探究新知
    基因工程,又称重组DNA工程,是利用重组技术,在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法,对各种生物的遗传基因——DNA进行改造和重新组合,然后导入微生物或真核细胞内进行无性繁殖,产生出人类需要的基因产物,或者改良、创造出新的物种造福于人类。
20多年来,基因工程所获得的丰硕成果,将人类带进了一个不可思议的梦幻世界中。基因工程使人类获得了揭示生命奥秘和防病治病的“魔钥”,使农业从肥料和杀虫剂的束缚中解放出来,还给世界一个洁净、清新的生态环境。
    一、转基因动物
    80年代初,美国的哥登用显微注射法向动物胚胎转移外来基因,生产出带有外源性脑苷激酶基因的小白鼠——转基因鼠。此后,转基因兔、转基因羊和转基因猪等不断问世。
转基因猴

    用转基因动物生产人用药品是基因工程制药业中新崛起的行业。英国科学家自推出明星“多利”后,又成功地向一头绵羊导入人体基因,从而使该羊产出的奶中含有一种贵重的蛋白药品——抗胰蛋白酶,可用于治疗因该酶缺乏所引起的肝脏衰竭或肺气肿。
  从转基因动物的乳汁中获得药物,不但产量高、易提纯,还具有稳定的生物活性。产乳量高的动物相当于一座大型药物工厂,人们只需饲养活的转基因牛、羊,便可获取所需的贵重药品。科学家已成功地培育出能在乳汁中生产特殊蛋白质的转基因猪。
    中国科学家1997年用新的转基因路线获得了5头转基因山羊,其中一头母羊于当年9月进入泌乳期,乳汁中含有人的凝血因子,为血液病患者带来了福音。
转基因山羊
  未来,科学家还可用转基因动物生产“人造器官”,供器官移植。英国已开展了将人的基因转入猪体的试验,目的是希望这种转基因猪成为“人造器官”的代理加工厂。
    二、转基因植物
    基因工程技术对农业发展具有举足轻重的作用。众所周知,农作物育种有两个难题长期未能解决,一是培育一个新品种需要很长时间(用有性杂交法通常需4-8年);二是无法逾越物种之间的屏障。转基因植物能够打破物种间的屏障,使不同作物品种实现杂交,并可在短期内培育出具有优良性状的新品种。
  1983年,世界上首次培育转基因植物成功,目前已有100多种转基因植物,包括水稻、小麦、大豆、油菜、棉花、番茄。黄瓜等。
  在农业方面,通过转基因植物育种所改良的作物性状主要包括:
    抗病通过导入与作物抗病相关的基因,使作物能抵御或延缓病害的侵袭。例如,中国科学家把抗病毒基因转到了水稻细胞里,由此而培育出的植株,可以抵抗水稻上常见的白叶枯病等危害,并能稳定遗传。
抗虫
    将一些毒蛋白基因导入作物中,以杀死作物上的害虫。例如,比利时科学家将一种能控制毒蛋白产生的基因转移到植物细胞中,这些获得毒蛋白基因的植物细胞所长成的植株。能产生毒蛋白而毒杀害虫。
转抗虫基因玉米

抗除草剂
    将不耐除草剂的作物通过改变基因结构,使之成为耐除草剂的作物。例如,美国科学家将一种抗除草剂基因转入大豆植株的细胞里,获得的转基因植株能抗除草剂,遗传性状稳定。
    改善作物品质提高作物蛋白质和氨基酸的含量;改变油料作物的油质成分;延长水果成熟后的贮藏时间;提高作物抗旱、耐盐能力等。
  世界上沙漠、干旱、高温、低温和盐碱地区占据很大面积,在这类地区作物生长很困难。科学家发现在这些恶劣环境下尚可生长的植物中存在抗逆基因,如抗旱基因、抗盐碱基因、抗冻基因和耐高温基因等,并对其中某些基因进行了克隆、分析和抗逆试验。将来,随着对抗逆基因作物研究的深入,处于高寒和干旱盐碱地区的人们照样可长年种植粮食、蔬菜和水果。
    今天,品种丰富的转基因粮食、水果、蔬菜、禽畜和水产等已摆上了人们的餐桌。科学家预测,转基因食品将是未来50年内满足人们粮食需求的关键。
    
三、基因诊断与基因治疗
    人类疾病都直接或间接与基因相关。“基因病”包括三种:一是某一特定基因的结构或表达异常引起特定疾病,称为单基因病;二是某一疾病与多个基因的结构或表达异常相关.称为多基因病;三是病原微生物侵入机体引起的疾病,叫获得性基因病。在基因水平上对疾病进行诊断和治疗,可达到标本兼治、灵敏度高、简便快速的效果。
    用基因工程技术制备的基因探针,可对各种致病基因和疾病相关基因进行探测,确定其是否患病或患病的几率,也可对胎儿进行产前基因诊断,以确定是否终止妊娠,这对于提高人口质量大有好处。基因探针还可以进行基因跟踪,在鉴定带菌者和预告流行病发生方面发挥作用,为疾病预防提供科学依据。目前,基因诊断作为第四代临床诊断技术已被广泛应用于遗传病、肿瘤。心脑血管病、病毒细菌寄生虫病和职业病等的诊断中。
    许多活性多肽和蛋白质具有治疗和预防疾病的作用,它们都是由相应的基因所产生的,但在组织细胞内产量极微,采用常规方法很难获得足够量以供临床应用。基因工程则突破了这一局限性,可大量生产这类多肽和蛋白质,迄今已成功地生产出胰岛素(治疗糖尿病和精神分裂症)、干扰素(抗病毒剂,对血癌和某些瘤有疗效)、生长激素(治疗侏儒症)、生长激素释放抑制因子(治疗肢端肥大症和急性胰腺炎)等百余种产品,其中许多已成为临床治疗的有力武器,并创造了显著的经济效益。
    目标基因与基因载体通过基因工程可以形成具有特定功能的重组体,以补偿失去功能的基因的作用或增加某种功能对异常细胞进行矫正或消灭,这便是基因治疗。理论上,基因治疗是标本兼治而且无任何毒副作用的疗法,目前国际上有100 多个基因治疗方案正处于临床试验阶段。
    在基因诊断和基因治疗中,揭示疾病发生机理的最关键前提条件是要找到特定疾病的相关基因,正在实施的“人类基因组计划”给最终找到各种疾病相关基因带来了曙光。
    
四、基因疫苗
    疫苗是预防和治疗流行性疾病和其他严重疾病的“杀手锏”。
    基因工程可以根据病原体的抗原分子群,将它们的基因重组在一起导入大肠杆菌(工程菌),使该菌成为制造混合抗原的工厂。基因工程还可将有关抗原的DNA导人活微生物,这种微生物在受免疫应激后的宿主体内生长,可产生弱毒活疫苗,具有抗原刺激剂量大、持续时间长等优点。
    正在研制的基因疫苗有数十种之多,在抗细菌方面有针对麻风杆菌、百日咳杆菌、脑膜炎双球菌等的疫苗;在抗病毒方面有针对乙型肝炎、甲型肝炎、带状疮疹等的疫苗;在抗寄生虫方面有针对疟原虫、血吸虫等的疫苗;在抗真菌方面有针对曲霉菌。念珠菌等的疫苗。
    对肿瘤疫苗的研制一直是肿瘤防治中的关注热点。一般认为,肿瘤细胞由于抗原性太弱而逃避了机体免疫系统对它们的追杀,而用基因工程将某些具有抗原性的蛋白质基因导人肿瘤细胞,可大大增加其抗原性,从而被免疫系统所识别与杀灭。
    
五、基因环境监测与净化
    环境保护是人类面临的重大课题。用基因工程制备的基因探针可以充当环境监测的“尖兵”。基因探针可监测饮用水中病毒和细菌的含量,灵敏度和精确度极高。基因工程也可用于环境污染的清除,如将假单孢杆菌的几种不同质粒重组成一个超级质粒,导入一种细菌,使该菌成为超级菌,这种超级菌能在原油中迅速繁殖,并在浮游过程中快速降解烃类物质,除去污染水面和地面的石油。
    基因工程专家们的一项大胆设想是把固氮肥基因转移到非豆科植物中去。这是一项既可提高作物产量,又可减少能量消耗,并且肥沃土壤、减少成本和净化环境的举世瞩目的大课题,当前世界上许多科学家正致力于攻克此项难关。
    
六、基因工程的工业应用
    基因工程在工业上也展示了美好的应用前景。通过DNA操纵可以得到不同类型的基因工程菌,其中有些工程菌可把低品位矿石或废矿石、废矿渣中的金属富集起来,有的还可对富集的金属进行化学转化。采用这种技术,人们已从贫矿和废矿石中提取了轴、铜、金属硫化物和镍等。
  基因工程专家们正在研究和制备这样一种工程菌:它既可成倍地提高由葡萄糖转化为乙醇的效率,又可将纤维素转化为葡萄糖,为高效、高产的乙醇生产提供一条切实可行的途径。