第一篇：基因工程課程設(shè)計(jì)（范文）

RNA干擾研究進(jìn)展

摘要 ：RNA干擾（RNAi）是廣泛存在于真菌、動(dòng)物、植物的一種自身調(diào)控機(jī)制，是雙鏈RNA誘發(fā)的使同源mRNA高效特異性降解的基因沉默現(xiàn)象，也是近幾年生命科學(xué)的研究熱點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文主要介紹了RNAi的發(fā)現(xiàn)、作用機(jī)理和在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵詞： RNAi；dsRNA；siRNA；RISC；基因沉默

Progress of the study on RNA interference Abstract: RNAi is somekind Self-regulatory mechanism which widely exists in epiphyte, plants and animals,it is a phenomenon of gene silencing induced by double strandRNA,and also is the hotspot on life science with a wide range of application prospects.This study aimed to introduce the discovery , Mechanism and the apply in some fields of RNAi.Key words: RNAi;dsRNA;siRNA;RISC;Gene silencing RNA干擾（RNA interference, RNAi）是指在進(jìn)化過(guò)程中高度保守的、由雙鏈RNA（double-stranded RNA，dsRNA）誘發(fā)的導(dǎo)致同源mRNA高效特異性降解的基因沉默現(xiàn)象。當(dāng)細(xì)胞中導(dǎo)入與內(nèi)源性mRNA編碼區(qū)同源的雙鏈RNA時(shí)，該mRNA發(fā)生降解而導(dǎo)致基因表達(dá)沉默。與其它基因沉默現(xiàn)象不同的是，在植物和線蟲(chóng)中，RNAi具有傳遞性，可在細(xì)胞之間傳播，此現(xiàn)象被稱作系統(tǒng)性RNA干擾(systemic RNAi)。RNAi是基因轉(zhuǎn)錄后沉默的一種方式，是生物界古老而且進(jìn)化的高度保守的現(xiàn)象之一。

RNAi廣泛存在于生物界，是生物體抵御病毒或其它外來(lái)核酸入侵以及保持自身遺傳穩(wěn)定的保護(hù)性機(jī)制。RNAi是通過(guò)siRNA介導(dǎo)的特異性高效抑制基因表達(dá)途徑，由siRNA介導(dǎo)識(shí)別并靶向切割同源性靶mRNA。RNAi具有生物催化反應(yīng)特征，反應(yīng)中需要多種蛋白因子以及ATP的參與。RNAi在基因功能研究和基因藥物應(yīng)用具有廣泛的前景。1.RNAi的發(fā)現(xiàn)歷史

1990年，為加深矮牽牛花的紫色，Jorgensen等導(dǎo)入了一個(gè)強(qiáng)啟動(dòng)子控制的色素基因，可是結(jié)果與預(yù)期相反，許多花瓣顏色并未加深，反而呈雜色甚至白色，這是由于轉(zhuǎn)基因和同源內(nèi)源基因的表達(dá)都被抑制了，Jorgensen把這個(gè)現(xiàn)象命名為共抑制(cosuppression)。

1995年，Guo等發(fā)現(xiàn)注射正義RNA和反義RNA均能有效并特異性地抑制秀麗新小桿線蟲(chóng)par-1基因的表達(dá)，該結(jié)果不能使用反義RNA技術(shù)的理論做出合理的解釋。

1998年，F(xiàn)ire和Tabara首次將雙鏈dsRNA—正義鏈與反義鏈的混合物注入線蟲(chóng)，結(jié)果表現(xiàn)出比單獨(dú)注入單鏈要強(qiáng)得多的沉默，并且導(dǎo)致子一代同源基因的沉默，這也是人們第一次應(yīng)用RNAi技術(shù)。

隨后,Hammond還發(fā)現(xiàn)，不僅在線蟲(chóng)中，在果蠅的研究中同樣發(fā)現(xiàn)RNAi，盡管采用能生產(chǎn)dsRNA的酵母喂食果蠅的實(shí)驗(yàn)以失敗告終，但是通過(guò)顯微注射或者通過(guò)基因槍將dsRNA注入果蠅胚胎中或者將帶有反向重復(fù)序列的DNA導(dǎo)入果蠅中能夠引發(fā)基因沉默。后來(lái)RNAi相繼在錐形蟲(chóng)（trypanosomes）、渦蟲(chóng)(planarian）、水螅（hydra）、斑馬魚(yú)（zebrafish）、真菌（fungi）、植物以及小鼠等不同種屬的生物體中得以發(fā)現(xiàn)。

2002年，Zernicka-Coetz等用雙鏈RNA注射小鼠受精卵和著床前的胚胎，結(jié)果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)入的雙鏈RNA可以特異性地抑制C-mos（c-mos是莫洛尼氏鼠類(lèi)肉瘤病毒癌基因的同源基因）、鈣粘附蛋白（E-cadherin）和綠色熒光蛋白（GFP）基因的表達(dá)。JudyLiebem1an和Premlata Shankar首先向公眾宣布了在動(dòng)物中利用RNAi技術(shù)治療疾病的研究進(jìn)展。

由于Fire和Mello解釋了先前Guo S等無(wú)法解釋的基因抑制現(xiàn)象而于2006年被授予諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。2.RNAi的作用機(jī)制

目前有關(guān)RNAi在植物、動(dòng)物、果蠅中的研究表明其大體分為起始階段、效應(yīng)階段、循環(huán)階段。

2.1起始階段 2.1.1 dsRNA的形成

細(xì)胞中dsRNA的形成是RNAi 的第一步。外源DNA、RNA序列均可引起細(xì)胞產(chǎn)生相應(yīng)的dsRNA，dsRNA可以是一個(gè)RNA分子回折自身互補(bǔ)而形成分子內(nèi)雙鏈，也可以是分開(kāi)的兩個(gè)RNA分子互補(bǔ)形成的分子間雙鏈。如基因組中DNA 反向重復(fù)序列的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物或者同時(shí)轉(zhuǎn)錄反義和正義RNA 或者病毒RNA 復(fù)制中間體以及以細(xì)胞中單鏈RNA 為模板由細(xì)胞或病毒的RNA 依賴的RNA 聚合酶(RdRp)催化合成dsRNA等。在線蟲(chóng)（c.elegans)可以直接注射dsRNA 或把線蟲(chóng)浸泡在含dsRNA 溶液中等方式引入外源dsRNA ,還可以通過(guò)喂養(yǎng)表達(dá)正義和反義RNA 的細(xì)菌獲得dsRNA。

2.1.2 siRNA的形成和參與RNAi的蛋白因子

當(dāng)細(xì)胞中的dsRNA擴(kuò)增達(dá)到一定量時(shí)，dsRNA會(huì)在一種具有RNase Ⅲ樣活性的核酸酶作用下加工裂解成21～23 nt（nucleotide）由正義和反義序列組成的小分子干擾RNA片段(small interferingRNAs，siRNA)，每個(gè)siRNA分子互補(bǔ)雙鏈兩側(cè)3′末端具有2 nt的突出，5′端的磷酸基團(tuán)會(huì)被一種特殊的激酶保護(hù)起來(lái)。

果蠅中RNase III 樣核酸酶稱為Dicer。Dicer 含有解旋酶(helicase)活性以及dsRNA 結(jié)合域。迄今為止已鑒定出包括Dicer在內(nèi)的若干個(gè)與RNAi有關(guān)的蛋白因子。在果蠅（Drosophila melanogaster）RISC中，已知存在著稱為Argonaute2(AGO2)的因子，AGO2蛋白的表達(dá)受到抑制時(shí)，RNAi效應(yīng)缺失，也就是說(shuō)AGO2是果蠅RNAi機(jī)制的必須因子。研究表明Argonaute家族蛋白具有RNA切割酶活性（slicer activity），RNAi機(jī)制正是由Argonaute家族蛋白的RNA切割酶活性主導(dǎo)。另外，幾個(gè)RNA解旋酶(RNA helicase)也被鑒定為參與RNAi機(jī)制的因子。

在秀麗隱桿線蟲(chóng)（C.elegans）的RNAi中必須的因子有EGO1。這是一種RdRP(RNA-dependent RNA Polymerase)，植物中也存在該蛋白同系物。RNAi中RdRP是將標(biāo)靶mRNA作為模板，以導(dǎo)入的dsRNA(或siRNA)作為引物合成RNA，在細(xì)胞內(nèi)針對(duì)于標(biāo)靶mRNA合成新siRNA的酶。這一反應(yīng)在一些生物的RNAi中為必須，但RdRP活性在人和果蠅的RNAi中是非必須的，這說(shuō)明在不同物種之間RNAi機(jī)制的基本框架雖然相同，但存在著微妙差異。2.1.3 siRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

已發(fā)現(xiàn)在擬南芥(Arabidopsis）、線蟲(chóng)（c.elegans）、裂殖酵母（charomyces）以及哺乳動(dòng)物中也存在Dicer 同類(lèi)物干擾性小RNA(small interfering RNA ,或short interfering RNAs , siRNA)是RNAi賴以發(fā)生的重要中間效應(yīng)分子。

siRNA 是一類(lèi)長(zhǎng)約21～25 個(gè)核苷酸(nt)的特殊雙鏈RNA(dsRNA)分子,具有特征性結(jié)構(gòu),即siRNA 的序列與所作用的靶mRNA 序列具有同源性，siRNA 兩條單鏈末端為5′端磷酸和3′端羥基，此外,每條單鏈的3′端均有2～3 個(gè)突出的非配對(duì)的堿基。

The structure of siRNA 對(duì)于體外人工合成的siRNA 來(lái)說(shuō),其活性發(fā)揮完全需要其雙鏈中與靶RNA 互補(bǔ)的一條鏈5′端磷酸化,有時(shí)也需要與靶RNA 序列一致的另一條鏈5′端磷酸化。5′端磷酸化的siRNA 其活性明顯高于非磷酸化siRNA。

在果蠅胚細(xì)胞裂解物中,新生成siRNA 的磷酸化由一種能特異識(shí)別siRNA 的激酶催化生成,從而允許siRNA 參與多輪靶RNA 的裂解，該過(guò)程為ATP 依賴性。這種激酶能夠區(qū)分

siRNA 5′-核糖和5′-脫氧核糖。siRNA 的結(jié)構(gòu)特征,即長(zhǎng)21～23 nt、雙鏈的兩端各有2 個(gè)突出的3′堿基，5′的磷酸化使siRNA 不同于其它小dsRNA ,這是細(xì)胞賴以區(qū)分真正的siRNA 和其它dsRNA 的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ), 特異性激酶只保持真正siRNA 的5′端磷酸化狀態(tài),而對(duì)其它dsRNA 不發(fā)生作用,從而保證只有真正的siRNA 才能進(jìn)入RNAi 途徑并引發(fā)靶mRNA 的裂解。靶RNA 中的裂解位點(diǎn)受siRNA 中互補(bǔ)鏈5′端序列的影響,該鏈5′端的額外序列將導(dǎo)致靶RNA 中裂解位點(diǎn)的改變,而3′端的額外序列對(duì)靶RNA 中的裂解位點(diǎn)無(wú)明顯影響。因此,siRNA 5′磷酸可能充當(dāng)靶RNA 裂解位點(diǎn)的一種分子參照。

Elbashir 等對(duì)果蠅胚細(xì)胞裂解物中siRNA 任意一條鏈或兩條鏈同時(shí)進(jìn)行2′-脫氧或2′-氧-甲基修飾,結(jié)果siRNA 不能介導(dǎo)RNAi ,但對(duì)siRNA 3′端多個(gè)堿基進(jìn)行2′-脫氧核苷酸替代修飾時(shí)仍具有RNAi作用。siRNA 識(shí)別靶序列的過(guò)程雖然高度特異,但并非siRNA 中的每一個(gè)位點(diǎn)對(duì)靶序列的識(shí)別均具有同等作用，siRNA 雙鏈中心的堿基錯(cuò)配將不能引發(fā)靶

RNA 的降解。

Boutla 等研究顯示,不同的合成siRNA 可引發(fā)果蠅胚胎細(xì)胞的RNAi ,這些siRNA 的點(diǎn)突變僅使其基因沉默功能輕度下降,提示基因沉默機(jī)制雖然要求一定的序列特異性,但并不過(guò)分嚴(yán)格。2.2效應(yīng)階段

siRNA的反義鏈可指導(dǎo)形成一種核酸內(nèi)切酶復(fù)合體，稱為RNA induced silencing complexes(RISC)。RISC是由多種蛋白成分組成的，包括：內(nèi)切核酸酶、外切核酸酶、解旋酶和同源RNA鏈搜索活性等，其第一個(gè)亞單位為siRNA。RISC可利用結(jié)合在其上的內(nèi)切核酸酶活性切割靶mRNA分子中與siRNA反義鏈互補(bǔ)的區(qū)域，從而干擾基因的表達(dá)。線C.elegans 中的MUT7(一種RNase D 樣蛋白)可能是一種3′5′-外切核酸酶。此外, PAZPPiwi 蛋白家族成員可能是RISC中的構(gòu)成組分,如Arabidposis中的AGO1 ；N.Crassa中的QDE2 ；C.elegans 中的RDE1 等,以上這些蛋白與翻譯因子eIF2C 同源。最新的研究進(jìn)一步揭示,ATP 在siRNA 介導(dǎo)的RNAi 中具有重要作用。較長(zhǎng)dsRNA 向siRNA 的轉(zhuǎn)變要有ATP 參與，siRNA 與蛋白因子形成一個(gè)無(wú)活性的約360 kD 的蛋白PRNA 復(fù)合體，隨之, siRNA雙鏈結(jié)構(gòu)解旋并形成有活性的蛋白PRNA 復(fù)合體(RISC),此步具有ATP 依賴性。

ATP 使siRNA 5′端帶上磷酸分子,且對(duì)siRNA 的功能具有重要作用。上述過(guò)程中siRNA 雙鏈結(jié)構(gòu)解旋很可能是一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)改變,因?yàn)閟iRNA 雙鏈體與細(xì)胞裂解物、ATP 等孵育后再除去ATP 及其它輔助因子，引導(dǎo)RISC與靶mRNA結(jié)合時(shí)，siRNA 3′端倒數(shù)第2個(gè)堿基起的作用非常大，因此此處不能出現(xiàn)錯(cuò)配現(xiàn)象。2.3循環(huán)階段

含有siRNA 的活性復(fù)合體仍能識(shí)別和切割靶mRNA 分子。siRNA 可作為一種特殊引物，在RNA 依賴RNA聚合酶(RdRp)作用下以靶mRNA 為模板合成dsRNA ,后者可被降解形成新的siRNA，新生成的siRNA又可進(jìn)入上述循環(huán)。這種過(guò)程稱為隨機(jī)降解性多聚酶鏈反應(yīng)(random degradative PCR)。新生的dsRNA 反復(fù)合成和降解,不斷產(chǎn)生新的siRNA ,從而使靶mRNA 漸進(jìn)性減少,呈現(xiàn)基因沉默現(xiàn)象。RdRp 一般只對(duì)所表達(dá)的靶mRNA 發(fā)揮作用,這種在RNAi 過(guò)程中對(duì)靶mRNA 的特異性擴(kuò)增作用有助于增強(qiáng)RNAi的特異性基因監(jiān)視功能。每個(gè)細(xì)胞只需要少量dsRNA 即能完全關(guān)閉相應(yīng)基因表達(dá),可見(jiàn)RNAi 過(guò)程具有生物催化反應(yīng)的基本動(dòng)力學(xué)特征。siRNA特異性地與mRNA結(jié)合，siRNA作為引物在RNA依賴的RNA聚合酶作用下通過(guò)類(lèi)似PCR的擴(kuò)增作用再次形成dsRNA，新的dsRNA又被RNAase樣的Dicer內(nèi)切酶切割產(chǎn)生次級(jí)siRNA，次級(jí)siRNA又可以進(jìn)入下輪循環(huán)。3．RNAi的應(yīng)用與相關(guān)討論

RNAi 是植物、線蟲(chóng)、真菌、昆蟲(chóng)、原生動(dòng)物以及動(dòng)物的一種強(qiáng)有力的基因表達(dá)抑制途徑,在生物體的發(fā)生發(fā)育及防御系統(tǒng)的構(gòu)成等方面均具有十分重要的作用。已證實(shí)無(wú)脊椎動(dòng)物和植物中的RNAi 機(jī)制可抑制侵入宿主體內(nèi)的病毒和轉(zhuǎn)座子(transposon),減弱和清除其基因毒性作用。在基因工程中將一轉(zhuǎn)移基因?qū)胫参锛?xì)胞時(shí)出現(xiàn)的基因沉默作用也是宿主細(xì)胞的一種通過(guò)RNAi 機(jī)制實(shí)現(xiàn)的自我保護(hù)性反應(yīng)。3.1 RNAi在動(dòng)植物中的應(yīng)用

目前尚不清楚RNAi 在哺乳動(dòng)物系統(tǒng)中所起的作用。哺乳動(dòng)物基因組常面臨高負(fù)荷病毒和自私DNA(selfish DNA)的侵襲以及轉(zhuǎn)錄異常所帶來(lái)的危害,對(duì)這些危及正常基因組完整性的因素來(lái)說(shuō),RNAi 可能是整個(gè)防御網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。dsRNA 介導(dǎo)的特異性基因沉默作用也可能在哺乳動(dòng)物基因表達(dá)的調(diào)控中起重要作用,例如X 基因的滅活等。總之,在動(dòng)物和植物中RNAi 的功能之一是通過(guò)抑制生殖細(xì)胞中轉(zhuǎn)座子的遷移和DNA 重復(fù)序列的積累來(lái)保持基因組的完整性和穩(wěn)定性。3.2 RNAi的細(xì)胞毒作用

此外，RNAi 也可作為一種防御機(jī)制抵抗病毒感染，2001年，Tuschl等將siRNA導(dǎo)入到哺乳動(dòng)物細(xì)胞中并由此解決了在哺乳細(xì)胞內(nèi)導(dǎo)入長(zhǎng)的雙鏈RNA時(shí)引發(fā)的干擾素效應(yīng)，由此拓展了RNAi在基因治療上應(yīng)用前景。

RNAi機(jī)制普遍存在于動(dòng)植物，尤其是低等生物中。因此被認(rèn)為是進(jìn)化上相對(duì)保守的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制。一種假說(shuō)為，RNAi機(jī)制是作為在RNA水平上抵御病毒入侵的防御機(jī)制而存在的。在病毒自身基因組所包含的，或在病毒復(fù)制過(guò)程中產(chǎn)生的雙鏈RNA可以被Dicer識(shí)別，從而引起病毒RNA降解。但是許多病毒為抵抗宿主的RNA干擾機(jī)制，會(huì)產(chǎn)生抑制宿主RNA干擾的蛋白，以保護(hù)病毒基因在宿主體內(nèi)的順利復(fù)制。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的可以抑制宿主RNA干擾的病毒蛋白有potyviruses編碼的HC-PRO蛋白、馬鈴薯X病毒編碼的Cmv2b蛋白、獸棚病毒編碼的B2蛋白等。RNA干擾也是抑制破壞基因結(jié)構(gòu)的一種DNA片段轉(zhuǎn)座子活性的重要方式。轉(zhuǎn)座子通常以逆轉(zhuǎn)座的方式在基因組中擴(kuò)增。在逆轉(zhuǎn)座過(guò)程中產(chǎn)生的雙鏈RNA分子可以被Dicer識(shí)別，從而被降解。3.3抗腫瘤方面的應(yīng)用

腫瘤的發(fā)生是一種多基因協(xié)同作用的結(jié)果，利用RNAi技術(shù)可同時(shí)阻斷多個(gè)癌基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，從而有效抑制腫瘤的生長(zhǎng)，達(dá)到治療腫瘤的目的。

尿激酶型纖溶酶原激活劑(uPA)是一種在肝癌細(xì)胞中高表達(dá)的蛋白，Salvi等用RNAi技術(shù)沉默肝癌細(xì)胞中尿激酶型纖溶酶原激活劑(uPA)的表達(dá)，結(jié)果轉(zhuǎn)染靶向uPA的siRNA的肝癌細(xì)胞其侵襲、轉(zhuǎn)移和增殖能力顯著下降。Pardridge等以人表皮生長(zhǎng)因子受體(HEGFR)為靶點(diǎn)，應(yīng)用RNAi技術(shù)干擾其表達(dá)從而抑制顱內(nèi)腫瘤的生長(zhǎng)。

腫瘤的生長(zhǎng)具有血管依賴性血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)是一種重要的血管生長(zhǎng)因子。Han等報(bào)道用RNAi技術(shù)研究分析了血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)5種同型異構(gòu)體基因功能，進(jìn)一步

對(duì)血管生成基因進(jìn)行敲除治療癌癥，并顯示了較好的治療結(jié)果。

因此，用RNAi技術(shù)沉默腫瘤發(fā)生發(fā)展過(guò)程中過(guò)表達(dá)的癌基因可抑制腫瘤的生長(zhǎng)。RNAi還可用于研究與腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)分化相關(guān)的信號(hào)傳導(dǎo)通路，并通過(guò)干擾細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)途徑中關(guān)鍵蛋白的表達(dá)，達(dá)到抑制腫瘤生長(zhǎng)的作用，為惡性腫瘤的基因治療提供了新的技術(shù)方法。

3．4 RNAi在藥物研究中的應(yīng)用

利用RNAi能夠特異高效地抑制基因表達(dá),獲得去基因功能表型,能夠在短時(shí)間內(nèi)大規(guī)模篩選靶點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)了在細(xì)胞水平和動(dòng)物水平篩選藥靶和評(píng)定藥靶。Hamamichi利用RNAi和基因敲除技術(shù)系統(tǒng)屏蔽帕金森病模型中將近900個(gè)候選基因和通路,找到了兩個(gè)帕金森病遺傳易感性位點(diǎn)和治療靶點(diǎn),從而為該疾病的治療奠定基礎(chǔ)。

RNAi在被廣泛應(yīng)用于功能基因組研究確定了大量潛在的藥物作用靶點(diǎn)的同時(shí),也被證實(shí)了其作為新一代基因治療藥物的可能性。2006年,美國(guó)Acuity制藥公司生產(chǎn)的用于治療濕性老年斑病變的RNAi藥物—Bevasiranib在RNAi臨床實(shí)驗(yàn)方面取得成功,它在療效、安全性方面都優(yōu)于常規(guī)藥物。

目前,FDA已經(jīng)批準(zhǔn)Bevasiranib進(jìn)入III期臨床實(shí)驗(yàn),而最終的試驗(yàn)結(jié)果將于2009年獲得。

RNAi藥物其他方面的應(yīng)用,如治療Huntington病和哮喘以及COPD也進(jìn)入臨床前研究階段,但是RNAi藥物仍存在如給藥途徑、使用安全性等方面的問(wèn)題。

另外，發(fā)現(xiàn)RNAi機(jī)制中的相關(guān)一些因子如內(nèi)源性雙鏈RNA及蛋白因子可以在多種層次上對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，其范圍已經(jīng)超越了PTGS（post transcriptional gene silencing），如RNAi機(jī)制同樣參與了轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達(dá)調(diào)控過(guò)程中。

從理論上講，RNAi技術(shù)能選擇性地沉默基因組中任何基因的表達(dá)。在實(shí)驗(yàn)室中，RNAi已經(jīng)被廣泛用來(lái)研究生命現(xiàn)象的遺傳奧秘，特別是在哺乳動(dòng)物中抑制那些無(wú)法敲除的基因的表達(dá)，已經(jīng)發(fā)展成為研究基因功能有利的工具。與其他幾種進(jìn)行功能喪失的技術(shù)相比，RNAi技術(shù)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，它比反義RNA技術(shù)和同源共抑制更有效，更容易產(chǎn)生功能喪失,與造成的功能永久性缺失技術(shù)相比，RNAi技術(shù)更受人們青睞。而且通過(guò)與細(xì)胞特異性啟動(dòng)子及可誘導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)合使用，可以在發(fā)育的不同時(shí)期或不同器官中有選擇的進(jìn)行。4.展望

自從1998年Fire首次報(bào)導(dǎo)以來(lái)，RNAi研究迅猛發(fā)展，掀起了dsRNA介導(dǎo)的基因沉默作用分子機(jī)制及其生物學(xué)功能研究的熱潮，使RNAi成為分子生物學(xué)領(lǐng)域最熱門(mén)的研究課題之一。在美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)出的2002年十大科技進(jìn)展的排行榜中名列榜首。

由于RNAi干擾作用具有高效性和高特異性特點(diǎn),能有效阻抑不必要或有害基因表達(dá),對(duì)細(xì)胞及機(jī)體正常功能的發(fā)揮和維持至關(guān)重要。為多種病毒性或遺傳性疾病以及腫瘤癌癥等醫(yī)學(xué)頑癥的根治開(kāi)辟了一條新的有效途徑。RNAi不僅能大大推動(dòng)人類(lèi)后基因組計(jì)劃的發(fā)展,還將應(yīng)用于基因治療、新藥開(kāi)發(fā)、生物醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域。因此,RNAi的研究與應(yīng)用具有極其重要的理論和實(shí)際意義,將對(duì)醫(yī)學(xué)生物學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

但我們注意到RNAi在其發(fā)展的過(guò)程中仍然存在許多問(wèn)題需要解決，需要我們對(duì)它進(jìn)一步研究和應(yīng)用，并在生命的各個(gè)領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。

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[4]張彬彬．RNA干涉與基因沉默研究進(jìn)展[J]．山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,18(1):106-l10． [5]康潔，劉福林．RNAi生物體內(nèi)的基因免疫[J]．生物學(xué)通報(bào)，2004,8(39):16-17． ［6］陳忠斌，于樂(lè)成，王升起.RNA干擾作用（RNAi）研究進(jìn)展［J］.中國(guó)生物化學(xué)與分子生物學(xué)報(bào)，2002，18（5）：525-528.［7］李剛.RNAi研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.廣東醫(yī)學(xué)，2003，24（3）：327-329.［8］遇玲，李名揚(yáng)，郭余龍.RNA干擾機(jī)理與應(yīng)用［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（7）：2870-2872.［9］袁克華，馮仁軍，程萍，等.RNA干擾的研究進(jìn)展［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（8）：3471-3473.[10]陳忠斌,于樂(lè)成,王升啟.RNA 干擾作用(RNAi)研究進(jìn)展.中國(guó)生物化學(xué)與分子生物學(xué)報(bào)，2002 ,18(5):525-528.[11]王春蕾，趙博，叢斌.RNA干擾技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展.農(nóng)業(yè)科技與裝備，2009，6（3）：183.[12]茂慶.蚊抗藥性相關(guān)基因克隆與功能研究及用RNAi抑制蚊抗藥性的初步研究[D].南京:南京醫(yī)科大學(xué),2005.[13]胡穎,洪蝶.RNA干擾機(jī)制的分子生物學(xué)研究進(jìn)展[J].國(guó)際病毒學(xué)雜志, 2007, 6:185-189 [14]李曙芳,劉田福.RNA干擾技術(shù)的應(yīng)用新進(jìn)展.中國(guó)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)報(bào), 2009,17(1).[15]王猛,馬艷平,陳豪泰,馬麗娜,丁耀忠,楊生海,劉永生,張杰.RNA干擾技術(shù)應(yīng)用的研究進(jìn)展.江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2009, 21(6): 108-111.[16]趙志榮,劉森.日本血吸蟲(chóng)Mago nashi基因RNA干擾系統(tǒng)的構(gòu)建及鑒定[J].中國(guó)人畜共患病學(xué)報(bào), 2006, 22(8): 746-749.[17]LIPARDI,WEI Q,PATERSON BM.RNAi as random degradative PCR:siRNA primers convert mRNA into dsRNAs that are degraded to generate new siRNAs[J].Cell,2001,107(3):297-307.[18]Brummelkamp TR, Bernards R, Agami R.A system for stableexpression of short interfering RNAs in mammalian cells[J].Science, 2002, 296: 550-553.[19]Miyagishi M, Taira K.U6 promoter2driven siRNAs with four u-ridine 3′overhangs efficiently suppress targeted gene expressionin mammalian cells[J].Nat Biotechnol, 2002, 20(5): 497-500.

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(hào)：:EK5G04A00

課程名稱：現(xiàn)代生物技術(shù)概論

閱卷教師：

班級(jí)：10級(jí)生物工程

學(xué)號(hào)：104177306

姓名：郭兆峰

成績(jī)：

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(lái)的，是一種可以按照人們的意愿設(shè)計(jì)、改造和組建生物品種的新技術(shù)。包括它通過(guò)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(guò)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(kāi)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(guó)的一次學(xué)術(shù)會(huì)上報(bào)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(wèn)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(shuō)，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(wèn)題。

以上問(wèn)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(lái)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(lái)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(gè)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(guò)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(lái)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(duì)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

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課程名稱：現(xiàn)代生物技術(shù)概論

閱卷教師：

班級(jí)：10級(jí)生物工程

學(xué)號(hào)：104177306

姓名：郭兆峰

成績(jī)：

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(chóng)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(duì)預(yù)防人類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(guó)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(shí)降解4種有機(jī)物的“超級(jí)細(xì)菌”，用之清除石油污染，在數(shù)小時(shí)內(nèi)可將水上浮油中的2/3烴類(lèi)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(chóng)與害蟲(chóng)，而對(duì)人畜無(wú)害，不污染環(huán)境。現(xiàn)已開(kāi)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(lèi)和氯酚類(lèi)、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(wú)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(wèn)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(guò)PCR技術(shù)全部克隆出來(lái)，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(jí)菌株，從而大大地提高降解效率。

五、基因工程的安全性問(wèn)題：

自基因工程誕生以來(lái)，基因工程的安全性問(wèn)題就受到人們極大的關(guān)注，關(guān)于重組DNA潛在的危險(xiǎn)性問(wèn)題的爭(zhēng)論，在基因工程還處于醞釀階段的時(shí)候就已經(jīng)開(kāi)始。爭(zhēng)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

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課號(hào)：:EK5G04A00

課程名稱：現(xiàn)代生物技術(shù)概論

閱卷教師：

班級(jí)：10級(jí)生物工程

學(xué)號(hào)：104177306

姓名：郭兆峰

成績(jī)：的雜種生物會(huì)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(huì)在自然界不斷繁殖，造成的危害更大。

在1975年2月，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）在加利福尼亞州的Asilomar 會(huì)議中心內(nèi)，160名來(lái)自美國(guó)和16個(gè)國(guó)家的專(zhuān)家學(xué)者對(duì)重組DNA的危害辯論，雖然與會(huì)代表分歧挺大，但最后也達(dá)成了一些重要的共識(shí)，在1976年6月23日美國(guó)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(lèi)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(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的一場(chǎng)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?lèi)生命和生活面貌。

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(guó)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(jí)：生物技術(shù)12-2 學(xué)

號(hào)：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(zhǎng)的解烴菌———地芽孢桿菌MD-2細(xì)胞中獲得了1個(gè)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(guò)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(duì)原油的降解率達(dá)75.08%。研究結(jié)果表明,可以通過(guò)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(lèi)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(dòng)性;同時(shí),解烴菌還可以將烴類(lèi)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(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng),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(duì)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(cè)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(gè)陽(yáng)性克隆接種到5mL LB培養(yǎng)基中,培養(yǎng)過(guò)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(wú)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(cè)油儀測(cè)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(cè)挑取陽(yáng)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(cè)光波波長(zhǎng)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(cè)。基因工程菌降油能力測(cè)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(wú)菌生理鹽水洗滌菌體1次,加20mL無(wú)菌生理鹽水懸浮,作為菌株利用烷

烴生長(zhǎng)的種子液。取菌懸液按1%接種量接入200mL無(wú)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(jì)數(shù)。原油降解實(shí)驗(yàn) 在無(wú)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(cè)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(cè)

對(duì)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(cè),相對(duì)分子質(zhì)量不小于23kb,說(shuō)明提取的DNA完好。在檢測(cè)光波波長(zhǎng)為260280nm條件下分別測(cè)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(wú)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(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院基因序列數(shù)據(jù)庫(kù)(Genbank)中的烷烴單加氧酶基因開(kāi)放閱讀框兩端保守序列,設(shè)計(jì)了一對(duì)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(yáng)性克隆質(zhì)粒進(jìn)行測(cè)序。測(cè)序結(jié)果經(jīng)Genbank檢索,表明該DNA序列是個(gè)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(guò)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(jiàn)(圖2),在烷烴單加氧酶基因sladA對(duì)應(yīng)蛋白大小的地方掃描到高信號(hào)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(zhǎng)

基因工程菌SL-21在以原油和液體石蠟為惟一碳源的無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中培養(yǎng),在70℃和180r/min條件下,經(jīng)過(guò)3d的延滯期后進(jìn)入對(duì)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(zhǎng)。2.6 對(duì)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(duì)原油有很明顯的降解效果,幾乎將飽和烴降解完全。經(jīng)對(duì)氣相色譜各峰面積對(duì)比,計(jì)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(duì)原油的降解率為75.08%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,烴類(lèi)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(guò)菌株對(duì)原油的降解評(píng)價(jià)進(jìn)一步篩選。獲得的對(duì)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(zhǎng),并且對(duì)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(lèi)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(zhǎng)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(zhǎng)。14d對(duì)原油的降解率為75.08%,對(duì)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(kāi)發(fā),2007,26(6):119-123.[2] 汪衛(wèi)東,汪竹,耿雪麗,等.美國(guó)微生物采油技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)忠,宋永亭,段傳慧.微生物采油用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在石英砂上的靜態(tài)和動(dòng)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(lèi)社會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)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(duì)基因進(jìn)行復(fù)雜的操作，將不同來(lái)源的基因按預(yù)先設(shè)計(jì)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(gè)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(lái)，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(lái)，然后與載體一起導(dǎo)入某一更易生長(zhǎng)、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(lái)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(gè)基本的步驟：①?gòu)暮线m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(lèi)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(gè)目標(biāo)基因或特殊的DNA片段，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將其接合到受體生物DNA鏈上。

一個(gè)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(cè)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(píng)價(jià)。

（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(lèi)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(kāi)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(guò)多種途徑和方法來(lái)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(niǎo)槍法”，又叫“散彈射擊法”。鳥(niǎo)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(guò)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(gè)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(lái)。如許多抗蟲(chóng)抗病毒的基因都可以用上述方法獲得。用鳥(niǎo)槍法獲得目的基因的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)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(cè)出相應(yīng)的信使RNA序列，然后按照堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則，推測(cè)出它的基因的核苷酸序列，再通過(guò)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(guò)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(gè)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(duì)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(lèi)：質(zhì)粒、λ噬菌體、柯斯質(zhì)粒、病毒載體、YAC載體等，各類(lèi)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(guò)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(dòng)物的受精卵一般通過(guò)人工顯微鏡注射法導(dǎo)入外源基因；動(dòng)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(duì)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(gè)體的鑒別和篩選

在對(duì)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(méi)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(duì)被進(jìn)行了基因轉(zhuǎn)移處理的細(xì)胞或個(gè)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(gè)體。鑒別和篩選轉(zhuǎn)基因生物一般在兩個(gè)層面上進(jìn)行：一是檢測(cè)目標(biāo)基因是否表達(dá)，二是檢測(cè)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(cè)的方法主要有轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的印跡雜交法、免疫印跡檢測(cè)法、免疫組織化學(xué)檢測(cè)法等。整合檢測(cè)可通過(guò)DNA分子雜交來(lái)確定。

（五）轉(zhuǎn)基因品系的效益分析。

一個(gè)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(gè)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(lèi)對(duì)生命、生態(tài)系統(tǒng)、生物的演化實(shí)際上還知之甚少，對(duì)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期影響

等都無(wú)法進(jìn)行評(píng)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(duì)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(guò)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(dòng)物或植物變成三倍體等。

（七）消費(fèi)安全評(píng)價(jià)

消費(fèi)安全評(píng)價(jià)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(bào)道基因（就是能產(chǎn)生很容易觀察的性狀的基因）是否會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)。⑤外源基因?qū)牒笫欠駮?huì)誘導(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(lèi)的健康，許多國(guó)家都已通過(guò)立法或其他形式對(duì)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品進(jìn)行消費(fèi)安全評(píng)價(jià)和嚴(yán)格的管理，對(duì)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(lái)源限制產(chǎn)量有限，其價(jià)格往往十分昂貴。微生物生長(zhǎng)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(wèn)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(guò)基因工程實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，均為解除人類(lèi)的病苦，提高人類(lèi)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(zhǎng)期困擾人類(lèi)的一類(lèi)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(jì)制造的“DNA探針”檢測(cè)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(guò)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(dòng)、植物。如轉(zhuǎn)基因魚(yú)（生長(zhǎng)快、耐不良環(huán)境、肉質(zhì)好），轉(zhuǎn)基因牛（乳汁中含有人生長(zhǎng)激素），轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的甜椒，轉(zhuǎn)魚(yú)抗寒基因的番茄，轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的馬鈴薯，不會(huì)引起過(guò)敏的轉(zhuǎn)基因大豆，抗蟲(chóng)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(cè)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(jí)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(jí)菌是美國(guó)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(gè)菌株內(nèi)而產(chǎn)生的。

總之，基因工程的發(fā)展將會(huì)給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)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(gè)方面，一是技術(shù)方面的不穩(wěn)定性，二是由于對(duì)不同生物的生理特性的了解不很深入，如我們將魚(yú)類(lèi)抗凍蛋白基因轉(zhuǎn)移到不抗寒的羅非魚(yú)等熱帶魚(yú)中，雖然抗凍蛋白基因得到表達(dá)，但并沒(méi)有使受體魚(yú)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(duì)簡(jiǎn)單的、單基因控制的性狀進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造，操作對(duì)象只限于一些比較簡(jiǎn)單的單因子基因。但生物絕大部分的重要性狀是由多個(gè)基因共同控制的，對(duì)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(wú)策。我們對(duì)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(shí)僅限于對(duì)啟動(dòng)子和增強(qiáng)子有所了解，對(duì)生物體整體的調(diào)節(jié)復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)還剛剛開(kāi)始。

2．在安全性方面存在著不確定性。對(duì)社會(huì)大眾來(lái)說(shuō)，最主要和最關(guān)心的是基因工程的安全性問(wèn)題，基因工程的安全性問(wèn)題包括兩個(gè)方面：一是基因工程產(chǎn)品的消費(fèi)安全問(wèn)題，二是轉(zhuǎn)基因生物的生態(tài)安全問(wèn)題。目前用轉(zhuǎn)基因技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的食品因其成分的某些改變是否會(huì)對(duì)人類(lèi)的健康產(chǎn)生不良的影響，這需要實(shí)驗(yàn)和時(shí)間來(lái)驗(yàn)證。有著某種生存優(yōu)勢(shì)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?cè)诖罅Πl(fā)展轉(zhuǎn)基因技術(shù)的同時(shí)，必須高度重視對(duì)轉(zhuǎn)基因動(dòng)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(méi)有進(jìn)行全面的評(píng)估和沒(méi)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(kāi)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(shí)，或無(wú)生殖能力的轉(zhuǎn)基因動(dòng)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(lèi)和社會(huì)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(lái)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(lèi)基因組計(jì)劃，探究材料結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)變化的關(guān)系。并通過(guò)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(lèi)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(wàn)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(jì)劃是通過(guò)“多學(xué)科融合”實(shí)現(xiàn)“高通量材料設(shè)計(jì)與試驗(yàn)”；其核心目標(biāo)在于通過(guò)“高通量計(jì)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(guò)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(jì)算方法、高通量材料實(shí)驗(yàn)方法和材料數(shù)據(jù)庫(kù)三大組成要素。

2.1.1高通量材料計(jì)算方法

高通量計(jì)算是指利用超級(jí)計(jì)算平臺(tái)與多尺度集成化、高通量并發(fā)式材料計(jì)算方法和軟件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大體系材料模擬、快速計(jì)算、材料性質(zhì)的精確預(yù)測(cè)和新材料的設(shè)計(jì)，提高新材料篩選效率和設(shè)計(jì)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(jì)算方法包括第一原理計(jì)算方法、計(jì)算熱力學(xué)方法、動(dòng)力學(xué)過(guò)程算法等，跨越原子模型、簡(jiǎn)約模型和工程模型等多個(gè)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(jì)算技術(shù)利用第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)與位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)、合金相圖計(jì)算、相場(chǎng)計(jì)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(cuò)式材料研發(fā)過(guò)程，并基于材料科學(xué)知識(shí)，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(cuò)”實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，結(jié)合對(duì)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(jí)化等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的“試錯(cuò)”模式在實(shí)際材料開(kāi)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(tái)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(tái)可以為據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)支撐；而就高通量集成計(jì)算而言，高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)為各種計(jì)算模擬工作提供計(jì)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(lèi)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(kù)

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(shí)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(duì)隨時(shí)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(zhuān)門(mén)的算法對(duì)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(jià)值的信息，并用專(zhuān)門(mén)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(kù)技術(shù)。

材料信息學(xué)通過(guò)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(jià)值信息和知識(shí)的目的。由于計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫(kù)是綜合物理，化學(xué)及生物的交叉學(xué)科的數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，材料數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，有利于減少材料的重復(fù)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，對(duì)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(jì)算模擬是實(shí)現(xiàn)“材料按需設(shè)計(jì)”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(jì)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(kù)，并為材料信息學(xué)提供分析素材，同時(shí)還可以針對(duì)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(kù)可以為材料計(jì)算模擬提供計(jì)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(jì)的依據(jù)，同時(shí)計(jì)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(kù)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(kù)及數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)研究材料的工藝過(guò)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(duì)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(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐跨度非常大，某種材料從最初的研究開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)性能優(yōu)化、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成、驗(yàn)證、制造再到投入市場(chǎng)通常需要10-20年時(shí)間。部分原因是一直以來(lái)過(guò)度依賴對(duì)材料研發(fā)的科學(xué)自覺(jué)與實(shí)驗(yàn)判斷，目前大部分材料的設(shè)計(jì)與測(cè)試時(shí)通過(guò)耗時(shí)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)完成的、而實(shí)際上，有些實(shí)驗(yàn)通過(guò)理論計(jì)算工具就能完成模擬。材料基因工程采用強(qiáng)大的計(jì)算分析和理論模擬工具，減少新材料研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)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(duì)將允許設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工程與生產(chǎn)活動(dòng)的重疊與互動(dòng)。這種新的綜合設(shè)計(jì)將結(jié)合更多的計(jì)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(chǎng)的種類(lèi)及速度，材料的開(kāi)發(fā)周期可從目前的 10~20 年縮短為 5~10 年。因此說(shuō)材料基因組技術(shù)是一項(xiàng)“顛覆性前沿技術(shù)”

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