第一篇：基因工程技術在廢水處理中的應用研究

基因工程技術在廢水處理中的應用研究

摘 要：隨著科技的發展,產生了一系列嚴重的環境污染問題，尤其是對水的污染。越來越多的廢水難以用傳統方法進行處理，而基因工程技術作為一項新技術，逐漸應用到廢水處理中。基因工程技術是在DNA分子水平上按照人們的意愿進行的定向改造生物的新技術。本文介紹了基因工程技術的發展歷程、基本原理，對該技術的特點及研究內容進行了說明，重點介紹了基因工程技術在廢水處理中的應用，并對其發展趨勢作了展望。

關鍵詞：基因工程；原理；特點；廢水處理；應用

1引言

眾所周知，環境污染現已遠遠超出了自然界微生物的凈化能力，尤其是在廢水處理方面。如今生物法是廢水處理的主要方法，但生物法也有其局限性，并且有些特殊污水用自然界中自然進化的微生物難于降解，而基因工程的引進開辟了培育高降解能力新品菌種的方法，利用基因工程技術檢測微生物性狀、提高微生物凈化環境的能力是用于廢水治理的一項關鍵技術[1]。

20世紀50年代初, 由于分子生物學和生物化學的發展, 對生物細胞核中存在的脫氧核糖核酸(DNA)的結構和功能有了比較清晰的闡述。20世紀70年代，Berg等首次用限制性內切酶EcoRI切割病毒SV40 DNA和λ噬菌體DNA，經過連接，組成重組DNA分子，宣告了基因工程的誕生[2]。這一技術發展到今天, 正形成產業化并列為世界領先專業技術領域之一, 廣泛應用于食品、醫藥、化工、農業、環保、能源和國防等許多部門,并日益顯示出其巨大的潛力, 將為世界面臨的環境保護等問題的解決提供廣闊的應用前景。

2基因工程技術概述

基因工程（genetic engineering）又稱基因拼接技術或DNA重組技術，是一項極為復雜的高新生物技術, 它利用現代遺傳學與分子生物學的理論和方法,按照人類的需要, 用DNA重組技術對生物基因組的結構或組成進行人為修飾或改造, 從而改變生物的結構和功能, 使之有效表達出人類所需要的蛋白質或對人類有益的生物性狀[3]。基因工程技術為基因的結構和功能的研究提供了有力的手段。

2.1 基因工程技術的原理

基因工程技術是一種按照人們的構思和設計,在體外將一種生物的個別基因插入質粒或其他載體分子, 構成遺傳物質的重組, 然后導入到原先沒有這類分子的受體細胞內進行無性繁殖, 使重組基因在受體細胞內表達, 產生出人類所需要的基因產品的操作技術。或者說, 基因工程技術是在生物體外, 通過對一種生物的DNA分子進行人工剪切和拼接, 對生物的基因進行改造和重新組合, 再把它導入另一種生物的細胞里, 定向地改造生物的遺傳性狀, 產生出具有新的遺傳特性的生物[4]。

2.2 基因工程技術的特征

(1)跨物種性

外源基因到另一種不同的生物細胞內進行繁殖。(2)無性擴增

外源DNA在宿主細胞內可大量擴增和高水平表達。

2.3 基因工程技術的研究內容

一個完整的基因工程技術流程一般包括目的基因的獲得、載體的制備、基因的轉移、基因的表達、基因工程產品的分離提純等過程。詳細步驟和內容如下：(1)從復雜的生物有機體基因組中, 經過酶切消化或PCR擴增等步驟, 分離出帶有目的基因的DNA片段；

(2)在體外, 將帶有目的基因的外源DNA片段連接到能夠自我復制并具有選擇記號的載體分子上,形成重組DNA分子；

(3)將重組DNA分子轉移到適當的受體細胞(亦稱寄主細胞), 并與之一起增殖；(4)從大量的細胞增殖群體中, 篩選出獲得了重組DNA分子的受體細胞克隆；(5)從這些篩選出來的受體細胞克隆, 提取出已經得到擴增的目的基因, 供進一步分析研究使用；

(6)將目的基因克隆到表達載體上, 導入受體細胞, 使之在新的遺傳背景下實現功能表達, 產生出人類所需要的物質[5]。

3基因工程技術在廢水處理中的應用

隨著環境污染的加劇，出現了很多用傳統方法難以解決的問題，于是基因工程技術逐漸被應用到環境保護中，尤其在廢水的處理方面。

3.1基因工程技術在污水檢測中的應用

3.1.1 聚合酶鏈反應(PCR)技術在污水檢測中的應用

聚合酶鏈式反應(Polymerase Chain Reaction)是20世紀80年代后期由K.Mullis等建立的一種體外酶促擴增特異DNA片段的技術，PCR是利用針對目的基因所設計的一對特異寡核苷酸引物，以目的基因為模板進行的DNA體外合成反應。由于反應循環可進行一定次數(通常為25~30個循環)，所以在短時間內即可擴增獲得大量目的基因。這種技術具有靈敏度高、特異性強、操作簡便等特點。PCR技術的基礎是只有在微生物特定核酸存在的條件下，重復性酶促DNA合成和擴增才能夠發生。PCR擴增產物可通過瓊脂糖凝膠電泳來檢驗和純化，也可以被用來克隆、轉化和測序.在具體應用中往往采用經過修正的或與其它技術聯合應用的PCR衍生技術，如RT-PCR、競爭PCR、PCR-DGGE、PCR-SSCP和巢式PCR等[6]。

PCR通過對待測DNA片段的特異性擴增，一方面作為菌株定性鑒定的重要手段，同時也為定性和定量研究微生物的群落特征提供幫助。自PCR技術問世以來，通過其自身的不斷完善以及同其它相關技術的聯用，在污水生物處理微生物的檢測和鑒定方面得到了長足的發展，為該領域的研究提供了一個高效、靈敏、簡便的研究工具。應用PCR-DGGE(Polymerase Chain Reaction Denaturing Gradient Gel Electrphoreses)方法對環境微生物進行研究可以不經過培養，直接從樣品中提取細菌的DNA，再將編碼有16SrDNA的基因進行擴增。通過這種方法能夠直接了解樣品中微生物分布結構，并能大致比較相同條件下單一菌群的生物量。王峰等[7]采用PCR-DGGE技術來分析活性污泥與生物膜中微生物種群的結構，可以不經過常規培養而直接從活性污泥和生物膜樣品中提取DNA；Marsh等[8]利用PCR-DGGE分析并獲得了活性污泥中真核微生物的種群變化情況。以上的事實均說明，PCR-DGGE結合測序技術是一種完全可行的適于環境樣品微生物研究的快速分析方法。

3.1.2 熒光原位雜交技術(FISH)技術在污水檢測中的應用

熒光原位雜交技術(Fluorescence In Situ Hybridization，FISH)結合了分子生物學的精確性和顯微鏡的可視性，能夠在自然的微生物環境中檢測和鑒定不同的微生物個體，并提供污水處理過程中微生物的數量、空間分布和原位生理學等信息。FISH技術的基本原理是通過熒光標記的探針在細胞內與特異的互補核酸序列雜交，通過激發雜交探針的熒光來檢測信號從而對未知的核酸序列進行檢測[9]。

近年來，對污水處理的研究已經從簡單研究污水處理的表征現象轉移到更深入地研究活性污泥內部微生物種類及其特性。熒光原位雜交技術是一種微生物生態的研究技術，在測定過程中不破壞細胞、保持細胞形態完整，能夠真實反映在自然環境下微生物的形態結構及分布狀態。FISH技術的優勢在于可以了解微生物在污泥中的數量、形態及分布狀態等。雖然FISH技術在應用過程中還存在著一些問題，如：檢測的假陽性、假陰性等。但是，目前FISH技術在不斷發展完善的同時，已與其他分子生物技術相結合，這樣更能反映出污水中微生物種群的多樣性以及定量分析微生物種群在空間的動態變化[10]。

3.1.3 DNA重組技術在污水檢測中的應用

DNA重組技術的實質是，將兩個或多個單獨的DNA片段連接起來產生一個能在特定宿主中自主復制的DNA分子。其基本程序是:外源DNA的獲得；選擇載體并進行處理；將目的DNA片段和處理后的載體連接；將連接產物導入合適的宿主細胞內，使重組DNA分子在宿主細胞內復制擴增；將轉化菌落在平板培養基上培養成單個菌落，篩選獲得含有重組DNA的陽性克隆[11]。在廢水的處理過程中僅靠分離和篩選的功能性微生物是不夠的。在混合的微生物群體中篩選特定的微生物菌種時往往得不到預期的結果；特定的微生物可能難以培養，從而無法應用到實際的生物反應器中；人類排放到環境中的污染物越來越復雜且難以處理。因此，有必要通過基因工程技術并根據具體的需要構建有效的基因工程菌或培育出可高效降解復雜多樣的有害污染物的細菌來解決以上的問題。

3.2基因工程技術在有機廢水處理中的應用

生物處理法是廢水中有機污染物降解的主要方法，但是部分難降解有機污染物需要不同降解菌之間的協同代謝或共代謝等復雜機制才能最終得以降解,這無疑降低了污染物的降解效率。首先,污染物代謝產物在不同降解菌間的跨膜轉運是耗能過程,對細菌來說這是一種不經濟的營養方式；其次,某些污染物的中間代謝產物可能具有毒性，對代謝活性有抑制作用；此外,將不同種屬、來源的細菌的降解基因進行重組,把分屬于不同菌體中的污染物代謝途徑組合起來以構建具有特殊降解功能的超級降解菌,可以有效地提高微生物的降解能力。

劉春等[12]以生活污水為共基質,考察了基因工程菌在MBR和活性污泥反應器中對阿特拉津的生物強化處理效果,以及生物強化處理對污泥性狀的影響。結果表明,基因工程菌在MBR中對阿特拉津具有很好的生物強化處理效果,阿特拉津平均出水濃度為0.84 mg/L,平均去除率為95%,最大去除負荷可以達到70mg/(L·d)。生物強化的MBR對生活污水中COD的平均去除率為71%,COD平均出水濃度65mg/L。

呂萍萍等[13]研究發現，克隆有苯降解過程中的關鍵基因——甲苯加雙氧酶的基因工程菌E.coli.JM109(pKST11)對苯具有較高的降解效率和降解速度,應用于固定化細胞反應器中效果突出。在較短的水力停留時間內,可以將1500mg/L苯降解70%,降解速度為1.11mg/(L·s),延長水力停留時間,可以使去除率達到95%以上。該反應器對高濃度的苯具有突出的處理效果。同時所得到的產物為環己二烯雙醇,可以被野生非高效菌W3快速利用。

3.3基因工程技術在重金屬廢水處理中的應用

處理重金屬廢水的傳統方法有:中和沉淀法、化學沉淀法、氧化還原法、氣浮法、電解法、蒸發和凝固法、離子交換法、吸附法、溶劑萃取法、液膜法、反滲透和電滲析法等。目前最常用的就是基因工程技術，它與傳統的處理方法相比,具有以下優點[14]:(1)在低濃度下,金屬可以被選擇性地去除；(2)節能,處理效率高；(3)操作時的pH值和溫度條件范圍寬；(4)易于分離回收重金屬；(5)吸附劑易再生利用；(6)對鈣、鎂離子吸附量少；

(7)投資小,運行費用低,無二次污染。

3.3.1基因工程菌強化生物化學法處理重金屬廢水

生物化學法指通過微生物處理含重金屬廢水,將可溶性離子轉化為不溶性化合物而去除。硫酸鹽生物還原法是一種典型生物化學法,該法是在厭氧條件下硫酸鹽還原菌通過異化的硫酸鹽還原作用,將硫酸鹽還原成H2S,重金屬離子和H2S反應生成溶解度很低的金屬硫化物沉淀而被去除,同時H2SO4的還原作用可將SO42-轉化為S2-而使廢水的pH值升高,從而形成重金屬的氫氧化物而沉淀。中國科學院成都生物研究所從電鍍污泥、廢水及下水道鐵管內分離篩選出35株菌株,從中獲得高效凈化Cr(VI)復合功能菌。

袁建軍等[15]利用構建的高選擇型基因工程菌生物富集模擬電解廢水中的汞離子,發現電解廢水中其他組分的存在可以增大重組菌富集汞離子的作用速率,且該基因工程菌能在很寬的pH范圍內有效地富集汞。但高濃度的重金屬廢水對微生物毒性大,故此法有一定的局限性,不過,可以通過遺傳工程、馴化或構造出具有特殊功能的菌株,微生物處理重金屬廢水一定具有十分良好的應用前景。

3.3.2 基因工程強化生物絮凝法處理重金屬廢水

生物絮凝法是利用微生物或微生物產生的具有絮凝能力的代謝物進行絮凝沉淀的一種除污方法。生物絮凝劑又稱第三代絮凝劑，是帶電荷的生物大分子，主要有蛋白質、黏多糖、纖維素和核糖等。目前普遍接受的絮凝機理是離子鍵、氫鍵結合學說。前述硅酸鹽細菌處理重金屬廢水可能的機理之一就是生物絮凝作用。目前對于硅酸鹽細菌絮凝法的應用研究已有很多，有些已取得顯著成果。運用基因工程技術，在菌體中表達金屬結合蛋白分離后，再固定到某些惰性載體表面，可獲得高富集容量絮凝劑[16]。

3.4基因工程菌在制藥廢水處理中的應用

化學合成制藥廢水中有機污染物濃度高、可生化性差且組分復雜, 屬于難處理廢水。利用基因工程技術構建高選擇性基因工程菌可以提高微生物生物強化處理技術。因此，采用跨界融合技術，構建基因工程菌Xhhh處理制藥廢水，其出水水質可以達到《污水綜合排放標準》GB 8978—1996 一級標準。運行結果表明，該工藝處理效果穩定高效[17]。

4結語 自2000年，國際上提出基于系統生物學原理的基因工程概念后，基因工程被應用于社會各個領域，并且手段日新月異。在環境領域當中，基因工程正迅速應用到廢水檢測和廢水治理當中，培養出新的特效物種并進一步提高其應用效率、降低應用成本。隨著分子生物學技術、環境工程檢測技術的發展，并結合我們已經掌握的微生物群落結構和功能方面的知識,我們逐漸了解到污水生物處理系統中微生物群體的多樣性、實際生存狀態、功能特點,并更有效地對其加以開發和利用。此外，基因工程菌的出現，使以往的一些難降解有機廢水、制藥廢水、石油廢水、重金屬污染廢水以及其他有毒有害廢水等都得到了有效地治理，還會實現廢水資源化。當前，引入DNA擴增和其它生物技術的環境監測方法等將是基因工程技術研究的側重方向。

基因工程技術作為一種新興技術以極快的速度發展著。以下兩方面的研究將對水資源的保護有重要意義。一是對基因工程菌的深入研究，如基因工程菌對污染物的代謝途徑、控制目的基因表達的啟動子基因序列、降解基因表達的調控條件的優化等方面的研究。二是對環境中微生物的習性及基因工程菌與環境中微生物和污染物之間的相互作用進行研究。從而使基因工程菌在治理有機物污染方面的實際應用成為可能。目前的研究主要是利用單一的基因工程菌對污染物進行處理,隨著研究的不斷深入,利用多種基因工程菌相結合對污染物進行處理,將對水資源保護起到更為重要的作用。

參考文獻

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第二篇：基因工程技術在廢水處理中的應用

基因工程技術在廢水處理中的應用

李孟 廖改霞

（武漢理工大學市政工程系，湖北 武漢 430070）

【摘要】基因工程技術是在DNA分子水平上按照人們的意愿進行的定向改造生物的新技術。利用基因工程技術提高微生物凈化環境的能力是用于廢水治理的一項關鍵技術。本文介紹了基因工程技術的原理、特點和主要研究內容，重點闡述了基因工程技術在廢水處理中的應用,并對其研究方向作了展望。關鍵詞：基因工程 技術 廢水處理 應用

The application of gene engineering technique to wastewater treatment

Li Meng

Liao Gaixia(Department of Municipal Engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070)Abstract: Gene engineering technique was the new technique for modifying living beings according to human wishes on the DNA molecular level and the key technique for wastewater treatment by improving the purifying environment ability of microbes.The paper introduced the principle, characteristic, main research content of gene engineering technique, emphasized on formulating the application of gene engineering technique in wastewater treatment, and discussed its research orientation in the end.Key words: gene engineering

technique

wastewater treatment

application

利用基因工程技術提高微生物凈化污染物的能力是現代生物技術用于廢水治理的一項關鍵技術。20世紀50年代初,由于分子生物學和生物化學的發展,對生物細胞核中存在的脫氧核糖核酸(DNA)的結構和功能有了比較清晰的闡述。20世紀70年代初實現了DNA重組技術,逐步形成了以基因工程為核心內容,包括細胞工程、酶工程、發酵工程的生物技術。這一技術發展到今天,正形成產業化并列為世界領先專業技術領域之一,廣泛應用于食品、醫藥、化工、農業、環保、能源和國防等許多部門,并日益顯示出其巨大的潛力,將為世界面臨的水污染等問題的解決提供廣闊的應用前景[1]。基因工程技術概述

基因工程技術是一種按照人們的構思和設計,在體外將一種生物的個別基因插入病毒、質粒或其他載體分子,構成遺傳物質的重組,然后導入到原先沒有這類分子的受體細胞內，能持續穩定地進行無性繁殖,使重組基因在受體細胞內表達,產生出人類所需要的基因產品的操作技術。基因工程技術是一項極為復雜的高新生物技術,它具有高效、經濟、清潔、低耗、可持續發展、預見性和準確性等特點[2]。一個完整的基因工程技術流程一般包括目的基因的獲得、載體的制備、目的基因與載體的連接、基因的轉移、陽性克隆的篩選、基因的表達、基因工程產品的分離提純等過程[1]。基因工程技術在廢水處理中的應用

基因工程技術應用于廢水處理是水處理領域一項具有廣泛應用前景的新興技術。常規的廢水處理方法有物化法、生物法等。由于一般的物化方法只是污染物的轉移，不能從根本上治理，且容易造成二次污染，成本也較高，生物法逐漸成為廢水處理的主要方法。但是由于廢水的多樣性及其成分的復雜性，自然進化的微生物降解污染物的酶活性往往有限，如果能利用基因工程技術對這些菌株進行遺傳改造，提高微生物酶的降解活性，并可大量繁殖，就可以定向獲得具有特殊降解性狀的高效菌株，方便有效地應用于水污染處理。因此，構建基因工程菌成為現代廢水處理技術的一個重要研究方向，且日益受到人們的重視。

2.1 利用基因工程菌富集廢水中的重金屬離子

近幾十年來,經濟的高速發展導致各種有毒、有害金屬污染物,經生產和使用過程中的各種渠道進入環境。高穩定性和高脂溶性使其在環境中具有停留時間長、能沿著食物鏈富集等特點,嚴重威脅著人類的健康和生存。隨著國家對污染物排放標準的要求日益嚴格,單純使用傳統生物法處理這類重金屬廢水在適應性和高效性等方面存在局限性。針對這一問題,一些新型生物處理技術應運而生,其中利用基因工程菌代替普通微生物處理重金屬是近年來研究的熱點。此法采用生物工程技術將微生物細胞中參與富集的主導性基因導入繁殖力強、適應性能佳的受體菌株內,大大提高了菌體對重金屬的適應性和處理效率。

X.W.Zhao等[3]研究發現,宿主菌在Hg2+濃度為1mg/L的LB培養液中生長嚴重受抑,而基因工程菌E.coliJM109在Hg2+濃度為7.4mg/L時仍能增殖,且Hg2+富集量為2.97mg/g(細胞干重),去除率達96%以上。

Carolina Sousa等[4]構建了表達酵母金屬硫蛋白(CUP1)、哺乳動物金屬硫蛋白(HMT-1A)和外膜蛋白LamB的融合蛋白的基因工程菌E.coli,該菌種的Cd2+富集能力比原始宿主菌提高15～20倍。K.Kuroda[5]等在釀酒酵母細胞壁處的凝集素蛋白中表達了含His的寡肽,增強了酵母對Cu2+的抗性和吸附能力,其Cu2+富集能力比對比菌株提高了8倍多。

X.Deng等[6]構建了同時表達鎳轉運系統和金屬硫蛋白的基因重組菌E.coliJM10,將其用于處理含鎳廢水的試驗研究時,發現其對Ni2+的富集能力比原始宿主菌增加了6倍多。

趙肖為等[7]利用基因工程菌E.coli SE5000 對水體中的鎳離子進行富集研究。菌體細胞對Ni2+的富集速率很快,富集過程滿足Langmuir 等溫線模型。經基因改造的基因工程菌不僅最大鎳富集容量與原始宿主菌相比增加了4倍多,而且對pH值的變化呈現出更強的適應性。袁建軍等[8]利用構建的高選擇型基因工程菌生物富集模擬電解廢水中的汞離子。模擬電解廢水中除含有3.0 mg·L-1的汞離子外, 還含有十種以上的其它金屬離子。實驗表明,與重組菌對只含汞離子的水溶液的處理結果比較, 電解廢水中其它組份的存在意外地增大了重組菌富集汞離子的作用速率, 但同時卻使細菌的最大汞富集量降低了約30%。

張迎明等[9]利用基因重組技術構建出基因工程菌Staphylococcus aureusATCC6538，該工程菌在IPTG用量為1.00mmol·L-1,誘導時間為4 h的條件下培養對鎳離子的富集能力最高。在不同鎳離子濃度時,基因工程菌對溶液中Ni2+的平衡富集量為11.33mg·g-1,與原始宿主菌相比提高了3倍。對基因工程菌吸附鎳和鈷的實驗表明,Staphylococcus aureusATCC6538的NiCoT對鎳具有較高的特異性和富集容量,屬于第Ⅲ類鎳鈷轉運酶。

2.1 利用基因工程菌降解廢水中的有機污染物

生物處理法是廢水中有機污染物降解的主要方法，但是部分難降解有機污染物需要不同降解菌之間的協同代謝或共代謝等復雜機制才能最終得以降解,這無疑降低了污染物的降解效率。首先,污染物代謝產物在不同降解菌間的跨膜轉運是耗能過程,對細菌來說這是一種不經濟的營養方式；其次,某些污染物的中間代謝產物可能具有毒性，對代謝活性有抑制作用；此外,將不同種屬、來源的細菌的降解基因進行重組,把分屬于不同菌體中的污染物代謝途徑組合起來以構建具有特殊降解功能的超級降解菌,可以有效地提高微生物的降解能力[10]。

Satoshi Soda等[11]將基因工程菌P.putidaBH(pSl0-45)接種到SBR反應器的活性污泥中,用于處理500mg/L的苯酚廢水,在大大提高苯酚去除率的同時改善了污泥沉降性能。南京大學、揚子石油化工有限責任公司、香港大學、國家環保總局南京環境科學研究所聯合完成了跨界融合構建基因工程菌處理石化廢水的生物工程技術。在優化調控技術的基礎上,該菌株對二甲苯、苯甲酸、鄰苯二甲酸、4-羧基苯甲醛和對苯二甲酸的降解率分別高達86%、94%、99%、97%和94%,比原工藝提高了20%～30%,總有機碳去除率達到了94%；污水經過處理后,銅、錳、鋅、硒的濃度符合國家規定排放標準,生物毒性明顯降低。

劉春等[12]以生活污水為共基質,考察了基因工程菌在MBR和活性污泥反應器中對阿特拉津的生物強化處理效果,以及生物強化處理對污泥性狀的影響。結果表明,基因工程菌在MBR中對阿特拉津具有很好的生物強化處理效果,阿特拉津平均出水濃度為0.84 mg/L,平均去除率為95%,最大去除負荷可以達到70mg/(L·d)。生物強化的MBR對生活污水中COD的平均去除率為71%,COD平均出水濃度65mg/L。

陳俊等[13]采用跨界原生質融合技術,構建基因工程特效菌Fhhh,實現廉價工業化生產Fhhh菌劑,在10m3/d精對苯二甲酸廢水處理實驗裝置中,容積負荷率達到3.0 kg/(L·d)以上,生物負荷率達到1.42d-1,出水水質達到國家一類標準,與國內外同類裝置相比,生物負荷率處于先進水平。

蔣建東等[14]采用同源重組法成功構建了分別含1個和2個mpd 基因插入到rDNA位點且不帶入外源抗性的多功能農藥降解基因工程菌株CDS2mpd和CDS22mpd。基因工程菌遺傳穩定,能同時降解甲基對硫磷和呋喃丹。甲基對硫磷水解酶(MPH)的比活在各生長時期均高于原始出發菌株,比活最高達6.22mu/μg。

劉智等[15]采用基因工程技術構建出具有耐鹽、降解苯乙酸和水解甲基對硫磷的功能的基因工程菌H2pKT2MP和H2pBBR2MP,其中H2pBBR2MP水解酶活性與親本菌株甲基對硫磷降解菌(Pseudomonas putida)DLL2E4相當,而H2pKT2MP水解酶活性要提高1倍左右。

呂萍萍等[16]研究發現，克隆有苯降解過程中的關鍵基因——甲苯加雙氧酶的基因工程菌E.coli.JM109(pKST11)對苯具有較高的降解效率和降解速度,應用于固定化細胞反應器中效果突出。在較短的水力停留時間內,可以將1500mg/L苯降解70%,降解速度為1.11mg/(L·s),延長水力停留時間,可以使去除率達到95%以上。該反應器對高濃度的苯具有突出的處理效果。同時所得到的產物為環己二烯雙醇,可以被野生非高效菌W3快速利用。展望

隨著基因工程菌的出現,基因工程技術將不斷應用于更多的廢水治理工程中。培養出新的特效物種并進一步提高其應用效率、降低應用成本；運用各種相關技術加以優化組合,尤其是高效、低能耗、易普及的特種微生物與特殊工藝的最佳結合；加強不同專業、不同學科之間的合作,如將毒理學和微生物學和環境工程學相結合；從根本上消除污染源,充分協調人與自然之間的關系,充分實現廢水資源化,引入DNA 擴增和其它生物技術的環境監測方法等將是基因工程技術研究的側重方向。基因工程技術作為一種新興技術以極快的速度發展。以下兩方面的研究將對水資源保護有著重要意義。一是對基因工程菌的深入研究,如基因工程菌對污染物的代謝途徑、控制目的基因表達的啟動子基因序列、降解基因表達的調控條件的優化等方面的研究；二是對環境中微生物的習性及基因工程菌與環境中微生物和污染物之間的相互作用進行研究。目前的研究主要是利用單一的基因工程菌對污染物進行處理,隨著研究的不斷深入,利用多種基因工程菌相結合對污染物進行處理,將對水資源保護起到更為重要的作用。

參考文獻

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2003,23(1)：12-15

第三篇：霉菌的基因工程技術

霉菌的基因工程技術

課程：食品生物技術 專業： 班級： 學號： 姓名：

完成時間：2011 年5月26日

霉菌的基因工程技術

摘要：霉菌在自然界中分布廣泛，與人們的日常生活極為密切。自從弗萊明發現青霉素以來，國內外對霉菌的研究引起眾多學者的關注，本文對目前霉菌的應用現狀作一綜述，并介紹了利用基因工程改良霉菌菌種常用的幾種方法。

關鍵詞：霉菌 基因工程 菌種改良 應用

0前言

霉菌是能引起物種霉變的絲狀真菌的統稱，是真菌的一部分。凡是生長在培養基上呈絨毛狀、蜘蛛網狀或絮狀菌絲體的菌落，都稱之為霉菌。霉菌在自然界中分布非常廣泛，與人們的日常生活極為密切，用途很多，如用于傳統的釀酒、制醬和制作副食品及其他的發酵食品，并可從中提取藥物、色素等。總之霉菌在農業、紡織、食品、醫藥、皮革及促進自然界的物質循環等方面都起著極為重要的作用。當然它對人類也有有害的方面，如可使人、畜、農作物患病，使食品、紡織品霉變等。1霉菌的應用 1.1抗生素

抗生素是微生物在代謝過程中產生的能選擇性地抑制其它種微生物生長和活動，甚至殺滅它種微生物的生物活性物質。隨著青霉素的發現和由此研制而成的多種抗生素使人類得以治愈傳染病、有效地控制傳染病的流行。除了青霉素，還有許多抗生素來源于霉菌，例如灰黃霉素、頭孢霉素等。1.2 生物農藥

自然界中有很多生物合成的天然物質具有農藥功能，提取其有效成分加工為農藥應用,這是制取生物農藥的主要途徑。目前包括我國在內的許多國家還大量應用化學農藥，已普遍導致了對環境的污染，致使農產品安全衛生問題嚴重，品種下降，并頻繁危及人類身體健康。生物農藥有以下幾個優點:能有效的控制害蟲，不殺傷天敵，不破壞生態平衡，不污染環境，因而有廣闊的開發前景。目前從霉菌著手尋找生物農藥的研究也很深入廣泛，例如：木霉菌是一類具有廣譜性、拮抗性生物防治菌。1.3天然色素

食品及化妝品生產領域中都離不開色素，但多使用化學合成色素，其毒性問題已逐步引起人們的關注，國內外在其用量及使用范圍方面均有限制。從生物中提取的天然食用色素無毒性，食用安全性好，但大多數因原料來源少，價格高限制了其廣泛應

用。目前用霉菌生產色素的例子也很多，例如:紅曲霉菌，是用于提取色素最多的霉菌，中國利用紅曲已有上千年的歷史，用于紅腐乳、酒類和其他食品中。1.4抗腫瘤

在霉菌發酵產物中還發現有能抑制缺氧信號傳遞的小分子物質，很多類型的人類腫瘤細胞都處在嚴重缺氧的狀態下，它們為了生存，建立了一系列的級聯反應來緩解缺氧。Pladienolides是一類由普拉特鏈霉菌 Mer2 11107發酵產生的大環內酯類抗生素，可抑制腫瘤細胞生長和缺氧信號傳遞，它在小鼠異種皮移植入腫瘤的模型中表現出了強大的抗腫瘤效果。可見它有望成為新型的抗腫瘤藥物。1.5具有特殊活性的酶

木霉菌能產生纖維素酶，它可直接作用于纖維素使其斷裂分解為低分子的化合物及葡萄糖等被動物所利用，另一方面，纖維素酶可使粗纖維素分解從而可使更多的植物細胞內容物分離出來，提高了這些營養物質的消化率。此外，木霉菌還可產生半纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶、果膠酶，這些酶的共同作用可提高對碳水化合物、蛋白質和礦物質的消化吸收率，促進吸收[1]。1.6食品發酵

腐乳是我國獨特的傳統發酵食品之一，系用豆腐坯經毛霉菌培養釀制而成。毛霉菌種的質量好壞關系到腐乳的形狀、色澤滋味及理化質量，目前經過菌種選育，已獲得一株生長快速、菌絲旺盛、蛋白酶活性強的毛霉菌株，用它制成的接種劑可用于腐乳和臘八生產，其產品質量優良、穩定[2]。此外，常用于腐乳的霉菌還有黑根霉、米曲霉、紅曲霉等[3]。2基因工程

2.1基因工程的涵義

用酶學方法，將異源基因與載體DNA在體外進行重組，將形成的重組子DNA導入宿體細胞，使異源基因在宿體細胞中復制表達，從而達到改造生物品種或性狀，大量生產出人類所需要的生物品種和產物。[4]2.2基因工程操作的主要步驟：

（1）采用cDNA文庫人工合成或PCR擴增，分離制取目的基因片段（2）采用核酸限制性內切酶Ⅱ同時剪切目的基因和克隆載體

（3）在T1DNA連接酶的作用下將目的基因與基因載體連接而成重組DNA（4）把重組DNA分子導入受體細胞，并在一起擴增而成克隆子（5）標記分析和篩選出獲得重組DNA分子的克隆受體細胞

（6）進一步了擴增、轉化、表達，最終生成新的優良性狀的菌種或人類所需要的產品

2.3基因工程的工具酶

酶在基因工程操作中是不可缺少的工具，在基因工程中應用的酶統稱為工具酶。要取得所需的目的基因DNA并與載體DNA連接在一起形成DNA重組體，首先要提供限制性內切酶和DNA連接酶。此外，還有其他工具酶，如T1多聚核苷酸激酶、堿性磷酸酯酶、核酸酶S1、反向轉錄酶和末端脫氧核苷酸轉移酶等。到目前為止，常用的工具酶已有3000多種。2.4基因工程的載體

目前，在基因工程中應用的基因載體主要是質粒、病毒和噬菌體。載體的具備以下幾個性能：

（1）分子較小，可攜帶比較大的ＤＮＡ片段。

（2）能獨立于染色體而進行自主復制并且是高效的復制。

（3）要有盡可能多種限制酶的切割位點，但每一種限制酶又要最少的切割位點。（4）有適合的標記，易于選擇。

（5）有時還要求載體要能啟動外源基因進行轉錄及表達，并且盡可能是高效的表達。

（6）從安全角度考慮，要求載體不能隨便轉移，僅限于在某些實驗室內特殊菌種內才可復制等等。3霉菌的基因工程改良 3.1目的基因的制備

3.1.1限制酶法 用限制性內切酶消化含有目的基因的外源，使其獲得目的基因,并使之產生粘性或平頭末端 ,以與載體連接。限制酶有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種類型,常用的為Ⅱ型酶 ,因為它有特異性識別位點 ,切口有規律 ,只要有鎂離子即可激活,且效率極高。

3.1.2cDNA法 由于真核生物的基因中含有非編碼間隔區 ,在原核生物中無法正常表達 ,必須除去內含子。mRNA是經轉 錄加工過 的RNA,無內含子 ,在反轉錄酶下,以mRNA為模板合成出互補DNA再加上接頭,即可與載體連接。

3.1.3 PCR擴增技術實際是體外DNA合成放大技術。其基本原理是依據細胞分裂中DNA合成半保留機制，及在體外DNA分子于同溫度下雙鏈和單鏈可以互相轉變的性質 ,人為控制體外合成系統的溫度,使雙鏈變成單鏈。單鏈DNA和人工引物退火。以

及在dNTP存在下 ,耐高溫的DNA 聚合酶使引物沿單鏈模板延升雙鏈DNA高溫變性,低溫退火,適溫延升等三步循環使DNA 擴增。

3.1.4鳥槍法 鳥槍法實質上是采用基因工程手段把染色體DNA用限制性內切酶切割，將所有的片段都連接到某種載體上，轉入大腸桿菌中增值。再用適當方法來篩選含該基因的重組體菌落，從重組體細菌提取DNA，經酶切后即可制取該基因。對真核細胞基因，因酶切后形成大小不等的成千上萬DNA片段，若采用此法則難于篩選出所需要的基因。因此，可采用凝膠電泳、密度梯度離心法或液相層析等方法。先把DNA片段按大小分成幾個組，然后，在采用鳥槍法分離目的基因。

3.2選擇適當的載體 載體是用于傳遞外源DNA序列進人宿主細胞,其本身也為DNA分子。

合適的載體有如下要求：必須能 自我復制。有可克隆位點 ,供外源DNA插人。有可供選擇的遺傳標記 ,如抗藥性基因、酶基因、營養缺陷型等。載體應盡量小 ,抗剪切力。表達型載體應具備與宿住基因相應的啟動子、增強子、前導序列。常用的載體有：質粒載體、入噬菌體、粘粒、絲狀噬菌體、病毒載體、酵母人工染色體卡粒載體。

3.3目的基因的體外重組

目的基因的體外重組即將帶有切口的載體與所獲得的目的基因連接起來，得到重新組合后的DNA分子。重組有如下方法：:粘粒末端法 ,且常用雙標記法。平頭末端連接法 ,用T4DNA連接法。人工接頭法,其大小應為8─12bp。用同聚物接尾法 ,常用cDNA法。

3.3.1粘性末端連接法：當載體DNA和目的基因均用同一種限制酶進行切斷時，二者即可帶有相同的粘性末端。如將載體與目的基因混合在一起，二者即可通過粘性末端進行互補粘合，再加入DNA連接酶，即可封閉其缺口，得到重組體。較少的情況下，對產生的平端也可直接進行連接。

3.3.2人工接尾法：即同聚物加尾連接法。當載體和目的基因無法采用同一種限制酶進行切斷，無法得到相同得粘性末端時，采用此方法。首先使用單鏈核酸酶將粘性末端切平，再在末端核苷酸轉移酶的催化下，將脫氧核糖核苷酸添加于載體或目的基因的3'-端，如載體上添加一段polyG，則可在目的基因上添加一段polyC，故二者即可通過堿基互補進行粘合，再由DNA連接酶連接。

3.3.3人工接頭連接法：將人工連接器（即一段含有多種限制酶切點的DNA片段）連接到載體和目的基因上，即有可能使用同一種限制酶對載體和目的基因進行切斷，得到可以互補的粘性末端。3.4重組DNA導入宿主細胞

重組子構建后 ,必須送人宿主細胞使之發揮作用 ,常用物理方法、化學方法和生物方法。其一般過程為：

（1）將細菌用CaCl2處理，以增大細菌細胞壁的通透性。（2）使含有目的基因的重組質粒進入受體細胞。

（3）目的基因在受體細胞內，隨其繁殖而復制，由于細菌繁殖的速度非常快，在很短的時間內就能獲得大量的目的基因。3.4.1物理方法

3.4.1.1基因槍法 該方法是利用一種物理儀器裝置，將鎢、金等金屬微粒加速沖擊細胞，把細胞擊孔，使目的基因進入受體。

3.4.1.2電激法 是利用高壓電脈沖的作用對原生質體或細胞擊出微孔而使基因轉移的一種新方法。

3.4.1.3激光微束法，此方法是利用直徑很小、能量很高的激光微束引起細胞膜可逆性穿孔的原理，在熒光顯微鏡下找出合適的細胞，然后用激光光源代替熒光光源，聚焦后發出激光微束脈沖，造成膜穿孔，處于細胞周圍的外源DNA分子隨之進入細胞。

3.1.4.4超聲波法基本原理：是利用低聲強脈沖超聲波的物理作用，擊穿細胞膜造成通道，使外源DNA進入細胞。3.4.2化學方法

3.4.2.1PEG法(聚乙二醇)PEG是細胞融合劑，它可以使細胞膜之間或DNA與膜之間形成分子橋，促使相互之間的接觸和粘連；還可以引起膜表面電荷的紊亂，干擾細胞間的識別，從而有利于細胞膜之間的融合和外源DNA進入原生質體。

3.4.2.2脂質體法

脂質體是由人工構建的磷脂雙分子層組成的膜結構，可將DNA包在其內，并通過脂質體與原生質體的融合或由于原生質體的吞噬過程，把外源DNA轉運到細胞內。3.4.3生物方法

3.4.3.1轉化 以質粒作載體構建的重組體導入受體細胞的過程 3.4.3.2轉染 以病毒作載體構建的重組體導入受體細胞的過程 3.4.3.3轉導 以噬菌體作載體構建的重組體導入受體細胞的過程 3.5重組DNA的篩選與鑒定

基因工程的最終目的是通過載體將外源基因導入合適的宿主細胞中高效表達，產生有重要價值的蛋白質產品。

3.5.1克隆基因表達有三個條件： ⑴ 基因的編碼區不能被插入序列中斷

⑵ 基因轉錄要有啟動子，而啟動子必須能被宿主細胞的RNA聚合酶有效地識別 ⑶ mRNA必須相當穩定，并有效地被翻譯，產生的外源蛋白質必須不為宿主細胞的蛋白酶所降解。

3.5.2篩選含重組體的陽性菌落的方法：平板篩選、限制酶切圖譜篩選、PCR篩選重組體、原位雜交技術。

3.5.2.1平板篩選

平板篩選是指利用載體的遺傳性標記在平板上直接篩選的方法。具有抗藥性標記的載體，轉化宿主細胞后，能在含抗生素的培養平板上生長；未轉化的則不能生長。

(1)插入失活 當外源DNA序列插入質粒中某一抗藥基因內，使該基因失活，轉化細胞就不能生長在含相應抗生素的培養平板上。

(2)藍-白篩選 利用藍色化合物的形成作為指示劑，篩選帶重組質粒的細菌。當外源片段插入到pBS質粒的多克隆位點上后會導致讀碼框架改變,表達蛋白失活,產生的氨基酸片段失去α-互補能力,含重組質粒的轉化子在生色誘導培養基上只能形成白色菌落。而沒有重組質粒的轉化子產生α-互補，在生色底物X-gal(5-溴-4氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷)下存在下被IPTG(異丙基硫-β-D-半乳糖苷)誘導形成藍色菌落。

3.5.2.2原位雜交技術

原位雜交技術的基本原理是利用核酸分子單鏈之間有互補的堿基序列，將有放射性或非放射性的外源核酸(即探針)與組織、細胞或染色體上待測DNA或RNA互補配對，結合成專一的核酸雜交分子，經一定的檢測手段將待測核酸在組織、細胞或染色體上的位置顯示出來。

3.5.2.3限制酶切圖譜篩選

所謂的限制性酶切圖譜法就是對載體上插入的外源DNA片段進行酶切圖譜分析，并以此與目的基因的已知圖譜對比，因此利用這種方法不僅能區分重組子與非重組子，而且還能鑒定目的重組子。但這種方法在用于數千規模的轉化子篩選時，工作量極大，實驗成本也高。

4用基因工程獲得抗生素高產菌株的實例

青霉素G酞化酶活力的提高[5] 青霉素G酞化酶可把青霉素G轉化為 6一APA,它是新合成或半合成青霉素的有用原料 ,在抗生素工業中有著重要作用 ,因大腸桿 菌ATC-CL105菌株可產生青霉素G酞化酶,可將這種酶基因連接于一個多拷貝質粒載體上 ,通過基因測量應提高青霉素G酞化酶活力水平,用裝配型質粒克隆系統進行青霉素G酞化酶基因的克隆,ATC-CL105菌株DNA用 ΗindⅢ切開并插人裝配型質粒上 ,得到由3000個克隆組成的ATC-CL105的基因文庫,克隆帶有青霉素G酞化酶基因被生物測試系統選得 ,文庫的單菌落涂布于含有青霉素G和一株對6一APA敏感的粘質少母氏菌菌株的軟瓊脂上,產生青霉G酞化酶的克隆通過對敏感性測試菌抑制 圈來識別 ,篩選文庫中的 10000個菌落,獲得一個陽性克隆,把亞克隆青霉素G酞化酶基因轉移于PBR322質粒上,該質粒在每個細胞中擴增約50個拷貝,但酞化酶只增產6倍,大腸桿菌中PBR322質粒上的克隆青霉素G酞化酶基因在發酵條件下使用相當穩定。

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第四篇：基因工程技術應用綜述

綜述

----基因工程技術應用

摘要:從 20 世紀 70 年代初發展起來的基因工程技術，經過 30 多年來的進步與發展，已成為生物技術的核心內容。許多科學家預言，生物學將成為21世紀最重要的學科，基因

工程及相關領域的產業將成為21世紀的主導產業之一。因工程研究和應用范圍涉及農業、工業、醫藥、能源、環保等許多領域。

關鍵詞:基因工程技術；現狀；發展；應用；存在問題

基因工程應用于植物方面從20世紀80年代每個科學家獲得第一株轉基因植物到現在的十

幾年時間內，農業生物技術的發展日新月異，大量的轉基因植物進入了大田試驗，有不少轉

基因作物被批準進入商品化生產。農業生物技術的研究主要集中在美國、加拿大和歐洲的一

些發達國家以及南美和亞洲的一些國家。從1987年到1999年1月，美國共批準 4779 項基

因工程作物進入大田試驗。從基因工程作物大田試驗的種類來看，試驗次數最多的是抗除草

劑的基因作物，其次是抗病蟲害的農作物；從作物品種來看，已經進入大規模測試的農作物

有玉米、土豆、番茄、大豆、棉花、瓜類，水稻、小麥等已進入中型規模的大田 試驗。至 1999

年，轉基因玉米、番茄、土豆、棉花、大豆等均已批準進入市場。據統計，全球消費的農

產品中，大豆的 60%、棉花的 40%、玉米的 30%都是經 過基因工程改造過農業領域是目前

轉基因技術應用最為廣泛的領域之一。農作物生物技術的目的是提高作物產量，改善品質，增強作物抗逆性、抗病蟲害的能力。基因工程在這些領域已取得了令人矚目的成就。由于植

物病毒分子生物學的發展，植物抗病基因工程也也已全面展開。自從發現煙草花葉病毒(TMV)的外殼蛋 白基因導入煙草中，在轉基因植株上明顯延遲發病時間或減輕病害的癥狀，通過

導入植物病毒外殼蛋白來提高植物抗病毒的能力，已用多種植物病毒進行了試 驗。在利用

基因工程手段增強植物對細菌和真菌病的抗性方面，也已取得很大進展。植物對逆境的抗性

一直是植物生物學家關心的問題。由于植物生理學家、遺 傳學家和分子生物學家協同作戰，耐澇、耐鹽堿、耐旱和耐冷的轉基因作物新品 種(系)也已獲得成功。植物的抗寒性對其生

長發育尤為重要。科學家發現極地的 魚體內有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增長，從而免

受低溫的凍害并正常地生活 在寒冷的極地中。將這種抗凍蛋白基因從魚基因組中分離出來，導入植物體可獲 得轉基因植物。隨著生活水平的提高，人們越來越關注口味、口感、營養

成分、欣賞價值等品質性狀。實踐證明，利用基因工程可以有效地改善植物的品質，而 且

越來越多的基因工程植物進入了商品化生產領域，近幾年利用基因工程改良作 物品質也取

得了不少進展, 如美國國際植物研究所的科學家們從大豆中獲取蛋白 質合成基因，成功地

導入到馬鈴薯中，培育出高蛋白馬鈴薯品種，其蛋白質含量接近大豆，大大提高了營養價值，得到了農場主及消費者的普遍歡迎。在花色、花香、花姿等性狀的改良上也作了大量的研究。

基因工程應用于醫藥方面目前基因工程應用于醫藥方面。以基因工程藥物為主導的基因工

程應基因工程應用于醫藥方面用產業已成為全球發展最快的產業之一,發展前景非常廣闊。

基因工程藥物主要包括細胞因子、抗體、疫苗、激素和寡核甘酸藥物等。它們對預防人類的腫瘤、心血管疾病、遺傳病、糖尿病、包括艾滋病在內的各種傳染病、類風濕疾病等有重要

作用。在很多領域特別是疑難病癥上，基因工程工程藥物起到了傳統化學藥物難以達到的作

用。我們最為熟悉的干擾素(IFN)就是一類利用基因工程技術研制成的多功能細胞因子，在臨床上已用于治療白血病、乙肝、丙肝、多發性硬化癥和類風濕關節炎等多種疾病。目前，應用基因工程研制的艾滋病疫苗已完成中試，并進入臨床驗證階段；專門用于治療腫瘤的“腫瘤基因導彈”也將在不久完成研制，它可有目的地尋找并殺死腫瘤，將使癌癥的治愈成為可能.由中國、美國、德國三國科學家及中外六家研究機構參與研制的專門用于治療乙肝、慢遷肝、慢活肝、丙肝、肝硬化的體細胞基因生物注射劑，最終解決了從剪切、分離到吞食肝細胞內肝炎病毒，修復、促進肝細胞再生的全過程。經 4 年臨床試驗已在全國 面向肝炎患者。此項基因學研究成果在國際治肝領域中，是繼干擾素等藥物之后的一項具有革命性轉變的重大醫學成果。

基因工程應用于環保方面.工業發展以及其它人為因素造成的環境污染已遠遠超出了自然界微生物的凈化能力，已成為人們十分關注的問題。基因工程技術可提高微生物凈化環境的能力。美國利用 DNA 重組技術把降解芳烴、多環芳烴、脂肪烴的 4 種菌體基因鏈接，轉移到某一菌體中構建出可同時降解 4 種有機物的“超級細菌”，用之清除石油污染，在數小時內可將水上浮油中的 2/3 烴類降解完，而天然菌株需 1 年之久。也有人把 Bt 蛋白基因、球形芽孢桿菌表達成功。它能釘死蚊蟲與害蟲，而對人畜無害，不污染環境。現已開發出的基因工程菌有凈化農藥的 DDT 的細菌、降解水中的染料、環境中有機氯苯類和氯酚類、多氯聯苯的工程菌、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 組技術可以創新基因，并賦予表達產物以新的功能，創造出全新的微生物，如可 將降解某一污染物的不同細菌的基因通過 PCR 技術全部克隆出來，再利用基因重組技術在體外加工重組，最后導入合適的載體，就有可能產生一種或幾種具有 非凡降解能力的超級菌株，從而大大地提高降解效率。

前景展望。由于基因工程運用 DNA 分子重組技術，能夠按照人們預設的前景展望的設計創造出許多新的遺傳結合體，具有新奇遺傳性狀的新型產物，增強了人們改造動植物的主觀能動性、預見性。而且在人類疾病的診斷、治療等方面具有革命性的推動作用，對人口素質、環境保護等作出具大貢獻。所以,各國政府及一些大公司都十分重視基因工程技術的研究與開發應用，搶奪這一高科技制高點。其應用前景十分廣闊。我國基因工程技術尚落后于發達國家，更應當加速發展，切不可坐失良機。但是，任何科學技術都是一把“雙刃劍”，在給人類帶來利益 的同時,也會給人類帶來一定的災難。比如基因藥物，它不僅能根治遺傳性疾病、惡性腫瘤、心腦血管疾病等，甚至人的智力、體魄、性格、外表等亦可隨意加以改造；還有，克隆技術如果不加限制，任其自由發展，最終有可能導致人類的毀滅。還有，盡管目前的轉基因動植物還未發現對人類有什么危害，但不等于說轉基因動植物就是十分安全的，畢竟這些東西還是新生事物，需要實踐慢慢地檢驗。轉基因生物和常規繁殖生長的品種一樣，是在原有品種的基礎上對其部分性狀進行修飾或增加新性狀，或消除原來的不利性狀，但常規育種是通過自然選擇，而且是近緣雜交，適者生存下來，不適者被淘汰掉。而轉基因生物遠遠超出了近緣的范圍，人們對可能出現的新組合、新性狀會不會影響人類健康和環境，還缺乏知識和經驗，按目前的科學水平還不能完全精確地預測。所以，我們要在抓住機遇，大力發展基因工程技術的同時，需要嚴格管理，充分重視轉基因生物的安全性。

我國基因技術發展中存在的問題

1、研究開發的產品跟蹤和模仿國外的多，自己創新的少。我國的生物技術主要是跟蹤國外而發展起來的，基本上是國外研究開發什么，我們也研究開發什么，因此很少有創新產品。這種狀況在新藥研制中尤為突出。

2、尚未形成社會化發展格局。在討論生物技術產業發展時，很多人已注意到了所面臨的國際化問題，但卻很少注意社會化問題。由于缺乏社會化的意識和氛圍，以及其他各種各樣的原因，我國新興的一些生物技術企業，不少是從研究開發到生產銷售一條道走到底，做得非常辛苦。事實上，由研究到產品銷售，這中間有許多環節都是可以社會化的。

3、一哄而起、重復研究、重復建設的現象大量存在，導致研究力量十分分散。現在國內搞農業生物技術研究的單位很多，有農業科學院系統、中科院系統、高校系統，還地方單位等，但大多數是低水平重復。

4、是缺乏產業化的接軌機制。國外的經驗表明，高新技術只有通過資本市場的商業運作才能加速它的產業化進程。而國內很少有公司參與基因技術的研究與成果轉化，使基因成果的研究與開發受到很大影響。

5、軟件建設與硬件不配套，導致資源的效益得不到充分的發揮。企業的軟件主要有兩個方面，一是各種管理規范，二是人員的素質，二者缺一不可。生物制藥作為高技術產業，不僅對硬件設備的要求高，對軟件的要求更高。我國目前的現狀是先進的儀器設備大多從國外進口，而人員及由人員制訂的規章制度卻是土生土長的，二者不配套的直接后果就是產品質量穩定性差，硬件資源浪費嚴重。

參考文獻:1樓士林，楊盛昌，龍敏南，等.基因工程[M].北京：科學出 版社，2002.2李慶軍，董艷桐，施冰.植物抗蟲基因的研究進展[J].林業科技,2002CHU Qi-ren, CAO Hua-xin, FAN Hui-qin, et al..Preliminary report on transienexpression of gus gene in transgene rice protoplast-derived calli via PEG-mediated DNA transformation［J］.shanghai nongye xue bao,1995

4.（日）內宮博文編著；孫崇榮，李育慶譯 :1987植物基因工程技術, 1987

5.基因克隆技術在制藥中的應用, 2004

6.丁勇等編著基因工程與農業1994.07

第五篇：基因工程技術是把雙刃劍

《生命科學奧秘》論文

題

目 基因工程技術是把雙刃劍

學

院

計算機與信息科學學院 專

業

自動化（控制方向）

年

級

2008 級

學

號

*** 姓

名

楊雷

指 導 教 師

劉文明

成 績

2009年5月24日

基因工程技術是把雙刃劍

楊雷

西南大學計算機與信息科學學院，重慶 400715

摘 要：

基因工程技術，在醫藥及農業上應用廣泛。這項尖端科技加上最近突破性的生殖科技，卻引發人們極大的隱憂及爭論。

生物學家在一百多年前就知道，生物的表征遺傳自其親代。生物細胞的細胞核，含有染色體，組成分為DNA。DNA含有四種堿基（簡稱A、T、C、G）。這些堿基在DNA中看似雜亂無章，但它們的排列順序，正代表遺傳訊息。每三個堿基代表一種胺基酸的密碼。基因就是這些遺傳密碼的組合，亦即代表蛋白質的胺基酸序列。每個基因含有啟動控制區，以調控基因的表達。

基因工程是一項很精密的尖端生物技術。可以把某一生物的基因轉殖送入另一種細胞中，甚至可把細菌、動植物的基因互換。當某一基因進入另一種細胞，就會改變這個細胞的某種功能。基因工程對于人類的利弊一直是個爭議的問題，主要是這項技術創造出原本自然界不存在的重組基因。但它為醫藥界帶來新希望，在農業上提高產量改良作物，也可對環境污染、能源危機提供解決之道，甚至可用在犯罪案件的偵查。但它亦引起很大的憂慮與關切。當此科技由嚴謹的實驗室轉移至大規模醫藥應用或商業生產時，我們如何評估它的安全性？此項技術是否可能因為人為失控，反而危害人類健康并破壞大自然生態平衡？

關鍵詞：基因工程；人類基因組計劃；環境破壞；生物技術；利弊

【正文】

觀點：辨證的看待基因工程的利與弊

一．基因工程可用來篩檢及治療遺傳疾病。

遺傳疾病乃是由于父或母帶有錯誤的基因。基因篩檢法可以快速診斷基因密碼的錯誤；基因治療法則是用基因工程技術來治療這類疾病。產前基因篩檢可以診斷胎兒是否帶有遺傳疾病，這種篩檢法甚至可以診斷試管內受精的胚胎，早至只有兩天大，尚在八個細胞階段的試管胚胎。做法是將其中之一個細胞取出，抽取DNA，偵測其基因是否正常，再決定是否把此胚胎植入母親的子宮發育。胎兒性別同時也可測知。

但是廣泛的基因篩檢將會引起一連串的社會問題。如果有人接受基因篩檢，發現在某個年齡將因某種病死亡，勢必將會極度改變他的人生觀。雖然基因篩檢可幫助醫生更早期更有效地治療病人，但可能妨礙他的未來生活就業。譬如人壽保險公司將會要求客戶提供家族健康數據，如心臟病、糖尿病、乳癌等，而針對高危險群家族成員設定較高的保費。保險公司可由基因篩檢資料預知客戶的預估壽命。這些人可能因而得不到保險的照顧，也可能使這些人被公司老板提早解聘。

二．基因工程配合生殖科技——全人類的震撼

基因篩檢并不改變人的遺傳組成，但基因治療則會。科學家正努力改變遺傳病人的錯誤基因，把好的基因送入其中以糾正錯誤。因為這是在操作生命的基本問題，必須格外小心。首先須劃分醫療及非醫療的行為。醫療行為目的在治病，非醫療者如想提高孩子的身高、智慧等。選擇胎兒性別也是非醫療行為，不能被接受，但是遇到某些性連遺傳的疾病，選擇胎兒的性別就是可被接受的醫療行為。另一項須區分的，就是體細胞（somatic cell）或生殖細胞（germ-line cell）的基因操作。體細胞的基因操作只影響身體的體細胞，不影響后代。但卵子、精子等生殖細胞之基因操作，會直接影響后代，目前基因工程禁止直接用在生殖細胞上。

三．基因治療法——遺傳病人的福音

目前醫學界正在臨床試驗多種遺傳病的基因治療法。最早采用基因治療的是一種先天免疫缺乏癥，又稱氣泡男孩癥（bubble-boy disease），患病嬰幼童因為腺脫胺（adenosine deaminase）基因有缺陷，骨髓不能制造正常白血球發揮免疫功能，必須生活在與外界完全隔離的空氣罩內。最新的治療法是由病人骨髓分離出白血球的干細胞，把正常的酵素基因接在經過改造不具毒性的反錄病毒（retrovirus），藉此病毒送入白血球干細胞，再將干細胞送回病人體內，則病人可產生健康的白血球獲得免疫功能。這項臨床試驗，在美國的女病童證明很成功。

另一種較便捷的治療法亦在實驗中，纖維性囊腫（cystic fibrosis）在英國平均每兩千人中就有一人罹患此癥。病人無法制造形成細胞膜氯離子通道的蛋白。此蛋白分布于分泌性細胞的胞膜上，控制氯離子的運輸，使黏液暢通。病人體內因缺乏此蛋白，體內濃黏液堆積阻塞肺部通道，甚至發炎死亡。為了治療此病，目前正在發展新方法，將正常基因加入霧狀噴劑中，病人可借著吸入噴劑，使基因進入肺細胞產生蛋白，達到治療目的。

四．農林漁牧的應用——生態環保的顧慮

目前全世界正重視發展永續性農業（sustainable agriculture），希望農業除了具有經濟效益，還要生生不息，不破壞生態環境。基因工程正可幫忙解決這類問題。基因工程可以改良農糧作物的營養成分或增強抗病抗蟲特性。可以增加畜禽類的生長速率、牛羊的泌乳量、改良肉質及脂肪含量等。

英國愛丁堡科學家已經可以使綿羊分泌含有人類抗胰蛋白（α-1-antitryspin）的羊奶。抗胰蛋白可以治療遺傳性肺氣腫，價格很昂貴。若以后能由羊奶大量制造，將變得很便宜。但是目前以基因工程開發培育基因轉殖綿羊的過程，仍是很費時費錢的。

基因轉殖的細菌用處也很大，如改造細菌可以消化垃圾廢紙，而這些細菌又可成為一種蛋白質的營養來源。基因轉殖的細菌可帶有人類基因，以生產醫療用的胰島素及生長激素等。其實基因工程在農業上的應用，在某些方面而言并不稀奇。自古以來，人們即努力而有計劃地進行育種，譬如一個新種小麥，乃是經過上千代重復雜交育成的。目前的小麥含有許多源自野生黑麥的基因。農人早在基因工程技術發明以前，就知道將基因由一種生物轉移至另一生物。傳統的育種也可大量提高產量。但是傳統的育種過程緩慢，結果常常難以預料。基因工程可選擇特定基因送入生物體內，大大提高育種效率，更可把基因送入分類上相差很遠的生物，這是傳統的育種做不到的。不久，在美國即將有基因工程培育出來的西紅柿要上市了。這種西紅柿含有反意基因（antisense gene），能使西紅柿成熟時不會變軟易爛。

基因工程也生產抗病抗蟲作物，使作物本身制造出“殺蟲劑”。如此農夫就不需費力噴灑農藥，使我們有健康的生活環境。也可培育出抗旱耐鹽作物以適合生長在惡劣的環境下，如此可克服第三世界的糧食短缺問題。但是，會產生“殺蟲劑”的作物，也可能對大環境有害，它們或許會殺死不可預期的益蟲，影響昆蟲生態的平衡。在高鹽的沼澤地種植基因工程育成的作物，可能會干擾了生態系統。假如熱帶作物改造得可以于溫帶地區生長，可能會嚴重傷害開發中國家的經濟，因為農作物水果的輸出是他們的主要收入。最近更逐漸發現危害作物的害蟲，已經慢慢地演化，以抵抗基因轉殖作物所產生的「殺蟲劑」了。基因工程培育的魚，也引起一連串的問題。目前已送兩個基因到鯉魚中，一是生長激素，一是抗凍蛋白（antifreeze protein）。若有人不小心或刻意地把這些魚放入自然環境的河、湖中，將會嚴重影響自然界的魚群生態。

五．基因轉殖動物——愛護動物人士的關切

基因轉殖動物對于生物醫學研究，真是一大恩賜。科學家現在可將基因送入實驗室的老鼠，以研究基因的表達調控功能。也可以把實驗動物的某個基因刻意破壞，培育出患有類似人類遺傳疾病的動物，以利治療方法的探討。美國一家公司已經培育出一種基因轉殖老鼠，它在數個月大時會長出癌瘤，此項發明正在申請專利。但是愛護動物人士已表示嚴重關切，他們認為應該限制基因工程技術如此折磨虐待實驗動物。

（注：基因工程的應用并不只有以上部分，我只對以上部分發表個人觀點。）

【結語】

不久的將來，基因工程技術仍只限于轉殖少數的基因，如此培育出來的生物仍將是我們熟悉的生物。但是有很多疾病及生物特征是由多數基因決定的，而且基因常常不是獨立行使功能，它們會受環境的影響。譬如一組基因會造成某人罹患氣喘，但癥狀受生活的環境影響很大。一個人罹患糖尿病的機率，也與環境因子（飲食條件）息息相關。一個天才鋼琴家的音樂天賦包括聽力及靈敏的雙手巧妙地配合，這跟他的遺傳基因、童年音樂的啟發、生活環境等都有關連。所以我們在還未了解基因與環境因子的互動關系前，還不能奢望創造出具有超高智商的人，或是利用基因篩檢法篩選出具有特殊天賦的孩子。

21世紀是基因工程技術蓬勃發展的時代，基因工程的興起是生物革命的必然結果，盡管基因工程的隱憂及爭論眾說紛紜，日太爽了但其給人帶來的好處是顯而易見的。希望隨著生物界的不斷發展，使基因工程的安全性得到保證，讓人們在生活的各個方面都能感受基因工程給人類帶來的利益。

參考文獻：

[1]: 吳能表.生命倫理學.重慶:西南師范大學出版社,2008-11 [2]: 張惠展.基因工程概論.上海：華東理工大學出版，1999.12