第一篇：基因工程

基因工程

基因工程的應用

基因工程是一種按人們的構思和設計，在試管內操作遺傳物質，并最終實現改造生物的新技術。基因工程對生物的改造，可以使生物像工廠似的為人類生產特殊產品，也可以使現有的動植物更符合人類的要求。

基因工程在醫藥業中的應用。利用基因工程生產蛋白類藥物，可提高產量，降低成本。如干擾素是一種蛋白質，能抑制癌細胞增殖，增強身體的防御功能。前田進[日]博士采用基因工程技術，使蠶生產人干擾素獲得成功。他發現，附在蠶體內的NPV（核多角體病毒）增殖效果好，在蠶的一個細胞核中可以增至100萬個。他把帶有干擾素基因的重組體NPV接種到蠶體內，蠶便在體液中分泌出干擾素。

基因療法是基因工程的又一重大應用。遺傳病是長期困擾人類的一類不治之癥，迄今已發現的有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。基因療法就是通過向人體細胞的基因組置換“壞了的”基因，或引入外源的正常基因治療疾病的方法。如血友病的病根在于血液中缺乏凝血因子VIII。它是一種化學結構不很穩定的蛋白質。如今，可用人工的方法將產生凝血因子VIII 的基因提取出來，然后將其轉移到患者的細胞基因組中，彌補遺傳缺損，從而能夠產生正常的凝血因子VIII，使體內血液循環正常。

基因工程在農業上的應用。1991年初，美國DNA植物技術公司的科研人員同時栽種了三批煙草植株。數月之后，其中一批由于遭受土壤中真菌的感染而嚴重損害；另一批由于使用了市售的化學殺菌劑而生長良好。而在第三批煙草植株上，它們沒有使用任何殺真菌劑，卻生長得特別旺盛，收獲產量比前兩批的都高。這是因為這批煙草并非普通煙草，而是基因重組的產物。

真菌的細胞壁中有一種重要成分叫幾丁質，幾丁質如果受到破壞，真菌就無法肆虐。自然界有一細菌天然含有能產生幾丁質酶的基因，產生的幾丁質酶是破壞幾丁質的最有效催化劑。美國DNA植物技術公司的科研人員從一種細菌中發現了這種基因，并且運用基因工程技術把它插進了煙草植株中，于是誕生了具有抗真菌能力的新型煙草。

除了應用基因工程使作物獲得抗真菌、細菌和線蟲的能力外，目前還正在試圖利用基因工程手段提高作物的抗逆性和營養價值。

科學家們預言，若能用基因工程將固氮基因插入各種非豆科植物染色體組內，則可將空氣中的氮直接轉化為植物生長所需的氮，那將是農業生產的一次大的飛躍。

基因工程在工業方面的應用。有一種超級細菌，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而產生的。

氫氣在燃燒過程中，除釋放能量外，產生的廢物只有水，不會造成環境污染，被稱為理想、清潔的燃料。一些水中生長的微生物在光照下，會不斷地將水分解，放出氫氣，然后可用容器將氫氣收集起來。日本一研究所以提高光合作用微生物生產氫的效率為目標，正在利用基因重組技術，改良微生物，以大幅度地提高生產氫氣的能力，為利用微生物生產氫氣盡早投入實際生產和應用創造條件。

什么是轉基因食品

專家介紹，轉基因是指透過生物技術，將生物中某個基因抽出，然后植入另一種生物內。通過修改基因，能夠改變一個有機體的部分或全部特征。例如，科學家認為北極魚體內某個基因有防凍作用，于是將其抽出，再植入番茄內，制造新品種的耐寒番茄。而用此作為原料制造的食品則被稱為轉基因食品。轉基因食品的安全問題

其實，最早提出這個問題的人是英國的阿伯丁羅特研究所的普庇泰教授。1998年，他在研究中發現，幼鼠食用轉基因土豆后，會使內臟和免疫系統受損。這引起了科學界的極大關注。隨即，英國皇家學會對這份報告進行了審查，于1999年5月宣布此項研究“充滿漏洞”。1999年英國的權威科學雜志《自然》刊登了美國康乃爾大學教授約翰·羅西的一篇論文，指出蝴蝶幼蟲等田間益蟲吃了撒有某種轉基因玉米花粉的菜葉后會發育不良，死亡率特別高。目前尚有一些證據指出轉基因食品潛在的危險。

但更多的科學家的試驗表明轉基因食品是安全的。贊同這個觀點的科學家主要有以下幾個理由。首先，任何一種轉基因食品在上市之前都進行了大量的科學試驗，國家和政府有相關的法律法規進行約束，而科學家們也都抱有很嚴謹的治學態度。另外，傳統的作物在種植的時候農民會使用農藥來保證質量，而有些抗病蟲的轉基因食品無需噴灑農藥。還有，一種食品會不會造成中毒主要是看它在人體內有沒有受體和能不能被代謝掉，轉化的基因是經過篩選的、作用明確的，所以轉基因成分不會在人體內積累，也就不會有害。

比如說，我們培育的一種抗蟲玉米，向玉米中轉入的是一種來自于蘇云金桿菌的基因，它僅能導致鱗翅目昆蟲死亡，因為只有鱗翅目昆蟲有這種基因編碼的蛋白質的特異受體，而人類及其它的動物、昆蟲均沒有這樣的受體，所以無毒害作用。

1993年，經合組織（OECD）首次提出了轉基因食品的評價原則——“實質等同”的原則，即：如果對轉基因食品各種主要營養成分、主要抗營養物質、毒性物質及過敏性成分等物質的種類與含量進行分析測定，與同類傳統食品無差異，則認為兩者具有實質等同性，不存在安全性問題；如果無實質等同性，需逐條進行安全性評價。

在我國，國家科委于1993年頒布了“基因工程安全管理辦法”，用于指導全國的基因工程研究和開發工作。2000年由國家環保總局牽頭，8個相關部門參與，共同制訂了《中國國家生物安全框架》。

對于消費者

對轉基因食品持否定態度的人認為，目前對基因的活動方式了解還不完全透徹，沒有十足的把握控制基因調整后的結果。為了確保消費者的安全和知情權，國家對5大類17種食品或產品，要求必須進行是否轉基因標注。這些產品包括：

一、大豆種子、大豆、大豆粉、大豆油、豆粕；

二、玉米種子、玉米、玉米油、玉米粉；

三、油菜種子、油菜籽、油菜籽油、油菜籽粕；

四、棉花種子；

五、番茄種子、鮮番茄、番茄醬。

轉基因食品是否會產生不良影響，中國疾病預防控制中心營養與食品安全所吳永寧教授認為，凡是允許在中國銷售的轉基因食品，都要通過國家農業部轉基因辦公室、專家委員會和相關檢驗機構的嚴格評審、檢測，已經通過安全性評價的轉基因食品，由國家農業部頒發安全合格證書后，方能投入進行食品加工。從營養安全的角度講，目前還沒有發現轉基因食品不利于人體健康的證據，也沒有出現由此引發的食品安全糾紛。

由于轉基因食品是否對健康有影響到目前為止還沒有明確結論，因此世界上一些國家對轉基因技術，特別是轉基因食品持慎重態度，專門為轉基因食品建立了管理制度，要求生產廠商，盡到告知義務。

轉基因食用油安全嗎

中國是食用油的消費大國，大豆、菜籽、玉米是主要的食用油原料，國家要求標注的轉基因食品或產品中，這3種農作物均榜上有名。食用油作為消費者日常生活的必需品，自然成為被關注的焦點。目前國內的轉基因油料作物，例如大豆，主要來自阿根廷、美國等國家。轉基因油料作物受到青睞的原因很簡單，產量大、出油率高，競爭中具有價格優勢。業內人士稱，國產非轉基因大豆的出油率約16%，而進口轉基因大豆的出油率約20%。據估算，平均每桶5升非轉基因大豆油要比轉基因大豆油的成本高2?3元。

針對轉基因食用油的安全性問題，行業各界仍然持不同態度。對轉基因食用油持支持態度的觀點認為，轉基因食品通過國家相關部門嚴格的安全性評價，并沒有發現對健康的不利影響。中國農業大學食品科學與營養工程學院教授朱本忠教授認為：“雖然從科學技術上還不能直接斷定轉基因產品是否對人體有害，但轉基因大豆已經通過了國家相關部門的安全性評價，證明是安全的。”中國農業大學教授黃昆侖表示:“市場上售賣的轉基因食品，都是經過國家相關部門的檢測，進行了安全性評價。目前，我國和已經食用轉基因大豆8年的美國并沒有在消費者中產生明顯的不利癥狀。”

而反對使用轉基因作為食品原料的觀點認為，盡管尚未發現轉基因食品對人的健康造成危害，但并不表明它就是絕對安全的。國家環境保護總局生物安全辦公室的王捷表示：“盡管截至目前尚未發現轉基因食品對人的健康造成危害，但是并不能說它就是絕對安全的，也許它的影響需要一定的時間才能顯現出來。對于有可能出現的潛在風險，必須引起高度重視。”

中國農業大學的羅云波教授表示，任何一種作物被確定是否用轉基因技術改造時，首先要對該種作物本身進行安全性評價，要確保其對人體不會產生不良反應，有些人不了解什么是轉基因，認為轉基因食品是在食品或農作物中添加了叫“基因”的東西。羅教授認為，任何食品都是由成千上萬基因組成，傳統品種改良通過雜交，實際上也是基因的交換，而基因技術是定向改造生物，跟雜交育種沒有本質區別。作為消費者，羅教授本人非常接受轉基因食品，因為轉基因食品至少有兩點好處，一可以減少農藥殘留，二可以強化某些營養成分。

自2004年5月1日起，國家標準化管理委員會會同農業部等組織強制要求，在我國生產銷售的食用大豆油、菜籽油必須標明原料大豆、油菜是否是轉基因產品。如果原料為進口，則須注明它的原產國。國家的強制規定使消費者有了知情權和選擇權，是否購買轉基因產品，決定權完全在消費者手里。

基因工程的優點

提高農作物產量，減少環境污染。鹽堿、干旱、病蟲害是造成農作物絕收、減產的主要原因之一，利用 DNA 重組技術、細胞融合技術等基因工程技術將多種抗病毒、抗蟲害、抗干旱、耐鹽堿的基因導入農作物體內，獲得具有優良性狀的轉基因新品系，大大降 低了生產成本，提高了產量。許多科學家認為，轉基因技術可以把發展中國家的農業生產率提高25%，困擾人類的缺糧問題有望得到解決。同時，轉基因技術的應用，可以減少或避免使用農藥、化肥，極大地減少了農藥、化肥所造成的環境污染、人畜傷亡等事故。

延長果蔬產品的保鮮期。蔬菜、水果傳統的保鮮技術如冷藏、涂膜、氣調保鮮等，在儲藏費用、期限、保鮮效果等方面均存在嚴重不足，常常導致軟化、過熟、腐爛變質，造成巨大損失。通過轉基因工程技術可直接生產耐貯果蔬已成為現實。比如，在普通的蕃 茄里加入一種在北極生長的海魚抗凍基因，就能使它在冬天保存更長間，大大延長保鮮期。目前，國內外都已有商品化的轉基因耐貯蕃茄生產。其相關研究已擴大到草莓、香蕉、芒果、桃、西瓜等。

改善食品的口味和品質。傳統的食品通過添加劑來改變口味，加入防腐劑延長食品 的保質期，然而添加劑和防腐劑中都含有有害成份，轉基因技術可以較好地解決上述不足。通過轉變或轉移某些能表達某種特性的基因，從而改變食品的口味、營養成分和防腐功能。如利用外源基因導入或基因替換技術可以改善牛奶的成份，生產特定人群的食用牛奶。此外，還可以將一些動物的基因轉移到植物中去，使植物性食品帶有某些動物性的營養成份及口味。轉基因技術同樣為改良動物性食品品質、培養優良的新品系提供了有效途徑，目前轉基因魚、雞、豬等的研究取得了很大的進展。轉基因食品還有以下6個優點：

1、解決糧食短缺問題。

2、減少農藥使用，避免環境污染。

3、節省生產成本，降低食物售價。

4、增加食物營養，提高附加價值。

5、增加食物種類，提升食物品質。

6、促進生產效率，帶動相關產業發展。

如果我是農場主，我會告訴消費者轉基因食品的優點。我會告訴他們：（1）轉基因食品的營養附加值比普通食品的營養附加值要高很多；（2）轉基因食品不施農藥,沒有農藥殘留；(3)轉基因食品保鮮期長。而且轉基因食品經國家驗證屬安全食品。

第二篇：基因工程

基因工程技術的程序與應用

【摘要】基因工程技術是一項正在蓬勃發展的技術，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、技術程序，以及基因工程在農業、工業、醫藥等方面的應用和進展情況。

【關鍵詞】基因工程技術程序應用進展

基因工程（genetic engineering）又稱基因拼接技術和DNA重組技術，是以分子遺傳學為理論基礎，以分子生物學和微生物學的現代方法為手段，在分子水平上對基因進行復雜的操作，將不同來源的基因按預先設計的藍圖，在體外構建雜種DNA分子，然后導入活細胞，使這個基因能在受體細胞內復制、轉錄、翻譯表達，以改變生物原有的遺傳特性、獲得新品種、生產新產品。它是用人為的方法將所需要的某一供體生物的遺傳物質——DNA大分子提取出來，在離體條件下用適當的工具酶進行切割后，把它與作為載體的DNA分子連接起來，然后與載體一起導入某一更易生長、繁殖的受體細胞中，以讓外源物質在其中“安家落戶”，進行正常的復制和表達，從而獲得新物種的一種嶄新技術。它克服了遠緣雜交的不親和障礙。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。

一 基因工程的技術程序

基因工程的基本原理是在體外將不同來源的DNA進行剪切和重組，形成鑲嵌DNA分子，然后將之導入宿主細胞，使其擴增表達，從而使宿主細胞獲得新的遺傳特性，形成新的基因產物。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分子引入宿主細胞，在其中擴增和表達。不同種類生物的生物學特性不同，其基因工程在操作上和具體技術上必然有所差異，但技術核心都是DNA的重組，即利用一系列的DNA限制性內切酶、連接酶等分子手術工具，在某種生物DNA鏈上切下某個目標基因或特殊的DNA片段，然后根據設計要求，將其接合到受體生物DNA鏈上。

一個完整的用于生產生產目的的基因工程技術程序包括的基本內容有：①外源目標基因的分離、克隆以及目標基因的結構與功能研究。②適合轉移、表達載體的構建或目標基因的表達調控結構重組。③外源基因的導入。④外源基因在宿主基因組上的整合、表達及檢測與轉基因生物的篩選。⑤外源基因表達產物的生理功能的檢定。⑥轉基因新品系的選育和建立以及轉基因新品系的效益分析。⑦生態與進化安全保障機制的建立。⑧消費安全評價。

（一）外源目標基因的分離、克隆及功能結構分析

獲合乎人類某種需要的取目的基因是實施基因工程的第一步，也是開展一項基因工程的前提和全部工作的核心。目前人們已經能夠通過多種途徑和方法來獲取目標基因，其中主要有兩條途徑：一條是從供體細胞的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：用限制酶將供體細胞中的DNA切成許多片段，將這些片段分別載入運載體，然后通過運載體分別轉入不同的受體細胞，讓供體細胞提供的DNA（即外源DNA）的所有片段分別在各個受體細胞中大量復制（在遺傳學中叫做擴增），1

從中找出含有目的基因的細胞，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點是操作簡便，缺點是工作量大，具有一定的盲目性。又由于真核細胞的基因含有不表達的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錄成的信使RNA為模版，反轉錄成互補的單鏈DNA，然后在酶的作用下合成雙鏈DNA，從而獲得所需要的基因。另一條途徑是根據已知的蛋白質的氨基酸序列，推測出相應的信使RNA序列，然后按照堿基互補配對的原則，推測出它的基因的核苷酸序列，再通過化學方法，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）構建能在受體生物細胞中表達的重組目標基因

要使一個外源目標基因能整合到受體細胞的基因組中并能在整合后在受體基因組的調控下有效地轉錄和翻譯，就必須事先對目標基因的功能結構用DNA重組技術進行適當的修飾，也就是將目標基因與一種特別的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：質粒、λ噬菌體、柯斯質粒、病毒載體、YAC載體等，各類載體具有獨特的生物學特性，可用于不同的目標基因。

（三）外源重組目標基因的導入

將重組的外源目標基因轉入到宿主細胞中的過程稱為基因導入或基因轉移。接受外源基因的細胞稱為受體細胞。由于受體生物學特征的不同以及基因工程目的不同，外源基因導入的方法也不同，有的是用載體導入，有的是直接用物理的方法導入。目前使用的有轉化、轉染、電穿孔導入法、基因槍射入法、顯微注射法、脂質體介導法等，向細菌等微生物中導入外源目標基因常用質粒轉化和噬菌體轉染方法；向植物細胞中導入外源基因常用基因槍注入法和Ti質粒導入法；能由原生質體再生出植株的植物細胞還可以用電穿孔導入法及脂質體融合法；動物的受精卵一般通過人工顯微鏡注射法導入外源基因；動物的體細胞可用電穿孔法和病毒轉染法導入外源基因，但對用于生產目的的基因工程常常避免用病毒轉染法。

（四）轉基因細胞或個體的鑒別和篩選

在對宿主的細胞進行了外源目標基因導入處理以后，有些細胞可能并沒有外源基因的進入，另有一些細胞可能在外源基因進入后因各種原因而不能使外源基因表達，因此必須對被進行了基因轉移處理的細胞或個體進行鑒別，以篩選出導入外源目標基因的轉基因細胞或個體。鑒別和篩選轉基因生物一般在兩個層面上進行：一是檢測目標基因是否表達，二是檢測目標基因是否整合到了宿主的染色體上和能否穩定傳代。表達檢測的方法主要有轉錄產物的印跡雜交法、免疫印跡檢測法、免疫組織化學檢測法等。整合檢測可通過DNA分子雜交來確定。

（五）轉基因品系的效益分析。

一個生產性能優越的轉基因品系，首要的條件是目標基因的表達產物必須有正常的生理功能，另一個必要標志是其目標基因必須有適度的高效表達特性和可持續生產能力。

（六）生態與進化安全保障

由于轉基因生物與其他生物一樣具有可遺傳、易擴散及自主的特性，而且人類對生命、生態系統、生物的演化實際上還知之甚少，對不同物種間基因的人工組合，外源基因對受體生物進化的可能影響，轉基因生物對生態系統的長期影響

等都無法進行評估，因此如果人們不事先采取控制措施，轉基因生物一旦進入到自然環境中就可能打破生態平衡，破壞生態環境和自然種質資源。對轉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格的管理措施和物理屏障盡量使轉基因生物不能從實驗室逃逸進入到自然環境里去；生物的方法一般就是造成轉基因生物與非轉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的轉基因動物或植物變成三倍體等。

（七）消費安全評價

消費安全評價一般要考慮以下一些主要的方面：①導入外源目標基因本身編碼的產物是否安全。②外源目標基因是否穩定。③使用的載體是否安全。④使用的報道基因（就是能產生很容易觀察的性狀的基因）是否會產生有害物質。⑤外源基因導入后是否會誘導受體生物產生新的有害遺傳性狀或不利于健康的成分。為了保護人類的健康，許多國家都已通過立法或其他形式對轉基因產品進行消費安全評價和嚴格的管理，對進口轉基因食品嚴格限制。

二 基因工程的應用

基因工程在醫藥業中的應用。許多藥品的生產是從生物組織中提取的。受材料來源限制產量有限，其價格往往十分昂貴。微生物生長迅速，容易控制，適于大規模工業化生產。若將生物合成相應藥物成分的基因導入微生物細胞內，讓它們產生相應的藥物，不但能解決產量問題，還能大大降低生產成本。如基因工程胰島素、干擾素、人造血液、白細胞介素、乙肝疫苗等通過基因工程實現工業化生產，均為解除人類的病苦，提高人類的健康水平發揮了重大的作用。

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，迄今已發現的有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導入病人體內，使該基因的表達產物發揮功能，從而達到治療疾病的目的，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、基因增補和基因失活等。如運用基因工程設計制造的“DNA探針”檢測肝炎病毒等病毒感染及遺傳缺陷，不但準確而且迅速。通過基因工程給患有遺傳病的人體內導入正常基因可“一次性”解除病人的疾苦。

基因工程在農牧業、食品工業上的應用。運用基因工程技術，不但可以培養優質、高產、抗性好的農作物及畜、禽新品種，還可以培養出具有特殊用途的動、植物。如轉基因魚（生長快、耐不良環境、肉質好），轉基因牛（乳汁中含有人生長激素），轉黃瓜抗青枯病基因的甜椒，轉魚抗寒基因的番茄，轉黃瓜抗青枯病基因的馬鈴薯，不會引起過敏的轉基因大豆，抗蟲棉等。

基因工程在環境保護工業方面的應用。基因工程做成的DNA探針能夠十分靈敏地檢測環境中的病毒、細菌等污染。利用基因工程培育的指示生物能十分靈敏地反映環境污染的情況，卻不易因環境污染而大量死亡，甚至還可以吸收和轉化污染物。如有一種超級細菌，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而產生的。

總之，基因工程的發展將會給人類社會帶來巨大的變化。

三 基因工程的進展狀況

基因工程技術是一項正在蓬勃發展的技術，而且也已經取得了許多重要的應用成果，但我們也應該看到，基因工程技術不是一項已經成熟的技術，仍然還很粗糙和原始，在許多方面尚需完善和改進。

1．基因工程在技術上存在一定的不確定性和盲目性。目前的基因工程在技術上有很多的不確定性。這種不確定性表現在兩個方面，一是技術方面的不穩定性，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，但并沒有使受體魚產生預期的抗寒效果。目前我們所進行的基因工程基本上只能對簡單的、單基因控制的性狀進行設計和改造，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，現有的基因工程技術幾乎仍然是束手無策。我們對活的生物體中基因表達調控的機制知之甚少，有關的知識僅限于對啟動子和增強子有所了解，對生物體整體的調節復雜性的認識還剛剛開始。

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：一是基因工程產品的消費安全問題，二是轉基因生物的生態安全問題。目前用轉基因技術生產出來的食品因其成分的某些改變是否會對人類的健康產生不良的影響，這需要實驗和時間來驗證。有著某種生存優勢的轉基因生物如果進入到自然生態系統，就有可能排擠自然種群，降低生態系統里物種的多樣性，打破生態平衡。

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

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第三篇：基因工程

《基因工程論文》

嗜熱解烴基因工程菌SL-21的構建

學

院：生命科學學院 班

級：生物技術12-2 學

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克隆到質粒pSTE33上,構建了重組質粒pSTalk。通過電轉化將pSTalk轉化入嗜熱脫氮土壤芽孢桿菌ZJ-3內,構建了基因工程菌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75.08%。研究結果表明,可以通過體外重組的方式向嗜熱菌中引入烴降解基因,從而構建嗜熱解烴基因工程菌。關鍵詞:微生物采油;烴類降解菌;嗜熱解烴基因;質粒;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理之一。研究結果表明,在解烴菌作用下原油的族組分發生變化,輕質組分增加,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化成有機溶劑、表面活性劑、酸和氣體等驅油物質。迄今為止,從自然界篩選的高效解烴菌絕大多數為嗜溫微生物,最適合生長溫度一般為20-45℃,很難適應油藏的高溫環境。筆者從1株解烴菌細胞中分離出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化到另外1株最適合生長溫度為70℃的嗜熱菌體內,構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,又能適應油藏高溫環境,在微生物采油中具有良好的應用前景。1.1 實驗材料

實驗材料包括限制性內切酶EcoRⅠ和XhoⅠ;UNIQ-10柱式DNA膠回收試劑盒、PCR片斷回收試劑盒;大腸桿菌感受態細胞E.coliDH5α;pGEM-T easy載體;質粒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培養基按文獻配制。無機鹽培養基組成: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,分離自勝利油區孤島油田中一區館3區塊采出液,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,分離自勝利油區原油污染土壤。1.2 實驗方法

DNA的操作 基因組DNA小量提取,利用聚合酶鏈式反應(PCR)對DNA擴增、PCR產物的回收、酶切與連接,質粒DNA提取和基因序列測定等均按文獻[13-14]方法進行。菌株培養 所涉及到的菌株培養均在溫度為70℃,轉速為180r/min的條件下進行振蕩培養。基因工程菌的構建和篩選方法 ZJ-3感受態細胞的制備按文獻[13-14]方法進行。用構建的重組質粒pSTalk在最佳條件下電轉化ZJ-3感受態細 胞構建基因工程菌。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培養基中,培養過夜,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鹽培養基中,培養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。基因工程菌的誘導表達及SDS-PAGE檢測挑取陽性克隆接種于含100μg/mL Amp的10mL的LB液體培養基中,180r/min下振蕩培養至光密度值達到0.6(檢測光波波長為600nm),加誘導物IPTG至終濃度為1mmol/L,振蕩培養8h,收集表達菌體,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培養基中,培養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無機鹽培養基中,加入2%孤島油田中一區館3區塊原油或2%的液體石蠟作為惟一碳源培養,取樣稀釋涂布計數。原油降解實驗 在無機鹽培養基中添加2%的原油,按1%接種量接入基因工程菌,培養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 實驗結果與分析

2.1 MD-2基因組DNA的檢測

對MD-2基因組進行提取和純化。提取后的染色體DNA經0.8%的瓊脂糖凝膠電泳檢測,相對分子質量不小于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的質量濃度為1 400g/mL,表明DNA純度較好,無蛋白、RNA、酚和多糖物質的干擾。2.2 烷烴單加氧酶基因的克隆與序列分析依據美國國立衛生研究院基因序列數據庫(Genbank)中的烷烴單加氧酶基因開放閱讀框兩端保守序列,設計了一對兼并引物以MD-2基因組DNA為模板進行PCR擴增,將約1.3kb的PCR產物回收后連接到pGEM-T easy載體上,轉入E.coliDH5α,挑取陽性克隆質粒進行測序。測序結果經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 基因工程菌的構建及篩選

通過PCR擴增sladA后,將PCR產物用EcoRⅠ或XhoⅠ消化,分離純化出1 329bp的片斷,與經EcoRⅠ或XhoⅠ消化的pSTE33質粒連接,構建成含sladA的重組質pSTalk。經電泳鑒定表明(圖1),重組質粒構建成功。

2.4 基因sladA在基因工程菌SL-21中的誘導表達

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對應蛋白大小的地方掃描到高信號強度,表明sladA基因在SL-21中得以表達。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鹽培養基中培養,在70℃和180r/min條件下,經過3d的延滯期后進入對數期,菌體數增加。17d后,菌體數為接菌初期的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%。

實驗結果表明,烴類降解菌地芽孢桿菌MD-2細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。但不同的基因工程菌株中烷烴單加氧酶基因sladA表達的效率不同,需要通過菌株對原油的降解評價進一步篩選。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建嗜熱解烴基因工程菌在技術上是可行的。3 結論

以地芽孢桿菌MD-2為目標菌株,克隆和表達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中正確表達了基因sladA,構建了基因工程菌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油技術,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: [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].大慶石油地質與開發,2007,26(6):119-123.[2] 汪衛東,汪竹,耿雪麗,等.美國微生物采油技術現場應用效果分析[J].油氣地質與采收率,2002,9(6):75-76.[3] 袁長忠,宋永亭,段傳慧.微生物采油用營養物質在石英砂上的靜態和動態吸附規律[J].油氣地質與采收率,2009,16(4):74-76.[4] 修建龍,董漢平,俞理,等.微生物提高采收率數值模擬研究現狀[J].油氣地質與采收率,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

質與采收率,2008,15(1):77-79.[6] 宋智勇,張君,馬繼業,等.微生物菌液的界面特性[J].油氣地質與采收率,2008,15(3):73-75.[7] 蔣焱,曹功澤,趙鳳敏,等.聚合物驅后微生物提高采收率的可行性分析[J].油氣地質與采收率,2008,15(5):63-65,68.[8] 陳愛華,方新湘,呂秀榮,等.克拉瑪依油田內源微生物驅油機理探索[J].油氣地質與采收率,2008,15(5):75-77.[9] 宋紹富,劉菊榮,張忠智.微生物采油替代營養源的研究[J].油氣地質與采收率,2007,14(2):96-98.[10]李希明.微生物驅替盲端類剩余油的微觀實驗[J].油氣地質與采收率,2008,15(3):91-92.[11]沈萍.微生物學[M].北京:高等教育出版社,2000:143.[12]唐赟,馮露,劉沐之,等.嗜熱解烴菌NG80-2的鑒定及其特[J].南開大學學報,2006,39(2):46-50,70.[13] Sambrook J,Fritsch E F,Maniatis T.分子克隆實驗指南[M].金冬雁,譯.北京:科學出版社,1992.[14]盧圣棟.現代分子生物學實驗技術[M].2版.北京:高等教育出版社,1993.4

第四篇：基因工程

寧波大學科學技術學院考核答題紙

（2011--2012學年第 學期）

課號：:EK5G04A00

課程名稱：現代生物技術概論

閱卷教師：

班級：10級生物工程

學號：104177306

姓名：郭兆峰

成績：

基因工程

摘要：基因工程是20世紀70年代在分子遺傳學、細胞生物學基礎上發展起來的，是一種可以按照人們的意愿設計、改造和組建生物品種的新技術。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入目標生物細胞，通過復制、轉錄、翻譯外源目的基因以及蛋白質的活性表達，使轉基因生物獲得新的遺傳性狀。

關鍵詞：生物技術；基因工程

一、基因工程的誕生：

從20世紀40年代開始，受分子生物學、分子遺傳學發展的影響，基因分子生物學取得巨大進步，為基因工程的誕生奠定了基礎。現在人們公認的誕生日期是1973年，其中現代分子生物學領域上的三大發現及技術上的三大發明起了決定性作用。

理論上的三大發現包括：第一，20世紀40年代，Avery 在美國的一次學術會上報道了肺炎球菌的轉化，證明了遺傳信息的攜帶者是DNA而不是蛋白質；第二，1953年，Watson 和 Crick 提出的DNA分子的雙螺旋結構以及半保留復制機理，解決了基因的自我復制和傳遞問題；第三，20世紀50年代末的“中心法則”，60年代由Monod 和 Jacob 提出的操縱分子學說，并成功的由一批科學家破譯了遺傳密碼從而闡明了遺傳信息的流向和表達問題。

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實。

技術上的三大發明：第一，1967年發現的DNA連接酶，以及1979年發現的具有更高活性的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切酶HindⅡ和1972年發現的EcoRⅠ核酸內切酶。后來發現的大量的限制性核酸內切酶。第二，一些病毒、質粒和噬菌體等載體技術的發現使把目的基因的導入更加容易。第三，DNA分子序列分析及瓊脂糖凝膠電泳、Southern雜交技術的發展使得基因工程的誕生越來越近。1973年，斯坦福大學將抗四環素質粒和抗新霉素的質粒用限制性內切酶切割并連接成重組質粒導入到大腸桿菌中是基因工程誕生的標志。

二、基因工程有幾個重要特征：（1）、打破了物種的界限，實現跨物種的基因轉移；（2）、通過已知功能基因的遺傳轉化，進行物種的定向改良；（3）、創造出自然界中本來不存在的物種。

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

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課程名稱：現代生物技術概論

閱卷教師：

班級：10級生物工程

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姓名：郭兆峰

成績：

連接；（4）、將重組DNA導入到大腸桿菌或酵母菌體內培養；（5）、利用載體上的標記基因進行篩選，獲得轉目的基因的細胞或植株。

四、基因工程的應用：

（1）基因工程應用于農業生產方面：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。

（2）基因工程應用于醫藥方面：目前，以基因工程藥物為主導的基因工程應用產業已成為全球發展最快的產業之一，發展前景廣闊。基因工程藥物主要包括細胞因子、抗體、疫苗、激素和核苷酸藥物等。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。

（3）基因工程應用于環保方面：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、萜烴、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，而天然菌株需要1年之久。也有人把Bt蛋白基因、球形芽孢桿菌、且表達成功。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。

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注，關于重組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開始。爭論的焦點是擔心基因工程寧波大學科學技術學院考核答題紙

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姓名：郭兆峰

成績：的雜種生物會從實驗室溢出，在自然界造成難以抑制的災難，有害的雜種菌或病毒與化學物質不同，它們會在自然界不斷繁殖，造成的危害更大。

在1975年2月，美國國立衛生研究院（NIH）在加利福尼亞州的Asilomar 會議中心內，160名來自美國和16個國家的專家學者對重組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研究準則》。為了避免可能造成的危害，除了規定禁止若干類型的重組DNA實驗外，還制定了許多具體的規定條文。

六、基因工程的前景展望：基因工程技術是繼工業革命、信息革命之后 對人類社會產生深遠影響的一場革命。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方面取得的革命性成果，將極大地改變人類生命和生活面貌。

參考文獻：

1、基因工程/樓士林，楊盛昌，龍敏南等主編.—北京：科學出版社，2002

2、基因工程技術/鐘衛鴻主編.—北京：化學工業出版社，2007.6

3、基因工程/何水林主編.—北京：科學出版社，2008

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

5、基因工程：原理、方法與應用/徐煜泉等編著.—北京：北京大學出版社，2008.12

第五篇：材料基因工程

材料基因工程

——為什么是一項“顛覆性前沿技術”

1.前言

材料基因組技術是近幾年興起來的材料研究新理念和新方法，是當今世界材料科學與工程領域的最前沿。材料基因工程借鑒人類基因組計劃，探究材料結構與材料性質變化的關系。并通過調整材料的原子或配方、改變材料的堆積方式或搭配，結合不同的工藝制備，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別，材料的微觀結構多樣化，不但成分組成可以不同，微觀形貌等結構也可能千差萬別，其組成-結構-性能之間的關系更加復雜。

2.材料基因組技術

2.1材料基因組技術

材料基因組計劃是通過“多學科融合”實現“高通量材料設計與試驗”；其核心目標在于通過“高通量計算、實驗和大數據分析”技術加速材料“發現-研發-生產-應用”全過程，縮短材料研發周期，降低材料研發成本，引發新材料領域的科技創新和商業模式變革。

材料基因組技術包括高通量材料計算方法、高通量材料實驗方法和材料數據庫三大組成要素。

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、高通量并發式材料計算方法和軟件結合，實現大體系材料模擬、快速計算、材料性質的精確預測和新材料的設計，提高新材料篩選效率和設計水平，為新材料的研發提供理論依據。其中并發式材料計算方法包括第一原理計算方法、計算熱力學方法、動力學過程算法等，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聯算法。

高通量材料集成計算技術利用第一性原理、分子動力學與位錯動力學、合金相圖計算、相場計算等方法，快速并行模擬實驗室中成分與性能優化的傳統試錯式材料研發過程，并基于材料科學知識，迅速挑選有利于目標性能的合金成分與微觀結構特征，從而加速新材料的研發進程并顯著降低材料研發成本。

2.1.2高通量材料實驗方法

傳統材料研發模式依賴于成分與工藝的不斷“試錯”實驗優化，結合對結構-性能關系的不斷理解以獲得滿足性能指標的材料。但是，新型關鍵材料具有成分多元化、復雜化、微結構多級化等特點，傳統的“試錯”模式在實際材料開發中不僅耗費巨大，而且幾乎難以取得成功。

高通量實驗平臺是發展材料基因組技術具備的條件之一。高通量實驗平臺可以為據庫提供數據支撐；而就高通量集成計算而言，高通量實驗技術為各種計算模擬工作提供計算目標。材料基因組概念中的高通量實驗技術具有快速制備快速表征各類金屬與非金屬樣品的能力，典型的高通量實驗方法有擴散多元結與材料基因芯片

2.1.3材料數據庫

數據可以看作是感興趣參量的具體數值，這些參量在空間與時間上的一系列數值就構成數據集，不同的數據集結合到一起并按照一定的協議實現相互調用，體量巨大、結構性的數據集就構成大數據。利用物理層面的分布式服務器對隨時間不斷膨脹的數據集進行存放，利用通訊協議實現服務器中數據集的遠程調用與管理，利用專門的算法對不同數據集自身和數據集之間進行分析并提取有價值的信息，并用專門的軟件實現數據分析的可視化，就構成了基于大數據方法的材料數據庫技術。

材料信息學通過數據管理、數據分析與數據協作，實現從已有數據中提取高價值信息和知識的目的。由于計算材料數據庫是綜合物理，化學及生物的交叉學科的數據庫。因此，材料數據庫的建立，有利于減少材料的重復實驗和測試，對縮短新材料的研發周期，節約新材料的研發成本具有非常積極的作用

2.2結論

材料計算模擬是實現“材料按需設計”的基礎，可以幫助縮小高通量材料實驗范圍，提供實驗理論依據；高通量材料實驗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數據和實驗驗證，也可以充實材料數據庫，并為材料信息學提供分析素材，同時還可以針對具體應用需求，直接快速篩選目標材料；材料數據庫可以為材料計算模擬提供計算基礎數據，為高通量材料實驗提供實驗設計的依據，同時計算和實驗所得的材料數據亦可以豐富材料數據庫的建設。

3．結論

材料基因組技術融合了材料科學、固體力學、信息科學、軟件工程、先進實驗方法等學科，采用數值模擬、數據庫及數據挖掘、人工智能等技術研究材料的工藝過程、微/細觀結構、性能和服役行為等，闡明成分、微結構和工藝對性能的控制機制，引導并支撐實體材料的研發和應用。

在材料基因工程提出之前，新材料從研發到市場應用實踐跨度非常大，某種材料從最初的研究開發，經過性能優化、系統設計與集成、驗證、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的科學自覺與實驗判斷，目前大部分材料的設計與測試時通過耗時的重復實驗完成的、而實際上，有些實驗通過理論計算工具就能完成模擬。材料基因工程采用強大的計算分析和理論模擬工具，減少新材料研發和生產過程中對物理實驗的依賴。改進的數據共享系統和一體化的工程團隊將允許設計、系統工程與生產活動的重疊與互動。這種新的綜合設計將結合更多的計算與信息技術，加上實驗與表征方面的進步，將顯著加快材料投入市場的種類及速度，材料的開發周期可從目前的 10~20 年縮短為 5~10 年。因此說材料基因組技術是一項“顛覆性前沿技術”

參考文獻

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