基因工程中检测蛋白质

2. 基因工程——对生命体进行操作

基因工程的产生

基因工程的诞生既是现代分子生物学理论和技术迅猛发展的结果，也是社会需求强烈呼唤的产物。基因工程就是在基因（DNA）的水平上对生命体进行操作，而这种操作的结果是可以传递给后代的，这一点就从本质上决定了基因工程的划时代意义。

基因工程又叫重组DNA技术，就是将DNA在体内或体外进行重新组合，然后把重组后的DNA分子转移进我们操作的生命体，并使其中合成的生物信息在生物体内得到明确的表达和复制，从而创造出新的物种或生物产品。举例说，我们要获得一种抗虫的农作物，先就要分离到一段基因，这个基因编码为某种专门杀虫的毒蛋白，然后，将这个基因放在一个载体上，通过载体将这段基因转到农作物植株细胞的DNA上去（这一过程又称DNA整合）。这样，在这些转入基因的农作物细胞中就能产生这种杀虫的蛋白，虫子一吃就会被杀死。这种能杀虫的特性可以随着DNA的复制而传给后代，因此这种良好的特性就被固定下来了。这就是整个基因工程的操作过程。

基因工程的发展可以说主要是源于两方面的基础理论研究：

（1）限制性内切酶的研究。1952年就有人发现，感染某一菌株的大肠杆菌的噬菌体可以有效地感染该菌株中其他的菌，但却不能有效地感染另一菌株的菌。直到1974年，人们才了解到限制现象的产生是由于外来的DNA分子被分解，自身的DNA分子则因进行了某种修饰而免于分解。担当这种分解外来DNA分子任务的就是限制性内切酶。内切酶切割DNA分子有两种方式：一种是将DNA切成带有黏性末端的分子，另一种是将DNA切成平末端分子。由于限制性内切酶的这些特定的酶切方式，就决定了它们在基因工程操作中要扮演重要角色。

（2）基因载体的研究。1952年人们就认识到，在大肠杆菌的染色体外有一个F因子也是遗传因子。1953年有人发现，大肠杆菌产生大肠杆菌素这一性状是由一种非染色体的遗传因子决定的。到1957年，又有人发现有一种质粒具有抗药性，而这些发现的质粒（即环状DNA分子）经改造后都成为基因工程中常用的载体。除了质粒载体以外，还有一类温和的噬菌体和动植病毒也被改造成了载体。基因工程中最常见的是温和噬菌体。在植物基因工程中还有一类特殊的载体，称为Ti质粒，它是土壤农杆菌中专门决定致瘤的质粒。人们也将Ti质粒进行改造并装入我们的有用基因后，用它来帮助将这些基因转入植物细胞。

以上两方面的基础理论研究为基因工程技术奠定了基础，再加上其他一些配套技术研究的迅速发展，到1972年世界上第一批重组的DNA分子就诞生了。一年后几种不同来源的DNA分子装入载体以后被转入到大肠杆菌中表达，从此基因工程就正式踏上了历史的舞台。

基因工程的应用

基因工程的产生使整个生物技术跨入了一个崭新的发展时代，传统的生物技术（包括发酵工程、细胞工程、酶工程和遗传育种工程）与基因工程的结合形成了真正具有生命力的现代生物技术。运用传统的生物技术方式要用10万只羊的下丘脑才能获得1毫克生长激素抑制素，所耗资金相当于通过人造卫星从月亮上搬1千克石头回地球。现在通过基因工程，将人工合成的人生长激素抑制素基因重组一个高效表达载体在大肠杆菌中表达，只需要10升这种重组的大肠杆菌培养液经计算机严格控制条件就可以获得。这就是现代发酵工程的威力。1989年，美国将获得抗体的重链基因和转链基因构建成重组DNA，转入烟草细胞，利用植物细胞组织培养技术培养出转基因烟草，结果在烟草叶片上产生了点叶蛋白总量的1.3％的抗体。按照这种水平计算，美国只需要用其目前种烟草土地面积的1％来种这种转基因烟草，每年就可以生产出270千克的抗体，足够27万病人用1年。这是基因工程与细胞工程结合后产生巨大社会效益和经济效益的一个明证。现在的遗传育种基因工程技术把一些有用的优良或特殊性状的基因转入到农作物中，缩短育种时间达几万倍。目前已经培育出了抗病毒、抗除草剂、抗虫、高蛋白的各种农作物品种，也培养出了携带人的生长激素基因的猪种和鱼种，它们都比普通猪和鱼要长得快、长得大。现代酶工程在基因工程技术的帮助下对各种酶进行了大量改造。我国的基因工程研究及应用虽起步较晚，但已获得了较大的发展，取得了一定的成果，据不完全统计，已经研制成功和正在研制的基因工程产品就有几十种，有些已经投产并开始使用，如基因工程-干扰素，基因工程乙型肝炎疫苗等等。总之，基因工程给传统生物技术带来了彻底的革新，其应用范围仍然在不断加深扩展，前景十分广阔。

基因工程的延伸与发展

目前，基因工程技术不但已经完全渗透到细胞工程、酶工程、发酵工程等传统生物技术的各个领域以及医药、工业等领域，而且它本身也已经发展到了更高的蛋白质工程阶段，其现代生物技术所特有的高技术特征更加明显了。

蛋白质工程是在基因工程已取得成就的基础上，融合蛋白质晶体学，计算机辅助设计（CAD）和蛋白质化学等多学科而发展起来的一个新兴研究领域，它的诞生是有其社会必然性的。因为随着基因工程产品的增多，人们很快就会发现它们在活性、副作用等方面不尽如人意的地方，人们逐渐不满足于用基因工程去生产已有的东西，而要改造天然的蛋白质（酶）来满足人类多方面的需要，蛋白质工程就是在这种社会需求下诞生的。蛋白质工程主要包括通过基因工程技术了解蛋白质的DNA编码序列、蛋白质的分离纯化、蛋白质的序列分析和结构功能分析、蛋白质结晶和动力学分析、计算机辅助设计突变区、对蛋白质的DNA进行突变改造等诸多过程。举一个例子来说，我们知道，单克隆抗体的发现和应用，是近年来生物医学领域中最引人注目的成就之一，所谓单克隆抗体就是通过对小鼠某些特殊细胞进行培养合成某种特异性的抗体，这种抗体可以注入人体内帮助人体抵抗外来物质（如细菌、病菌等）的侵害，行使免疫功能。然而把从动物（如小鼠）获得的单克隆抗体（也是蛋白质）应用于人时，它本身可被识别于外源蛋白而引起人的免疫反应，这就限制了抗体的应用前景。蛋白质工程为解决这一问题提供了可能。

目前，全世界通过基因工程和蛋白质工程技术生产的产品中，有几十种已经经过检验而进入市场了，并同其他生物技术产品一道形成了一个年产价值几十亿美元的庞大产业。

其实，基因工程和蛋白质工程能够产生这么大的经济效益和社会效益，除了它们自身技术的发展完善以外，基因调控研究的发展起着决定性的推波助澜的作用。随着基因调控研究的不断深入，基因工程和蛋白质工程的操作领域将不断拓宽，人类可以设计创造出各种全新的生命现象来为自身的发展服务。

但是，任何事物有其积极的一面，也就会有其消极的一面，基因工程、蛋白质工程等现代生物技术都还有其令人忧虑的地方。对于应用于人的现代生物技术，我们不可避免地要遇到随之而来的道德、伦理、法律上的问题。从人类社会发展的历史来看，科学技术的发展总是同人类的物质文明和精神文明的发展联系在一起的。我们相信，科学技术将同社会准绳——法律以及人类所特有的本性——良知一起，引导我们这个世界走向更加繁荣的明天。