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基因工程,是生物工程的一個重要分支,是利用DNA重組技術,按照人們的意願定向改造生物性狀的生物技術。

1 基因工程 -概述

基因工程基因工程

 基因工程,是生物工程的一個重要分支,它和細胞工程、酶工程、蛋白質工程和微生物工程共同組成了生物工程。所謂基因工程是在分子水平上對基因進行操作的複雜技術,是將外源基因通過體外重組后導入受體細胞內,使這個基因能在受體細胞內複製、轉錄、翻譯表達的操作。它是用人為的方法將所需要的某一供體生物的遺傳物質——DNA大分子提取出來,在離體條件下用適當的工具酶進行切割后,把它與作為載體的DNA分子連接起來,然後與載體一起導入某一更易生長、繁殖的受體細胞中,以讓外源物質在其中「安家落戶」,進行正常的複製和表達,從而獲得新物種的一種嶄新技術。

基因工程基因工程


2 基因工程 -起源發展

基因工程基因工程

基因工程是在分子生物學和分子遺傳學綜合發展基礎上於本世紀70年代誕生的一門嶄新的生物技術科學。一般來說基因工程是指在基因水平上的遺傳工程,它是用人為方法將所需要的某一供體生物的遺傳物質--DNA大分子提取出來,在離體條件下用適當的工具酶進行切割后,把它與作為載體的DNA分子連接起來,然後與載體一起導入某一更易生長、繁殖的受體細胞中,以讓外源遺傳物質在其中「安家落戶」,進行正常複製和表達,從而獲得新物種的一種嶄新的育種技術。

基因工程還沒有用於人體,但已在從細菌到家畜的幾乎所有非人生命物體上做了實驗,並取得了成功。事實上,所有用於治療糖尿病的胰島素都來自一種細菌,其DNA中被插入人類可產生胰島素的基因,細菌便可自行複製胰島素。基因工程技術使得許多植物具有了抗病蟲害和抗除草劑的能力;在美國,大約有一半的大豆和四分之一的玉米都是轉基因的。目前,是否該在農業中採用轉基因動植物已成為人們爭論的焦點:支持者認為,轉基因的農產品更容易生長,也含有更多的營養(甚至藥物),有助於減緩世界範圍內的飢荒和疾病;而反對者則認為,在農產品中引入新的基因會產生副作用,尤其是會破壞環境。 

隨著DNA的內部結構和遺傳機制的秘密一點一點呈現在人們眼前,將一種生物的DNA中的某個遺傳密碼片斷連接到另外一種生物的DNA鏈上去,將DNA重新組織一下,就可以按照人類的願望,設計出新的遺傳物質並創造出新的生物類型,這與過去培育生物繁殖後代的傳統做法完全不同。這種做法就像技術科學的工程設計,按照人類的需要把這種生物的這個「基因」與那種生物的那個「基因」重新「施工」,「組裝」成新的基因組合,創造出新的生物。這種完全按照人的意願,由重新組裝基因到新生物產生的生物科學技術,就稱為「基因工程」,或者說是「遺傳工程」。

3 基因工程 -重要特徵

源核酸分子在不同的寄主生物中進行繁殖,能夠跨越天然物種屏障,把來自任何一種生物的基因放置到新的生物中,而這種生物可以與原來生物毫無親緣關係,這種能力是基因工程的第一個重要特徵。

一種確定的DNA小片段在新的寄主細胞中進行擴增,這樣實現很少量DNA樣品「拷貝」出大量的DNA,而且是大量沒有污染任何其它DNA序列的、絕對純凈的DNA分子群體。科學家將改變人類生殖細胞DNA的技術稱為「基因系治療」,通常所說的「基因工程」則是針對改變動植物生殖細胞的。無論稱謂如何改變個體生殖細胞的DNA都將可能使其後代發生同樣的改變。 

4 基因工程 -操作步驟

1、獲取目的基因是實施基因工程的第一步。

2、基因表達載體的構建是實施基因工程的第二步,也是基因工程的核心。

3、將目的基因導入受體細胞是實施基因工程的第三步。

4、目的基因導入受體細胞后,是否可以穩定維持和表達其遺傳特性,只有通過檢測與鑒定才能知道。這是基因工程的第四步工作。

5 基因工程 -主要歷程

基因工程基因工程

1866年,奧地利遺傳學家孟德爾神父發現生物的遺傳基因規律。

1860至1870年奧地利學者孟德爾根據豌豆雜交實驗提出遺傳因子概念,並總結出孟德爾遺傳定律。

1868年,瑞士生物學家弗里德里希發現細胞核內存有酸性和蛋白質兩個部分。酸性部分就是後來的所謂的DNA。

1882年,德國胚胎學家瓦爾特弗萊明在研究蠑螈細胞時發現細胞核內的包含有大量的分裂的線狀物體,也就是後來的染色體。

1909年丹麥植物學家和遺傳學家約翰遜首次提出「基因」這一名詞,用以表達孟德爾的遺傳因子概念。

1944年3位美國科學家分離出細菌的DNA(脫氧核糖核酸),並發現DNA是攜帶生命遺傳物質的分子。

1953年美國人沃森和英國人克里克通過實驗提出了DNA分子的雙螺旋模型。

1969年科學家成功分離出第一個基因。

1980年,第一隻經過基因改造的老鼠誕生。

1990年10月被譽為生命科學「阿波羅登月計劃」的國際人類基因組計劃啟動。

1996年,第一隻克隆羊「多莉」誕生。

克隆羊「多莉」克隆羊「多莉」


1998年一批科學家在美國羅克威爾組建塞萊拉遺傳公司,與國際人類基因組計劃展開競爭。

1998年12月一種小線蟲完整基因組序列的測定工作宣告完成,這是科學家第一次繪出多細胞動物的基因組圖譜。

1999年美國科學家破解了人類第22組基因排序列圖;未來的計劃是可以根據基因圖有針對性地對有關病症下藥。

1999年9月中國獲准加入人類基因組計劃,負責測定人類基因組全部序列的1%。中國是繼美、英、日、德、法之後第6個國際人類基因組計劃參與國,也是參與這一計劃的惟一發展中國家。

1999年12月1日國際人類基因組計劃聯合研究小組宣布,完整破譯出人體第22對染色體的遺傳密碼,這是人類首次成功地完成人體染色體完整基因序列的測定。

2000年4月6日美國塞萊拉公司宣布破譯出一名實驗者的完整遺傳密碼,但遭到不少科學家的質疑。

2000年4月底中國科學家按照國際人類基因組計劃的部署,完成了1%人類基因組的工作框架圖。

2000年5月8日德、日等國科學家宣布,已基本完成了人體第21對染色體的測序工作。

2000年6月26日科學家公布人類基因組工作草圖,標誌著人類在解讀自身「生命之書」的路上邁出了重要一步。

2000年12月14日美英等國科學家宣布繪出擬南芥基因組的完整圖譜,這是人類首次全部破譯出一種植物的基因序列。

2001年2月12日中、美、日、德、法、英6國科學家和美國塞萊拉公司聯合公布人類基因組圖譜及初步分析結果。

6 基因工程 -基因版圖

基因工程轉基因熒光蝌蚪

英國:早在20世紀80年代中期,英國就有了第一家生物科技企業,是歐洲國家中發展最早的。如今它已擁有560家生物技術公司,歐洲70家上市的生物技術公司中,英國佔了一半。

德國:德國政府認識到,生物科技將是保持德國未來經濟競爭力的關鍵,於是在1993年通過立法,簡化生物技術企業的審批手續,並且撥款1.5億馬克,成立了3個生物技術研究中心。此外,政府還計劃在未來5年中斥資12億馬克,用於人類基因組計劃的研究。1999年德國研究人員申請的生物技術專利已經佔到了歐洲的14%。

法國:法國政府在過去10年中用於生物技術的資金已經增加了10倍,其中最典型的項目就是1998年在巴黎附近成立的號稱「基因谷」的科技園區,這裡聚集著法國最有潛力的新興生物技術公司。另外20個法國城市也準備仿照「基因谷」建立自己的生物科技園區。

西班牙:馬爾製藥公司是該國生物科技企業的代表,該公司專門從海洋生物中尋找抗癌物質。其中最具開發價值的是ET-743,這是一種從加勒比海和地中海的海底噴出物中提取的紅色抗癌藥物。ET-743計劃於2002年在歐洲註冊生產,將用於治療骨癌、皮膚癌、卵巢癌、乳腺癌等多種常見癌症。

印度:印度政府資助全國50多家研究中心來收集人類基因組數據。由於獨特的「種姓制度」和一些偏僻部落的內部通婚習俗,印度人口的基因庫是全世界保存得最完整的,這對於科學家尋找遺傳疾病的病理和治療方法來說是個非常寶貴的資料庫。但印度的私營生物技術企業還處於起步階段。

日本:日本政府已經計劃將明年用於生物技術研究的經費增加23%。一家私營企業還成立了「龍基因中心」,它將是亞洲最大的基因組研究機構。

新加坡:新加坡宣布了一項耗資6000萬美元的基因技術研究項目,研究疾病如何對亞洲人和白種人產生不同影響。該計劃重點分析基因差異以及什麼樣的治療方法對亞洲人管用,以最終獲得用於確定和治療疾病的新知識;並設立高技術公司來製造這一研究所衍生出的藥物和醫療產品。

中國:參與了人類基因組計劃,測定了1%的序列,這為21世紀的中國生物產業帶來了光明。這「1%項目」使中國走進生物產業的國際先進行列,也使中國理所當然地分享人類基因組計劃的全部成果、資源與技術。

7 基因工程 -基因產品

基因工程基因工程

運用基因工程技術,不但可以培養優質、高產、抗性好的農作物及畜、禽新品種,還可以培養出具有特殊用途的動、植物。
1、轉基因魚:生長快、耐不良環境、肉質好的轉基因魚(中國)。

2、轉基因:乳汁中含有人生長激素的轉基因牛(阿根廷)。

3、轉黃瓜抗青枯病基因的甜椒。

4、轉魚抗寒基因的番茄。

5、轉黃瓜抗青枯病基因的馬鈴薯。

6、不會引起過敏的轉基因大豆。

7、超級動物:導入貯藏蛋白基因的超級羊和超級小鼠

8、特殊動物:導入人基因具特殊用途的豬和小鼠。

8 基因工程 -藥品生產

基因工程發現綠色熒光蛋白

基因工程胰島素
胰島素是治療糖尿病的特效藥,長期以來只能依靠從豬、牛等動物的胰腺中提取,100Kg胰腺只能提取4-5g的胰島素,其產量之低和價格之高可想而知。將合成的胰島素基因導入大腸桿菌,每2000L培養液就能產生100g胰島素!大規模工業化生產不但解決了這種比黃金還貴的藥品產量問題,還使其價格降低了30%-50%!

2、基因工程干擾素
干擾素治療病毒感染簡直是「萬能靈藥」!過去從人血中提取,300L血才提取1mg!其「珍貴」程度自不用多說。基因工程人干擾素α-2b(安達芬)是中國第一個全國產化基因工程人干擾素α-2b,具有抗病毒,抑制腫瘤細胞增生,調節人體免疫功能的作用,廣泛用於病毒性疾病治療和多種腫瘤的治療,是當前國際公認的病毒性疾病治療的首選藥物和腫瘤生物治療的主要藥物。

3、其它基因工程藥物
人造血液、白細胞介素、乙肝疫苗等通過基因工程實現工業化生產,均為解除人類的病苦,提高人類的健康水平發揮了重大的作用。

4、基因診斷與基因治療
運用基因工程設計製造的「DNA探針」檢測肝炎病毒等病毒感染及遺傳缺陷,不但準確而且迅速。通過基因工程給患有遺傳病的人體內導入正常基因可「一次性」解除病人的疾苦。SCID的基因工程治療:重症聯合免疫缺陷(SCID)患者缺乏正常的人體免疫功能,只要稍被細菌或者病毒感染,就會發病死亡。這個病的機理是細胞的一個常染色體上編碼腺苷酸脫氨酶(簡稱ADA)的基因(ada)發生了突變。可以通過基因工程的方法治療。

9 基因工程 -轉基因動物

基因工程基因工程——轉基因貓咪

中國在轉基因動物的研究領域,已獲得了轉基因小鼠、轉基因兔、轉基因魚、轉基因豬、轉基因羊和轉基因牛。20世紀90年代,國家「863」高技術計劃已將轉基因羊——乳腺生物反應器的研究列為重大項目。

雖然目前通過轉基因動物(家畜)——乳腺生物反應器生產的藥物或珍貴蛋白尚未形成產業,但據國外經濟學家預測,大約10年後,轉基因運動生產的藥品就會鼎足於世界市場。那時,單是藥物的年銷售額就超過250億美元(還不包括營養蛋白和其他產品),從而使轉基因動物(家畜)——乳腺生物反應器產業成為最具有高額利潤的新型工業。

轉基因動物是指通過實驗方法,人工地把人們想要研究的動物或人類基因,或者是有經濟價值的藥物蛋白質基因,通常稱為外源基因,導入動物的受精卵(或早期胚胎細胞),使之與動物本身的基因組整合在一起,這樣外源基因能隨細胞的分裂而增殖,並能穩定地遺傳給下一代的一類動物。製備轉基因羊,就是將人的α抗胰蛋白酶基因通過顯微操作注進母羊受精卵的雄性細胞核,並使之與羊本身的基因整合起來,形成一體,這種新的基因組可以穩定地遺傳到出生的小羊身上。小山羊也成了人工創造的與它們母親不同的新品系,它們的後代也將帶有這種α抗胰蛋白酶基因。這個過程有些類植物的嫁接術。

儘管轉基因動物還有一些技術亟待解決,但是轉基因動物研究所取得的巨大進展,特別是它在各個領域中的廣泛應用,已經對生物醫學、畜牧業和藥物產業產生了深刻影響。

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