【大學(xué)課件】基因工程（gene engineering）

基因工程基因工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的核心領(lǐng)域，它通過操縱生物體的遺傳物質(zhì)來創(chuàng)造新的生命形式或改變現(xiàn)有的生命形式。本課程將深入探討基因工程的原理、技術(shù)和應(yīng)用?；蚬こ毯喗槎x基因工程是一種操縱生物體遺傳物質(zhì)的技術(shù)，用于創(chuàng)造新的或改變現(xiàn)有的生物特性。目的通過基因操作實(shí)現(xiàn)特定的生物學(xué)目標(biāo)，如提高作物產(chǎn)量、治療遺傳疾病等。影響對醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，推動(dòng)了生物技術(shù)的快速發(fā)展?；虻慕Y(jié)構(gòu)1染色體由DNA和蛋白質(zhì)組成的結(jié)構(gòu)2DNA攜帶遺傳信息的分子3基因DNA上編碼特定蛋白質(zhì)的片段4核苷酸DNA的基本構(gòu)建單位DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄DNA復(fù)制雙螺旋解開，每條鏈作為模板合成新鏈轉(zhuǎn)錄DNA信息被轉(zhuǎn)錄成RNARNA加工前體mRNA經(jīng)過剪接形成成熟mRNA翻譯mRNA被翻譯成蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)合成1轉(zhuǎn)錄DNA信息被轉(zhuǎn)錄成mRNA2翻譯核糖體根據(jù)mRNA的密碼合成蛋白質(zhì)3折疊新合成的蛋白質(zhì)鏈折疊成特定的三維結(jié)構(gòu)4修飾蛋白質(zhì)可能undergo進(jìn)一步的化學(xué)修飾限制性內(nèi)切酶切割工具能在特定DNA序列處切割雙鏈DNA特異性識(shí)別并切割特定的DNA序列應(yīng)用廣泛用于DNA重組和基因工程實(shí)驗(yàn)黏性末端和平末端黏性末端DNA被切割后產(chǎn)生互補(bǔ)的單鏈突出部分，便于DNA片段的連接。平末端DNA被切割后沒有突出部分，兩端平齊。連接效率較低，但更靈活。載體DNA質(zhì)粒細(xì)菌中的環(huán)狀DNA分子，常用作基因克隆的載體。病毒載體利用病毒的感染能力將目的基因?qū)胨拗骷?xì)胞。人工染色體能夠攜帶大片段DNA的人工構(gòu)建載體。重組DNA技術(shù)1DNA切割使用限制性內(nèi)切酶切割目的基因和載體DNA2DNA連接利用DNA連接酶將目的基因與載體DNA連接3轉(zhuǎn)化將重組DNA導(dǎo)入宿主細(xì)胞4篩選選擇含有重組DNA的宿主細(xì)胞基因克隆目的基因分離從供體生物中分離出目標(biāo)基因重組DNA構(gòu)建將目的基因插入適當(dāng)?shù)妮d體宿主轉(zhuǎn)化將重組DNA導(dǎo)入宿主細(xì)胞克隆擴(kuò)增培養(yǎng)含有目的基因的宿主細(xì)胞基因工程應(yīng)用醫(yī)學(xué)基因治療、疫苗開發(fā)、診斷技術(shù)農(nóng)業(yè)抗蟲作物、高產(chǎn)品種、營養(yǎng)強(qiáng)化工業(yè)生物燃料、酶制劑、生物材料環(huán)保生物修復(fù)、污染檢測、廢物處理農(nóng)業(yè)應(yīng)用抗蟲作物通過基因工程使作物產(chǎn)生抗蟲蛋白，減少農(nóng)藥使用。抗除草劑作物使作物能夠耐受特定除草劑，便于雜草管理。營養(yǎng)強(qiáng)化增加作物中特定營養(yǎng)成分，如維生素A強(qiáng)化的"黃金大米"。抗逆性增強(qiáng)提高作物對干旱、鹽堿等不良環(huán)境的抵抗能力。醫(yī)學(xué)應(yīng)用1基因治療通過導(dǎo)入正常基因來治療遺傳疾病2蛋白質(zhì)藥物利用基因工程生產(chǎn)胰島素等蛋白質(zhì)藥物3疫苗開發(fā)研發(fā)更安全、更有效的基因工程疫苗4診斷技術(shù)開發(fā)基于DNA的疾病診斷方法工業(yè)應(yīng)用生物燃料利用基因工程微生物生產(chǎn)生物乙醇等燃料工業(yè)酶生產(chǎn)用于食品、紡織等行業(yè)的高效酶制劑生物材料開發(fā)可降解塑料等環(huán)保材料環(huán)境保護(hù)應(yīng)用生物修復(fù)利用基因工程改造的微生物或植物清除環(huán)境污染物。污染檢測開發(fā)基于DNA的環(huán)境污染物快速檢測技術(shù)。生物降解研發(fā)能夠降解難分解污染物的基因工程生物。倫理和法律問題安全性基因改造生物對人類健康和環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)。倫理爭議基因編輯技術(shù)在人類胚胎應(yīng)用的道德問題。知識(shí)產(chǎn)權(quán)基因?qū)＠蜕锛夹g(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的復(fù)雜性。監(jiān)管挑戰(zhàn)制定有效的法律法規(guī)以規(guī)范基因工程研究和應(yīng)用。DNA測序技術(shù)1第一代Sanger測序法，適用于短片段DNA測序2第二代高通量測序技術(shù)，如Illumina測序3第三代單分子實(shí)時(shí)測序，如PacBio和OxfordNanopore技術(shù)4未來發(fā)展更快、更準(zhǔn)確、更便宜的測序技術(shù)PCR技術(shù)變性加熱DNA雙鏈分離退火引物與單鏈DNA結(jié)合延伸DNA聚合酶合成新鏈循環(huán)重復(fù)以上步驟，指數(shù)級擴(kuò)增目標(biāo)DNA蛋白質(zhì)工程定點(diǎn)突變改變蛋白質(zhì)序列中的特定氨基酸。蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)從頭設(shè)計(jì)具有特定功能的新蛋白質(zhì)。功能改造改變蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性、活性或特異性。融合蛋白將兩種或多種蛋白質(zhì)結(jié)合創(chuàng)造新功能?；蚬こ痰陌l(fā)展歷程11953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)21972年首次成功創(chuàng)造重組DNA分子31982年首個(gè)基因工程藥物人胰島素上市42003年人類基因組計(jì)劃完成52012年CRISPR基因編輯技術(shù)問世基因工程的優(yōu)勢精確性可精確修改特定基因高效率比傳統(tǒng)育種方法更快靈活性可在不同物種間轉(zhuǎn)移基因創(chuàng)新性可創(chuàng)造自然界不存在的新特性基因工程的局限性技術(shù)挑戰(zhàn)某些基因功能復(fù)雜，難以精確操控。安全風(fēng)險(xiǎn)可能產(chǎn)生意外的生物效應(yīng)或環(huán)境影響。倫理爭議特別是在人類基因編輯方面存在道德爭議。社會(huì)接受度公眾對轉(zhuǎn)基因生物存在擔(dān)憂和抵觸情緒。基因工程的未來發(fā)展1精準(zhǔn)醫(yī)療個(gè)性化基因治療方案2合成生物學(xué)設(shè)計(jì)和構(gòu)建全新生物系統(tǒng)3基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于控制害蟲和疾病傳播4基因組編輯大規(guī)?；蚪M改造5人工生命創(chuàng)造完全人工設(shè)計(jì)的生命形式基因技術(shù)安全性生物安全評估嚴(yán)格評估基因改造生物對環(huán)境和人類健康的潛在影響。監(jiān)管措施制定和實(shí)施嚴(yán)格的安全規(guī)程和監(jiān)管制度。長期監(jiān)測對基因改造生物的長期生態(tài)影響進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測和研究?；蚬こ痰纳鐣?huì)影響經(jīng)濟(jì)影響創(chuàng)造新產(chǎn)業(yè)，改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和醫(yī)療模式。倫理挑戰(zhàn)引發(fā)關(guān)于生命操控的道德和倫理討論。教育需求增加對生物技術(shù)知識(shí)的教育和普及需求。政策制定需要制定新的法律法規(guī)來應(yīng)對技術(shù)發(fā)展?；蚓庉嫾夹g(shù)ZFN鋅指核酸酶，早期基因編輯工具TALEN轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶CRISPR目前最流行的基因編輯技術(shù)CRISPR/Cas9技術(shù)設(shè)計(jì)gRNA設(shè)計(jì)指導(dǎo)RNA定位目標(biāo)DNA序列形成復(fù)合物gRNA與Cas9蛋白結(jié)合識(shí)別并切割復(fù)合物識(shí)別并切斷目標(biāo)DNADNA修復(fù)細(xì)胞修復(fù)DNA，引入所需改變基因組測序技術(shù)1樣本制備提取和純化DNA2文庫構(gòu)建將DNA片段化并添加接頭3測序反應(yīng)使用高通量測序儀讀取DNA序列4數(shù)據(jù)分析利用生物信息學(xué)工具組裝和分析基因組精準(zhǔn)醫(yī)療1個(gè)體化治療基于患者基因組信息的定制治療方案2預(yù)防醫(yī)學(xué)通過基因檢測預(yù)測疾病風(fēng)險(xiǎn)3藥物基因組學(xué)根據(jù)基因特征選