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(hào)：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(duì)基因工程與人類(lèi)生存與發(fā)展的關(guān)系進(jìn)行了評(píng)述,并對(duì)基因工程可能帶來(lái)的問(wèn)題以及相應(yīng)的對(duì)策進(jìn)行了討論?；蚬こ碳夹g(shù)分植物基因工程技術(shù)和動(dòng)物基因工程技術(shù)。本文首先介紹植物基因工程與動(dòng)物基因工程的原理。再分別列舉植物基因工程與動(dòng)物基因工程在當(dāng)今社會(huì)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(duì)基因工程與人類(lèi)生存與發(fā)展的關(guān)系進(jìn)行了評(píng)述。關(guān)鍵字 ： 基因工程 原理 技術(shù) 應(yīng)用 人類(lèi) 可持續(xù)發(fā)展 基因工程技術(shù)是一項(xiàng)正在蓬勃發(fā)展的技術(shù)，它將給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)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(jìn)展情況。 一、基因工程技術(shù)的原理首先，讓我們來(lái)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(lái)源的DNA進(jìn)行剪切和重組，形成鑲嵌DNA分子，然后將之導(dǎo)人宿主細(xì)胞，使其擴(kuò)增表達(dá)，從而使宿主細(xì)胞獲得新的遺傳特性，形成新的基因產(chǎn)物。它有3 個(gè)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(xì)胞，在其中擴(kuò)增和表達(dá)。不問(wèn)種類(lèi)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?xún)?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(gè)目標(biāo)基因或特殊的DNA 片段，然后根據(jù)設(shè)計(jì) 要求，將其接合到受體生物DNA鏈上。下面簡(jiǎn)要介紹基因工程的技術(shù)程序:1、 外源目標(biāo)基因的分離、克隆及功能結(jié)構(gòu)分析。 獲得合乎人類(lèi)某種需要的目標(biāo)基因是開(kāi)展一項(xiàng)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(biāo)基因。目前人們已經(jīng)能夠通過(guò)多種途徑和方法來(lái)獲取目標(biāo)基因，比如從構(gòu)建的基因文庫(kù)中調(diào)取和篩選目標(biāo)基因，通過(guò)化學(xué)方法合成已知核甘酸序列的目標(biāo)基因，以及通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄酶用m RNA為模板合成目標(biāo)基因等。2、 構(gòu)建能在受體生物細(xì)胞中表達(dá)的重組目標(biāo)基因 要使一個(gè)外源目標(biāo)基因能整合到受體細(xì)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(duì)日標(biāo)基因的功能結(jié)構(gòu)DNA重組技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男揎?，也就是將目?biāo)基因與一種特別的DNA分子重組，這種特別的DNA分子稱(chēng)為基因載體，目前所用的載體戶(hù)要有以下幾類(lèi): 質(zhì)粒、久噬菌體、柯斯質(zhì)粒、病毒載體、YAC載體等，各類(lèi)載體具有獨(dú)特的生物學(xué)特性，可用于不同的目標(biāo)基因。3、 外源重組目標(biāo)基因的導(dǎo)入 將重組的外源目標(biāo)基因轉(zhuǎn)人到宿主細(xì)胞中的過(guò)程稱(chēng)為基因?qū)嘶蚧蜣D(zhuǎn)移。接受外源基因的細(xì)胞稱(chēng)為受體細(xì)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(xì)菌等微生物中導(dǎo)人外源目標(biāo)基因常用質(zhì)粒轉(zhuǎn)化和噬菌體轉(zhuǎn)染方法；向植物細(xì)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(xì)胞還可以用電穿孔導(dǎo)入法及脂質(zhì)體融合法；動(dòng)物的受精卵一般通過(guò)人工顯微鏡注射法導(dǎo)入外源基因；動(dòng)物的體細(xì)胞可用電穿孔法和病毒轉(zhuǎn)染法導(dǎo)人外源基因，但對(duì)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(xì)胞或個(gè)體的鑒別和篩選 在對(duì)宿主的細(xì)胞進(jìn)行外源目標(biāo)基因?qū)胩幚硪院?，有些?xì)胞可能并沒(méi)有外源基因的進(jìn)人，另有一些細(xì)胞可能在外源基因進(jìn)人后因各種原因而不能使外源基因表達(dá)，因此必須對(duì)被進(jìn)行了基因轉(zhuǎn)移處理的細(xì)胞或個(gè)體進(jìn)行鑒別，以篩選出導(dǎo)人外源目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)基因細(xì)胞或個(gè)體。鑒別和篩選轉(zhuǎn)基因生物一般在兩個(gè)層面進(jìn)行:一是檢測(cè)目標(biāo)基因是否表達(dá)，二是檢測(cè)目標(biāo)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(dá)檢測(cè)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(cè)法、 免疫組織化學(xué)檢測(cè)試等。整合檢測(cè)可通過(guò) DNA 分子雜交來(lái)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(zhǎng)期以來(lái)，病毒是農(nóng)作物生長(zhǎng)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(lái)培育抗病品種有很多局限性，而且抗病品種的育種時(shí)間長(zhǎng)、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(diǎn)，可有效控制農(nóng)作物發(fā)病的概率。1986年美國(guó)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(guó)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(guó)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(wèn)題 ，而且 具有產(chǎn)量高、易成活的特點(diǎn)。12抗蟲(chóng) 據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年因蟲(chóng)害造成的農(nóng)作物損失高達(dá)15%右。植物蟲(chóng)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(chóng)害的防治措施主要是依賴(lài)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(chóng)的作用，但也存在著生產(chǎn)成本高、污染環(huán)境、易殘留等問(wèn)題。而植物基因工程的使用給培育抗蟲(chóng)害的植物提供了新的技術(shù)手段。它在培育抗蟲(chóng)害植物方面具有以下優(yōu)點(diǎn)：培育的抗蟲(chóng)害農(nóng)作物可以控制農(nóng)作物任意生長(zhǎng)階段和生長(zhǎng)部位的病蟲(chóng)害；基因資源豐富，不僅可以利用植物的抗蟲(chóng)害基因，還可以利用動(dòng)物、微生物的抗蟲(chóng)害基因；育種周期短，成效快，且成本較低；不會(huì)造成環(huán)境污染 ，無(wú)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(chóng)基因主要 來(lái)自于細(xì)菌、植物組織、動(dòng)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(yàn)。13抗除草劑 20世紀(jì)40年代以來(lái)，農(nóng)作物因雜草危害造成的減產(chǎn)越來(lái)越高。采用化學(xué)制劑除草一直以來(lái)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(duì)農(nóng)作物具有嚴(yán)重危害的雜草的同時(shí)也在危害著農(nóng)作物的生長(zhǎng)。當(dāng)前世界上除草劑的作用原理主要有兩種：一種是通過(guò)破壞雜草光合作用中電子傳遞鏈的蛋白來(lái)除草，另一種是通過(guò)破壞雜草氨基酸的合成途徑來(lái)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(duì)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(hù)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(lái)都是人們追求的目標(biāo)。2O世紀(jì)9O年代前人們主要關(guān)注農(nóng)作物的產(chǎn)量，近年來(lái)則越來(lái)越關(guān)注農(nóng)作物的品質(zhì)。目前，采用基因轉(zhuǎn)移來(lái)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(shí)驗(yàn)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(guó)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(jìn)展，如北京農(nóng)林科學(xué)院把美國(guó)優(yōu)質(zhì)面包小麥品種的谷蛋白基因?qū)宋覈?guó)小麥獲得的改良品種具有高蛋白、高產(chǎn)量、抗病等優(yōu)良特點(diǎn)。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(dá)，從而使未經(jīng)低溫馴化的植物具有了較強(qiáng)的抗寒能力?？茖W(xué)家們還發(fā)現(xiàn)在極地的魚(yú)體內(nèi)有一種特殊蛋白可以阻止冰晶的增長(zhǎng)，若將此基因從魚(yú)體內(nèi)分離出來(lái)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(huì)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(jí)鼠”的構(gòu)建成功，1985年轉(zhuǎn)基因魚(yú)的出現(xiàn)，揭開(kāi)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(lái)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(duì)食品資源的改造、對(duì)食品品質(zhì)的改造、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、食品添加劑的生產(chǎn)以及食品衛(wèi)生檢測(cè)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(duì)燃料需求量的日益增加，石油作為世界主要能源，其開(kāi)采利用和質(zhì)量問(wèn)題逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。石油中硫的含量位居第三，僅次于碳、氫?？蛇_(dá)石油總量的5，存在于無(wú)機(jī)硫和有機(jī)硫中。有機(jī)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(jī)含硫化合物的典型代表。硫化物燃燒時(shí)排出的硫化物釋放到大氣中會(huì)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(shí)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(duì)石油脫硫技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā) 已成為近年來(lái)生物技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)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(jī)硫轉(zhuǎn)換成無(wú)機(jī)硫H2S，之后再轉(zhuǎn)換成 S元素。但該方法脫硫過(guò)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(zhuān)一性強(qiáng)，無(wú)需苛刻的條件即可進(jìn)行反應(yīng)，設(shè)備簡(jiǎn)單，投資和操作費(fèi)用低等特點(diǎn)，并能有效去除穩(wěn)定的雜環(huán)硫化物如噻吩，從而推動(dòng)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(gè)物種的遺傳材料傳遞給另一個(gè)物種，從而達(dá)到創(chuàng)造物種新的性狀或新物種的目的。近年來(lái)，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(lái)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(gè)方面。從我個(gè)人的角度來(lái)看，我覺(jué)得：我們?cè)诖罅Πl(fā)展轉(zhuǎn)基因技術(shù)的同時(shí)，必須高度重視對(duì)轉(zhuǎn)基因動(dòng)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(méi)有進(jìn)行全面的評(píng)估和沒(méi)有可靠的生物控制措施之前，應(yīng)嚴(yán)格禁止其進(jìn)行生產(chǎn)和進(jìn)入開(kāi)放的自然生態(tài)系統(tǒng)，只有其生態(tài)安全性達(dá)到了傳統(tǒng)育種方法培育的新品種時(shí)，或無(wú)生殖能力的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物和植物才能允許進(jìn)人自然界進(jìn)行生產(chǎn)，也只有這樣才是有益于人類(lèi)和社會(huì)進(jìn)步的。參考文獻(xiàn)1張禮勇.基因工程原理及進(jìn)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(cè)學(xué)報(bào),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(guó)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