大肠杆菌基因工程

5．基因工程

基因工程是人工进行基因切割、重组、转移和表达的技术，是在分子水平上对生物遗传作人为干预。

1973年，美国斯坦福大学教授科恩从大肠杆菌里取出两种不同的质料。它们各自具有一个抗菌素药基因，“裁剪”下来，再把两个基因“裁剪”下来，再把这两个基因“拼接”在同一个质粒中。新的质粒叫“杂合质粒”。当这种杂合质粒进入大肠杆菌体内后，这些大肠杆菌就能抵抗两种药物，而且这种大肠杆菌的后代都具有双重抗药性。这表示“杂合质料”在大肠杆菌的细胞分裂时也能自我复制。它标志着基因工程的首次胜利。

葡萄球菌

1974年，科恩又把金黄色葡萄球菌的质球（上面具有抗青霉素的基因）和大肠杆菌的质粒“组装”成杂合质粒，送入大肠杆菌体内，使这种大肠杆菌获得了对青霉素的抗药性。这说明，金黄色葡萄球菌质粒上的抗青霉素基因，由杂合质粒带到大杆菌体内，更重要的是表明外来基因在大肠杆菌体内同样也发生作用（专业上称为表达）。

科恩又将非洲爪蟾的DNA与大肠杆菌的质粒“拼接”，获得成功，拼接后的杂合质粒进入大肠杆菌，产生了非洲爪蟾的核糖体核糖核酸（W）。两栖动物的基因能在细菌里发挥作用，也能在细菌里不断复制的事实说明，基因工程完全可以不受生物种类的限制，而按照人类的意愿去拼接基因，创造新的生物。

科恩随后以DNA重组技术发明人的身份向美国专利局申报了世界上第一个基因工程的技术专利。科恩的实验首次打破了不同物种在亿万年中形成的天然屏障，他的成功标志着任何不同种类生物学基因都能通过基因工程技术重组到一起，人类可以根据自己的意愿定向地改造生物的遗传特性，甚至创造新的生命类型。科恩获得专利技术的消息引起了全球轰动，在短短几年中，世界上许多国家的上百个实验室开展了基因工程的研究。

随着科恩及其同事利用重组DNA技术从哺乳动物基因组中切割了一个基因，植入大肠杆菌获得成功后。投资家鲍勃·斯旺森说服博耶成立遗传技术公司———世界上第一家利用重组DNA技术制造蛋白质用于治疗人体疾病的公司，它于20世纪70年代在美国诞生，生物工程从此步入产业化。

基因工程一般包括四个方面的基本内容：一是取得符合人们的要求的DNA片段，这种DNA片段被为“目的基因”；二是将目的基因与质粒或病毒DNA连接成重组DNA（质粒和病毒DNA称作载体）；三是把重组DNA引入某种细胞（称为受体细胞）；四是把目的基因能表达的受体细胞挑选出来。

DNA分子很小，其直径只有20埃，约相当于五百万分之一厘米，在它们身上进行“手术”是非常困难的，因此基因工程实际上是一种“超级显微工程”，对基因的切割、缝合与转运，必须有特殊的工具。首先，要把所需基因———目的基因从供体DNA长链中准确地剪切下来。

1968年，沃纳·阿尔伯博士、丹尼尔·内森斯博士和汉密尔·史密斯博士第一次从大肠杆菌中提取出了限制性内切酶能够在DNA上寻找特定的“切点”，认准后将DNA分子的双链交错地切断。人们把这种限制性内切酶称为“分子剪刀”，这种“分子剪刀”可以完整地切下个别基因。自20世纪70年代以来，人们已经分离提取了400多种“分子剪刀”，其中许多“分子剪刀”的特定识别切点已被弄清。有了形形色色的“分子剪刀”，人们就可以随心所欲地进行DNA分子长链的切割了。由于限制性内切酶的发现，阿尔伯、史密斯和内森斯共享1978年诺贝尔生理和医学奖。

DNA的分子链切开后，还得缝接起来以完成基因的拼接。1976年，科学家们在5个实验室里几乎同时发现并提取出一种酶，这种酶可以将两个DNA片段连接起来，修复好DNA链的断裂口。1974年以后，科学界正式肯定了这一发现，并把这种酶叫做DNA连接酶。

从此，DNA连接酶就成了名副其实的“缝合”基因的“分子针线”。只要在用同一种“分子剪刀”剪切的两种DNA碎片中加上“分子针线”，就会把两种DNA片段重新连接起来。把“拼接”好的DNA分子运送到受体细胞中去，必须寻找一种分子小、能自由进出细胞，而且在装载了外来的管DNA片段后仍能照样复制的运载体。

噬菌体形态

基因的理想运载工具是病毒和噬菌体，病毒不仅在同种生物之间，甚至可以在人和兔培养细菌细胞转移。还有一种理想的载体是质粒。质粒能自由进出细菌细胞，当用“分子剪刀”把它切开，再给它安装上一段外来的DNA片段后，它依然如故地能自我复制。因此，它是一种理想的运载体。有了限制性内切酶、连接酶及运载体，进行基因工程就可以如愿以偿了。

把目的基因装在运载体上，运载体将目的基因运到受体细胞是基因工程的最后一步。一般情况下，转化成功率为百万分之一。为此，遗传工程师们创造了低温条件下用氯化钙处理受体细胞和增加重组DNA浓度的办法来提高转化率。采用氯化钙处理后，能增大体细胞的细胞壁透性，从而使杂种DNA分子更容易进入。目的基因的导人过程是肉眼看不到的。因此，要知道导人是否成功，事先应找到特定的标志。例如我们用一种经过改造的抗四环素质粒PSC100作载体，将一种基因移入自身无抗性的大肠杆菌时，如果基因移入后大肠杆菌不能被四环素杀死，就说明转入获得成功了。