是基因工程吧 　　基因工程简介 　　我们常常说基因是生物体进行生命活动的“蓝图”,这是因为生物体可以通过基因的特异性表达,来完成各种生命活动.例如,青霉菌能够产生出对人类有用的抗生素——青霉素；豆科植物的根瘤菌能够固定空气中的氮；家蚕能够吐出丝……那么,人们能不能通过改造生物体的基因,定向地改变生物的遗传特性呢?比如,通过对基因进行改造和重新组合,让禾本科的植物也能够固定空气中的氮,让细菌“吐出”蚕丝,让微生物生产出人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物.科学家们经过多年的努力,终于在20世纪70年代,创立了一种能够定向改造生物的新技术——基因工程.那么,什么是基因工程呢?基因工程又是怎样改变生物遗传特性的呢? 　　一基因工程的基本内容 　　基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术.这种技术是在生物体外,通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”,对生物的基因进行改造和重新组合,然后导入受体细胞内进行无性繁殖,使重组基因在受体细胞内表达,产生出人类所需要的基因产物.通俗地说,就是按照人们的主观意愿,把一种生物的个别基因复制出来,加以修饰改造,然后放到另一种生物的细胞里,定向地改造生物的遗传性状. 　　基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的.DNA分子的直径只有2.0nm(粗细只有头发丝的十万分之一),其长度也是极其短小的.如流感嗜血杆菌的DNA,长度只有0.83?m,即使是较大的大肠杆菌,其长度也只有1.36?m.要在如此微小的DNA分子上进行剪切和拼接,是一项非常精细的工作,必须要有专门的工具. 　　基因操作的工具 　　用什么样的工具才能准确无误地对基因进行剪切和拼接呢?这是从事基因工程研究的科学家首先遇到的难题.例如,通过基因工程培育抗虫棉时,就需要将抗虫的基因从某种生物(如苏云金芽孢杆菌)中提取出来,“放入”棉的细胞中,与棉细胞中的DNA结合起来,在棉中发挥作用.这里遇到的难题主要有两个：首先是苏云金芽孢杆菌的一个DNA分子有许多基因,怎样从它的DNA分子的长链上辨别出所需要的基因,并且把它切割下来.其次是如何将切割下来的抗虫基因与棉的DNA“缝合”起来.为了突破这些难关,科学家进行了许多试验,最后他们发现了一种“基因剪刀”和“基因针线”,可以用来完成基因的剪切和拼接. 　　基因的剪刀——限制性内切酶基因的剪刀指的是DNA限制性内切酶(以下简称限制酶).限制酶主要存在于微生物中.一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列,并且能在特定的切点上切割DNA分子(如图).例如,从大肠杆菌中发现的一种限制酶只能识别GAATTC序列,并在G和A之间将这段序列切开.目前已经发现了二百多种限制酶,它们的切点各不相同.苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因,就能被某种限制酶切割下来. 　　基因的针线——DNA连接酶从图中可以看出,被限制酶切开的DNA两条单链的切口,带有几个伸出的核苷酸,它们之间正好互补配对,这样的切口叫做黏性末端.可以设想,如果把两种来源不同的DNA用同一种限制酶来切割,然后让两者的黏性末端黏合起来,似乎就可以合成重组的DNA分子了.但是,实际上仅仅这样做是不够的,互补的碱基处虽然连接起来,但是这种连接只相当于把断成两截的梯子中间的踏板连接起来,两边的扶手的断口处还没有连接起来(如图).要把扶手的断口处连接起来,也就是把两条DNA末端之间的缝隙“缝合”起来,还要靠另一种极其重要的工具——DNA连接酶. 　　基因的运输工具——运载体要将一个外源基因,如上面所说的抗虫基因,送入受体细胞,如棉细胞,还需要有运输工具,这就是运载体.作为运载体的物质必须具备以下条件：能够在宿主细胞中复制并稳定地保存；具有多个限制酶切点,以便与外源基因连接；具有某些标记基因,便于进行筛选.目前,符合上述条件并经常使用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等. 　　质粒是基因工程最常用的运载体,它广泛地存在于细菌中,是细菌染色体外能够自主复制的很小的环状DNA分子,大小只有普通细菌染色体DNA的百分之一(如图).质粒能够“友好”地“借居”在宿主细胞中.一般来说,质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性的作用.但是,质粒的复制则只能在宿主细胞内完成. 　　大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌等细菌中都有质粒.因为土壤农杆菌很容易感染植物细胞,所以科学家培育转基因植物时,常常用土壤农杆菌中的质粒做运载体. 　　基因操作的基本步骤 　　进行基因操作一般要经历四个基本步骤,也就是基因操作的“四步曲”. 　　提取目的基因基因操作的第一步,是取得人们所需要的特定基因,也就是目的基因(如图).如前 　　面提到的苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因,还有植物的抗病(抗病毒、抗细菌)基因、 　　种子的贮藏蛋白的基因,以及人的胰岛素基因、干扰素基因等,都是目的基因. 　　要从浩瀚的“基因海洋”中获得特定的目的基因,犹如大海捞针,是十分不易的.科学家们经过不懈地探索,想出了许多办法,概括地说,主要有两条途径：一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因；另一条是人工合成基因. 　　直接分离基因最常用的方法是“鸟枪法”,又叫“散弹射击法”.这种方法犹如用猎枪发射的散弹打鸟,无论哪一颗弹粒击中目标,都能把鸟打下来.鸟枪法的具体做法是：用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段,将这些片段分别载入运载体,然后通过运载体分别转入不同的受体细胞,让供体细胞所提供的DNA(外源DNA)的所有片段分别在各个受体细胞中大量复制(在遗传学中叫做扩增),从中找出含有目的基因的细胞,再用一定的方法把带有目的基因的DNA片段分离出来.如许多抗虫、抗病毒的基因都可以用上述方法获得. 　　用“鸟枪法”获取目的基因的缺点是工作量大,具有一定的盲目胜.又由于真核细胞的基因含有不表达的DNA片段,不能直接用于基因的扩增和表达,因此,在获取真核细胞中的目的基因时,一般是用人工合成基因的方法. 　　目前人工合成基因的方法主要有两条途径.一条途径是以目的基因转录成的信使RNA为模板,反转录成互补的单链DNA,然后在酶的作用下合成双链DNA,从而获得所需要的基因.另一条途径是根据已知的蛋白质的氨基酸序列,推测出相应的信使RNA序列,然后按照碱基互补配对原则,推测出它的结构基因的核苷酸序列,再通过化学的方法,以单核苷酸为原料合成目的基因(如图).如人的血红蛋白基因、胰岛素基因等就可以通过人工合成基因的方法获得. 　　20世纪80年代以后,随着DNA核苷酸序列分析技术的发展,人们已经可以通过DNA序列自动测序仪(见本章题图左上照片)对提取出来的基因进行核苷酸序列分析,并且通过一种扩增DNA的新技术(也叫PCR技术),使目的基因片段在短时间内成百万倍地扩增.上述新技术的出现大大简化了基因工程的操作技术. 　　目的基因与运载体结合将目的基因与运载体结合的过程,实际上是不同来源的DNA重新组合的过程.如