基因工程

（genetic engeneering）基因重组和扩增技术，是人类改造自然的重要手段。

基因重组和克隆 一般把不同来源，为不同蛋白质编码的基因拼接在一起，构成自然界不存在的基因新组合并引入合适的细胞，通过受体细胞的 DNA 合成机器扩增许多倍；插入的基因还可在新固定的位置上转录和翻译。这种基因扩增的过程叫做基因或 DNA 克隆，也可叫做分子克隆。所谓克隆是指众多相同的基因是单一基因复制形成的。其主要步骤是：

取得目的基因：目的基因是准备转移至受体细胞的基因，一般是编码蛋白质的结构基因。可用化学合成法，限制性内切核酸酶酶切法或分子杂交法等获取。
制造重组 DNA 分子：用相同的限制性内切核酸酶处理目的基因和DNA 载体，使它们具有相同的粘端，再用 DNA 连接酶共价连接在一起，载体必须在合适的受体细胞内独立复制。例如在大肠杆菌细胞中克隆常选用细菌质粒或λ噬菌体作载体。如限制性内切核酸酶酶切后产生平端，也可人工制造粘端以利于重组。有一种末端脱氧核苷酸转移酶，可在 DNA 3'末端添加核苷酸而不需模板。因此可在一种 DNA 链加上多聚（dCMP）尾，而在另一 DNA 链加上多聚（dGMP）尾，这两种“尾”彼此互补，就像一些限制性内切核酸酶所造成的粘端一样。
引入受体细胞：将重组 DNA 分子与受体细胞在一定条件下共同培育，使重组 DNA 进入细胞并在其中扩增。大肠杆菌和酵母是广泛应用的受体细胞。
筛选含有重组 DNA 分子的受体细胞：把含有重组 DNA 分子的受体细胞从细胞群中选择出来再培养繁殖成纯系繁殖系，即克隆。选择的基础是载体或目的基因本身的特性，如对某种特定药物的抗性或对某种营养需求的丢失。含有重组 DNA 分子的克隆应较稳定。

聚合酶链反应（polymerase chain reaction，PCR）是 80 年代中后期逐渐发展的一种新技术。不用克隆，用这种方法便可将 DNA 序列扩增许多倍。其基本原理是用化学合成法产生与待扩增 DNA 序列（用作模板）末端互补的寡核苷酸。并在 DNA 聚合酶催化的特定系列反应中用作引物。首先，将含有待扩增序列的 DNA 与过量的引物一起加热变性后退火（缓慢冷却）。其次，从引物末端进行聚合酶所催化的链延伸作用。然后重复进行热变性、退火和引物延伸的循环。所使用的是一种从在高温下生活的细菌中提取的耐热 DNA 聚合酶，因而并不需要在反应系统中补充新酶（该酶在 DNA 变性的条件下并不失活）。反复进行这种循环 30 次以上，就可使 DNA 双链扩增 10⁶ 倍。这种技术简便、快速、灵敏性高、专一性强，还可用于考古学、司法鉴定等特殊的领域。

植物基因工程 现代兴趣多集中在植物基因工程上。利用基因工程手段已得到多种抗逆、防病虫害和含有更高营养价值蛋白质的转基因植株。大自然提供了一种向植物体引入新基因的优良载体，这就是农杆菌的 Ti 质粒。农杆菌是一种致病菌，它通过转移一些自身的 DNA 到被侵染的双子叶植物中，

使后者产生一种冠状肿瘤。Ti 质粒就携带这种致病的基因。通过重组 DNA 的方法可将外来基因引入 Ti 质粒。用所产生的修饰农杆菌侵染植物就能将新基因转入植物。现在的注意力集中在控制侵染后这些基因的表达和指导它们整合入细胞基因组以使细胞永久保留所期望的特性。

基因工程技术的应用 基因工程技术除对研究生命问题提供有力的手段外，还在多方面得到广泛的应用，并已取得巨大的经济效益。运用它可使极难获得的蛋白质药物得以进行商品规模的生产。1977 年首先在大肠杆菌中克隆胰岛素基因获得成功。自那时以后，各国先后得到的基因工程产品还有血球凝集素、生长激素、干扰素、口蹄疫疫苗及猪、牛幼畜腹泻疫苗等。我国的基因工程甲型干扰素已投入生产；幼畜腹泻疫苗和乙型肝炎疫苗已完成中试和临床观察，即将投产。利用基因工程技术还能协助某些遗传性疾病的诊断和治疗。

基因工程技术在未来农业生产上也将显示出巨大的经济效益。到目前为止，改良作物蛋白质成分，培育抗病毒、抗虫及抗除草剂工程植株的植物基因工程都已取得了很大进展。如澳大利亚科学家将豆类蛋白质基因转移到奶牛吃的牧草里，奶牛吃了这种牧草后，所产的奶中有了较多的必需氨基酸。1986 年，比奇（Beachy）等首次使用植物基因工程方法将烟草花叶病毒（TMV）的外壳蛋白基因转移到烟草中，获得了抗 TMV 的烟草植株。1991 年，日本研制成功一种抗黄瓜花叶病毒的转基因马铃薯。把苏云金杆菌的毒蛋白基因用基因工程方法导入植物中，可培育出抗鳞翅目害虫的转基因植株，昆虫吃了这种植株的叶片后就出现厌食等症状而死亡。这些转基因植株已进入了大田试验，其中有番茄、烟草等。1991 年，美国科学家研制的转基因棉花，已在6 个州进行了大田实验，结果表明种植这种棉花可使杀虫剂的施用量减少

35～40％。国外几个较大的公司都拥有抗除草剂的植物基因工程专利。预计将有抗除草剂的玉米、大豆、水稻、棉花、番茄、烟草及各种蔬菜进入大田试验。我国也在植物基因工程方面开展了研究，已先后获得抗黄瓜花叶病毒的番茄和抗烟青虫的转基因烟草植株等。