基因工程技術(shù)及其應(yīng)用進展分析

孫明宇

摘 要 基因工程技術(shù)起源于20世紀70年代，經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展成為目前重要的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，尤其是醫(yī)藥研發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護和食品生產(chǎn)方面為人類做出了卓越的貢獻。文章系統(tǒng)地介紹了基因工程技術(shù)目前的發(fā)展情況，并分析其面臨的主要問題以及對未來的展望。

關(guān)鍵詞 基因工程；生物醫(yī)藥；生態(tài)保護；食品生產(chǎn)

中圖分類號 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）231-0145-02

DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)標志生物學(xué)的研究進入分子生物學(xué)階段，近些年來基因工程發(fā)展迅速，對人類的生活造成了深遠的影響[1]。基因工程能夠運用預(yù)先設(shè)計的重組DNA實現(xiàn)改變細胞功能，按照人類意愿獲取表達產(chǎn)物。在醫(yī)藥方面，人們將基因工程技術(shù)應(yīng)用于各種疫苗和藥物研發(fā)、基因診斷和臨床醫(yī)療，并取得了較好的臨床成效。此外，基因技術(shù)還在改良農(nóng)作物、治理農(nóng)藥污染和重金屬污染方面有著積極的作用。未來的基因工程技術(shù)發(fā)展需要努力提高其安全性和有效性，相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，基因工程技術(shù)能夠成為人類做出更大的貢獻。？

1 基因工程技術(shù)

1.1 基因工程簡介

基因工程（又稱基因拼接技術(shù)或DNA重組技術(shù)）的主要特點是人為地將一種生物的基因轉(zhuǎn)入另一種受體細胞，并使其在受體細胞內(nèi)表達，最終獲得所需的生物活性產(chǎn)物。基因工程的操作依賴于限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶、運載體三大工具。限制性內(nèi)切酶是一類在特定DNA位點切斷DNA的酶，它可水解目標DNA分子骨架的磷酸二酯鍵，特異地將所需基因切下。DNA連接酶是一種能催化DNA中相鄰的3-羥基和5-磷酸基末端之間形成磷酸二酯鍵并把DNA拼接起來的核酸酶。載體作為DNA片段的運載工具，能夠裝載將外源DNA片段并送入宿主細胞進行擴增或表達，同時這種工具也是一種DNA分子，基因工程技術(shù)為生物體的遺傳物質(zhì)研究提供了良好的技術(shù)手段。

1.2 基因工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

迄今為止，基因工程已經(jīng)成功應(yīng)用于細菌、植物和動物的研究領(lǐng)域[2]。如利用基因工程技術(shù)構(gòu)建工程菌提取胰島素，用于治療糖尿病；通過基因工程改造植物使其具有抗病蟲害的能力，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域能夠顯著提高糧食產(chǎn)量；而在動物方面主要是培育轉(zhuǎn)基因動物，將能夠表達特定蛋白的基因轉(zhuǎn)入動物體內(nèi)，從而表達出原來沒有的新型性狀。近年來，基因工程發(fā)展迅速，已經(jīng)成為生命科學(xué)領(lǐng)域中不可或缺的一項重要技術(shù)。

1.3 基因工程技術(shù)的優(yōu)勢

基因工程的顯著優(yōu)勢表現(xiàn)在兩個方面，一個是跨物種性，打破了物種之間的界限，成功實現(xiàn)了原核生物與真核生物之間、動物與植物之間的遺傳信息轉(zhuǎn)移和重組，如在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，提高畜養(yǎng)殖的品質(zhì)，降低農(nóng)藥對人類的危害。基因工程的另一優(yōu)勢就是可以進行無性擴增，導(dǎo)入宿主細胞的外源DNA能夠特異性擴增和表達，極大地方便了實驗研究和實際應(yīng)用，如在醫(yī)藥方面，將基因工程技術(shù)與工業(yè)化生產(chǎn)相結(jié)合，高效提取干擾素、疫苗等藥物產(chǎn)品。

2 基因工程技術(shù)的應(yīng)用

2.1 基因工程技術(shù)在醫(yī)藥方面的應(yīng)用

許多藥品的有效成分（如蛋白藥物、疫苗等）其來源受限且造價高昂，需要利用生物工程技術(shù)從微生物組織中提取。微生物在營養(yǎng)充足、條件適宜的情況下，可以迅速繁殖、生長，實現(xiàn)大規(guī)模培養(yǎng)。利用基因工程技術(shù)體外構(gòu)建含目的基因的重組DNA分子，然后導(dǎo)入微生物體內(nèi)，可利用微生物的規(guī)模化培養(yǎng)大量生產(chǎn)所需的藥物成分，從而生產(chǎn)降低成本。胰島素是治療糖尿病必不可少的蛋白類藥物，然而過去人們只能從動物（如豬、牛等）的器官中提取，其產(chǎn)量低、高成本限制了該藥物的工業(yè)化批量生產(chǎn)。而基因工程技術(shù)能將合成人胰島素的基因?qū)氪竽c桿菌，使產(chǎn)量大幅提高，同時藥品價格降低30%～50%[3]。通過基因工程技術(shù)還可以制備疫苗，將基因重組后的質(zhì)粒注入機體，激活機體免疫功能產(chǎn)生免疫應(yīng)答，這種疫苗抗原單一，易于制備，被成為DNA疫苗（又稱核酸疫苗），能夠用低廉的代價預(yù)防多種疾病，具有廣泛的發(fā)展前景。另外，基因工程還能夠制備白細胞介素-2[3]，這是一類能抗病毒、抑制腫瘤細胞增生，調(diào)節(jié)人體免疫功能的作用的低分子糖蛋白，臨床上用于病毒性疾病和多種腫瘤的治療。因此，基因工程技術(shù)對新型藥物的研發(fā)和生產(chǎn)具有重要的意義。

基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA片段，是控制生物性狀的結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。因此，利用基因工程技術(shù)定向改造基因，可用于治療多種疾病，緩解病人的痛苦，提高病人的生活質(zhì)量。如利用基因工程技術(shù)將有某種功能的基因轉(zhuǎn)入患者的靶細胞或個體基因組的某個位置，糾正缺陷基因或代替缺陷基因表達，進而根治疾病[2]。基因治療具有特異性強、靶向性高和治療效果好等特點。由于基因診斷的靈敏度高、適用性強、診斷范圍廣，使其在臨床診斷上發(fā)揮著重要的作用。

2.2 基因工程技術(shù)在生態(tài)保護方面的應(yīng)用

目前，科學(xué)家們已經(jīng)運用基因工程技術(shù)培養(yǎng)出具有降解功能的基因工程菌，將具有降解乙烷、辛烷、二甲苯和樟腦等功能的質(zhì)粒轉(zhuǎn)入到同一菌株培養(yǎng)，進而制備出可降解重金屬污染的基因工程菌[4]。該工程菌具有超快的污染物降解能力，對石油、重金屬等降解速率快，效率高，能在幾個小時內(nèi)降解掉海上石油泄漏產(chǎn)生的多種烴類，而自然條件下利用自然菌降解需要一年甚至更長的時間。

此外，重金屬污染在環(huán)境中隨食物鏈會最終會進入人體內(nèi)，造成嚴重機體的傷害，如鎘大米等實例已經(jīng)層出不窮。目前人們開發(fā)并培養(yǎng)具有對重金屬具有降解能力的細菌，經(jīng)過基因工程技術(shù)培養(yǎng)擴增，將這些細菌用于治理重金屬污染的土地。與此同時，人們還通過基因工程手段改造植物對重金屬的抵抗能力。首先人們從能夠脫汞的細菌中得到目的基因[4]，然后將構(gòu)建的重組DNA分子整合到植物中，經(jīng)過脫汞基因的擴大表達后，該植株獲就得了對重金屬汞的抗性，使其能夠在土壤中吸收汞或甲基汞，并以氣體汞的形式從葉子表面排入到大氣當中，目前煙草類植物和擬南芥均已通過DNA重組技術(shù)獲得了重金屬汞的抗性基因。

2.3 基因工程技術(shù)在食品方面的應(yīng)用

基因工程技術(shù)在食品領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，以下將重點介紹對植物源食品、動物源食品兩個方面的應(yīng)用情況。基因工程技術(shù)為植物源食品原料品質(zhì)改善做出了積極的貢獻，大豆、玉米、油菜、番茄、馬鈴薯等農(nóng)作物經(jīng)過基因工程的改造后均具有優(yōu)良的性狀和富含更加豐富的營養(yǎng)成分。不飽和脂肪酸（油酸和亞麻酸）是油菜籽中的主要營養(yǎng)成分，人們可以利用基因工程技術(shù)將硬脂酰COA脫氫飽和酶基因?qū)胗筒俗阎懈淖冝r(nóng)作物的性狀，有效提高不飽和脂肪酸的含量，增加農(nóng)作物的營養(yǎng)價值[5]。在動物源食品中，基因工程技術(shù)主要利用的轉(zhuǎn)基因手段對魚類和家畜等進行定向的改造。如利用基因工程制備攜帶人的生長激素基因的運載體，用顯微注射法將其注入奶牛的受精卵中，培育的轉(zhuǎn)基因奶牛的乳汁中含有生長激素。此外，利用基因工程技術(shù)還能生產(chǎn)一些特殊食品如基因工程疫苗——食品疫苗。食品疫苗是利用基因工程技術(shù)將某些致病微生物相關(guān)的抗原基因?qū)胫参锏氖荏w細胞，并能夠在受體細胞中表達，使受體植物成為具備抵抗某種疾病的疫苗，同時該疫苗能夠保持重組蛋白質(zhì)的生物活性。

3 基因工程面臨的挑戰(zhàn)

雖然目前基因工程為人類的生存和生產(chǎn)做出了巨大的貢獻，但是其未來的發(fā)展依然面臨挑戰(zhàn)。由于基因的隨機整合性，基因工程技術(shù)的臨床應(yīng)用有可能導(dǎo)致原癌基因突變，或鈍化抑癌基因，從而導(dǎo)致細胞的癌變，而且使用的導(dǎo)入載體多為病毒載體，其在人體內(nèi)有潛在的危險性，導(dǎo)致基因工程治療策略的發(fā)展依然受到了限制[2]。轉(zhuǎn)基因生物具有自然狀態(tài)下不存在的性狀，進入到自然環(huán)境中有可能打破生態(tài)環(huán)境中的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，破壞生態(tài)平衡。水稻、大豆等轉(zhuǎn)基因食物已經(jīng)進入人們的生活，食物中新接入的基因在原理上并沒有危害，但人體內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)繁多復(fù)雜，是否真的對人類沒有影響還需要時間來檢驗[2]。

4 結(jié)論

基因工程產(chǎn)品的安全性和有效性是衡量基因工程技術(shù)在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品生產(chǎn)等方面應(yīng)用價值的重要標準，需要相關(guān)研發(fā)、監(jiān)管機構(gòu)嚴密跟蹤監(jiān)測。盡管基因工程還存在許多不足，但這是一項正在不斷發(fā)展完善的技術(shù)，隨CRISPR/Cas9系統(tǒng)（規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)序列）的研究突破和堿基編輯器的開發(fā)[6]，基因工程的技術(shù)也在日益發(fā)展，將會對人類生活來帶來深遠的影響。

參考文獻

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