高考生物备考手册：重要知识点梳理（129）
一. 基因工程的原理和技术
基因工程，也被称为基因拼接技术或DNA重组技术，是一项革命性的现代生物技术。它通过将一种生物体内的特定基因复制并转移到另一种生物体内，从而实现对目标生物性状的定向改造。这项技术不仅极大地扩展了我们对遗传学的理解，也为生物学研究和实际应用带来了前所未有的机遇。
# 1.1 基因工程的基本概念
基因工程的核心在于“基因”的操作。基因是DNA分子上的功能单位，携带着生物体遗传信息的指令。通过基因工程技术，科学家可以精确地提取、修饰和插入基因，从而改变生物体的遗传特性。这一过程不仅限于同一物种之间的基因转移，还可以跨越物种界限，甚至在不同生命形式之间进行基因交换。
# 1.2 基因工程的工具
为了实现基因的精准操作，科学家们开发了一系列工具，这些工具使得基因工程成为可能。
## 1.2.1 基因剪刀（限制酶）
限制酶是一类能够识别特定核苷酸序列并在特定位点切割DNA的酶。每种限制酶都有其独特的识别序列，这使得它们能够在DNA分子中精确定位并切割。例如，EcoRI这种限制酶能够识别GAATTC序列，并在G和A之间切割。限制酶的应用不仅提高了基因操作的准确性，还为后续的基因片段连接提供了便利。
## 1.2.2 基因的针线（DNA连接酶）
DNA连接酶则负责将切割后的DNA片段重新连接起来。这类酶能够识别并结合两个DNA片段的末端，形成新的磷酸二酯键，从而使DNA分子完整无损。常用的DNA连接酶包括T4 DNA连接酶和大肠杆菌DNA连接酶。它们不仅用于基因片段的连接，还在修复细胞内断裂的DNA方面发挥重要作用。
此外，标记基因也是基因工程中的重要工具。标记基因通常是一些易于检测的基因，如抗生素抗性基因或荧光蛋白基因。通过引入这些标记基因，科学家可以在实验过程中轻松筛选出成功导入目的基因的细胞或个体。
# 1.3 基因工程的基本步骤
基因工程的操作流程可以分为四个主要步骤：
## 1.3.1 提供目的基因
首先，需要从供体生物中获取所需的目的基因。这一步骤可以通过多种方法实现，例如使用聚合酶链反应（PCR）扩增特定基因片段，或者直接从基因文库中克隆目标基因。无论采用哪种方法，确保所获得的基因序列准确无误是至关重要的。
## 1.3.2 目的基因与运载体的结合
接下来，将目的基因与运载体相结合。运载体是一种能够携带外源基因进入受体细胞的载体，常见的运载体包括质粒、噬菌体和病毒等。质粒是最常用的运载体之一，它是一种小型环状DNA分子，存在于细菌细胞质中，具有自我复制能力。通过将目的基因插入到质粒的特定位置，可以构建一个重组质粒，随后将其导入受体细胞。
## 1.3.3 将目的基因导入受体细胞
将重组质粒或其他运载体导入受体细胞是关键步骤之一。常用的方法包括电穿孔法、显微注射法和农杆菌介导法等。电穿孔法利用短暂的高电压脉冲使细胞膜暂时通透，从而使外源DNA能够进入细胞内部；显微注射法则通过显微镜下的精细操作，将DNA直接注入细胞核；
农杆菌介导法则是利用农杆菌天然感染植物细胞的能力，将携带目的基因的Ti质粒传递给植物细胞。
## 1.3.4 目的基因的监测和表达
需要对导入的目的基因进行监测和表达验证。这一步骤通常通过检测标记基因的表达情况来实现。如果标记基因成功表达，说明目的基因也已成功整合到受体细胞的基因组中，并开始发挥作用。此外，还可以通过实时定量PCR、Western blot等技术进一步确认目的基因的转录和翻译水平。
二. 基因工程的应用
基因工程的应用领域极为广泛，涵盖了农业、医学、工业等多个方面。以下是基因工程在植物和动物领域的具体应用实例。
# 2.1 植物基因工程
植物基因工程打破了传统杂交育种的局限性，为农业生产带来了新的突破。通过基因工程技术，科学家可以快速培育出具有优良性状的新品种，如抗病虫害、耐旱、高产等。
## 2.1.1 突破传统杂交育种的局限性
传统杂交育种依赖于自然选择和人工选择相结合的方式，虽然能够产生一些优良品种，但效率低下且周期长。而基因工程可以直接将所需的基因导入目标植物，大大缩短了育种周期，提高了育种效率。例如，通过导入Bt基因，科学家培育出了抗虫棉，这种棉花能够有效抵御棉铃虫的危害，减少了农药的使用量，保护了环境。
## 2.1.2 开辟生产育苗的新途径
基因工程还为植物繁殖开辟了新途径。通过组织培养和基因编辑技术，科学家可以在实验室条件下大量繁殖优质苗木。例如，利用CRISPR-Cas9技术对水稻进行基因编辑，可以培育出具有抗逆性和高产性的新品种。此外，基因工程还能够改良植物的营养成分，如提高大米中的维生素含量，改善人类饮食结构。
# 2.2 动物基因工程
动物基因工程同样具有重要意义，特别是在畜牧业和医药领域。
## 2.2.1 改良牲畜经济的新思路
通过基因工程技术，可以改良家畜的经济性状，如生长速度、肉质、奶产量等。例如，科学家通过导入生长激素基因，培育出了生长速度快、肉质优良的转基因猪。这种猪不仅生长周期短，而且肉质鲜嫩多汁，深受市场欢迎。此外，基因工程还可以提高家禽的抗病能力，减少疾病带来的经济损失。
## 2.2.2 动物生物反应器为医药事业开辟新途径
动物生物反应器是基因工程在医药领域的创新应用。通过将药物基因导入动物体内，使其乳腺、血液或其他组织分泌所需的药物蛋白。例如，科学家将人胰岛素基因导入羊的乳腺细胞中，使母羊的乳汁中含有胰岛素。
这种“药用牛奶”经过加工处理后，可以直接用于糖尿病患者的治疗，既降低了生产成本，又提高了药物的安全性和有效性。
三. 基因工程的运载体
运载体是基因工程中不可或缺的重要组成部分，它们不仅作为运输工具将目的基因带入受体细胞，还能在宿主细胞内大量复制目的基因，从而提高基因表达效率。
# 3.1 运载体的功能
运载体的主要功能有两个：一是作为运输工具，将目的基因转移到新的细胞中；二是利用自身在宿主细胞内的复制机制，大量复制目的基因。这两个功能相辅相成，共同保证了基因工程的成功实施。
# 3.2 运载体的种类
目前，常用的运载体主要有两类：质粒和病毒。
## 3.2.1 细菌细胞质的质粒
质粒是细菌细胞质中的一种小型环状DNA分子，具有自我复制能力。由于其结构简单、易于操作，质粒成为了最常用的运载体之一。质粒上通常含有多个限制酶切位点和标记基因，便于目的基因的插入和筛选。
例如，pUC系列质粒就是一种广泛应用的克隆载体，它不仅能够高效表达外源基因，还能通过蓝白斑筛选法快速鉴定阳性克隆。
## 3.2.2 噬菌体或某些病毒
噬菌体和病毒也是常见的运载体类型。噬菌体是一类专门感染细菌的病毒，它们能够将外源DNA整合到宿主基因组中，从而实现基因的稳定表达。例如，λ噬菌体是一种常用的噬菌体载体，它可以容纳较大片段的外源DNA，并通过同源重组机制将目的基因插入到宿主基因组中。
此外，逆转录病毒和腺病毒等真核病毒也被广泛应用于哺乳动物细胞的基因转移实验中。这些病毒载体具有较高的转染效率和较长的表达时间，适用于基因治疗和基础研究等领域。
基因工程作为一项前沿科技，已经深刻改变了我们对生物学的认识，并在多个领域取得了显著成果。随着技术的不断进步和完善，基因工程必将在未来发挥更加重要的作用，为人类社会带来更多的福祉。