什么是基因工程基因工程的操作步驟
什么是基因工程基因工程的操作步驟
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?；蚬こ桃彩俏覀円獙W(xué)習(xí)的一門知識。今天小編就與大家分享基因工程相關(guān)知識，僅供大家參考!
基因工程的介紹
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，將不同來源的基因按預(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，以改變生物原有的遺傳特性、獲得新品種、生產(chǎn)新產(chǎn)品。
基因工程的特征
1)跨物種性
外源基因到另一種不同的生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行繁殖。
2)無性擴(kuò)增
外源DNA在宿主細(xì)胞內(nèi)可大量擴(kuò)增和高水平表達(dá)。
基因工程的優(yōu)點(diǎn)
基因工程最突出的優(yōu)點(diǎn)是打破了常規(guī)育種難以突破的物種之問的界限，可以使原核生物與真核生物之間、動物與植物之間，甚至人與其他生物之間的遺傳信息進(jìn)行重組和轉(zhuǎn)移。人的基因可以轉(zhuǎn)移到大腸桿菌中表達(dá)，細(xì)菌的基因可以轉(zhuǎn)移到植物中表達(dá)。
基因工程的操作步驟
工具
(1)酶：限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶、
(2)載體：質(zhì)粒載體、噬菌體載體、Ti質(zhì)粒、人工染色體
1.提取目的基因
獲取目的基因是實(shí)施基因工程的第一步。如植物的抗病(抗病毒 抗細(xì)菌)基因，種子的貯藏蛋白的基因，以及人的胰島素基因干擾素基因等，都是目的基因。
要從浩瀚的“基因海洋”中獲得特定的目的基因，是十分不易的?？茖W(xué)家們經(jīng)過不懈地探索，想出了許多辦法，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，如使用PCR技術(shù))，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。
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。
2.目的基因與運(yùn)載體結(jié)合
基因表達(dá)載體的構(gòu)建(即目的基因與運(yùn)載體結(jié)合)是實(shí)施基因工程的第二步，也是基因工程的核心。
將目的基因與運(yùn)載體結(jié)合的過程，實(shí)際上是不同來源的DNA重新組合的過程。如果以質(zhì)粒作為運(yùn)載體，首先要用一定的限制酶切割質(zhì)粒，使質(zhì)粒出現(xiàn)一個缺口，露出黏性末端。然后用同一種限制酶切斷目的基因，使其產(chǎn)生相同的黏性末端(部分限制性內(nèi)切酶可切割出平末端，擁有相同效果)。將切下的目的基因的片段插入質(zhì)粒的切口處，首先堿基互補(bǔ)配對結(jié)合，兩個黏性末端吻合在一起，堿基之間形成氫鍵，再加入適量DNA連接酶，催化兩條DNA鏈之間形成磷酸二酯鍵，從而將相鄰的脫氧核糖核酸連接起來，形成一個重組DNA分子。如人的胰島素基因就是通過這種方法與大腸桿菌中的質(zhì)粒DNA分子結(jié)合，形成重組DNA分子(也叫重組質(zhì)粒)的。
3.將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞
將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞是實(shí)施基因工程的第三步。目的基因的片段與運(yùn)載體在生物體外連接形成重組DNA分子后，下一步是將重組DNA分子引入受體細(xì)胞中進(jìn)行擴(kuò)增。
基因工程中常用的受體細(xì)胞有大腸桿菌，枯草桿菌，土壤農(nóng)桿菌，酵母菌和動植物細(xì)胞等。
用人工方法使體外重組的DNA分子轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞，主要是借鑒細(xì)菌或病毒侵染細(xì)胞的途徑。例如，如果運(yùn)載體是質(zhì)粒，受體細(xì)胞是細(xì)菌，一般是將細(xì)菌用氯化鈣處理，以增大細(xì)菌細(xì)胞壁的通透性，使含有目的基因的重組質(zhì)粒進(jìn)入受體細(xì)胞。目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞后，就可以隨著受體細(xì)胞的繁殖而復(fù)制，由于細(xì)菌的繁殖速度非?？?，在很短的時間內(nèi)就能夠獲得大量的目的基因。
4.目的基因的檢測和表達(dá)
目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞后，是否可以穩(wěn)定維持和表達(dá)其遺傳特性，只有通過檢測與鑒定才能知道。這是基因工程的第四步工作。
以上步驟完成后，在全部的受體細(xì)胞中，真正能夠攝入重組DNA分子的受體細(xì)胞是很少的。因此，必須通過一定的手段對受體細(xì)胞中是否導(dǎo)入了目的基因進(jìn)行檢測。檢測的方法有很多種，例如，大腸桿菌的某種質(zhì)粒具有青霉素抗性基因，當(dāng)這種質(zhì)粒與外源DNA組合在一起形成重組質(zhì)粒，并被轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞后，就可以根據(jù)受體細(xì)胞是否具有青霉素抗性來判斷受體細(xì)胞是否獲得了目的基因。重組DNA分子進(jìn)入受體細(xì)胞后，受體細(xì)胞必須表現(xiàn)出特定的性狀，才能說明目的基因完成了表達(dá)過程。
基因工程的危害
關(guān)于轉(zhuǎn)基因生物的安全性，沒有科學(xué)性共識。盡管如此，基因工程農(nóng)作物已被大規(guī)模投放，生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用也日益增加。轉(zhuǎn)基因生物還被投入工業(yè)使用和環(huán)境恢復(fù)，而公眾對此卻知之甚少。最近幾年，越來越多的證據(jù)證明存在生態(tài)、健康危害和風(fēng)險，對農(nóng)民也有不利影響.
基因工程細(xì)菌影響土壤生物，導(dǎo)致植物死亡
1999出版的研究資料例舉了基因工程微生物釋放到環(huán)境中將如何導(dǎo)致廣泛的生態(tài)破環(huán)。
當(dāng)把克氏桿菌的基因工程菌株與砂土和小麥作物加入微觀體中時，喂食線蟲類生物的細(xì)菌和真菌數(shù)量明顯增加，導(dǎo)致植物死亡。而加入親本非基因工程菌株時，僅有喂食線蟲類生物的細(xì)菌數(shù)量增加，而植物不會死亡。沒有植物而將任何一種菌株引入土壤都不會改變線蟲類群落。
克氏桿菌是一種能使乳糖發(fā)酵的常見土壤細(xì)菌?；蚬こ碳?xì)菌被制造用來在發(fā)酵桶中產(chǎn)生使農(nóng)業(yè)廢物轉(zhuǎn)換為乙醇的增強(qiáng)乙醇濃縮物。發(fā)酵殘留物，包括基因工程細(xì)菌亦可于土壤改良。
研究證明，一些土壤生態(tài)系統(tǒng)中的基因工程細(xì)菌在某些條件下可長期存活，時間之長足以刺激土壤生物產(chǎn)生變化，影響植物生長和營養(yǎng)循環(huán)進(jìn)程。雖然仍不清楚此類就地觀測的程度，但是基因工程細(xì)菌引起植物死亡的發(fā)現(xiàn)也說明如果使用此種土壤改良有殺傷農(nóng)作物的可能。
致命基因工程鼠痘病毒偶然產(chǎn)生
澳大利亞研究員在研發(fā)對相對無害的鼠痘病毒基因工程時竟意外制創(chuàng)造出可徹底消滅老鼠的殺手病毒。
研究員們將白細(xì)胞間介素4的基因(在身體中自然產(chǎn)生)插入到一種鼠痘病毒中以促進(jìn)抗體的產(chǎn)生，并創(chuàng)造出用于控制鼠害的鼠類避妊疫苗。非常意外的是，插入的基因完全抑制了老鼠的免疫系統(tǒng)。鼠痘病毒通常僅導(dǎo)致輕微的癥狀，但加入IL-4基因后，該病毒9天內(nèi)使所有動物致死。更糟的是，此種基因工程病毒對接種疫苗有著異乎尋常的抵抗力。
經(jīng)改良的鼠痘病毒雖然對人類無影響，但卻與天花關(guān)系十分密切，讓人擔(dān)心基因工程將會被用于生物戰(zhàn)。一名研究員在談及他們決定出版研究成果的原因時曾說：" 我們想警告普通民眾，現(xiàn)在有了這種有潛在危險的技術(shù)"，"我們還想讓科學(xué)界明白，必須小心行事，制造高危致命生物并不是太困難。"
殺蟲劑使用的增加大部分是由于HT作物，尤其是HT大豆使用的殺蟲劑增加，這一點(diǎn)可追溯到對HT作物的嚴(yán)重依賴性以及雜草管理的單一除草劑(草甘磷)使用。這已導(dǎo)致轉(zhuǎn)移到更加難以控制的雜草，而某些雜草中還出現(xiàn)了遺傳抗性，迫使許多農(nóng)民在基因工程作物上噴灑更多的除草劑以對雜草適當(dāng)進(jìn)行控制。HT大豆中的抗草甘膦杉葉藻(marestail)于2000年在美國首次出現(xiàn)，在HT棉花中也已鑒別出此種物質(zhì)。
其它研究顯示，基因工程農(nóng)作物本身也會對其使用的除草劑產(chǎn)生抗性，引發(fā)嚴(yán)重的自身自長作物問題(同一塊地里早先種植的作物種子發(fā)芽的植物后來變成雜草)并迫使進(jìn)一步使用除草劑。加拿大科學(xué)家證實(shí)了抗多種除草劑之基因工程油菜的迅速演化，此種作物因花粉長距離傳播而融合了不同公司研制的單價抗除草劑特性。
此外，科學(xué)家還在2002年確認(rèn)了轉(zhuǎn)基因可從Bt向日葵移動到附近的野生向日葵，使雜化物更強(qiáng)、對化學(xué)藥品更具抗性，因?yàn)檩^之無基因控制的情況，雜化物多了50%的種子，且種子健康，甚至在干旱條件下也如此。
北卡羅萊那州大學(xué)的研究顯示，Bt油菜與相關(guān)雜草、鳥食草之間的交叉物可產(chǎn)生抗蟲性雜合物，使雜草控制更困難。
所有這些事件使預(yù)防方法和嚴(yán)格的生物安全管理變得突出。預(yù)防原則在《卡塔赫納生物安全協(xié)議》這一主要管理轉(zhuǎn)基因微生物的國際法律中已得到重申。尤其是第 10(6)條聲稱，如果缺乏科學(xué)定論，締約方可限制或禁止轉(zhuǎn)基因生物的進(jìn)口，以避免或使生物多樣性及人類健康的不利影響降到最低。
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