火及引物的延伸3個階段的多次循環(huán),來擴(kuò)增目的基因。

2、目的基因的修飾

目的基因分離出來后往往需要經(jīng)過一些修飾,讓它們能夠和更好的在轉(zhuǎn)基因植物中進(jìn)行表達(dá)。生物體細(xì)胞中存在著對基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制,使基因能夠有序地表達(dá)。在基因DNA分子上有結(jié)構(gòu)基因,在結(jié)構(gòu)基因的上游有協(xié)調(diào)配合,共同對結(jié)

構(gòu)基因的表達(dá)起調(diào)控作用的操縱基因、啟動子和調(diào)節(jié)基因。

3、目的基因轉(zhuǎn)移到植物受體細(xì)胞的方法

3.1植物基因工程運(yùn)載體及與目的基因的結(jié)合

植物基因工程實(shí)驗(yàn)常用土壤農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒作載體,需刪除原Ti質(zhì)粒上的致病基因并用抗生素抗性基因代之。已發(fā)展出了共整合型載體和雙元載體兩套載體系統(tǒng)。也可用DNA病毒等材料構(gòu)建載體。Ti質(zhì)粒是根癌農(nóng)桿菌細(xì)胞核區(qū)外存在的一種雙鏈DNA分子,其長度約200-250kb。Ti質(zhì)粒有4個同源區(qū),其中T-DNA區(qū)和Vir區(qū)與基因的轉(zhuǎn)移和表達(dá)有關(guān)。T-DNA能轉(zhuǎn)移到植物受體細(xì)胞并整合到染色體基因組,稱轉(zhuǎn)移DNA.將目的基因與運(yùn)載體結(jié)合,實(shí)際上是不同來源的DNA重組過程。首先用一特定的限制性內(nèi)切酶切斷運(yùn)載體產(chǎn)生粘性末端,然后用同一種限制性內(nèi)切酶切斷目的基因,使其產(chǎn)生相同的粘性末端,由同一種限制性內(nèi)切酶切斷得到的兩個DNA片段的粘性末端可通過堿基互補(bǔ)配對而結(jié)合,并在DNA連接酶的催化作用下,DNA鏈的5c磷酸基與一相鄰的DNA鏈的3c羥基形成磷酸二酯鍵連接起來,形成重組DNA分子。

3.2 DNA直接轉(zhuǎn)移法

直接轉(zhuǎn)移法是利用物理化學(xué)方法將外源基因直接轉(zhuǎn)入受體植物細(xì)胞的技術(shù)。聚乙二醇、多聚賴氨酸、多聚鳥氨酸等尤其是聚乙二醇是常采用的協(xié)助基因轉(zhuǎn)移的聚合物,這些聚合物和二價陽離子如Ca、Mg、Mn及DNA可在原生質(zhì)體表面形成沉淀顆粒,通過原生質(zhì)體的內(nèi)吞作用而被吸收。電擊法是將植物細(xì)胞酶解去壁獲得原生質(zhì)體,并與外源基因混合置于電激儀的樣品室中,在適當(dāng)外電壓作用下,進(jìn)行短時間(Ls-ms)直流電脈沖,細(xì)胞膜被擊穿而使外源基因?qū)朐|(zhì)體內(nèi)。基因槍法是將外源基因吸附在鎢、金等金屬微粒(1Lm)表面,然后以400mPs的速度直接射入受體植物細(xì)胞,微彈攜帶外源基因穿透細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)入受體植物細(xì)胞而實(shí)現(xiàn)基因轉(zhuǎn)移。此外,還有激光微束穿孔法、顯微注射法、脂質(zhì)體介導(dǎo)法和花粉管通道法等。

4、植物轉(zhuǎn)化細(xì)胞的篩選和轉(zhuǎn)基因植物細(xì)胞的組織培養(yǎng)

目前,轉(zhuǎn)化細(xì)胞與未轉(zhuǎn)化細(xì)胞的區(qū)分及未轉(zhuǎn)化細(xì)胞的淘汰常采用抗生素抗性基因和抗除草劑基因,即篩選標(biāo)記基因和篩選試劑。就是將有抗性的篩選標(biāo)記基因同時轉(zhuǎn)移進(jìn)植物細(xì)胞中去,然后在篩選試劑的作用下,未轉(zhuǎn)化的細(xì)胞受到抑制,轉(zhuǎn)化的細(xì)胞被賦予抗性而能繼續(xù)存活、分裂和分化成株。

植物細(xì)胞的全能性指植物細(xì)胞具有全套遺傳信息,在特定的適當(dāng)環(huán)境下仍能夠進(jìn)行表達(dá),培養(yǎng)成為一個完整的植物體。DNA直接轉(zhuǎn)移法是將DNA通過一定手段直接導(dǎo)入到植物的原生質(zhì)里或細(xì)胞中去,然后將它們放在適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基表面進(jìn)行培養(yǎng),使其形成愈傷組織,最后誘導(dǎo)出苗并培養(yǎng)成植株。

5、目的基因的表達(dá)和鑒定

大多數(shù)轉(zhuǎn)基因植物的外源基因的表達(dá)都相當(dāng)?shù)?現(xiàn)在認(rèn)為這是由于外源基因插入的位點(diǎn)效應(yīng)引起的;另外,外源基因的表達(dá)會受到植物體自身的同源基因或先前轉(zhuǎn)入的外源基因中的同源序列的影響而常表現(xiàn)為外源基因失活。

目的基因在其轉(zhuǎn)化后獲得的轉(zhuǎn)基因植物中能否有效表達(dá),轉(zhuǎn)基因植物能否表現(xiàn)出特定的遺傳性狀,并穩(wěn)定地遺傳給后代,可借助植株的表型、PCR方法鑒定和篩選轉(zhuǎn)化植株,或取植物細(xì)胞或愈傷組織的提取物檢測外源基因表達(dá)的生成物來鑒定。

（二）讓我們來了解一下基因工程在農(nóng)業(yè)、工業(yè)及環(huán)境保護(hù)、醫(yī)藥、食品等方面的應(yīng)用。隨著生命科學(xué)和基因工程技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，越來越多以基因工程改良的植物、動物和微生物品種已經(jīng)或?qū)⒁獞?yīng)用于社會生產(chǎn)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方式必將發(fā)生重大的改變，農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量將大幅度提高；許多高耗能、高污染的化工產(chǎn)業(yè)將可能被低耗能、低污染的基因工程產(chǎn)業(yè)所取代等等。

1、基因工程在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用。

基因工程技術(shù)對農(nóng)業(yè)發(fā)展具有舉足輕重的作用。我國的雜交水稻技術(shù)使水稻的產(chǎn)量有了大幅度的提高，為解決我國和世界糧食問題做出了巨大的貢獻(xiàn)。我國雜交水稻研究中心的科學(xué)家與美國科學(xué)家的聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)了一個高光合效率的基因，專家們的分析認(rèn)為，如果將此高光合效率基因轉(zhuǎn)移到雜交水稻中，則雜交水稻的產(chǎn)量有可能在原有的基礎(chǔ)上再提高20%。蟲害是降低農(nóng)作物產(chǎn)量的主要原因之一，全世界每年都因蟲害要損失數(shù)千億美元。化學(xué)殺蟲劑的長期和大量使用已經(jīng)產(chǎn)生出許多嚴(yán)重的問題，而用基因工程方法培育出的能抗蟲害，不需要施用農(nóng)藥，對人、畜食用安全的作物，則不僅能提高種植的經(jīng)濟(jì)效益，而且能有效地保護(hù)我們的生存環(huán)境。

2、基因工程在工業(yè)及環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用。應(yīng)用基因工程技術(shù)，使植物成為能替代微生物發(fā)酵設(shè)備的生物反應(yīng)器，更經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出人類所需要的各種原料已經(jīng)成為非常具有吸引力的領(lǐng)域。現(xiàn)在已經(jīng)培育了多種可作為生物反應(yīng)器的轉(zhuǎn)基因植物，能產(chǎn)生出可分解的塑料原料、石油、工業(yè)用脂肪、糖類和酶類等。環(huán)境保護(hù)是人類目前面臨的與人類前途生死攸關(guān)的重大問題。基因重組技術(shù)為解決這些問題提供了可能性，通過基因重組，人們可以根據(jù)需要將某種微生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種微生物中，創(chuàng)造一些對有害物質(zhì)分解能力更強(qiáng)、更能適應(yīng)環(huán)境要求的新菌種。利用微生物分解各種廢棄物的同時能產(chǎn)生出重要的工業(yè)原料是轉(zhuǎn)基因微生物應(yīng)用的一個重點(diǎn)。

3、植物基因工程在食品方面的應(yīng)用

按轉(zhuǎn)基因的功能大致可以分為以下幾種類型：⑴增長型。家作物增產(chǎn)與其生長、分化、肥料、抗逆、抗蟲害等因素密切相關(guān)，故可轉(zhuǎn)移成修飾相關(guān)的基因達(dá)到增產(chǎn)效果。⑵控熟型，通過轉(zhuǎn)移或修飾與控制成熟期有關(guān)的基因可以使轉(zhuǎn)基因生物成熟期處遲或提前，以適應(yīng)市場需求；⑶高營養(yǎng)型，從改造種子貯藏蛋白質(zhì)基因入手，使其表達(dá)的蛋白質(zhì)具有合理的氨基酸組成；⑷保健型，通過轉(zhuǎn)移病原體抗原基因或毒素基因至糧食作物或果樹中，人們吃了這些糧食和水果，相當(dāng)在在補(bǔ)充營養(yǎng)的同時服用了疫苗，起到預(yù)防疾病的作用；⑸新品種型，通過不同品種間的基因重組形成新品種，由其獲得的轉(zhuǎn)基因食品可能在品質(zhì)、味和色香方面具有新的特點(diǎn)；⑹加工型，由轉(zhuǎn)基因產(chǎn)物作原料加工制成，花樣最為繁多。

4、基因工程在醫(yī)藥方面的應(yīng)用。

在醫(yī)藥方面，基因工程主要用來生產(chǎn)各種重要的人用蛋白藥物，迄今為止，人們已經(jīng)分離和克隆了300多種不同的人用蛋白藥物的基因，其中有數(shù)十種基因已經(jīng)在不同的宿主中進(jìn)行了表達(dá)和對其表達(dá)產(chǎn)物進(jìn)行了功能分析和檢測，有20多種經(jīng)批準(zhǔn)已經(jīng)投放市場，如通過轉(zhuǎn)基因微生物生產(chǎn)的干擾素、胰島素、人和動物用生長激素等。

（三）我們了解一下基因工程的進(jìn)展?fàn)顩r。基因工程技術(shù)是一項(xiàng)正在蓬勃發(fā)展的技術(shù)，而且也已經(jīng)取得了許多重要的應(yīng)用成果，但我們也應(yīng)該看到，基因工程技術(shù)不是一項(xiàng)已經(jīng)成熟的技術(shù)，仍然還很粗糙和原始，在許多方面尚需完善和改進(jìn)。

1、基因工程在技術(shù)上存在一定的不確定性和盲目性。

這種不確定性表現(xiàn)在兩個方面，一是技術(shù)方面的不穩(wěn)定性，二是由于對不同生物的生理特性的了解不很深入，如我們將魚類抗凍蛋白基因轉(zhuǎn)移到不抗寒的羅非魚等熱帶魚中，雖然抗凍蛋白基因得到表達(dá)，但并沒有使受體魚產(chǎn)生預(yù)期的抗寒效果。目前我們所進(jìn)行的基因工程基本上只能對簡單的、單基因控制的性狀進(jìn)行設(shè)計和改造，操作對象只限于一些比較簡單的單因子基因。但生物絕大部分的重要性狀是由多個基因共同控制的，對這些多基因控制的性狀，現(xiàn)有的基因工程技術(shù)幾乎仍然是束手無策。我們對活的生物體中基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制知之甚少，有關(guān)的知識僅限于對啟動子和增強(qiáng)子有所了解，對生物體整體的調(diào)節(jié)復(fù)雜性的認(rèn)識還剛剛開始。

2、在安全性方面存在著不確定性。

對社會大眾來說，最主要和最關(guān)心的是基因工程的安全性問題，基因工程的安全性問題包括兩個方面：一是基因工程產(chǎn)品的消費(fèi)安全問題，二是轉(zhuǎn)基因生物的生態(tài)安全問題。目前用轉(zhuǎn)基因技術(shù)生產(chǎn)出來的食品因其成分的某些改變是否會對人類的健康產(chǎn)生不良的影響，這需要實(shí)驗(yàn)和時間來驗(yàn)證。有著某種生存優(yōu)勢的轉(zhuǎn)基因生物如果進(jìn)入到自然生態(tài)系統(tǒng)，就有可能排擠自然種群，降低生態(tài)系統(tǒng)里物種的多樣性，打破生態(tài)平衡。

所以我們在大力發(fā)展轉(zhuǎn)基因技術(shù)的同時，必須高度重視對轉(zhuǎn)基因動物、植物及微生物品種的生物控制和控制技術(shù)的研究。在轉(zhuǎn)基因品種的安全性沒有進(jìn)行全面的評估和沒有可靠的生物控制措施之前，應(yīng)嚴(yán)格禁止其進(jìn)行生產(chǎn)和進(jìn)入開放的自然生態(tài)系統(tǒng)，只有其生態(tài)安全性達(dá)到了傳統(tǒng)育種方法培育的新品種時，或無生殖能力的轉(zhuǎn)基因動物和植物才能允許進(jìn)入自然界進(jìn)行生產(chǎn)，也只有這樣才是有益于人類和社會進(jìn)步的。

第二篇：基因工程

寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院考核答題紙

（2011--2012學(xué)年第 學(xué)期）

課號：:EK5G04A00

課程名稱：現(xiàn)代生物技術(shù)概論

閱卷教師：

班級：10級生物工程

學(xué)號：104177306

姓名：郭兆峰

成績：

基因工程

摘要：基因工程是20世紀(jì)70年代在分子遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種可以按照人們的意愿設(shè)計、改造和組建生物品種的新技術(shù)。包括它通過基因操作，將目的基因活DNA片段與合適的載體連接轉(zhuǎn)入目標(biāo)生物細(xì)胞，通過復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯外源目的基因以及蛋白質(zhì)的活性表達(dá)，使轉(zhuǎn)基因生物獲得新的遺傳性狀。

關(guān)鍵詞：生物技術(shù)；基因工程

一、基因工程的誕生：

從20世紀(jì)40年代開始，受分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)發(fā)展的影響，基因分子生物學(xué)取得巨大進(jìn)步，為基因工程的誕生奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)在人們公認(rèn)的誕生日期是1973年，其中現(xiàn)代分子生物學(xué)領(lǐng)域上的三大發(fā)現(xiàn)及技術(shù)上的三大發(fā)明起了決定性作用。

理論上的三大發(fā)現(xiàn)包括：第一，20世紀(jì)40年代，Avery 在美國的一次學(xué)術(shù)會上報道了肺炎球菌的轉(zhuǎn)化，證明了遺傳信息的攜帶者是DNA而不是蛋白質(zhì)；第二，1953年，Watson 和 Crick 提出的DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)以及半保留復(fù)制機(jī)理，解決了基因的自我復(fù)制和傳遞問題；第三，20世紀(jì)50年代末的“中心法則”，60年代由Monod 和 Jacob 提出的操縱分子學(xué)說，并成功的由一批科學(xué)家破譯了遺傳密碼從而闡明了遺傳信息的流向和表達(dá)問題。

以上問題的解決使得人們自主改造生物遺傳性狀從理論上成為現(xiàn)實(shí)。

技術(shù)上的三大發(fā)明：第一，1967年發(fā)現(xiàn)的DNA連接酶，以及1979年發(fā)現(xiàn)的具有更高活性的T4 DNA連接酶。在1970年Smith和 Wilcox從流感嗜血桿菌中分離并純化的限制性核酸內(nèi)切酶HindⅡ和1972年發(fā)現(xiàn)的EcoRⅠ核酸內(nèi)切酶。后來發(fā)現(xiàn)的大量的限制性核酸內(nèi)切酶。第二，一些病毒、質(zhì)粒和噬菌體等載體技術(shù)的發(fā)現(xiàn)使把目的基因的導(dǎo)入更加容易。第三，DNA分子序列分析及瓊脂糖凝膠電泳、Southern雜交技術(shù)的發(fā)展使得基因工程的誕生越來越近。1973年，斯坦福大學(xué)將抗四環(huán)素質(zhì)粒和抗新霉素的質(zhì)粒用限制性內(nèi)切酶切割并連接成重組質(zhì)粒導(dǎo)入到大腸桿菌中是基因工程誕生的標(biāo)志。

二、基因工程有幾個重要特征：（1）、打破了物種的界限，實(shí)現(xiàn)跨物種的基因轉(zhuǎn)移；（2）、通過已知功能基因的遺傳轉(zhuǎn)化，進(jìn)行物種的定向改良；（3）、創(chuàng)造出自然界中本來不存在的物種。

三、基因工程技術(shù)流程包括：（1）、目的基因克隆，即從特定生物基因組和cDNA中分離提純和擴(kuò)大繁殖目的基因；（2）、選擇合適的載體，并對載體DNA進(jìn)行克隆；（3）、將目的基因與載體寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院考核答題紙

（2011--2012學(xué)年第 學(xué)期）

課號：:EK5G04A00

課程名稱：現(xiàn)代生物技術(shù)概論

閱卷教師：

班級：10級生物工程

學(xué)號：104177306

姓名：郭兆峰

成績：

連接；（4）、將重組DNA導(dǎo)入到大腸桿菌或酵母菌體內(nèi)培養(yǎng)；（5）、利用載體上的標(biāo)記基因進(jìn)行篩選，獲得轉(zhuǎn)目的基因的細(xì)胞或植株。

四、基因工程的應(yīng)用：

（1）基因工程應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面：農(nóng)業(yè)領(lǐng)域是目前轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域之一。農(nóng)作物生物技術(shù)的目的是提高作物產(chǎn)量，改善品質(zhì)，增強(qiáng)作物抗逆性、抗病蟲害的能力。基因工程在這些領(lǐng)域已取得了令人矚目的成就。

（2）基因工程應(yīng)用于醫(yī)藥方面：目前，以基因工程藥物為主導(dǎo)的基因工程應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已成為全球發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，發(fā)展前景廣闊。基因工程藥物主要包括細(xì)胞因子、抗體、疫苗、激素和核苷酸藥物等。它們對預(yù)防人類的腫瘤、心血管疾病、遺傳病、糖尿病、包括艾滋病在內(nèi)的各種傳染病、類風(fēng)濕疾病等有重要作用。在很多領(lǐng)域特別是疑難病癥上，基因工程工程藥物起到了傳統(tǒng)化學(xué)藥物難以達(dá)到的作用。我們最為熟悉的干擾素(IFN)就是一類利用基因工程技術(shù)研制成的多功能細(xì)胞因子，在臨床上已用于治療白血病、乙肝、丙肝、多發(fā)性硬化癥和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等多種疾病。

（3）基因工程應(yīng)用于環(huán)保方面：基因工程技術(shù)可提高微生物凈化環(huán)境的能力。美國利用DNA重組技術(shù)把降解芳烴、萜烴、多環(huán)芳烴、脂肪烴的4種菌體基因鏈接，轉(zhuǎn)移到某一菌體中構(gòu)建出可同時降解4種有機(jī)物的“超級細(xì)菌”，用之清除石油污染，在數(shù)小時內(nèi)可將水上浮油中的2/3烴類降解完，而天然菌株需要1年之久。也有人把Bt蛋白基因、球形芽孢桿菌、且表達(dá)成功。它能釘死蚊蟲與害蟲，而對人畜無害，不污染環(huán)境。現(xiàn)已開發(fā)出的基因工程菌有凈化農(nóng)藥的DDT的細(xì)菌、降解水中的染料、環(huán)境中有機(jī)氯苯類和氯酚類、多氯聯(lián)苯的工程菌、降解土壤中的TNT炸藥的工程菌及用于吸附無機(jī)有毒化合物(鉛、汞、鎘等)的基因工程菌及植物等。90年代后期問世的DNA改組技術(shù)可以創(chuàng)新基因，并賦予表達(dá)產(chǎn)物以新的功能，創(chuàng)造出全新的微生物，如可將降解某一污染物的不同細(xì)菌的基因通過PCR技術(shù)全部克隆出來，再利用基因重組技術(shù)在體外加工重組，最后導(dǎo)入合適的載體，就有可能產(chǎn)生一種或幾種具有非凡降解能力的超級菌株，從而大大地提高降解效率。

五、基因工程的安全性問題：

自基因工程誕生以來，基因工程的安全性問題就受到人們極大的關(guān)注，關(guān)于重組DNA潛在的危險性問題的爭論，在基因工程還處于醞釀階段的時候就已經(jīng)開始。爭論的焦點(diǎn)是擔(dān)心基因工程寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院考核答題紙

（2011--2012學(xué)年第 學(xué)期）

課號：:EK5G04A00

課程名稱：現(xiàn)代生物技術(shù)概論

閱卷教師：

班級：10級生物工程

學(xué)號：104177306

姓名：郭兆峰

成績：的雜種生物會從實(shí)驗(yàn)室溢出，在自然界造成難以抑制的災(zāi)難，有害的雜種菌或病毒與化學(xué)物質(zhì)不同，它們會在自然界不斷繁殖，造成的危害更大。

在1975年2月，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）在加利福尼亞州的Asilomar 會議中心內(nèi)，160名來自美國和16個國家的專家學(xué)者對重組DNA的危害辯論，雖然與會代表分歧挺大，但最后也達(dá)成了一些重要的共識，在1976年6月23日美國NIH制定并公布了《重組DNA研究準(zhǔn)則》。為了避免可能造成的危害，除了規(guī)定禁止若干類型的重組DNA實(shí)驗(yàn)外，還制定了許多具體的規(guī)定條文。

六、基因工程的前景展望：基因工程技術(shù)是繼工業(yè)革命、信息革命之后 對人類社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的一場革命。它在基因制藥、基因診斷、基因治療、基因芯片和基因克隆等技術(shù)方面取得的革命性成果，將極大地改變?nèi)祟惿蜕蠲婷病?/p>

參考文獻(xiàn)：

1、基因工程/樓士林，楊盛昌，龍敏南等主編.—北京：科學(xué)出版社，2002

2、基因工程技術(shù)/鐘衛(wèi)鴻主編.—北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.6

3、基因工程/何水林主編.—北京：科學(xué)出版社，2008

4、基因工程原理與技術(shù)/劉志國主編.—2版.—北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010,12

5、基因工程：原理、方法與應(yīng)用/徐煜泉等編著.—北京：北京大學(xué)出版社，2008.12

第三篇：基因工程

《基因工程論文》

嗜熱解烴基因工程菌SL-21的構(gòu)建

學(xué)

院：生命科學(xué)學(xué)院 班

級：生物技術(shù)12-2 學(xué)

號：7011208209 姓

名：陳 昆 任課教師：張銳

嗜熱解烴基因工程菌SL-21的構(gòu)建

摘要﹕從以C15—C36直鏈烷烴為惟一碳源生長的解烴菌———地芽孢桿菌MD-2細(xì)胞中獲得了1個新的烴降解基因———烷烴單加氧酶基因sladA。將基因sladA克隆到質(zhì)粒pSTE33上,構(gòu)建了重組質(zhì)粒pSTalk。通過電轉(zhuǎn)化將pSTalk轉(zhuǎn)化入嗜熱脫氮土壤芽孢桿菌ZJ-3內(nèi),構(gòu)建了基因工程菌SL-21。SL-21兼具嗜熱和解烴的功能,在70℃條件下,14d后對原油的降解率達(dá)75.08%。研究結(jié)果表明,可以通過體外重組的方式向嗜熱菌中引入烴降解基因,從而構(gòu)建嗜熱解烴基因工程菌。關(guān)鍵詞:微生物采油;烴類降解菌;嗜熱解烴基因;質(zhì)粒;基因工程菌

微生物降解原油是微生物提高原油采收率的主要機(jī)理之一。研究結(jié)果表明,在解烴菌作用下原油的族組分發(fā)生變化,輕質(zhì)組分增加,粘度下降,改善了原油的流動性;同時,解烴菌還可以將烴類分子轉(zhuǎn)化成有機(jī)溶劑、表面活性劑、酸和氣體等驅(qū)油物質(zhì)。迄今為止,從自然界篩選的高效解烴菌絕大多數(shù)為嗜溫微生物,最適合生長溫度一般為20-45℃,很難適應(yīng)油藏的高溫環(huán)境。筆者從1株解烴菌細(xì)胞中分離出1個新的烴降解基因———烷烴單加氧酶基因sladA,并采用基因工程手段將此基因轉(zhuǎn)化到另外1株最適合生長溫度為70℃的嗜熱菌體內(nèi),構(gòu)建了嗜熱解烴基因工程菌SL-21。該基因工程菌既具有高效的解烴功能,又能適應(yīng)油藏高溫環(huán)境,在微生物采油中具有良好的應(yīng)用前景。1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料包括限制性內(nèi)切酶EcoRⅠ和XhoⅠ;UNIQ-10柱式DNA膠回收試劑盒、PCR片斷回收試劑盒;大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞E.coliDH5α;pGEM-T easy載體;質(zhì)粒pSTE33 kanr,Ampr,EcoRⅠ/XhoⅠ;異丙基硫代半乳糖苷(IPTG)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、氨芐青霉素(Amp)、卡那霉素(Kan)。LB培養(yǎng)基按文獻(xiàn)配制。無機(jī)鹽培養(yǎng)基組成:Na2HPO40.06g;KH2PO40.02g;NaNO30.2g;CaCl20.001g;FeSO40.001g;MgSO4 0.03g;蒸餾水100mL;pH值為7.2。嗜熱脫氮土壤芽孢桿菌ZJ-3,分離自勝利油區(qū)孤島油田中一區(qū)館3區(qū)塊采出液,最適合生長溫度為70℃;地芽孢桿菌MD-2,以C15—C36直鏈烷烴為惟一碳源生長,分離自勝利油區(qū)原油污染土壤。1.2 實(shí)驗(yàn)方法

DNA的操作 基因組DNA小量提取,利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)對DNA擴(kuò)增、PCR產(chǎn)物的回收、酶切與連接,質(zhì)粒DNA提取和基因序列測定等均按文獻(xiàn)[13-14]方法進(jìn)行。菌株培養(yǎng) 所涉及到的菌株培養(yǎng)均在溫度為70℃,轉(zhuǎn)速為180r/min的條件下進(jìn)行振蕩培養(yǎng)。基因工程菌的構(gòu)建和篩選方法 ZJ-3感受態(tài)細(xì)胞的制備按文獻(xiàn)[13-14]方法進(jìn)行。用構(gòu)建的重組質(zhì)粒pSTalk在最佳條件下電轉(zhuǎn)化ZJ-3感受態(tài)細(xì) 胞構(gòu)建基因工程菌。在含有50μg/mL Kan的LB瓊脂平板上挑選10個陽性克隆接種到5mL LB培養(yǎng)基中,培養(yǎng)過夜,獲得種子液。將該種子液接種到200mL以液蠟為惟一碳源的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中,培養(yǎng)5d后用CCl4抽提剩余的液蠟,用紅外測油儀測定烴的剩余量,根據(jù)菌株降解液蠟的速率篩選出目的基因工程菌。基因工程菌的誘導(dǎo)表達(dá)及SDS-PAGE檢測挑取陽性克隆接種于含100μg/mL Amp的10mL的LB液體培養(yǎng)基中,180r/min下振蕩培養(yǎng)至光密度值達(dá)到0.6(檢測光波波長為600nm),加誘導(dǎo)物IPTG至終濃度為1mmol/L,振蕩培養(yǎng)8h,收集表達(dá)菌體,加SDS上樣緩沖液,于100℃水浴10min后上樣,用12%的SDS-PAGE電泳檢測。基因工程菌降油能力測試 將基因工程菌接入20mL LB培養(yǎng)基中,培養(yǎng)12h,以5 000r/min的速度離心5min收集菌體,用無菌生理鹽水洗滌菌體1次,加20mL無菌生理鹽水懸浮,作為菌株利用烷

烴生長的種子液。取菌懸液按1%接種量接入200mL無機(jī)鹽培養(yǎng)基中,加入2%孤島油田中一區(qū)館3區(qū)塊原油或2%的液體石蠟作為惟一碳源培養(yǎng),取樣稀釋涂布計數(shù)。原油降解實(shí)驗(yàn) 在無機(jī)鹽培養(yǎng)基中添加2%的原油,按1%接種量接入基因工程菌,培養(yǎng)14d。用正己烷萃取降解后的原油,用氣相色譜儀測定原油飽和烴組分的降解情況。原油降解率為菌株降解前、后原油量的差值與菌株降解前原油量的比值。2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 MD-2基因組DNA的檢測

對MD-2基因組進(jìn)行提取和純化。提取后的染色體DNA經(jīng)0.8%的瓊脂糖凝膠電泳檢測,相對分子質(zhì)量不小于23kb,說明提取的DNA完好。在檢測光波波長為260280nm條件下分別測出DNA的光密度,其比值為1.95,換算出DNA的質(zhì)量濃度為1 400g/mL,表明DNA純度較好,無蛋白、RNA、酚和多糖物質(zhì)的干擾。2.2 烷烴單加氧酶基因的克隆與序列分析依據(jù)美國國立衛(wèi)生研究院基因序列數(shù)據(jù)庫(Genbank)中的烷烴單加氧酶基因開放閱讀框兩端保守序列,設(shè)計了一對兼并引物以MD-2基因組DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增,將約1.3kb的PCR產(chǎn)物回收后連接到pGEM-T easy載體上,轉(zhuǎn)入E.coliDH5α,挑取陽性克隆質(zhì)粒進(jìn)行測序。測序結(jié)果經(jīng)Genbank檢索,表明該DNA序列是個新的烷烴單加氧酶基因,命名為sladA。2.3 基因工程菌的構(gòu)建及篩選

通過PCR擴(kuò)增sladA后,將PCR產(chǎn)物用EcoRⅠ或XhoⅠ消化,分離純化出1 329bp的片斷,與經(jīng)EcoRⅠ或XhoⅠ消化的pSTE33質(zhì)粒連接,構(gòu)建成含sladA的重組質(zhì)pSTalk。經(jīng)電泳鑒定表明(圖1),重組質(zhì)粒構(gòu)建成功。

2.4 基因sladA在基因工程菌SL-21中的誘導(dǎo)表達(dá)

由基因工程菌SL-21全蛋白的SDS-PAGE圖譜可見(圖2),在烷烴單加氧酶基因sladA對應(yīng)蛋白大小的地方掃描到高信號強(qiáng)度,表明sladA基因在SL-21中得以表達(dá)。2.5 基因工程菌SL-21碳源生長

基因工程菌SL-21在以原油和液體石蠟為惟一碳源的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中培養(yǎng),在70℃和180r/min條件下,經(jīng)過3d的延滯期后進(jìn)入對數(shù)期,菌體數(shù)增加。17d后,菌體數(shù)為接菌初期的5倍,表明SL-21能夠利用原油或液體石蠟作為惟一碳源生長。2.6 對原油的降解作用

由原油飽和烴組分的降解情況可看出(圖3),基因工程菌對原油有很明顯的降解效果,幾乎將飽和烴降解完全。經(jīng)對氣相色譜各峰面積對比,計算出各峰面積的含

量和飽和烴組分降解率(表2)。基因工程菌SL-21對原油的降解率為75.08%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,烴類降解菌地芽孢桿菌MD-2細(xì)胞提取的烷烴單加氧酶基因sladA可以在嗜熱脫氮土壤芽孢桿菌ZJ-3中表達(dá)。但不同的基因工程菌株中烷烴單加氧酶基因sladA表達(dá)的效率不同,需要通過菌株對原油的降解評價進(jìn)一步篩選。獲得的對原油降解速率最高的基因工程菌SL-21能在70℃高溫條件下生長,并且對原油降解效果明顯。因此以體外重組方式向嗜熱菌中引入烴類降解基因構(gòu)建嗜熱解烴基因工程菌在技術(shù)上是可行的。3 結(jié)論

以地芽孢桿菌MD-2為目標(biāo)菌株,克隆和表達(dá)了降解長鏈烷烴的單加氧酶基因sladA,并在嗜熱脫氮土壤芽孢桿菌ZJ-3中正確表達(dá)了基因sladA,構(gòu)建了基因工程菌SL-21。基因工程菌SL-21在70℃條件下,能以原油或液體石蠟為惟一碳源生長。14d對原油的降解率為75.08%,對原油飽和烴組分均有明顯的降解效果。該基因工程菌既可以用于微生物驅(qū)油技術(shù),又可以用于高溫油田污水的生物處理。利用基因工程的方法可以獲得既能耐受極端環(huán)境,又具有良好功能的基因工程菌株,是石油微生物菌種選育的重要方向。參考文獻(xiàn): [1] 周金葵,王大威,廖明清,等.一株石油烴降解菌的篩選及性能研究[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2007,26(6):119-123.[2] 汪衛(wèi)東,汪竹,耿雪麗,等.美國微生物采油技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用效果分析[J].油氣地質(zhì)與采收率,2002,9(6):75-76.[3] 袁長忠,宋永亭,段傳慧.微生物采油用營養(yǎng)物質(zhì)在石英砂上的靜態(tài)和動態(tài)吸附規(guī)律[J].油氣地質(zhì)與采收率,2009,16(4):74-76.[4] 修建龍,董漢平,俞理,等.微生物提高采收率數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀[J].油氣地質(zhì)與采收率,2009,16(4):86-89.[5] 路璐,向廷生,黑花麗.本源微生物降解原油的飽和烴色譜分析[J].油氣地

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第四篇：基因工程

基因工程技術(shù)的程序與應(yīng)用

【摘要】基因工程技術(shù)是一項(xiàng)正在蓬勃發(fā)展的技術(shù)，它將給人類社會帶來一場深刻的變革，我們有必要了解基因工程的概念、原理、技術(shù)程序，以及基因工程在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥等方面的應(yīng)用和進(jìn)展情況。

【關(guān)鍵詞】基因工程技術(shù)程序應(yīng)用進(jìn)展

基因工程（genetic engineering）又稱基因拼接技術(shù)和DNA重組技術(shù)，是以分子遺傳學(xué)為理論基礎(chǔ)，以分子生物學(xué)和微生物學(xué)的現(xiàn)代方法為手段，在分子水平上對基因進(jìn)行復(fù)雜的操作，將不同來源的基因按預(yù)先設(shè)計的藍(lán)圖，在體外構(gòu)建雜種DNA分子，然后導(dǎo)入活細(xì)胞，使這個基因能在受體細(xì)胞內(nèi)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯表達(dá)，以改變生物原有的遺傳特性、獲得新品種、生產(chǎn)新產(chǎn)品。它是用人為的方法將所需要的某一供體生物的遺傳物質(zhì)——DNA大分子提取出來，在離體條件下用適當(dāng)?shù)墓ぞ呙高M(jìn)行切割后，把它與作為載體的DNA分子連接起來，然后與載體一起導(dǎo)入某一更易生長、繁殖的受體細(xì)胞中，以讓外源物質(zhì)在其中“安家落戶”，進(jìn)行正常的復(fù)制和表達(dá)，從而獲得新物種的一種嶄新技術(shù)。它克服了遠(yuǎn)緣雜交的不親和障礙。基因工程技術(shù)為基因的結(jié)構(gòu)和功能的研究提供了有力的手段。

一 基因工程的技術(shù)程序

基因工程的基本原理是在體外將不同來源的DNA進(jìn)行剪切和重組，形成鑲嵌DNA分子，然后將之導(dǎo)入宿主細(xì)胞，使其擴(kuò)增表達(dá)，從而使宿主細(xì)胞獲得新的遺傳特性，形成新的基因產(chǎn)物。它有3個基本的步驟：①從合適材料分離或制備目的基因或DNA片段。②目的基因或DNA片段與載體連接作成重組DNA分子。③重組DNA分子引入宿主細(xì)胞，在其中擴(kuò)增和表達(dá)。不同種類生物的生物學(xué)特性不同，其基因工程在操作上和具體技術(shù)上必然有所差異，但技術(shù)核心都是DNA的重組，即利用一系列的DNA限制性內(nèi)切酶、連接酶等分子手術(shù)工具，在某種生物DNA鏈上切下某個目標(biāo)基因或特殊的DNA片段，然后根據(jù)設(shè)計要求，將其接合到受體生物DNA鏈上。

一個完整的用于生產(chǎn)生產(chǎn)目的的基因工程技術(shù)程序包括的基本內(nèi)容有：①外源目標(biāo)基因的分離、克隆以及目標(biāo)基因的結(jié)構(gòu)與功能研究。②適合轉(zhuǎn)移、表達(dá)載體的構(gòu)建或目標(biāo)基因的表達(dá)調(diào)控結(jié)構(gòu)重組。③外源基因的導(dǎo)入。④外源基因在宿主基因組上的整合、表達(dá)及檢測與轉(zhuǎn)基因生物的篩選。⑤外源基因表達(dá)產(chǎn)物的生理功能的檢定。⑥轉(zhuǎn)基因新品系的選育和建立以及轉(zhuǎn)基因新品系的效益分析。⑦生態(tài)與進(jìn)化安全保障機(jī)制的建立。⑧消費(fèi)安全評價。

（一）外源目標(biāo)基因的分離、克隆及功能結(jié)構(gòu)分析

獲合乎人類某種需要的取目的基因是實(shí)施基因工程的第一步，也是開展一項(xiàng)基因工程的前提和全部工作的核心。目前人們已經(jīng)能夠通過多種途徑和方法來獲取目標(biāo)基因，其中主要有兩條途徑：一條是從供體細(xì)胞的DNA中直接分離基因；另一條是人工合成基因。

直接分離基因最常用的方法是“鳥槍法”，又叫“散彈射擊法”。鳥槍法的具體做法是：用限制酶將供體細(xì)胞中的DNA切成許多片段，將這些片段分別載入運(yùn)載體，然后通過運(yùn)載體分別轉(zhuǎn)入不同的受體細(xì)胞，讓供體細(xì)胞提供的DNA（即外源DNA）的所有片段分別在各個受體細(xì)胞中大量復(fù)制（在遺傳學(xué)中叫做擴(kuò)增），1

從中找出含有目的基因的細(xì)胞，再用一定的方法把帶有目的基因的DNA片段分離出來。如許多抗蟲抗病毒的基因都可以用上述方法獲得。用鳥槍法獲得目的基因的優(yōu)點(diǎn)是操作簡便，缺點(diǎn)是工作量大，具有一定的盲目性。又由于真核細(xì)胞的基因含有不表達(dá)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兩條。一條途徑是以目的基因轉(zhuǎn)錄成的信使RNA為模版，反轉(zhuǎn)錄成互補(bǔ)的單鏈DNA，然后在酶的作用下合成雙鏈DNA，從而獲得所需要的基因。另一條途徑是根據(jù)已知的蛋白質(zhì)的氨基酸序列，推測出相應(yīng)的信使RNA序列，然后按照堿基互補(bǔ)配對的原則，推測出它的基因的核苷酸序列，再通過化學(xué)方法，以單核苷酸為原料合成目的基因。如人的血紅蛋白基因胰島素基因等就可以通過人工合成基因的方法獲得。

（二）構(gòu)建能在受體生物細(xì)胞中表達(dá)的重組目標(biāo)基因

要使一個外源目標(biāo)基因能整合到受體細(xì)胞的基因組中并能在整合后在受體基因組的調(diào)控下有效地轉(zhuǎn)錄和翻譯，就必須事先對目標(biāo)基因的功能結(jié)構(gòu)用DNA重組技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男揎棧簿褪菍⒛繕?biāo)基因與一種特別的DNA分子重組，這種特別的DNA分子稱為基因載體，目前所用的載體主要有以下幾類：質(zhì)粒、λ噬菌體、柯斯質(zhì)粒、病毒載體、YAC載體等，各類載體具有獨(dú)特的生物學(xué)特性，可用于不同的目標(biāo)基因。

（三）外源重組目標(biāo)基因的導(dǎo)入

將重組的外源目標(biāo)基因轉(zhuǎn)入到宿主細(xì)胞中的過程稱為基因?qū)牖蚧蜣D(zhuǎn)移。接受外源基因的細(xì)胞稱為受體細(xì)胞。由于受體生物學(xué)特征的不同以及基因工程目的不同，外源基因?qū)氲姆椒ㄒ膊煌械氖怯幂d體導(dǎo)入，有的是直接用物理的方法導(dǎo)入。目前使用的有轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)染、電穿孔導(dǎo)入法、基因槍射入法、顯微注射法、脂質(zhì)體介導(dǎo)法等，向細(xì)菌等微生物中導(dǎo)入外源目標(biāo)基因常用質(zhì)粒轉(zhuǎn)化和噬菌體轉(zhuǎn)染方法；向植物細(xì)胞中導(dǎo)入外源基因常用基因槍注入法和Ti質(zhì)粒導(dǎo)入法；能由原生質(zhì)體再生出植株的植物細(xì)胞還可以用電穿孔導(dǎo)入法及脂質(zhì)體融合法；動物的受精卵一般通過人工顯微鏡注射法導(dǎo)入外源基因；動物的體細(xì)胞可用電穿孔法和病毒轉(zhuǎn)染法導(dǎo)入外源基因，但對用于生產(chǎn)目的的基因工程常常避免用病毒轉(zhuǎn)染法。

（四）轉(zhuǎn)基因細(xì)胞或個體的鑒別和篩選

在對宿主的細(xì)胞進(jìn)行了外源目標(biāo)基因?qū)胩幚硪院螅行┘?xì)胞可能并沒有外源基因的進(jìn)入，另有一些細(xì)胞可能在外源基因進(jìn)入后因各種原因而不能使外源基因表達(dá)，因此必須對被進(jìn)行了基因轉(zhuǎn)移處理的細(xì)胞或個體進(jìn)行鑒別，以篩選出導(dǎo)入外源目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)基因細(xì)胞或個體。鑒別和篩選轉(zhuǎn)基因生物一般在兩個層面上進(jìn)行：一是檢測目標(biāo)基因是否表達(dá)，二是檢測目標(biāo)基因是否整合到了宿主的染色體上和能否穩(wěn)定傳代。表達(dá)檢測的方法主要有轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的印跡雜交法、免疫印跡檢測法、免疫組織化學(xué)檢測法等。整合檢測可通過DNA分子雜交來確定。

（五）轉(zhuǎn)基因品系的效益分析。

一個生產(chǎn)性能優(yōu)越的轉(zhuǎn)基因品系，首要的條件是目標(biāo)基因的表達(dá)產(chǎn)物必須有正常的生理功能，另一個必要標(biāo)志是其目標(biāo)基因必須有適度的高效表達(dá)特性和可持續(xù)生產(chǎn)能力。

（六）生態(tài)與進(jìn)化安全保障

由于轉(zhuǎn)基因生物與其他生物一樣具有可遺傳、易擴(kuò)散及自主的特性，而且人類對生命、生態(tài)系統(tǒng)、生物的演化實(shí)際上還知之甚少，對不同物種間基因的人工組合，外源基因?qū)κ荏w生物進(jìn)化的可能影響，轉(zhuǎn)基因生物對生態(tài)系統(tǒng)的長期影響

等都無法進(jìn)行評估，因此如果人們不事先采取控制措施，轉(zhuǎn)基因生物一旦進(jìn)入到自然環(huán)境中就可能打破生態(tài)平衡，破壞生態(tài)環(huán)境和自然種質(zhì)資源。對轉(zhuǎn)基因生物的控制措施有物理的方法和生物的方法：物理的方法就是通過各種嚴(yán)格的管理措施和物理屏障盡量使轉(zhuǎn)基因生物不能從實(shí)驗(yàn)室逃逸進(jìn)入到自然環(huán)境里去；生物的方法一般就是造成轉(zhuǎn)基因生物與非轉(zhuǎn)基因生物之間的生殖隔離，如利用三倍體不育的特性將用于生產(chǎn)的轉(zhuǎn)基因動物或植物變成三倍體等。

（七）消費(fèi)安全評價

消費(fèi)安全評價一般要考慮以下一些主要的方面：①導(dǎo)入外源目標(biāo)基因本身編碼的產(chǎn)物是否安全。②外源目標(biāo)基因是否穩(wěn)定。③使用的載體是否安全。④使用的報道基因（就是能產(chǎn)生很容易觀察的性狀的基因）是否會產(chǎn)生有害物質(zhì)。⑤外源基因?qū)牒笫欠駮T導(dǎo)受體生物產(chǎn)生新的有害遺傳性狀或不利于健康的成分。為了保護(hù)人類的健康，許多國家都已通過立法或其他形式對轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品進(jìn)行消費(fèi)安全評價和嚴(yán)格的管理，對進(jìn)口轉(zhuǎn)基因食品嚴(yán)格限制。

二 基因工程的應(yīng)用

基因工程在醫(yī)藥業(yè)中的應(yīng)用。許多藥品的生產(chǎn)是從生物組織中提取的。受材料來源限制產(chǎn)量有限，其價格往往十分昂貴。微生物生長迅速，容易控制，適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。若將生物合成相應(yīng)藥物成分的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞內(nèi)，讓它們產(chǎn)生相應(yīng)的藥物，不但能解決產(chǎn)量問題，還能大大降低生產(chǎn)成本。如基因工程胰島素、干擾素、人造血液、白細(xì)胞介素、乙肝疫苗等通過基因工程實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，均為解除人類的病苦，提高人類的健康水平發(fā)揮了重大的作用。

基因診斷與基因治療。遺傳病是長期困擾人類的一類不治之癥，迄今已發(fā)現(xiàn)的有3000多種。其根源于遺傳基因存在缺陷，主要特征是可隨生育而傳代。基因治療是把正常基因?qū)氩∪梭w內(nèi)，使該基因的表達(dá)產(chǎn)物發(fā)揮功能，從而達(dá)到治療疾病的目的，這是治療遺傳病的最有效的手段。基本方法是：基因置換、基因修復(fù)、基因增補(bǔ)和基因失活等。如運(yùn)用基因工程設(shè)計制造的“DNA探針”檢測肝炎病毒等病毒感染及遺傳缺陷，不但準(zhǔn)確而且迅速。通過基因工程給患有遺傳病的人體內(nèi)導(dǎo)入正常基因可“一次性”解除病人的疾苦。

基因工程在農(nóng)牧業(yè)、食品工業(yè)上的應(yīng)用。運(yùn)用基因工程技術(shù)，不但可以培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗性好的農(nóng)作物及畜、禽新品種，還可以培養(yǎng)出具有特殊用途的動、植物。如轉(zhuǎn)基因魚（生長快、耐不良環(huán)境、肉質(zhì)好），轉(zhuǎn)基因牛（乳汁中含有人生長激素），轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的甜椒，轉(zhuǎn)魚抗寒基因的番茄，轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的馬鈴薯，不會引起過敏的轉(zhuǎn)基因大豆，抗蟲棉等。

基因工程在環(huán)境保護(hù)工業(yè)方面的應(yīng)用。基因工程做成的DNA探針能夠十分靈敏地檢測環(huán)境中的病毒、細(xì)菌等污染。利用基因工程培育的指示生物能十分靈敏地反映環(huán)境污染的情況，卻不易因環(huán)境污染而大量死亡，甚至還可以吸收和轉(zhuǎn)化污染物。如有一種超級細(xì)菌，能快速分解石油，可用于清除被石油污染的海域。這種超級菌是美國科學(xué)家用基因工程方法，把降解不同石油化合物的基因移植到一個菌株內(nèi)而產(chǎn)生的。

總之，基因工程的發(fā)展將會給人類社會帶來巨大的變化。

三 基因工程的進(jìn)展?fàn)顩r

基因工程技術(shù)是一項(xiàng)正在蓬勃發(fā)展的技術(shù)，而且也已經(jīng)取得了許多重要的應(yīng)用成果，但我們也應(yīng)該看到，基因工程技術(shù)不是一項(xiàng)已經(jīng)成熟的技術(shù)，仍然還很粗糙和原始，在許多方面尚需完善和改進(jìn)。

1．基因工程在技術(shù)上存在一定的不確定性和盲目性。目前的基因工程在技術(shù)上有很多的不確定性。這種不確定性表現(xiàn)在兩個方面，一是技術(shù)方面的不穩(wěn)定性，二是由于對不同生物的生理特性的了解不很深入，如我們將魚類抗凍蛋白基因轉(zhuǎn)移到不抗寒的羅非魚等熱帶魚中，雖然抗凍蛋白基因得到表達(dá)，但并沒有使受體魚產(chǎn)生預(yù)期的抗寒效果。目前我們所進(jìn)行的基因工程基本上只能對簡單的、單基因控制的性狀進(jìn)行設(shè)計和改造，操作對象只限于一些比較簡單的單因子基因。但生物絕大部分的重要性狀是由多個基因共同控制的，對這些多基因控制的性狀，現(xiàn)有的基因工程技術(shù)幾乎仍然是束手無策。我們對活的生物體中基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制知之甚少，有關(guān)的知識僅限于對啟動子和增強(qiáng)子有所了解，對生物體整體的調(diào)節(jié)復(fù)雜性的認(rèn)識還剛剛開始。

2．在安全性方面存在著不確定性。對社會大眾來說，最主要和最關(guān)心的是基因工程的安全性問題，基因工程的安全性問題包括兩個方面：一是基因工程產(chǎn)品的消費(fèi)安全問題，二是轉(zhuǎn)基因生物的生態(tài)安全問題。目前用轉(zhuǎn)基因技術(shù)生產(chǎn)出來的食品因其成分的某些改變是否會對人類的健康產(chǎn)生不良的影響，這需要實(shí)驗(yàn)和時間來驗(yàn)證。有著某種生存優(yōu)勢的轉(zhuǎn)基因生物如果進(jìn)入到自然生態(tài)系統(tǒng)，就有可能排擠自然種群，降低生態(tài)系統(tǒng)里物種的多樣性，打破生態(tài)平衡。

所以我們在大力發(fā)展轉(zhuǎn)基因技術(shù)的同時，必須高度重視對轉(zhuǎn)基因動物、植物及微生物品種的生物控制和控制技術(shù)的研究。在轉(zhuǎn)基因品種的安全性沒有進(jìn)行全面的評估和沒有可靠的生物控制措施之前，應(yīng)嚴(yán)格禁止其進(jìn)行生產(chǎn)和進(jìn)入開放的自然生態(tài)系統(tǒng)，只有其生態(tài)安全性達(dá)到了傳統(tǒng)育種方法培育的新品種時，或無生殖能力的轉(zhuǎn)基因動物和植物才能允許進(jìn)入自然界進(jìn)行生產(chǎn)，也只有這樣才是有益于人類和社會進(jìn)步的。

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第五篇：材料基因工程

材料基因工程

——為什么是一項(xiàng)“顛覆性前沿技術(shù)”

1.前言

材料基因組技術(shù)是近幾年興起來的材料研究新理念和新方法，是當(dāng)今世界材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的最前沿。材料基因工程借鑒人類基因組計劃，探究材料結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)變化的關(guān)系。并通過調(diào)整材料的原子或配方、改變材料的堆積方式或搭配，結(jié)合不同的工藝制備，得到具有特定性能的新材料。但是材料基因組與人類基因組的又有很大的區(qū)別，材料的微觀結(jié)構(gòu)多樣化，不但成分組成可以不同，微觀形貌等結(jié)構(gòu)也可能千差萬別，其組成-結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系更加復(fù)雜。

2.材料基因組技術(shù)

2.1材料基因組技術(shù)

材料基因組計劃是通過“多學(xué)科融合”實(shí)現(xiàn)“高通量材料設(shè)計與試驗(yàn)”；其核心目標(biāo)在于通過“高通量計算、實(shí)驗(yàn)和大數(shù)據(jù)分析”技術(shù)加速材料“發(fā)現(xiàn)-研發(fā)-生產(chǎn)-應(yīng)用”全過程，縮短材料研發(fā)周期，降低材料研發(fā)成本，引發(fā)新材料領(lǐng)域的科技創(chuàng)新和商業(yè)模式變革。

材料基因組技術(shù)包括高通量材料計算方法、高通量材料實(shí)驗(yàn)方法和材料數(shù)據(jù)庫三大組成要素。

2.1.1高通量材料計算方法

高通量計算是指利用超級計算平臺與多尺度集成化、高通量并發(fā)式材料計算方法和軟件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大體系材料模擬、快速計算、材料性質(zhì)的精確預(yù)測和新材料的設(shè)計，提高新材料篩選效率和設(shè)計水平，為新材料的研發(fā)提供理論依據(jù)。其中并發(fā)式材料計算方法包括第一原理計算方法、計算熱力學(xué)方法、動力學(xué)過程算法等，跨越原子模型、簡約模型和工程模型等多個層次，并整合了從原子尺度至宏觀尺度等多尺度的關(guān)聯(lián)算法。

高通量材料集成計算技術(shù)利用第一性原理、分子動力學(xué)與位錯動力學(xué)、合金相圖計算、相場計算等方法，快速并行模擬實(shí)驗(yàn)室中成分與性能優(yōu)化的傳統(tǒng)試錯式材料研發(fā)過程，并基于材料科學(xué)知識，迅速挑選有利于目標(biāo)性能的合金成分與微觀結(jié)構(gòu)特征，從而加速新材料的研發(fā)進(jìn)程并顯著降低材料研發(fā)成本。

2.1.2高通量材料實(shí)驗(yàn)方法

傳統(tǒng)材料研發(fā)模式依賴于成分與工藝的不斷“試錯”實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，結(jié)合對結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的不斷理解以獲得滿足性能指標(biāo)的材料。但是，新型關(guān)鍵材料具有成分多元化、復(fù)雜化、微結(jié)構(gòu)多級化等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的“試錯”模式在實(shí)際材料開發(fā)中不僅耗費(fèi)巨大，而且?guī)缀蹼y以取得成功。

高通量實(shí)驗(yàn)平臺是發(fā)展材料基因組技術(shù)具備的條件之一。高通量實(shí)驗(yàn)平臺可以為據(jù)庫提供數(shù)據(jù)支撐；而就高通量集成計算而言，高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)為各種計算模擬工作提供計算目標(biāo)。材料基因組概念中的高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有快速制備快速表征各類金屬與非金屬樣品的能力，典型的高通量實(shí)驗(yàn)方法有擴(kuò)散多元結(jié)與材料基因芯片

2.1.3材料數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)可以看作是感興趣參量的具體數(shù)值，這些參量在空間與時間上的一系列數(shù)值就構(gòu)成數(shù)據(jù)集，不同的數(shù)據(jù)集結(jié)合到一起并按照一定的協(xié)議實(shí)現(xiàn)相互調(diào)用，體量巨大、結(jié)構(gòu)性的數(shù)據(jù)集就構(gòu)成大數(shù)據(jù)。利用物理層面的分布式服務(wù)器對隨時間不斷膨脹的數(shù)據(jù)集進(jìn)行存放，利用通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)服務(wù)器中數(shù)據(jù)集的遠(yuǎn)程調(diào)用與管理，利用專門的算法對不同數(shù)據(jù)集自身和數(shù)據(jù)集之間進(jìn)行分析并提取有價值的信息，并用專門的軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的可視化，就構(gòu)成了基于大數(shù)據(jù)方法的材料數(shù)據(jù)庫技術(shù)。

材料信息學(xué)通過數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)協(xié)作，實(shí)現(xiàn)從已有數(shù)據(jù)中提取高價值信息和知識的目的。由于計算材料數(shù)據(jù)庫是綜合物理，化學(xué)及生物的交叉學(xué)科的數(shù)據(jù)庫。因此，材料數(shù)據(jù)庫的建立，有利于減少材料的重復(fù)實(shí)驗(yàn)和測試，對縮短新材料的研發(fā)周期，節(jié)約新材料的研發(fā)成本具有非常積極的作用

2.2結(jié)論

材料計算模擬是實(shí)現(xiàn)“材料按需設(shè)計”的基礎(chǔ)，可以幫助縮小高通量材料實(shí)驗(yàn)范圍，提供實(shí)驗(yàn)理論依據(jù)；高通量材料實(shí)驗(yàn)起著承上啟下的角色，既可以為材料模擬計算提供海量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也可以充實(shí)材料數(shù)據(jù)庫，并為材料信息學(xué)提供分析素材，同時還可以針對具體應(yīng)用需求，直接快速篩選目標(biāo)材料；材料數(shù)據(jù)庫可以為材料計算模擬提供計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為高通量材料實(shí)驗(yàn)提供實(shí)驗(yàn)設(shè)計的依據(jù)，同時計算和實(shí)驗(yàn)所得的材料數(shù)據(jù)亦可以豐富材料數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。

3．結(jié)論

材料基因組技術(shù)融合了材料科學(xué)、固體力學(xué)、信息科學(xué)、軟件工程、先進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法等學(xué)科，采用數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)研究材料的工藝過程、微/細(xì)觀結(jié)構(gòu)、性能和服役行為等，闡明成分、微結(jié)構(gòu)和工藝對性能的控制機(jī)制，引導(dǎo)并支撐實(shí)體材料的研發(fā)和應(yīng)用。

在材料基因工程提出之前，新材料從研發(fā)到市場應(yīng)用實(shí)踐跨度非常大，某種材料從最初的研究開發(fā)，經(jīng)過性能優(yōu)化、系統(tǒng)設(shè)計與集成、驗(yàn)證、制造再到投入市場通常需要10-20年時間。部分原因是一直以來過度依賴對材料研發(fā)的科學(xué)自覺與實(shí)驗(yàn)判斷，目前大部分材料的設(shè)計與測試時通過耗時的重復(fù)實(shí)驗(yàn)完成的、而實(shí)際上，有些實(shí)驗(yàn)通過理論計算工具就能完成模擬。材料基因工程采用強(qiáng)大的計算分析和理論模擬工具，減少新材料研發(fā)和生產(chǎn)過程中對物理實(shí)驗(yàn)的依賴。改進(jìn)的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)和一體化的工程團(tuán)隊將允許設(shè)計、系統(tǒng)工程與生產(chǎn)活動的重疊與互動。這種新的綜合設(shè)計將結(jié)合更多的計算與信息技術(shù)，加上實(shí)驗(yàn)與表征方面的進(jìn)步，將顯著加快材料投入市場的種類及速度，材料的開發(fā)周期可從目前的 10~20 年縮短為 5~10 年。因此說材料基因組技術(shù)是一項(xiàng)“顛覆性前沿技術(shù)”

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