基因工程技术的原理与应用

基因工程技术的原理与应用

姓名：雷琪

学院：理学院

学号：13071214

摘要

基因工程是现代生物技术的核心内容。本文从原理与应用的角度,对基因工程与人类生存与发展的关系进行了评述,并对基因工程可能带来的问题以及相应的对策进行了讨论。基因工程技术分植物基因工程技术和动物基因工程技术。本文首先介绍植物基因工程与动物基因工程的原理。再分别列举植物基因工程与动物基因工程在当今社会的应用。本文主要介绍基因工程在农业上、医学、石油的脱硫以及食品工业中的应用。对基因工程与人类生存与发展的关系进行了评述。

关键字：基因工程原理技术应用人类可持续发展

基因工程技术是一项正在蓬勃发展的技术，它将给人类社会带来一场深刻的变革，我们有必要了解基因工程的概念、原理、技术程序，以及基因工程在农业、工业、医药等方面的应用和进展情况。

一、基因工程技术的原理

首先，让我们来了解一下基因工程的基本原理。基因工程的基本原理是在体外将不同来源的DNA进行剪切和重组，形成镶嵌DNA分子，然后将之导人宿主细胞，使其扩增表达，从而使宿主细胞获得新的遗传特性，形成新的基因产物。它有3 个基本的步骤:

①从合适材料分离或制备日的基因或DNA片段。

②目的墓因或DNA片段与载体连接作成重组DNA分子。

③重组DNA分于引入宿主细胞，在其中扩增和表达。

不问种类生物的生物学特性不同，其基因工程在操作上和具体技术上必然有所差异，但技术核心都是DNA的重组，即利用一系列的DNA限制性内切酶、连接酶等分子手术工具，在某种生物DNA 链上切下某个目标基因或特殊的DNA 片段，然后根据设计要求，将其接合到受体生物DNA链上。下面简要介绍基因工程的技术程序:

1、外源目标基因的分离、克隆及功能结构分析。

获得合乎人类某种需要的目标基因是开展一项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获得目标基因。目前人们已经能够通过多种途径和方法来获取目标基因，比如从构建的基因文库中调取和筛选目标基因，通过化学方法合成已知核甘酸序列的目标基因，以及通过逆转录酶用m RNA为模板合成目标基因等。

2、构建能在受体生物细胞中表达的重组目标基因

要使一个外源目标基因能整合到受体细胞的基因组中并能在整合后在受体基因组的调控下有效地转录和翻译，就必须事先对日标基因的功能结构DNA重组技术进行适当的修饰，也就是将目标基因与一种特别的DNA分子重组，这种特别的DNA分子称为基因载体，目前所用的载体户要有以下几类: 质粒、久噬菌体、柯斯质粒、病毒载体、YAC载体等，各类载体具有独特的生物学特性，可用于不同的目标基因。

3、外源重组目标基因的导入

将重组的外源目标基因转人到宿主细胞中的过程称为基因导人或基因转移。

接受外源基因的细胞称为受体细胞。由干受体事物特征的不同以及基因工程目的不同，外源基因导入的方法也不同，有的是用载体导入，有的是直接用物理的方法导人。向细菌等微生物中导人外源目标基因常用质粒转化和噬菌体转染方法；向植物细胞中导入外源基因常用基因枪注入法和Ti 质粒导人法。能由原生质体再生出植株的植物细胞还可以用电穿孔导入法及脂质体融合法；动物的受精卵一般通过人工显微镜注射法导入外源基因；动物的体细胞可用电穿孔法和病毒转染法导人外源基因，但对于生产目的的基因工程常常避免用病毒转染法。

4 、转基因细胞或个体的鉴别和筛选

在对宿主的细胞进行外源目标基因导入处理以后，有些细胞可能并没有外源基因的进人，另有一些细胞可能在外源基因进人后因各种原因而不能使外源基因表达，因此必须对被进行了基因转移处理的细胞或个体进行鉴别，以筛选出导人外源目标基因的转基因细胞或个体。鉴别和筛选转基因生物一般在两个层面进行:一是检测目标基因是否表达，二是检测目标基因是否整合到了宿主的染色体上和能否稳定传代。表达检测的方法产要有转录产物的印迹杂交法、免疫印迹检测法、免疫组织化学检测试等。整合检测可通过 DNA 分子杂交来确定。

二、基因工程技术的应用

1、基因工程在农业方面的应用。

1．1抗病

长期以来，病毒是农作物生长的巨大天敌。传统的植物病害的防治措施是采用合理栽培和抗病育种的方式。使用有性杂交的方式来培育抗病品种有很多局限性，而且抗病品种的育种时间长、抗性容易衰退。而植物基因工程具有定向性和快速性的特点，可有效控制农作物发病的概率。1986年美国科学家Beachy把烟草花病毒外壳蛋白基因成功导人烟草获得了第一株抗病毒转基因烟草。我国在植物抗病基因工程中也做了大量研究，成功培育出多种转基因抗病植物。中国农业科学院的转基因抗病毒马铃薯，不仅从根本上解决了病毒种性退化问题，而且具有产量高、易成活的特点。

1．2抗虫

据统计，全世界每年因虫害造成的农作物损失高达15%右。植物虫害不仅影响农作物的品质和产量，还制约着农业生产的稳定。传统的植物虫害的防治措施主要是依赖化学制剂。使用化学制剂的方式虽然在一定程度上可以起到防治害虫的作用，但也存在着生产成本高、污染环境、易残留等问题。而植物基因工程的使用给培育抗虫害的植物提供了新的技术手段。它在培育抗虫害植物方面具有以下优点：培育的抗虫害农作物可以控制农作物任意生长阶段和生长部位的病虫害；基因资源丰富，不仅可以利用植物的抗虫害基因，还可以利用动物、微生物的抗虫害基因；育种周期短，成效快，且成本较低；不会造成环境污染，无毒害，并且抗性基因不易发生改变。现已成功克隆的抗虫基因主要来自于细菌、植物组织、动物体内等，获得的转基因植物已被广泛应用与农田试验。

1．3抗除草剂

20世纪40年代以来，农作物因杂草危害造成的减产越来越高。采用化学制剂除草一直以来都是农业除草的主要办法。而除草剂的应用在杀除部分对农作物具有严重危害的杂草的同时也在危害着农作物的生长。当前世界上除草剂的作用原理主要有两种：一种是通过破坏杂草光合作用中电子传递链的蛋白来除草，另一种是通过破坏杂草氨基酸的合成途径来除草。因此，基因工程根据除草剂的作用原理，使植物具有抗除草剂的策略有：一种是在农作物内引入酶，使农作物在

遇到除草剂后能将其降解或解毒；另一种是修复除草剂作用的靶蛋白，使农作物对除草剂不敏感或在植物吸收后仍能正常代谢。使用植物基因工程不仅可以培育具有抗除草剂作用的农作物，还能减少除草剂的使用，保护环境。目前已获得的抗除草剂的作物有棉花、大豆、水稻等20多种。

1．4优质高产

农作物的优质高产一直以来都是人们追求的目标。2O世纪9O年代前人们主要关注农作物的产量，近年来则越来越关注农作物的品质。目前，采用基因转移来改善植物脂肪、种子油或氨基酸的含量及成分等品质特性取得了良好的实验效果。已获得的农作物改良品种有马铃薯、水稻、烟草等40多种。我国在利用植物基因工程改良农作物品质方面也取得了较大进展，如北京农林科学院把美国优质面包小麦品种的谷蛋白基因导人我国小麦获得的改良品种具有高蛋白、高产量、抗病等优良特点。

1．5抗寒

科学家们将CBF1基因成功导入拟南芥，使其植株内低温调节蛋白得到表达，从而使未经低温驯化的植物具有了较强的抗寒能力。科学家们还发现在极地的鱼体内有一种特殊蛋白可以阻止冰晶的增长，若将此基因从鱼体内分离出来导人植物体内可使植物具有抗寒能力。目前，获得抗旱能力的转基因植物有番茄、黄瓜两种。随着植物基因工程的快速发展，将会有更多的转基因植物获得这种抗寒能力，使其能够在低温气候条件下可照常生存

2、基因工程在工业方面的应用

2.1在食品工业方面的应用

1982年转基因“超级鼠”的构建成功，1985年转基因鱼的出现，揭开了基因工程技术在食品领域中应用的序幕，基因工程食品也从此诞生。并在人们的日常生活中占有越来越大的比重。基因工程技术在食品领域中的作用目前涉及到对食品资源的改造、对食品品质的改造、新产品的开发、食品添加剂的生产以及食品卫生检测等方面。

2.2基因工程在石油工业方面的应用

随着人们对燃料需求量的日益增加，石油作为世界主要能源，其开采利用和质量问题逐渐成为人们关注的热点问题。石油中硫的含量位居第三，仅次于碳、氢。可达石油总量的5％，存在于无机硫和有机硫中。有机硫以硫醇、硫醚、噻吩及其衍生物为主，其中二苯噻吩含量较高，在一些石油中可占总硫量的40％～70％，且难降解因此是有机含硫化合物的典型代表。硫化物燃烧时排出的硫化物释放到大气中会造成大面积酸雨，使环境质量下降，并污染大气和水源同时石油中存在的硫对输油管线、炼油设备和泵等具有腐蚀作用。因此对石油脱硫技术的研究和开发已成为近年来生物技术领域的重点工作。传统的脱硫技术是加氢脱硫(HDS)，在高温高压的条件下使有机硫转换成无机硫H2S，之后再转换成 S元素?。但该方法脱硫过程投资大、效率低，且去除的仅是小分子含硫化合物，脱硫不完全。生物脱硫技术 (BDS)与HDS相比，具有作用专一性强，无需苛刻的条件即可进行反应，设备简单，投资和操作费用低等特点，并能有效去除稳定的杂环硫化物如噻吩，从而推动了脱硫技术向前发展。

3、基因工程在医学方面的应用

基因工程又叫遗传修饰或遗传操作，是指采用基因重组改造技术将一个物种的遗传材料传递给另一个物种，从而达到创造物种新的性状或新物种的目的。近年来，基因工程技术的迅速发展使医药领域发生了革命性的变化，也给新型药物

的创造带来了广阔发展前景。基因工程技术改造将逐步成为医药事业重要的发展方向。基因工程技术在医学中已经广泛应用，具体包括生产重组药物、基因诊断、基因工程疫苗和基因治疗等几个方面。

从我个人的角度来看，我觉得：我们在大力发展转基因技术的同时，必须高度重视对转基因动物、植物及微生物品种的生物控制和控制技术的研究。在转基因品种的安全性没有进行全面的评估和没有可靠的生物控制措施之前，应严格禁止其进行生产和进入开放的自然生态系统，只有其生态安全性达到了传统育种方法培育的新品种时，或无生殖能力的转基因动物和植物才能允许进人自然界进行生产，也只有这样才是有益于人类和社会进步的。

参考文献

[1]张礼勇.基因工程原理及进展.科技资讯,2007,(18);7-

[2]肖邦.基因工程技术在乳制品加工中的应用.食品安全质量检测学报,2014,(5);-

[3]陈艳荣.植物基因工程技术在农业上的应用研究.中国科技纵横,2014,(3);268-268

[4]郭海涛.基因工程技术在医学中的应用.北方药学,2013,10(12);54-56

[5]刘丽娜,汪洋.基因工程技术提高石油生物脱硫能力的研究.安徽农业科学,2013,41 (22);9200-9201

[6]朱兴平[2],汪李平[1],赵庆庆[3].有机蔬菜病虫草害防治技术.长江蔬菜,2013,(3); 3-8

[7]刘红葵.基因工程技术的发展及其在农作物上的应用.畜牧与饲料科学,2012,33(10); 21-23

[8]张占军[1,2].基因工程技术在食品工业中的研究进展.生物技术通报,2011,(2);75-79

[9]陶兴林,胡立敏,朱惠霞.基因工程技术在花椰菜育种中的应用.农业科技通讯,2014, (6);288-290