Biology 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Biology
标  题: 7---基因工程一一M分子水平上对生命作人为干预
发信站: 哈工大紫丁香 (Thu Mar 11 13:45:01 2004), 站内信件

发信站: 瀚海星云  

    随着DNA的内部结构和遗传机制的秘密被揭示一特别是当人们了解到遗传密码由信
使RNA转录表达以后，生物学家不再仅仅满足于探索揭示生命的奥秘，而是群情激昂，
跃跃欲试，设想在分子的水平上去干预生命。这是一个令人着迷的构思：假如将一种生

物的DNA中的某个遗传密码片段连接到另外一种生物的DNA链上去，将DNA重新组织，不就

可以按照人类的愿望，设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型吗？这种做法史无
前例，很像技术科学的工程设计，即依据人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种

生物的那个“基因”重新“组装”成新的基因组合，创造出新的生命体。这种完全如人

类所愿、由重新组装基因到新生命产生的生物科技被称为“基因工程”。
    第一个把上述大胆、神奇的设想变为现实的是美国人科恩。1973年，科恩将两种不

同的基因拼接在一个质粒中，从而拉开了基因工程时代的大幕。科恩本人也以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。1973年，身

为美国斯坦福大学教授的科恩，从大肠杆菌里取出了两种不同的质粒，它们各自具有一

个抗药的基因，分别对抗不同的药物。科恩把两种质粒上不同的抗药基因“裁剪”下来

，
再把这两种基因“拼接”在同一个质粒中。当这种杂合质粒进入大肠杆菌体后，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备双重抗菌性。
    1974年，科恩又把具有抗青霉素基因的金黄色葡萄球菌的质粒和大肠杆菌的质粒
“组装”成杂合质粒放入大肠体内。结果这种大肠杆菌也获得了对青霉素的抗药性。这

表明，外来基因在大肠杆菌体内同样可以发生作用。当年，科恩又将非洲爪赠的DNA与
大肠杆菌的质粒“拼接”成功，大肠杆菌体内产生了非洲爪赠的核糖体核糖核酸。科恩

实验的成功向全世界宣告了一个生物工程发展的光辉前景：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，组装生命。此后，基因工程成为一门颇受世

界各国青睐的前沿科学。在短短的几年内，世界上许多国家的上百个实验室相继开展了

基因工程的研究。基因工程一般分为4个步骤：一是取得符合人们要求的DNA片段，这种

DNA片段被称为“目的基因”；H是将目的基因与质粒或病毒DNA连接成重组DNA；三是把

重组DNA引人某种细胞；四是把目的基因能表达的受体细胞挑选出来。
    在以上4个步骤中，第一步至关重要。DNA分子很小，其直径只有五百万分之一厘米

，
在它们身上动手术是非常困难的，必须要有特殊的工具。这种工具就是一种被称为内切

酶的“分子剪刀”。1968年，科学家第～次从大肠杆菌中提取出了限制性内切酶。这种

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。自力

年代以来，人们已经分离提取了400多种“分子剪刀”，许多“分子剪刀”的特定识别
切点已被弄清。用“分子剪刀”把DNA的分子链切开后，还得缝接起来以完成基因的拼
接。担当此任的是一种叫作“DNA连接酶”的“分子针线”。1967年，科学家们发现并
提取出一种酶，这种酶可以将两个DNA阶段连接起来，修复好DNA链的断裂。要把拼接好

之后的DNA分子运送到受体细胞中去必须寻找一种分子小。能自由进出的细胞，而且在装

载了外来的DNA片段后仍能照样复制的运载体。科学家发现，基因比较理想的运载工具是

病毒、噬菌体和质粒。有了限制性内切酶、连接酶及运载体，基因工程就可以开始
了。当然，如果有一种叫作“基因枪”的工具就更加方便了。科学家发明基因枪的目的

就是为了将外源基因导人受体细胞。基因枪的结构和枪相似，也是用火药来推动的一种

机器装置。基因枪推动一个包着遗传物质钨粒子的塑料弹丸，枪的固定封闭式弹膛里有

一特殊金属板，板上有一微孔。这样，金属板就能阻止弹丸的塑料部分进入，但带有外

源基因的微粒却可以通过微孔，进入紧贴金属板的植物组织或细胞之中。基因枪最大的

好处是将外源基因直接导人完整的细胞而不必除去细胞壁。


基因疗法

    1990年美国医生将修改了基因的白血球注入一个小女孩的静脉里，首例基因疗法获

得成功。那位世界上第一个接受基因疗法的小女孩的遗传基因存在缺陷，自身不能生产

一种增强对疾病抵抗力的酶。自从出生以来，她几乎每天都在疾病感染中度过。为了维

持生存，她只能生活在无菌的隔离帐内。美国马里兰州贝塞斯达市卫生研究所医疗中心

的好心医生们挽救了她的性命，1990年9月14日，他们用滴注法将一种灰色溶液输入小
女孩左臂的一条静脉血管中。这种溶液中含有这个女孩的已经过改造的白血球。输液以

后，小女孩已能产生抵抗疾病的那种酶。此后，她只患过一次伤风。据医生说，还没有

发现这种疗法有什么副作用。DNA鉴定——菜温斯基的衣裙DDNA鉴定技术表明，前白宫实

习生莫尼卡·菜温斯基衣裙上的体液与美国总统比尔·克林顿很有关联。菜温斯基与克

林顿的风流韵事以及县为世养第一强国总统的克林顿不得不自独立检察官递交证词成为

20世纪末全世民目性津津乐道的话题。克林顿也因此险些落马，所幸的居他还是保住了

位子。近些日来，DNA鉴定技术已广泛用于司法办案。在美国著名的“辛普森案件”中，

杀人嫌疑人厂辛普森就曾接受过DNA鉴定。这种鉴定的依据是：任问两个人的DNA都是不

相同的，因此，用犯罪现场遗留血样的DNA与犯罪嫌疑人的DNA进行比较，置二者是否一

致，从而作出判决。
病毒灵丹妙药——干扰素
    1957年，两位美国科学家在研究病毒干扰现象时发现了一种抗病毒的特效药——干

扰素。它是少数几种能抵御病毒的天然防御物质之一。干扰素的价格十分昂贵，l于克
纳干扰素的价值可达440亿美元。传统生产干扰素的方法是由芬兰人卡里·坎特尔发明
的，他从血液中提取白细胞，然后用病毒去感染它，这时的白细胞就会产生干扰素，提

纯以后，便可供使用。1980年，美国两位生物学家创建了一个遗传技术公司，通过各种

不同的基因配合，得到了几种生产干扰素的细菌。基因技术介入干扰素生产领域大大地

提高了干扰素的生产量。过去用白细胞生产干扰素，每个细胞最多产生100－1000个干
扰素分子，而用基因工程技术改造的大肠杆菌发酵生产，l－2天内便可产生20万个干扰

素分子。现在，美国已经采用基因工程，大规模工业化生产干扰素。中国在用基因技术

生产干扰素方面也不甘落后，1982年，中国科学家就开始用基因工程的方法组建了生产

干扰素的大肠杆菌的新菌种，用这种菌种产生的干扰素具有很强的抗病毒活性。基因移

植人们在长期的研究、实践中发现，自然界中有些细菌具有耐高温、耐盐碱、耐干旱等

优良性能，而这些性能恰恰是许多农作物所缺乏的。如果把细菌的这些性能通过基因移

植技术移植到农作物身上，将从根本上提高农作物抵抗病虫害的能力。这种美好的愿望

最终在1986年得到了实现。当年，比利时的一个遗传科学家小组把苏云金杆菌的基因成

功地移植到烟草细胞中，这种杆菌产生的毒素能杀死昆虫的幼虫。没过多久，贵迹发生

了，当这些带有苏云金杆菌基因的烟草成长植株以后，对害虫的幼虫就有了很强的杀伤

力，幼虫吃了这些烟草几天后便一命呜呼。科学家还发现，这种烟草还能把这种抵抗力

代代遗传下去。基因动物——牛那样大的猪和恐龙那样大的鸡。信不信由你，只要下功

夫在基因上做手术，就有可能制造出牛那样大的猪和恐龙那样大的鸡——当然，这也许

是多少年以后的事情了。现在科学家已经能够制造出超级小白鼠。
    1982年，美国科学家把人的生长激素基因注射到小白鼠的受精卵中，得到了个子特

别大的超级小白鼠。像超级小白鼠之类做过改变基因手术的动物被称为转基因动物。转

基因动物的基因移植最初是在小鼠体内进行的。首先将小鼠的受精卵取出来。小鼠的受

精卵有两个原核，一个是雄原核，一个是卵原核，雄原核略微显大，是注射基因的地方

。
手术需要采用特制的显微注射器，固定住玻璃细注射管，由此把基因送到卵里去。随后

，
将结扎了输精管的雄鼠与雌鼠交配，交配后的雌鼠产生了一系列的生理变化并具备了怀

孕的条件。由于雌鼠体内的卵并没有受精，因此它只是假孕，此时将注射过外源基因
（比如人的生长激素基因）的小鼠受精卵植入假孕母鼠的子宫，这样产生的小鼠就带有

了移植过来的基因。这样的动物就是生物中常见的转基因动物。


细胞工程

    细胞工程是指在细胞水平上的遗传操作，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基

因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的技术。细

胞工程的优势在于避免了分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将细胞遗传物质直

接转移到受体细胞中就能够形成杂交细胞，因而能够提高基因的转移效率。此外，细胞

工程不仅可以在植物与植物之间、动物与动物之间、微生物与微生物之间进行杂交，甚

至可以在动物与植物与微生物之间进行融合，形成前所未有的杂交物种。“生物导弹”

单克隆抗体在细胞工程中，单克隆抗体技术最为引人瞩目，其产生与癌颇有些关联。癌

是非常令人恐惧的，人们谈癌色变是因为癌细胞能够无限地生长，甚至可以在病人身上

长到几十千克。如果不切除，它还会继续长下去，直到癌细胞将正常的组织所需的养分

全部掠夺从而把病人折磨至死。但是，当癌细胞离开人体后，这一特性却能够变害为益

。
现代免疫学早已查明，一种抗体是由一种B淋巴细胞产生的，人体内约有一亿种不同的B

淋巴细胞，可产生一亿种不同的抗体。依据这种事实，1975年，著名免疫学家米尔斯坦

和同事勒尔在英国剑桥大学分子实验室内巧妙地把B淋巴细胞和能无限生长的骨髓细胞
合并成一个杂交瘤细胞。杂交瘤细胞因而具备了双重特性：既能无限生长，又能产生B
淋巴细胞的抗体。当杂交瘤细胞注射进老鼠的腹腔后，它就能产牛一种特异性抗体一部

克隆抗体。单克隆抗体应用十分广泛，被人们誉为对付癌症的“生物导弹”。如采用抗

癌细胞的单克隆抗体与放射性同位素、化学药物或毒素相结合，注入体内同癌细胞结合

，
能在原位杀死癌细胞，而对其它正常细胞则毫无损伤，因此，单克隆抗体还被喻为“抗

癌明星”。单克隆抗体本身也可以起到治疗作用，比如，注射乙肝病毒的单克隆抗体可

以达到预防乙肝的目的。
    生物技术发展到今天，细胞则成了科学家们随意发挥想像力的乐园，他们甚至可以

把生命像积木那样组装起来，进行细胞水平上的生命组合游戏。生命组合的一个最具代

表性的游戏是美国耶鲁大学教授克莱白特·L·马格特和罗伯特·M·彼德斯的杰作。他

们在黑毛鼠、白毛鼠、黄毛鼠的受精卵分裂成8个细胞时用特制的吸管把8细胞胚吸出输

卵管，然后用一种酶将包裹在各个胚胎上的粘液溶解，再把这三种鼠的8细胞胚放在同
一溶液中使之组装成一个具有24个细胞的“组装胚”。马格特和彼德斯把“组装胚”移

植到一只老鼠的子宫内，不久，一只奇怪的组装鼠问世了，这只组装鼠全身披着黄、白

、
黑三种不同颜色的皮毛。迄今为止，除组装鼠外，英国和美国还组装成功了绵羊和山羊

的嵌合体——绵山羊。据说，世界各国科研人员热情高涨，正在组装“五位一体”。“

六位一体”的生物，实在想象不出那样的生物会是什么样子。


蛋白质工程——第二代基因工程

    蛋白质工程是以蛋白质结构功能关系的知识为基础，通过周密的分子设计，把蛋白

质改造为合乎人类需要的新的突变蛋白质。1983年，美国生物学家额尔默首先提出了
“蛋白质工程”的概念。蛋白质工程的实践依据DNA指导合成蛋白质，因此，人们可以
根据需要对负责编码某种蛋白质的基因进行重新设计，使合成出来的蛋白质的结构变得

符合人们的要求。由于蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，在技术方面有诸

多同基因工程技术相似的地方，因此蛋白质工程也被称为第二代基因工程。
    蛋白质工程第一个十分成功的范例是胰岛素的人工合成。1965年，中国科学院和北

京大学生物系联手首次人工合成了牛胰岛素，成了轰动世界的大事。
    1953年，英国生物化学家桑格破译出由17种51个氨基酸组成的两条多肽链牛胰岛素

的全部结构。这也是人类第一次搞清一种重要蛋白质分子的详细结构。从1958年开始，

中国科学院上海生化研究所、上海有机化学研究所和北大生物系三个单位联合成立一个

协作组，开始探索用化学方法合成胰岛素。1965年9月7日，协作组完成了结晶牛胰岛素

的全合成。经过严格鉴定，这种人工合成的结晶牛胰岛素在结构、生物活力、物理化学

性质、结晶形状上都与天然的牛胰岛素完全一样。人工合成结晶牛胰岛素是世界上第一

个人工合成的蛋白质，为人类认识生命、揭开生命奥秘迈进了一大步。


让绵羊自己“剪毛”

    能让绵羊自己“勇毛”？听起来莫似天方夜谭。殊不知这一特殊的“工艺”已在澳

大利亚试验成功，从而结束了延续5000年2久的一零一度的手工剪毛工作。
    这种新方案是采用一种天然蛋白质使绵羊自动脱毛，称为“生物再毛技术”。给一

R接受生物再毛技术处理的绵羊注射上这种特殊的蛋白质，然后军上台体的“发网”，
一周以后，羊毛就会完整地脱慧到网里，宛如绵羊脱下了外经。这一技术已连续7库被
15万多绵羊试用，结果表明，该技术对绵羊无明目损伤，1天之内，绵羊体内的这种蛋
白质水平恢复正常，新的羊毛又开始重新生长。这种新换术将莫毛工作者从繁杂、疲惫

的工作中解放出来，不仅能够减轻工作压力、保证羊毛质量，还能保护绵羊免受剪刀伤

害。


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║★★★★★友谊第一  比赛第二★★★★★║
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