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前景迷人的基因工程（第1页）

前景迷人的基因工程

什么叫基因工程呢？中国有句俗话：“种瓜得瓜，种豆得豆”，这就是说后代总是与父母很相似，这种现象就叫作遗传。植物、动物和人类，都是按照自然的遗传规律，一代一代地繁衍生存下去。后来科学家们发现，生物遗传现象的奥秘，在于每一种生物都有各自的遗传物质，例如，瓜里有瓜的遗传物质，豆里有豆的遗传物质，各不相同，互不干涉，而且能代代相传。而这种遗传物质，就是基因。知道了这个秘密后，科学家们就开始了大胆的设想，希望用人工的方法，把生物体内的遗传物质取出来重新组合，改变它们的遗传性能。按照人类规定的“工程图纸”产生新的一代，培育出符合人类需要的新品种，这就是基因工程的内容。

遗传的本质

自从原始农牧业以来，人们就对动植物乃至人类本身亲代和子代之间的相似又不完全相同的现象感兴趣，试图探索、了解、阐明其中的规律，但直到孟德尔之前，这种努力都没有成功。孟德尔是19世纪著名的科学家，他以艰苦顽强的精神，对植物的遗传现象进行了系统的研究，从而奠定了遗传学的基础。孟德尔用了8年的时间，选择了22种性状稳定并有不同特征的豌豆进行了杂交试验，他对这些杂交豌豆的子代进行了跟踪观察，并在研究中引进了数学统计的方法，在这些工作的基础上，他提出了孟德尔学说和孟德尔定律。

孟德尔认为，对应于不同的性状，存在有不同的遗传单位（或称遗传因子），他把这种遗传单位称为“基因”。但在当时，人们尚无法知道基因究竟是一种什么样的物质，而且在相当长的一段时间里，有些科学家还否定基因的存在。

从1865年2月孟德尔在奥地利自然科学学会上报告自己的工作时起，在寻求决定遗传本质的“基因”的道路上，许许多多科学家历经艰辛。经过80多年的努力，终于在1944年由美国纽约洛克菲勒研究所的艾佛里等人发现，孟德尔所说的基因，其化学本质就是DNA，即脱氧核糖核酸。

核酸是遗传信息的保存者和传递者，是遗传的物质基础。以化学结构来区分，核酸分为两大类，一类叫脱氧核糖核酸（DNA），一类叫核糖核酸（RNA）。核酸由核苷酸组成，如同氨基酸是蛋白质的组成单位一样，核苷酸是核酸的基本组成单位。科学家们发现，RNA由四种核苷酸组成，它们是腺嘌呤核苷酸，鸟嘌呤核苷酸，胞嘧啶核苷酸和尿嘧啶核苷酸；DNA也由四种核苷酸组成，它与RNA不同的是尿嘧啶核苷酸换成了胸腺嘧啶核苷酸，当然还有一个重要的区别就是糖的成分在RNA中是核糖，而在DNA中是脱氧核糖。

科学家们认为核酸中存在着一种密码，它们决定了相应的氨基酸。1961年，克里克和布伦纳等人证明，密码子由三个连续的核苷酸所组成。同年，美国科学家尼伦伯格和德国科学家马太进行了一系列实验，发现了“uuu”三核背酸为苯丙氨酸的密码子。1961年8月，在莫斯科举行的国际生化会议上，尼伦伯格宣布了他们鉴定的第一个密码子，引起了全场的轰动，这标志着遗传密码破译工作的开始。到1966年，在64种可能的三联体密码子中已有61个被破译，还有三个密码子没有相应的氨基酸，它们是蛋白质生物合成中终止反应的密码子。

事实上，只要我们知道了DNA核苷酸的排列顺序，我们就能知道相应的RNA的排列顺序，也就能知道这段基因（DNA）决定的蛋白质的氨基酸顺序。反之，如果我们知道了一个蛋白质的氨基酸顺序，也可以由此推出相应的RNA和DNA顺序，这为开展生物工程的研究和应用提供了理论和方法学的依据。

蛋白质和核酸的顺序测定和人工合成

蛋白质和核酸都是生物大分子，要认识它们，就需要搞清它们的结构和组成。

科学家们花了很长的时间，逐步建立和完善了测定蛋白质中氨基酸排列顺序的方法，并且将其仪器化。世界上第一个被搞清楚排列顺序的氨基酸是胰岛素。英国剑桥大学科学家桑格取得的这项成就使他获得了诺贝尔奖（25年之后，桑格又测定了由5375个碱基组成的ΦΖ174DNA的顺序，使他第二次获得诺贝尔奖）。目前，已经有成百上千的蛋白质被探明了它们的排列顺序。

搞清了蛋白质的顺序后，科学家们就想用人工的方法来将它们合成。从20世纪50年代起，他们应用了多种多肽合成的方法，现在这方面的技术已日趋完善，一般由十几个乃至二三十个氨基酸组成的多肽药物已能用人工合成的方法来生产了。1965年9月，我国科学家首次在世界上合成了结晶牛胰岛素，为我国争得了一项“世界冠军”。

同样，核酸的顺序测定和核酸的人工合成也取得了显著的成绩，利用化学方法和物理方法发明的DNA顺序测定仪和DNA合成仪都已在科研和生物工程产业中普遍使用。

1981年，我国科学家完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的全合成工作，在人工合成核酸的工作上取得了重大的成果。

美国科学院从1987年起，组织了一个庞大的科研计划，称为人类基因组计划，准备用15年的时间投入30亿美元的经费，分析清楚人体基因组的全部核苷酸排列顺序，并研究其结构与功能。如果这个计划得以实现，许多由于基因缺陷而引起的疾病就能找到根本的治疗的办法。参加这项工作的除了美国科学家外，还有英国、法国、德国、日本和我国的科学家。

我国的科学家和日本的科学家还在进行水稻基因组合顺序的分析工作，这对于改良稻米的品种和质量都有很大的作用。

DNA重组技术的建立

人类研究科学技术的目的是认识自然，改造自然。DNA重组技术的建立为发展基因工程奠定了基础。

DNA重组技术的成功，首先应归功于限制性核酸内切酶、DNA连接酶和基因载体的发现和应用。

第一个限制性内切酶是1968年从大肠杆菌中分离出来的。到今天，已经发现了上百种的限制性内切酶。

限制性内切酶的特点是，它能够识别核苷酸的序列，并能准确地切下DNA长链中某一特定的DNA片段。科学家对上百种的限制性内切酶的特异性作了研究，搞清了它们在DNA长链上切断的精确位点，这样，这些酶就可以用来作为工具，根据科学家的意愿对DNA进行切割，所以这种限制性内切酶又被形象地称为“分子手术刀”。

DNA连接酶是使DNA片段连接起来的催化剂。它在DNA重组技术中，不仅要用限制性内切酶将需要的DNA片段切下来，而且还需要将它们与其他重要的DNA片段（如起着运载工具作用的质粒）连接起来，在这里就得用上DNA连接酶。

在DNA重组技术中，基因载体的应用是很重要的一个方面。因为要使重组的DNA能够繁殖，必须使其进入宿主细胞（如某种细菌），但每种生物都是长期进化的产物，具有很强的排他性，异源DNA如果单独进入受体细胞，必然会遭到破坏。因此，必须使用一种运载基因的载体作为媒介物，这种载体可以是质粒（一种较小的DNA），也可以是噬菌体。

有了上面的各种手段之后，基因工程就可以进行了。

应用基因工程生产药物

当人们需要生产某一种已知的蛋白质生物药物时，第一步是要取得决定这种蛋白质的基因片段，这可以用分离提取DNA的办法，也可以根据已知的顺序采用化学合成的方法，还可以利用以RNA为模板，以反转录酶催化。取得A并进一步分离纯化。第二步是对这段DNA装上“启动”因子和终止密码，然后与质粒结合，形成重组的DNA。第三步将重组的DNA送入寄主细胞中，通过对寄主细胞的培养（如对微生物进行发酵），这样就能取得基因工程的产物。这种寄主细胞实际上是生产这种蛋白质药物的“工厂”。

我们以胰岛素基因工程法生产为例，来说明这方面的创举。

胰岛素是目前世界上已知的最小的蛋白质，它由51个氨基酸组成，分为A、B两条链，通过两对二硫键连接。胰岛素在体内起到降低血糖的作用，当人们体内血液中糖分升高时，胰岛素就能够促使血液中糖分转化为肝糖原，使糖分在肝脏中保存；当血液中糖分减少时，人体中另一种激素——胰高血糖素又能使肝糖原转化为血液中的糖分。正是依靠这两种激素的调节，人体血液中的糖分才能一直处于最适中的状态。当胰岛素缺乏时，血液中糖分增加，多余的糖分从尿液中排出体外，就会形成糖尿病。糖尿病在晚期还会引起许多并发症。目前，全世界患糖尿病的病人已超过了6000万人，是一种常见病。

为治疗糖尿病，需要给病人定期注射胰岛素。这种生物药品过去从猪、牛的胰脏中提取，但动物胰脏的来源是有限的，特别由于胰脏中含有丰富的蛋白水解酶，在屠宰动物后如不立即将胰脏取出低温冷藏，胰岛素就会受到破坏。