基因工程技术

    目前世界许多国家将生物技术,信息技术和新材料技术作为三大重中之重技术,而生物技术可以分为传统生物技术,工业生物发酵技术和现代生物技术。现在人们常说的生物技术实际上就是现代生物技术。现代生物技术包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等五大工程技术。其中基因工程技术是现代生物技术的核心技术。

    既然基因工程技术是如此之重要,那么什么是基因工程呢?基因工程(genetic engineering)是指在基因水平上,采用与工程设计十分类似的方法,按照人类的需要进行设计,然后按设计方案创建出具有某种新的性状的生物新品系,并能使之稳定地遗传给后代。根据这个定义,基因工程明显地既具有理学的特点,同时也具有工程学的特点。“基因”这个名称已在多处提到,那么基因又是什么呢?根据国内外的教科书和权威辞典上的解释加以综合,“基因”(gene)应定义为:基因是一段可以编码具有某种生物学功能物质的核苷酸序列。

    基因工程的核心技术是DNA的重组技术,也就是基因克隆技术。重组,顾名思义,就是重新组合,即利用供体生物的遗传物质,或人工合成的基因,经过体外或离体的限制酶切割后与适当的载体连接起来形成重组DNA分子,然后在将重组DNA分子导入到受体细胞或受体生物构建转基因生物,该种生物就可以按人类事先设计好的蓝图表现出另外一种生物的某种性状。比如前面已提到的用动物来生产人的乳铁蛋白,抗凝血酶和白蛋白。除DNA重组技术外,基因工程还应包括基因的表达技术,基因的突变技术,基因的导入技术等。有关这些方面的技术将在以后相应的章节中予以介绍。

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    由于基因工程是在分子水平上进行操作,最终是为了创造出人们所需要的新品种,因而它可以突破物种间的遗传障碍,大跨度的超越物种间的不亲和性。比如在基因工程中最常使用的大肠杆菌,它是一种原核生物,但它却能大量表达来自于人类的某些基因。例如各种人的多肽生长因子基因就可用大肠杆菌来生产。如果用常规的育种技术来做同一项工作,那么成功的机会应为零。因此,科学家们可以利用基因工程实现人类的各种物种改良的愿望。

    因为现在生活在地球上的各种生物都是经过长期的生物进化演变而来,虽然不能说它们都很能适应现在的生态环境,但至少可以说它们基本上都能适应当前的生态环境。这也就是说,每种生物体内或细胞内都处于精巧的调节控制和平衡之中。当用基因工程方法引入一段外源基因片段后,原有的平衡可能被打破,有可能导致细胞内的生物学功能发生紊乱,最后有可能导致细胞生长缓慢乃至细胞死亡。很显然,开展基因工程研究的目的既要使细胞象往常一样正常生长,又要使细胞产生甚至大量产生人类所需要的外源基因表达产物。

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    基因工程如此之重要,那么基因工程可以应用在哪些领域或行业?

    科技或科学技术实际上是科学和技术两个名称构成的,它们是两个既有联系又有区别的概念。科学主要是指发现自然界的规律,创建各种与自然界规律相适应的理论;而技术则是指在探索自然规律时所使用的一些方法。一些新的科学发现或新理论的建立,会导致一场技术革命,新技术新方法的建立又会推动新的自然规律的发现,因此,两者是相互促进的。

    从70年代起逐步建立起来的基因工程技术,使基因或一些具有特殊功能的DNA片段的分离变得十分容易。这些基因或特殊DNA片段的一级结构(即它们的核苷酸序列)的测定也是十分容易的,由基因的核苷酸序列去推测蛋白质的氨基酸残基的序列也变得轻易而举。利用计算机技术可以很容易的对推测出来的蛋白质进行高级结构的分析,可以对来自不同生物种类的基因序列进行同源性分析。所有这些方法或技术的广泛使用,不仅大大地推动了分子生物学的迅猛发展,而且也大大推动了生命科学各个分支领域的迅速发展。因此,基因工程技术的第一个重要应用领域就是大大的推动了科学理论研究的发展。

    由于基因工程是从遗传物质基础上对原有的生物(常常称之为受体生物)进行改造,经过改造的生物就会按照研究者的意愿获得某种(些)新的基因,从而使该生物获得某些新的遗传性状。这种性状可以用人的肉眼直接观察到,也可能是通过某些反应或仪器间接观察到。这种受体生物可能是微生物,植物或动物,因而它会涉及到许多生产行业。

    基因工程技术几乎涉及到人类的生存所必需的各个行业。比如将一个具有杀虫效果的基因转移到棉花、水稻等农作物种中,这些转基因作物就有了抗虫能力,因此基因工程被应用到农业领域;要是把抗虫基因转移到杨树、松树等树木中,基因工程就被应用到林业领域;要是把生物激素基因转移到支物中去,这就与渔业和畜牧业有关了;如果利用微生物或动物细胞来生产多肽药物,那么基因工程就可以应用到医学领域。总之一句话,基因工程应用范围将是十分广泛的。