基因工程技術(shù)在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用

1、基因工程技術(shù)在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用姓名學(xué)號專業(yè)基因工程技術(shù)在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用隨著科技的發(fā)展，人類在為自己生產(chǎn)出越來越多的生活資料的同時，也向 大自然排放了越來越多的有害和難降解物質(zhì)。如農(nóng)藥、塑料和各種芳香烴類化 合物，這些物質(zhì)正嚴(yán)重破壞環(huán)境和危害著人類的身體健康。因此，有意識地利 用生物界中存在的凈化能力進(jìn)行生物治理，已漸漸成為環(huán)境治理的主要手段。 自然界中的生物 , 往往在有毒物質(zhì)的選擇壓力下經(jīng)過基因突變、基因重組、物種 間基因的交流，進(jìn)化出代謝這些有毒物質(zhì)的能力。利用基因工程技術(shù)提高微生 物凈化環(huán)境的能力是現(xiàn)代生物技術(shù)用于環(huán)境治理的一項關(guān)鍵技術(shù)。 20 世紀(jì) 50 年代初，由于分子生物學(xué)和生物

2、化學(xué)的發(fā)展 , 對生物細(xì)胞核中存在的脫氧核糖核酸(DNA)的結(jié)構(gòu)和功能有了比較清晰的闡述。 20世紀(jì) 70 年代初實現(xiàn)了 DNA重組技術(shù)， 逐步形成了以基因工程為核心內(nèi)容， 包括細(xì)胞工程、 酶工程、發(fā)酵工程的生物技術(shù)。 這一技術(shù)發(fā)展到今天，正形成產(chǎn)業(yè)化品、醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、能源和國防等 許多部門，并日益顯示出其巨大的潛力 , 將為世界面臨的環(huán)境保護(hù)等問題的解決提供 廣闊的應(yīng)用前景。基因工程技術(shù)是一項極為復(fù)雜的高新生物技術(shù) , 它利用現(xiàn)代遺傳學(xué)與分子生物學(xué) 的理論和方法 , 按照人類的需要 , 用 DNA重組技術(shù)對生物基因組的結(jié)構(gòu)或組成進(jìn)行人 為修飾或改造 , 從而改變生物的結(jié)構(gòu)和功能 ,

3、 使之有效表達(dá)出人類所需要的蛋白質(zhì)或 對人類有益的生物性狀。首先該技術(shù)高效、經(jīng)濟(jì) , 這是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)工程無法比擬的。它 能按人類需要來設(shè)計和改造生物的結(jié)構(gòu)和功能 , 生產(chǎn)出優(yōu)良的動物、 植物和微生物品 種。在低投入的情況下 , 能夠高效生產(chǎn)出所需商品。 而且外源基因只要進(jìn)入受體細(xì)胞 的基因組中就可以遺傳給后代 ,育出的優(yōu)良品種 , 可持久利用。 其次 , 該技術(shù)具有清潔、 低耗和可持續(xù)發(fā)展的特點?，F(xiàn)代基因工程所利用的原料是可再生及可循環(huán)使用的 , 不需消耗大量的不可再生資源 ,所以極少產(chǎn)生對生態(tài)環(huán)境有害的廢物。再次 , 該技術(shù) 應(yīng)用于疾病的診斷與治療方面也具有優(yōu)勢。 基因診斷更具預(yù)見性和準(zhǔn)確性

4、, 而且基因 治療可從基因水平上糾正疾病 , 從而使疾病得以根治。環(huán)境污染主要是指有害物質(zhì)對大氣、水體、土壤和動植物的污染。 20 世紀(jì) 50 年 代以來，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染的問題日趨嚴(yán)重，尤其是在一些工業(yè)發(fā)達(dá) 的資本主義國家，相繼出現(xiàn)了一系列公害事件。因此，研究污染物質(zhì)在環(huán)境中的運 動規(guī)律以及防治污染的原理和方法，已成為世界各國重點探索的課題之一。20 世紀(jì) 70 年代以來，發(fā)現(xiàn)許多具有特殊降解能力的細(xì)菌其降解途徑所需要的酶，不是由染色體基因編碼，而是由染色體外的質(zhì)?；蚓幋a。這類質(zhì)粒叫 降解質(zhì)粒或代謝質(zhì)粒。他們的分子量一般都比較大，大多具有接合轉(zhuǎn)移能力，即通 過兩個細(xì)菌的相互接觸

5、，可以把質(zhì)粒從一個細(xì)菌傳遞到另一個細(xì)菌中去，提供質(zhì)粒 的細(xì)菌通過復(fù)制作用仍能保持這種質(zhì)粒，這樣，能使降解基因在微生物群體中廣泛 擴(kuò)散。含有這類質(zhì)粒的細(xì)菌，在某些環(huán)境污染物的降解過程中起著重要的作用到目前為止，共發(fā)現(xiàn)了四類降解質(zhì)粒。第一類是發(fā)現(xiàn)于假單細(xì)胞菌屬中的石 油降解質(zhì)粒，這些質(zhì)粒所編碼的酶能降解各種石油組分或他們的衍生物，如 樟腦、辛烷、萘、水楊酸鹽、甲苯和二甲苯降解質(zhì)粒等。第二類是農(nóng)藥降解質(zhì)粒， 這些質(zhì)粒上的基因決定除草劑 2，4一 D、殺蟲劑“ 666”和煙堿等農(nóng)藥的降解 ( 這些農(nóng)藥大部分都被嚴(yán)禁使用 ) 。第三類是工業(yè)污染物降解質(zhì)粒，如對氯聯(lián)苯 降解質(zhì)粒、尼龍低聚體降解質(zhì)粒和洗滌劑

6、降解質(zhì)粒等。第四類是抗金屬離子的 質(zhì)粒，如抗汞、砷、鎳、鈷、鎘、鉛和銅等的質(zhì)粒。通過天然質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移實現(xiàn)微生物育種的一個例子是，組建了一種能同時降解 石油中大多數(shù)烴類物質(zhì)的超級細(xì)菌。組建的過程是：首先，通過接合作用使 菌株 1的樟腦質(zhì)粒 (CAM)轉(zhuǎn)移到含辛烷質(zhì)粒 (OCT)的菌株 2 中，形成雜種質(zhì)粒， 同時使菌株 3 的萘質(zhì)粒 (NAH)轉(zhuǎn)移到二甲苯質(zhì)粒 (XYL)的菌株 4 中；然后，再使新產(chǎn) 生的兩個菌株進(jìn)行接合轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生含 4 種質(zhì)粒的菌株。多質(zhì)粒細(xì)菌降解石油的速度 快、效率高，是第一個獲得專利的經(jīng)過遺傳操作的微生物。在上述降解質(zhì)粒中，對 石油降解質(zhì)粒研究得較為深人。人們研究這些質(zhì)粒的

7、分子特性、遺傳結(jié)構(gòu)、降解途 徑和進(jìn)化關(guān)系等理論問題，同時，試圖通過質(zhì)粒轉(zhuǎn)移和重組DNA技術(shù)，把不同的降解基因轉(zhuǎn)移到同一菌株中，創(chuàng)造出具有非凡降解能力的超級微生物，以用于環(huán)境污 染物的降解由于多質(zhì)粒菌株不夠穩(wěn)定，所以人們正在研究用重組DNA技術(shù)把質(zhì)粒中的石油降解基因連接在一起，形成重組質(zhì)粒，以便獲得遺傳性更加穩(wěn)定的新菌株。近年來，已經(jīng)把甲苯質(zhì)粒中的部分甲苯降解基因和萘質(zhì)粒中的大部分萘降解基因在大腸桿菌中克隆，并使之獲得表達(dá)。人們構(gòu)建能高效降解石油的細(xì)菌，是指望用這些”超級拖布”去清除因油船失事和排放壓艙水而污染海洋的石油。此外，有人提出用基因工程技術(shù)構(gòu)建對重金屬有特別親和力的菌株，用于分離和純化

8、各種重金屬。比如通過質(zhì)粒轉(zhuǎn)移或重組DNA技術(shù)來構(gòu)建能把有毒的有機汞轉(zhuǎn)變成金屬汞的細(xì)菌，以用于處理含有機汞的廢水，同時回收金屬 汞，從而化害為利，變廢為寶。細(xì)菌浸礦已在采銅和采鈾工業(yè)中得到應(yīng)用。人們希望通過對這類細(xì)菌進(jìn)行遺傳操作，從而提高它們對金屬的親和力，耐酸、耐熱能力和抗金屬毒性的能力， 以便降低細(xì)菌浸礦的生產(chǎn)成本，使之更具有競爭能力。（1）基因工程技術(shù)應(yīng)用于降解石油污水美國利用 DNA重組技術(shù)把降解芳烴、萜烴、多環(huán)芳烴、脂肪烴的4 種菌體基因鏈接，轉(zhuǎn)移到某一菌體中構(gòu)建出可同時降解 4 種有機物的 / 超級細(xì)菌 0，用之清除石油污染，在數(shù)小時內(nèi)可將水上浮油中的 2/3 烴類降解。在石油開采過

9、程中，采出的原油含有大量的水分 , 原油脫下的廢水中 ,含有大量的石油污染 物。全向春引入現(xiàn)代生物技術(shù)，從一般的篩選工作 , 轉(zhuǎn)入到降解代謝途徑、降解 酶系組成及其遺傳的控制機制上來，在此基礎(chǔ)上 ,實現(xiàn)定向育種 , 定向構(gòu)建具 有高效生物降解能力的基因工程菌?；蚬こ叹到庑矢?、底物范圍廣、表達(dá) 穩(wěn)定, 比自然環(huán)境中的降解性微生物更具競爭力，例如PCP103菌株的構(gòu)建。基因工程菌的構(gòu)建和應(yīng)用對于美化環(huán)境、保護(hù)人類健康提供了一系列可行的途 徑。現(xiàn)代科學(xué)工作者把 PCR技術(shù)用于基因工程菌的構(gòu)建并已取得了一些成績， 國內(nèi)外正在進(jìn)行這方面的研究。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，基因工程菌在含油污水 處理中的應(yīng)用

10、將會進(jìn)一步完善 , 為人類造福。（2）基因工程技術(shù)應(yīng)用于降解農(nóng)藥 農(nóng)田長期過量施用農(nóng)藥，嚴(yán)重破壞了生態(tài)平衡，造成土壤水質(zhì)及食品中殘 留毒性增加，給人畜帶來潛在危害。如何消除農(nóng)藥污染、保護(hù)環(huán)境已成為當(dāng)今 世界的一個迫切問題。由于微生物在物質(zhì)循環(huán)中的重要作用，它在環(huán)境修復(fù)中 一直扮演著重要的角色；然而受微生物對農(nóng)藥（特別是難降解農(nóng)藥 ） 降解能力的限制，生物修復(fù)具有周期長的明顯特點，阻礙了這一技術(shù)在現(xiàn)實中的發(fā)展和 應(yīng)用。應(yīng)用基因工程原理與技術(shù)，對微生物進(jìn)行改造，是環(huán)境科學(xué)工作者向更 深更廣的研究領(lǐng)域拓展時必不可少的途徑。構(gòu)建高效的基因工程菌可以顯著提 高農(nóng)藥降解效率。環(huán)境微生物尤其是細(xì)菌中的農(nóng)藥降

11、解基因、降解途徑等許多 農(nóng)藥降解機制的闡明為構(gòu)建具有高效降解性能的工程菌提供了可能。現(xiàn)已開發(fā) 出有凈化農(nóng)藥 （ 如 DDT），降解水中染料以及環(huán)境中有機氯苯類和氯酚類、多氯 聯(lián)苯的基因工程菌。 Horne 等人將從農(nóng)桿菌得到的 OpdA（編碼有機磷降解基 因 ） 和黃桿菌 （Flavobacteiumsp.） 中得到的 Opd（有機磷降解酶基因 ） 分別構(gòu)建了原核 表達(dá)質(zhì)粒 , 并分別轉(zhuǎn)到大腸桿菌 E.coliDH10B 中表達(dá)， 對其表達(dá)產(chǎn)物進(jìn)行了研究。 通 過其表達(dá)產(chǎn)物 OpdAOPH有（ 機磷水解酶 ） 對幾種農(nóng)藥的酶解動力學(xué)比較，發(fā)現(xiàn) OpdA能 作用更多底物的類似物 , 降解范圍更廣。以下兩方面的研究將對環(huán)境保護(hù)有著重要意義。 一是對基因工程菌的深入研究，如基因工程菌對污染物的代謝途徑、控制目的 基因表達(dá)的啟動子基