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。基因工程也是我們要學(xué)習(xí)的一門知識(shí)。今天小編就與大家分享基因工程相關(guān)知識(shí)，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(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，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(wú)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(wèn)的界限，可以使原核生物與真核生物之間、動(dòng)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(guò)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(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，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(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。
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。
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(guò)程，實(shí)際上是不同來(lái)源的DNA重新組合的過(guò)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(gè)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(duì)結(jié)合，兩個(gè)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(lái)，形成一個(gè)重組DNA分子。如人的胰島素基因就是通過(guò)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(dòng)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?？欤诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)就能夠獲得大量的目的基因。
4.目的基因的檢測(cè)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(guò)檢測(cè)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(guò)一定的手段對(duì)受體細(xì)胞中是否導(dǎo)入了目的基因進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)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(lái)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(shuō)明目的基因完成了表達(dá)過(guò)程。
基因工程的危害
關(guān)于轉(zhuǎn)基因生物的安全性，沒(méi)有科學(xué)性共識(shí)。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(duì)此卻知之甚少。最近幾年，越來(lái)越多的證據(jù)證明存在生態(tài)、健康危害和風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)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(shí)，喂食線蟲(chóng)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(shí)，僅有喂食線蟲(chóng)類生物的細(xì)菌數(shù)量增加，而植物不會(huì)死亡。沒(méi)有植物而將任何一種菌株引入土壤都不會(huì)改變線蟲(chóng)類群落。
克氏桿菌是一種能使乳糖發(fā)酵的常見(jiàn)土壤細(xì)菌?；蚬こ碳?xì)菌被制造用來(lái)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(zhǎng)期存活，時(shí)間之長(zhǎng)足以刺激土壤生物產(chǎn)生變化，影響植物生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)進(jìn)程。雖然仍不清楚此類就地觀測(cè)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(shuō)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(duì)相對(duì)無(wú)害的鼠痘病毒基因工程時(shí)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(dòng)物致死。更糟的是，此種基因工程病毒對(duì)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(duì)人類無(wú)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(huì)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(shí)曾說(shuō)：" 我們想警告普通民眾，現(xiàn)在有了這種有潛在危險(xiǎn)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(chóng)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(chóng)劑增加，這一點(diǎn)可追溯到對(duì)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(duì)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(guó)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(huì)對(duì)其使用的除草劑產(chǎn)生抗性，引發(fā)嚴(yán)重的自身自長(zhǎng)作物問(wèn)題(同一塊地里早先種植的作物種子發(fā)芽的植物后來(lái)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(zhǎng)距離傳播而融合了不同公司研制的單價(jià)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(dòng)到附近的野生向日葵，使雜化物更強(qiáng)、對(duì)化學(xué)藥品更具抗性，因?yàn)檩^之無(wú)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(niǎo)食草之間的交叉物可產(chǎn)生抗蟲(chóng)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(guó)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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