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第28章 DNA的微型外科手术——基因工程

第一篇第二十七章DNA的微型外科手术——基因工程

人们很想培养出像海带那样耐盐的作物品种,想得到不用施肥、自己能固氮的麦子和水稻,

还想培养出像《封神榜》中哮天犬一样可以飞翔的小狗——这些想法,似乎可笑,但基

因工程的崛起,打破了生物中种属之间的鸿沟,为我们开辟了一条通向理想境界的道路。

随着分子生物学的发展,20世纪70年代诞生了一门全新的技术——基因工程。所谓基因工

程,是把一种生物的基因送到另一种生物的细胞内,并使它可以得到复制和表达,这样,接

受基因的生物就具有了提供基因的生物的某种性状。例如,把人产生胰岛素的基因

送入大肠杆菌细胞,结果这种大肠杆菌可以产生出人胰岛素;把菜豆的某种基因送入向日葵

细胞,结果这种向日葵产生了菜豆的某种蛋白质。可以说,用基因工程改造过的生物,都

自然界中原先不曾有过的“怪物”。

基因工程按照预先设计的程序,将一种生物具有的控制某种遗传特性的DNA中的某个遗传密

码片断分离出来,再连接到另一种生物的DNA链上去,将DNA重新组织,从而设计出新的遗传

物质,继而创造出新的生物类型。基因工程其实就是在做外科手术,只是它的对象是DNA—

—直径只有五百万分之一厘米的微小分子。

 基因工程的两件法宝

“工欲善其事,必先利其器。”外科医生给一个病人进行手术,他必须拥有一把锋利的

手术刀,才能将病人的病患部位切除;手术后,他必须将病人的伤口进行缝合,这时,缝合

线也是必不可少的。基因工程科学家要从事基因工程技术,也需要工具,也需要“手术刀”

——限制性核酸内切酶和“缝合线”——连接酶。

进行基因工程,首先要设法得到我们所需要的目的基因。一个基因一般只占DNA大分

子中的一小段,在它们身上进行“手术”是非常困难的,那么用什么手段才能把这个基因从

DNA分子中剪裁下来呢?科学家想到,只要找到一把合适的剪裁工具,就可以解决问题。幸

运的是,生物本身为我们准备了这个工具,这就是限制性内切酶。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

,它能够在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。70年代以来

,人们已经分离提取了 400多种“分子剪刀”。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。这就是“分子剪刀”——限制性内切酶。它能够在D

NA上寻找特定的切点,认准后将DNA分子的双链交错地切开。

DNA的分子链被切开后,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

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,并把这种酶叫作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 D

NA碎片中加上“分子针线”,就会把两种DNA片段重新连接起来。

 生命的“运载火箭”

人造卫星进入太空需要运载火箭,而基因工程中把“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DNA片段后仍能照样复制

的运载体。在基因工程中,把外源基因送入受体细胞的“运载火箭”是质粒和噬菌体。

噬菌体是一种侵袭细菌的病毒,前面已经有过介绍。那么什么是质粒呢?质粒就是寄生在细

菌细胞内,并且能够转移至其他细胞的因子。细菌质粒是存在于细菌染色体之外的小环状DN

A分子,它能独立自主地进行复制,并在细胞分裂时能恒定地传递给子代细胞。就细胞的生

存来说,质粒是可有可无的。因为质粒也带有某些遗传信息,所以质粒的存在也会赋予细胞

某些新的遗传性状。

 基因工程三部曲

第一,剪裁目的基因和运载体。

进行这一操作的关键在于“手术刀”的型号必须相同,即用同一种限制性内切酶,分别对运

载体和供体的目的基因进行切割,这样,目的基因和运载体具有相互吻合的黏性末端。

第二,目的基因和运载体结合。

由于目的基因与其载体具有互补的黏性末端,当二者混合时,它们便会根据碱基互补原则组

合成环状重组DNA分子,剩下的两个缺口用DNA连接酶连接起来,就构成了重组DNA分子。

第三,重组DNA分子进入寄主和表达。

目的基因随重组DNA分子进入寄主后,如果该细胞不拒绝目的基因,并允许这种基因在

细胞内复制繁殖及表达它特有的遗传特性,则基因工程就算大功告成了。目的基因的导入过

程是肉眼看不到的。因此,要知道导入是否成功,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。一种具有新遗传特性的新型生物就

从此诞生了。

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