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生物技术
摘要:生物技术,是人们以现代生命科学为基础,结合先进的工程技术手段和其他基础科学的科学原理,按照预先的设计改造生物体或加工生物原料,为人类生产出所需产品或达到某种目的。随着生物学和生物技术向纵深发展,不断有一些新的内容出现,特别是人类和生物的基因组学、蛋白质组学、生物芯片、生物信息学等重大技术的出现,已经大大扩展了生物技术的内涵。
关键词:生物技术的发展,基因工程,细胞工程,酶工程,发酵工程,蛋白质工程
生物技术的发展
现代生物技术一般包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程。
基因工程
基因工程是指在基因水平上,按照人类的需要进行设计,然后按设计方案创建出具有某种新的性状的生物新品系,并能使之稳定地遗传给后代。基因工程采用与工程设计十分类似的方法,明显地既具有理学的特点,同时也具有工程学的特点。
生物学家在了解遗传密码是RNA转录表达以后,还想从分子的水平去干预生物的遗传。1973年,美国斯坦福大学的科恩教授,把两种质粒上不同的抗药基因"裁剪"下来,"拼接"在同一个质粒中。当这种杂合质粒进入大肠杆菌后,这种大肠杆菌就能抵抗两种药物,且其后代都具有双重抗菌性,科恩的重组实验拉开了基因工程的大幕。
DNA重组技术是基因工程的核心技术。重组,顾名思义,就是重新组合,即利用供体生物的遗传物质,或人工合成的基因,经过体外切割后与适当的载体连接起来,形成重组DNA分子,然后将重组DNA分子导入到受体细胞或受体生物构建转基因生物,该种生物就可以按人类事先设计好的蓝图表现出另外一种生物的某种性状。
1、DNA重组技术的物质基础
(1)目的基因
基因工程是一种有预期目的的创造性工作,它的原料就是目的基因。所谓目的基因,是指通过人工方法获得的符合设计者要求的DNA片段,在适当条件下,目的基因将会以蛋白质的形式表达,从而实现设计者改造生物性状的目标。
(2)载体
目的基因一般都不能直接进入另一种生物细胞,它需要与特定的载体结合,才能安全地进入到受体细胞中。目前常用的载体有质粒、噬菌体和病毒。
质粒是在大多数细菌和某些真核生物的细胞中发现的一种环状DNA分子,它位于细胞质中。许多质粒含有在某种环境下可能是必不可少的基因。图4-25是不同构型的质粒。
噬菌体是专门感染细菌的一类病毒,由蛋白质外壳和中心的核酸组成。在感染细菌时,噬菌体把DNA注入到细菌里,以此DNA为模板,复制DNA分子,并合成蛋白质,最后组装成新的噬菌体。当细菌死亡破裂后,大量的噬菌体被释放出来,去感染下一个目标。图4-26,噬菌体侵染细菌的过程。
质粒、噬菌体和病毒的相似之处在于,它们都能把自己的DNA分子注入到宿主细胞中并保持DNA分子的完整,因而,它们成为运载目的基因的合适载体。因此,基因工程中的载体实质上是一些特殊的DNA分子。
(3)工具酶
基因工程需要有一套工具,以便从生物体中分离目的基因,然后选择适合的载体,将目的基因与载体连接起来。DNA分子很小,其直径只有20埃(10-10米),基因工程实际上是一种“超级显微工程”,对DNA的切割、缝合与转运,必须有特殊的工具。
1968年,科学家第一次从大肠杆菌中提取出了限制性内切酶。限制性内切酶最大的特点是专一性强,能够在DNA上识别特定的核苷酸序列,并在特定切点