基因工程
生物的性状是由基因来控制的，因此，作为遗传之本的基因是控制生命的蓝图。以前人们能利用微生物生产对人类有用的抗生素、氨基酸等物质，但是却不能利用它们得到人的胰岛素和干扰素这些极其珍贵和有用的药物。长期以来，人们通过杂交有种等方法试图培育出各种优良性状于一身的新生物品种，然而，却无法按照我们的所想所求去定向改变它们的遗传特征，而且，在不同的物种之间还存在着不可逾越的鸿沟。那么，人类能不能通过改造生物体的基因，定向地改变生物的遗传特性呢？科学家经过多年的努力，终于在20世纪70年代，创立了一种能够走向改造生物的新技术——基因工程。什么是基因工程？基因工程又是怎样改变生物遗传特性的呢？它对工业、农业、医药业、环保等等方面又带来什么样的影响呢？下面我们对这些方面作一下简要的介绍。
1．基因工程的概念
基因工程，也叫遗传工程（genetic engineering），更确切的讲是重组DNA技术（recombinant
DNA technique），又叫做基因拼接技术。基因工程就是在生物体外，将不同来源的DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，形成嵌合DNA分子（chimeric
DNA molecules），然后将之导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内扩增表达，从而使受体细胞获得新的遗传特性，产生出人类所需要的新的基因产物。简单地说，基因工程是采用工程设计的方法，按照人们的需要，将特定的目的基因，即DNA分子，插入病毒、质粒或其它载体分子，构成遗传物质的新组合，在离体条件下转入受体细胞进行大量复制，最终产生新的基因产物的过程。
2．基因操作的工具
基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的，DNA分子的直径只有2.0×10－9m（粗细只有头发丝的1/100000），其长度也是极其短小的。如流感嗜血杆菌的DNA，长度为8.32×10－9m，即使是较大的大肠杆菌，其长度也只有1.36×10－6m。要在如此微小的DNA分子上剪切和拼接，是一项非常精细的工作，而且，基因工程毕竟是在我们肉眼所看不到的“基因”上面所进行的工程，因此，这一特殊的工程也就需要特殊的工具（如菌和载体）、特殊的技术（比如电泳检测技术、杂交技术），以及特殊的仪器才能够进行。
用什么样的工具才能准确无误地对基因进行剪切和拼接呢？这些工具主要是限制性内切酶、DNA连接酶和运载体等。
① 限制性内切酶
限制性内切酶也称限制酶。DNA是巨大分子，进行DNA操作时，必须加以切割，这就需要“基因剪刀”——限制性内切酶，说它是内切酶，是因为它是在DNA分子内部“下剪”；说它是限制性的，是因为它只认识特定的DNA序列，并在这些位置上进行切割。这样的酶长时间求之而未得，到了1970年，科学家开始分离到限制酶，这可以说是开拓基因操作新领域的关键。
限制酶主要存在于微生物中，一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的切点上切割DNA分子，限制酶识别的碱基顺序视酶的种类而定，可包括4个乃至7个碱基顺序。目前，已经发现了二百多种限制酶。它们的切点各不相同，有些限制酶为平切型，但大多数限制酶为错切型。
例如，EcoRI，它是来自一种基因工程最常用的细菌大肠杆菌的限制性内切酶。它是怎样剪开DNA分子的呢？它就像是一个个“目光锐利”的巡逻兵，在DNA分子中间，一旦见到一个含有“GAATTC”这样序列的DNA分子，就迅速冲上前去，将每一条链都从G－A两个核音酸之间剪断。
② DNA连接酶
顾名思义，DNA连接酶的作用就是把断开的DNA分子重新连接起来。它和内切酶一个切，一个接，共同在DNA分子中扮演着重要的角色，真是一对好搭档。与限制性内切酶相比，它的名字中少了“限制性”，也就是说，它并不需要识别特殊的DNA序列。
被限制酶切开的DNA两条单链的切口，常带有几个伸出的核苷酸，它们之间正好互补配对，这样的切口叫做粘性末端。如果把两种来源不同的DNA分子用同一种限制酶来切割，虽然，可通过碱基互补配对原则使两者的粘性末端粘合起来，但两边扶手的断口处还没有连接起来，那怎么办呢？这就需要“缝衣针”——DNA连接酶，用它把两条DNA末端之间的缝隙“缝合”起来。
③ 运载体
用各种酶改造后的基因——重组的DNA分子要想在细胞中表达并保存下去，就需要一个特殊的“基因搬运工”——运载体，它专门负责携带基因进入细胞内部。目前，经常使用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等。
质粒是基因工程中最常用的运载体，它广泛地存在于细菌中，是细菌染色体外能够自主复制的很小的环状DNA分子，大小只有普通细菌染色体DNA的1％。一般来说，质粒能友好地借宿在受体细胞中，对受体细胞生存没有什么影响，不过质粒的复制则只能在受体细胞内完成。现在，科学家可以很容易把质粒从受体细胞中取出或者放入，这也是它成为一个很好载体的前提条件。
3．基因工程的操作步骤
① 从合适材料分离或制备目的基因或特定的DNA片断
目的基因，也就是人们所需要的特定基因，如抗虫基因、抗病基因、产胰岛素基因等等。目的基因的获得主要是从供体细胞的DNA中直接分离基因。直接分离基因最常用的方法是“鸟枪法”，又叫“散弹射击法”。具体做法：用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段，将这些片段分别载入运载体，然后通过运载体分别载人不同的受体细胞，让供体细胞所提供的DNA（外源DNA）的所有片段分别在各个受体细胞中大量复制（在遗传学中叫扩增），从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把带有目的基因的DNA片段分离出来。但这种方法工作量大，具有一定的盲目性。20世纪80年代以后，随着DNA核苷酸序列分析技术的发展，人们已经可以通过DNA序列自动测序仪对提取出的基因进行核苷酸序列分析，并且通过一种扩增DNA的新技术（也叫PCR技术），使目的基因片段在短时间内成百万倍地扩增。上述新技术的出现大大简化了基因工程的操作技术。
② 目的基因或DNA片段与载体DNA作连接，形成重组DNA分子
如果以质粒作为运载体，首先要用一定的限制酶切割质粒，使质粒出现一个切口，露出粘性末端，然后用同一种限制酶切断目的基因，使其产生相同的粘性末端。将切下的目的基因的片段插入到质粒的切口处，再加入适量的DNA连接酶，这样就形成了一个重组DNA分子。
质粒是存在于细菌等微生物体内的一种小型环状DNA分子，其分子量较小，能自我复制。在基因工程中可用来装载目的基因。先用限制酶切割质粒，然后使目的基因与质粒进行重组。由于切割质粒和切割目的基因使用相同的限制酶，因此，它们各自的首尾两端均带有能互补的碱基单链，通过氢键作用，能对应配合连接，然后再以连接酶使切口两端的脱氧核苷酸之间形成共价键结合。于是两段DNA（重组）成一个新的环状DNA分子。
③ 将重组DNA分子引入受体细胞并在其中扩增
基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌、酵母菌和动植物细胞等。例如，若运载体是质粒，受体细胞是大肠细菌，那么重组基因是怎样进入大肠细菌的呢？为了防止外来物质的入侵，细胞城的城门通常是关闭的，如果不事先通知细胞，载体和其它外来物质一样会被拒之门外。后来，科学家们偶然中发现了一种使细胞处于可以接纳外来物质状态的方法，这个方法就是把大肠杆菌细胞用冰冷的氯化钙溶液处理，这时的细胞称为感受态细胞，将它在42℃水浴中“热刺激”，不多不少90s，再迅速放到冰上冷却，“基因搬运工”就可以在一瞬间冲进细胞中去，这个过程称为转化。可以想象，身体越小的“基因搬运工”就越容易进入细胞。这样含有目的基因的重组质粒进入受体细胞并在其中扩增。
④ 目的基因的检测和表达
在第3步骤，全部受体细胞中，真正能够获得重组DNA分子的受体细胞是很少的。因此，必须通过一定的手段对受体细胞中是否导入了目的基因进行检测。检测的方法很多，例如，大肠杆菌的某种质粒具有青霉素抗性基因，当这种质粒与外源DNA组合在一起形成重组质粒，并被转入受体细胞后，就可以根据受体细胞是否具有青霉素抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因。重组的DNA分子进入受体细胞后，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达过程。
4．基因工程的应用
基因工程自1973年诞生后，由于基因工程技术具有可以直接控制基因，将基因从一个物种转移至另一个物种，创造出新的物种或新的品种的显著特点。也就是说，可按照人们的主观愿望，创造出自然界中原先并不存在的新的生物类型，使人类从单纯地认识生物和利用生物的传统模式跳跃到随心所欲改造生物和创造生物的新时代。经过近30年的发展历程，取得了惊人的成绩，特别是近10年来，基因工程的发展更是突飞猛进。基因转移、基因扩增多技术的应用，不仅使生命科学的研究发生了前所未有的变化，而且在实际应用领域中，为农牧业、食品工业、医药卫生、环境保护等方面开拓了广阔的发展前景。下面对这些方面作一下简要的介绍：
① 用于生产基因工程药品
例如： 干扰素是病毒侵入细胞后产生的一种糖蛋白。由于干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染，因此，它是一种抗病毒的特效药。此外，干扰素对治疗乳腺癌、淋巴癌、骨髓癌等各种癌症、艾滋病、某些白血病也有一定的疗效。
早期，芬兰科学家卡里·坎特儿博士对干扰素的提取方法是：从血液中提取白细胞，用病毒去“侵袭”白细胞，白细胞就可产生干扰素，但产生的量非常少。后来人们采用从血液中直接提取干扰素，但1L人的血液只可获得0.5ug干扰素。1980～1982年，美国科学家博耶等人用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，是传统的生产量的12万倍。1987年开始，用基因工程方法生产的干扰素进入了工业化生产，并且大量投放市场。
若干扰素的纯度达100％，则每克干扰素的售价超过1亿美元。这种高额的利润和干扰素有抗病毒的特征，强烈地吸引着各国科学家和企业界的参与竞争。现在生产干扰素的量还是有限的，科学家为了获得更多的干扰素，另辟蹊径，大量的目光投向绿色植物，大量的实验证明，植物也能生产干扰素。他们把生产干扰素的基因切下来，植入到烟草细胞中去，通过培养，长成一株烟草。这株烟草具有与众不同的特点，竟能合成人体干扰素。其活性与人体内的干扰素完全相同。人们期待着植物生产出大量的干扰素，为病人带来幸福。
② 用于基因诊断和基因治疗
（1）基因诊断 基因诊断是遗传病最准确的诊断手段，也是一种威力强大的高新技术。基因诊断也称为DNA诊断或基因探针技术，即在DNA水平分析检测某一基因，从而对特定的疾病进行诊断。用放射性同位素（如P）、荧光分子等标记的DNA分子做探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。
（2）基因治疗 基因治疗，顾名思义，是指在基因水平上对人类疾病进行治疗。具体地说，它是利用基因转移或基因调控的手段，将正常基因转人疾病患者机体细胞内，取代致病的突变基因，表达所缺乏的基因产物。或者是通过基因调控的手段，有目的地抑制异常基因表达或重新开启已关闭的基因，达到治疗遗传病、肿瘤、艾滋病、心血管等疾病的目的。
③ 基因工程应用于农业
基因工程在农业方面的应用主要表现在两个方面：
（1）通过基因工程技术获得高产、稳产和具有优良品质的农作物。
（2）用基因工程的方法可培育出具有各种抗逆性的作物新品种。现在已培育出一批分别具有抗病、抗虫、抗除草剂、抗盐碱、抗病毒、抗干旱等性状的转基因农作物。
④ 基因工程应用于畜牧养殖业
基因工程在畜牧养殖业上的应用也具有广阔的前景，科学家将某种特定基因与病毒DNA构成重组DNA，然后，通过感染或显微注射技术将重组DNA转移到动物受精卵中，并由这种受精卵发育成新个体，这就是我们在前面提到的转基因动物。通过转基因动物人们可以获得所需要的各种优良品质。
1982年，美国科学家将人的生长基因和牛的生长素基因分别注射到小白鼠的受精卵中，借腹怀股后，产下的小白鼠比一般的大一倍，出现了前所未有的“超级鼠”，这是世界上第一只转基因动物。人们还用同样的方法，陆续获得自然界中从来就不曾有过的“超级绵羊”和“超级鱼”等动物。例如：转基因绵羊，比一般绵羊生长快30％，体型大0.5倍；又如，澳大利亚科学家培育的转猪生长激素基因的转基因猪，4个月后可达 90 kg，生长速度比普通家猪提高100％。
⑤ 基因工程应用于环保
基因工程应用于环保，一方面基因工程方法可用于环境监测。据报道，用DNA探针可以检测饮用水病毒的含量。具体方法：用一个特定的DNA片段制成探针，与被测的病毒DNA杂交，从而把病毒检测出来。与传统方法相比具有快速、灵敏的特点。传统的检测一次，需几天或几个星期的时间，精确度不高，而用DNA探针只需一天。据报道，能从1t水中检测出 10个病毒来，精确度大大提高。
基因工程还可用于净化环境。随着石油工业的迅速发展，石油这种含有多种烃类的物质对环境造成很大的污染。自然界中，假单相杆菌的细菌能够分解石油，但是，每一种假单抱杆菌只能分解石油中的某一种成分。1975年，科学家用基因工程的方法，把能分解三种焊类的基因都转到能分解另一种烃类的假单抱杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的“超级细菌”。
5．基因工程的安全性
基因工程的设想与应用前景虽然引人注目，但是，在基因工程还处于酝酿阶段，关于重组DNA的潜在危险性问题的争论也已经开始。
人们在不断地发展基因工程的同时，也一直对它采取着谨慎的态度。它发展得越快，一个小小的疏忽带来的后果就越严重。就像计算机在当时只因为省略了年代的前两位数，这似乎还算不上什么错误，然而，“千年虫”竟成了一大难题。因此，对基因工程技术采取谨慎的态度是完全有必要的。自从基因工程诞生的那一天起，人们就一直探讨着这样一个问题：基因工程对我们安全吗？
科学家们在研究转基因作物时，首先要充分考虑的就是安全性的问题，如果这个问题解决不了，转基因作物就不可能走出实验室，走上市场。当然，转基因食物一点负效应也没有，这也是不可能的。我们知道，任何食物供应都不可能100％的安全，而转基因食物和普通食物一样地存在一定的风险，只不过它并不比普通的食物有更多的负效应。其实，不仅仅是基因工程，任何人类活动和科技发明都具有风险性。如原子能的发现，既可建造核电站，以解决能源危机，同时也带来了原子弹毁灭世界的威胁。抗生素的使用使无数人免于因感染而死亡，然而滥用抗生素所造成的后果也是极其可怕的。因此，我们要权衡利弊，充分利用基因工程技术，为人类服务。当然，我们也必须采取一定的积极措施，“防患于未然”，把可能的风险降到最小。
事实上，转基因作物并不比常规育成的品种更有风险。恰恰相反，更大的风险是世界上许多落后的国家仍受着饥饿的威胁，目前，世界上有8亿人没有足够的粮食。所以，基因工程技术的发展对解决人类面临的粮食危机具有重要的意义。