基因工程技術(shù)的原理與應(yīng)用.doc

基因工程技術(shù)的原理與應(yīng)用 姓名：雷琪 學(xué)院：理學(xué)院 學(xué)號：13071214摘要 基因工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的核心內(nèi)容。本文從原理與應(yīng)用的角度,對基因工程與人類生存與發(fā)展的關(guān)系進行了評述,并對基因工程可能帶來的問題以及相應(yīng)的對策進行了討論?；蚬こ碳夹g(shù)分植物基因工程技術(shù)和動物基因工程技術(shù)。本文首先介紹植物基因工程與動物基因工程的原理。再分別列舉植物基因工程與動物基因工程在當今社會的應(yīng)用。本文主要介紹基因工程在農(nóng)業(yè)上、醫(yī)學(xué)、石油的脫硫以及食品工業(yè)中的應(yīng)用。對基因工程與人類生存與發(fā)展的關(guān)系進行了評述。關(guān)鍵字 ： 基因工程 原理 技術(shù) 應(yīng)用 人類 可持續(xù)發(fā)展 基因工程技術(shù)是一項正在蓬勃發(fā)展的技術(shù)，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(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)用和進展情況。 一、基因工程技術(shù)的原理首先，讓我們來了解一下基因工程的基本原理?；蚬こ痰幕驹硎窃隗w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(dǎo)人宿主細胞，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(chǎn)物。它有3 個基本的步驟:從合適材料分離或制備日的基因或DNA片段。目的墓因或DNA片段與載體連接作成重組DNA分子。重組DNA分于引入宿主細胞，在其中擴增和表達。不問種類生物的生物學(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 鏈上切下某個目標基因或特殊的DNA 片段，然后根據(jù)設(shè)計 要求，將其接合到受體生物DNA鏈上。下面簡要介紹基因工程的技術(shù)程序:1、 外源目標基因的分離、克隆及功能結(jié)構(gòu)分析。 獲得合乎人類某種需要的目標基因是開展一項基因工程的前提和全部工作的核心，基因工程的第一步就是獲得目標基因。目前人們已經(jīng)能夠通過多種途徑和方法來獲取目標基因，比如從構(gòu)建的基因文庫中調(diào)取和篩選目標基因，通過化學(xué)方法合成已知核甘酸序列的目標基因，以及通過逆轉(zhuǎn)錄酶用m RNA為模板合成目標基因等。2、 構(gòu)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(diào)控下有效地轉(zhuǎn)錄和翻譯，就必須事先對日標基因的功能結(jié)構(gòu)DNA重組技術(shù)進行適當?shù)男揎?，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，目前所用的載體戶要有以下幾類: 質(zhì)粒、久噬菌體、柯斯質(zhì)粒、病毒載體、YAC載體等，各類載體具有獨特的生物學(xué)特性，可用于不同的目標基因。3、 外源重組目標基因的導(dǎo)入 將重組的外源目標基因轉(zhuǎn)人到宿主細胞中的過程稱為基因?qū)嘶蚧蜣D(zhuǎn)移。接受外源基因的細胞稱為受體細胞。由干受體事物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?，有的是用載體導(dǎo)入，有的是直接用物理的方法導(dǎo)人。向細菌等微生物中導(dǎo)人外源目標基因常用質(zhì)粒轉(zhuǎn)化和噬菌體轉(zhuǎn)染方法；向植物細胞中導(dǎo)入外源基因常用基因槍注入法和Ti 質(zhì)粒導(dǎo)人法。能由原生質(zhì)體再生出植株的植物細胞還可以用電穿孔導(dǎo)入法及脂質(zhì)體融合法；動物的受精卵一般通過人工顯微鏡注射法導(dǎo)入外源基因；動物的體細胞可用電穿孔法和病毒轉(zhuǎn)染法導(dǎo)人外源基因，但對于生產(chǎn)目的的基因工程常常避免用病毒轉(zhuǎn)染法 。4 、轉(zhuǎn)基因細胞或個體的鑒別和篩選 在對宿主的細胞進行外源目標基因?qū)胩幚硪院螅行┘毎赡懿]有外源基因的進人，另有一些細胞可能在外源基因進人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(zhuǎn)移處理的細胞或個體進行鑒別，以篩選出導(dǎo)人外源目標基因的轉(zhuǎn)基因細胞或個體。鑒別和篩選轉(zhuǎn)基因生物一般在兩個層面進行: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(wěn)定傳代。表達檢測的方法產(chǎn)要有轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的印跡雜交法、免疫印跡檢測法、 免疫組織化學(xué)檢測試等。整合檢測可通過 DNA 分子雜交來確定。二、基因工程技術(shù)的應(yīng)用1、 基因工程在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用。11抗病 長期以來，病毒是農(nóng)作物生長的巨大天敵。傳統(tǒng)的植物病害的防治措施是采用合理栽培和抗病育種的方式。使用有性雜交的方式來培育抗病品種有很多局限性，而且抗病品種的育種時間長、抗性容易衰退。而植物基因工程具有定向性和快速性的特點，可有效控制農(nóng)作物發(fā)病的概率。1986年美國科學(xué)家Beachy把煙草花病毒外殼蛋白基因成功導(dǎo)人煙草獲得了第一株抗病毒轉(zhuǎn)基因煙草。我國在植物抗病基因工程中也做了大量研究 ，成功培育出多種轉(zhuǎn)基因抗病植物。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的轉(zhuǎn) 基因抗病毒馬鈴薯，不僅從根本上解決了病毒種性退化問題 ，而且 具有產(chǎn)量高、易成活的特點。12抗蟲 據(jù)統(tǒng)計，全世界每年因蟲害造成的農(nóng)作物損失高達15%右。植物蟲害不僅影響農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，還制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定。傳統(tǒng)的植物蟲害的防治措施主要是依賴化學(xué)制劑。使用化學(xué)制劑的方式雖然在一定程度上可以起到防治害蟲的作用，但也存在著生產(chǎn)成本高、污染環(huán)境、易殘留等問題。而植物基因工程的使用給培育抗蟲害的植物提供了新的技術(shù)手段。它在培育抗蟲害植物方面具有以下優(yōu)點：培育的抗蟲害農(nóng)作物可以控制農(nóng)作物任意生長階段和生長部位的病蟲害；基因資源豐富，不僅可以利用植物的抗蟲害基因，還可以利用動物、微生物的抗蟲害基因；育種周期短，成效快，且成本較低；不會造成環(huán)境污染 ，無毒害，并且抗性基因不易發(fā)生改變。現(xiàn)已成功克隆的抗蟲基因主要 來自于細菌、植物組織、動物體內(nèi)等，獲得的轉(zhuǎn)基因植物已被廣泛應(yīng)用與農(nóng)田試驗。13抗除草劑 20世紀40年代以來，農(nóng)作物因雜草危害造成的減產(chǎn)越來越高。采用化學(xué)制劑除草一直以來都是農(nóng)業(yè)除草的主要辦法。而除草劑的應(yīng)用在殺除部分對農(nóng)作物具有嚴重危害的雜草的同時也在危害著農(nóng)作物的生長。當前世界上除草劑的作用原理主要有兩種：一種是通過破壞雜草光合作用中電子傳遞鏈的蛋白來除草，另一種是通過破壞雜草氨基酸的合成途徑來除草。因此，基因工程根據(jù)除草劑的作用原理，使植物具有抗除草劑的策略有：一種是在農(nóng)作物內(nèi)引入酶，使農(nóng)作物在遇到除草劑后能將其降解或解毒；另一種是修復(fù)除草劑作用的靶蛋白，使農(nóng)作物對除草劑不敏感或在植物吸收后仍能正常代謝。使用植物基因工程不僅可以培育具有抗除草劑作用的農(nóng)作物，還能減少除草劑的使用，保護環(huán)境。目前已獲得的抗除草劑的作物有棉花、大豆、水稻等20多種。14優(yōu)質(zhì)高產(chǎn) 農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)一直以來都是人們追求的目標。2O世紀9O年代前人們主要關(guān)注農(nóng)作物的產(chǎn)量，近年來則越來越關(guān)注農(nóng)作物的品質(zhì)。目前，采用基因轉(zhuǎn)移來改善植物脂肪、種子油或氨基酸的含量及成分等品質(zhì)特性取得了良好的實驗效果。已獲得的農(nóng)作物改良品種 有馬鈴薯、水稻、煙草等40多種。我國在利用植物基因工程改良農(nóng)作物品質(zhì)方面也取得了較大進展，如北京農(nóng)林科學(xué)院把美國優(yōu)質(zhì)面包小麥品種的谷蛋白基因?qū)宋覈←湯@得的改良品種具有高蛋白、高產(chǎn)量、抗病等優(yōu)良特點。15抗寒 科學(xué)家們將CBF1基因成功導(dǎo)入擬南芥，使其植株內(nèi)低溫調(diào)節(jié)蛋白得到表達，從而使未經(jīng)低溫馴化的植物具有了較強的抗寒能力?？茖W(xué)家們還發(fā)現(xiàn)在極地的魚體內(nèi)有一種特殊蛋白可以阻止冰晶的增長，若將此基因從魚體內(nèi)分離出來導(dǎo)人植物體內(nèi)可使植物具有 抗寒能力。目前，獲得抗旱能力的轉(zhuǎn)基因植物有番茄、黃瓜兩種。隨 著植物基因工程的快速發(fā)展，將會有更多的轉(zhuǎn)基因植物獲得這種抗 寒能力，使其能夠在低溫氣候條件下可照常生存2、 基因工程在工業(yè)方面的應(yīng)用 2.1在食品工業(yè)方面的應(yīng)用1982年轉(zhuǎn)基因“超級鼠”的構(gòu)建成功，1985年轉(zhuǎn)基因魚的出現(xiàn)，揭開了基因工程技術(shù)在食品領(lǐng)域中應(yīng)用的序幕，基因工程食品也從此誕生。并在人們的日常生活中占有越來越大的比重?；蚬こ?技術(shù)在食品領(lǐng)域中的作用 目前涉及到對食品資源的改造、對食品品質(zhì)的改造、新產(chǎn)品的開發(fā)、食品添加劑的生產(chǎn)以及食品衛(wèi)生檢測等方面。 2.2基因工程在石油工業(yè)方面的應(yīng)用隨著人們對燃料需求量的日益增加，石油作為世界主要能源，其開采利用和質(zhì)量問題逐漸成為人們關(guān)注的熱點問題。石油中硫的含量位居第三，僅次于碳、氫?？蛇_石油總量的5，存在于無機硫和有機硫中。有機硫以硫醇、硫醚、噻 吩及其衍生物為主，其中二苯噻吩含量較高，在一些石油中可占總硫量的40 70，且難降解 因此是有機含硫化合物的典型代表。硫化物燃燒時排出的硫化物釋放到大氣中會造成大面積酸雨，使環(huán)境質(zhì)量下降，并污染大氣和水源同時石油中存在的硫?qū)斢凸芫€、煉油設(shè)備和泵等具有腐蝕作用。因此對石油脫硫技術(shù)的研究和開發(fā) 已成為近年來生物技術(shù)領(lǐng)域的重點工作。 傳統(tǒng)的脫硫技術(shù)是加氫脫硫(HDS)，在高溫高壓的條件下使有機硫轉(zhuǎn)換成無機硫H2S，之后再轉(zhuǎn)換成 S元素。但該方法脫硫過程投資大、效率低，且去除的僅是小分子含硫 化合物 ，脫硫不完全。生物脫硫技術(shù) (BDS)與HDS相比，具有作用專一性強，無需苛刻的條件即可進行反應(yīng)，設(shè)備簡單，投資和操作費用低等特點，并能有效去除穩(wěn)定的雜環(huán)硫化物如噻吩，從而推動了脫硫技術(shù)向前發(fā)展。3、基因工程在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用基因工程又叫遺傳修飾或遺傳操作，是指采用基因重組改造技術(shù)將一個物種的遺傳材料傳遞給另一個物種，從而達到創(chuàng)造物種新的性狀或新物種的目的。近年來，基因工程技術(shù)的迅速發(fā)展使醫(yī)藥領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化，也給新型藥物 的創(chuàng)造帶來了廣闊發(fā)展前景?；蚬こ碳夹g(shù)改造將逐步成為 醫(yī)藥事業(yè)重要的發(fā)展方向?；蚬こ碳夹g(shù)在醫(yī)學(xué)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，具體包括生產(chǎn)重組藥物、基因診斷、基因工程疫苗和基因治療等幾個方面。從我個人的角度來看，我覺得：我們在大力發(fā)展轉(zhuǎn)基因技術(shù)的同時，必須高度重視對轉(zhuǎn)基因動物、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有進行全面的評估和沒有可靠的生物控制措施之前，應(yīng)嚴格禁止其進行生產(chǎn)和進入開放的自然生態(tài)系統(tǒng)，只有其生態(tài)安全性達到了傳統(tǒng)育種方法培育的新品種時，或無生殖能力的轉(zhuǎn)基因動物和植物才能允許進人自然界進行生產(chǎn)，也只有這樣才是有益于人類和社會進步的。參考文獻1張禮勇.基因工程原理及進展.科技資訊,2007,(18);7-2肖邦.基因工程技術(shù)在乳制品加工中的應(yīng)用.食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報,2014,(5);- 3陳艷榮.植物基因工程技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究.中國科技縱橫,2014,(3);268-268 4郭海濤.基因工程技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用.北方藥學(xué),2013,10(12);54-56 5劉麗娜,汪洋.基因工程技術(shù)提高石油生物脫硫能力的研究.安徽