基因工程技術及其應用進展分析

孫明宇

摘 要 基因工程技術起源于20世紀70年代，經過近半個世紀的發(fā)展成為目前重要的現(xiàn)代科學技術，尤其是醫(yī)藥研發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護和食品生產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。

關鍵詞 基因工程；生物醫(yī)藥；生態(tài)保護；食品生產

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

DNA分子雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)標志生物學的研究進入分子生物學階段，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]?；蚬こ棠軌蜻\用預先設計的重組DNA實現(xiàn)改變細胞功能，按照人類意愿獲取表達產物。在醫(yī)藥方面，人們將基因工程技術應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，基因技術還在改良農作物、治理農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發(fā)展需要努力提高其安全性和有效性，相信隨著科學技術的不斷發(fā)展，基因工程技術能夠成為人類做出更大的貢獻。？

1 基因工程技術

1.1 基因工程簡介

基因工程（又稱基因拼接技術或DNA重組技術）的主要特點是人為地將一種生物的基因轉入另一種受體細胞，并使其在受體細胞內表達，最終獲得所需的生物活性產物?；蚬こ痰牟僮饕蕾囉谙拗菩院怂醿惹忻?、DNA連接酶、運載體三大工具。限制性內切酶是一類在特定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，基因工程技術為生物體的遺傳物質研究提供了良好的技術手段。

1.2 基因工程技術發(fā)展現(xiàn)狀

迄今為止，基因工程已經成功應用于細菌、植物和動物的研究領域[2]。如利用基因工程技術構建工程菌提取胰島素，用于治療糖尿??；通過基因工程改造植物使其具有抗病蟲害的能力，在農業(yè)領域能夠顯著提高糧食產量；而在動物方面主要是培育轉基因動物，將能夠表達特定蛋白的基因轉入動物體內，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，已經成為生命科學領域中不可或缺的一項重要技術。

1.3 基因工程技術的優(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移和重組，如在農業(yè)領域，提高畜養(yǎng)殖的品質，降低農藥對人類的危害?；蚬こ痰牧硪粌?yōu)勢就是可以進行無性擴增，導入宿主細胞的外源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用，如在醫(yī)藥方面，將基因工程技術與工業(yè)化生產相結合，高效提取干擾素、疫苗等藥物產品。

2 基因工程技術的應用

2.1 基因工程技術在醫(yī)藥方面的應用

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)。利用基因工程技術體外構建含目的基因的重組DNA分子，然后導入微生物體內，可利用微生物的規(guī)?；囵B(yǎng)大量生產所需的藥物成分，從而生產降低成本。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，其產量低、高成本限制了該藥物的工業(yè)化批量生產。而基因工程技術能將合成人胰島素的基因導入大腸桿菌，使產量大幅提高，同時藥品價格降低30%～50%[3]。通過基因工程技術還可以制備疫苗，將基因重組后的質粒注入機體，激活機體免疫功能產生免疫應答，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，基因工程技術對新型藥物的研發(fā)和生產具有重要的意義。

基因是具有遺傳效應的DNA片段，是控制生物性狀的結構和功能的基本單位。因此，利用基因工程技術定向改造基因，可用于治療多種疾病，緩解病人的痛苦，提高病人的生活質量。如利用基因工程技術將有某種功能的基因轉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]?；蛑委熅哂刑禺愋詮姟邢蛐愿吆椭委熜Ч玫忍攸c。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 基因工程技術在生態(tài)保護方面的應用

目前，科學家們已經運用基因工程技術培養(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粒轉入到同一菌株培養(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，能在幾個小時內降解掉海上石油泄漏產生的多種烴類，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，造成嚴重機體的傷害，如鎘大米等實例已經層出不窮。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，經過基因工程技術培養(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]，然后將構建的重組DNA分子整合到植物中，經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重組技術獲得了重金屬汞的抗性基因。

2.3 基因工程技術在食品方面的應用

基因工程技術在食品領域有著重要的應用，以下將重點介紹對植物源食品、動物源食品兩個方面的應用情況?；蚬こ碳夹g為植物源食品原料品質改善做出了積極的貢獻，大豆、玉米、油菜、番茄、馬鈴薯等農作物經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將硬脂酰COA脫氫飽和酶基因導入油菜籽中改變農作物的性狀，有效提高不飽和脂肪酸的含量，增加農作物的營養(yǎng)價值[5]。在動物源食品中，基因工程技術主要利用的轉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，培育的轉基因奶牛的乳汁中含有生長激素。此外，利用基因工程技術還能生產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將某些致病微生物相關的抗原基因導入植物的受體細胞，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，基因工程技術的臨床應用有可能導致原癌基因突變，或鈍化抑癌基因，從而導致細胞的癌變，而且使用的導入載體多為病毒載體，其在人體內有潛在的危險性，導致基因工程治療策略的發(fā)展依然受到了限制[2]。轉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)結構，破壞生態(tài)平衡。水稻、大豆等轉基因食物已經進入人們的生活，食物中新接入的基因在原理上并沒有危害，但人體內的生物化學反應繁多復雜，是否真的對人類沒有影響還需要時間來檢驗[2]。

4 結論

基因工程產品的安全性和有效性是衡量基因工程技術在醫(yī)藥、農業(yè)、食品生產等方面應用價值的重要標準，需要相關研發(fā)、監(jiān)管機構嚴密跟蹤監(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，隨CRISPR/Cas9系統(tǒng)（規(guī)律成簇間隔短回文重復序列）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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