作者：舒天丹,仇静
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生命的密码(下册)试读：
前言
宇宙茫茫，星空浩瀚。亿万年来，宇宙每天都在人类的面前，炫示着她的神奇与伟大，灿烂与深邃。
亘古永恒的宇宙时空，时时在演绎着如歌如梦的天地玄妙，处处伏掩着似真似幻的远古谜团。于是，怀着敬畏，也充满着向往的人们，无数次面对苍穹，向天发问：
是谁创造了如此绚丽多彩的大自然？又是谁赐予了人类最宝贵的生命？在无垠的宇宙中，人类是否就是惟一的生命？那些辉煌的史前文明究竟是谁的杰作？除了我们，还有谁曾造访到太阳系中这惟一蔚蓝色的星球？谁能告诉我们天有多高，地有多深，天高地深中都有些什么？……
伟大的科学家爱因斯坦曾说过，“我们所经历的最美妙的事情就是神秘，它是人的主要情感，是真正的艺术和科学的起源”。
尽管今天的人类，科学高度发达，我们可以上九天揽月，可以下深海探秘，但人类仍有太多的疑问、太多的谜团；我们可以分裂原子，改变基因，克隆生命，再造物种，但人类仍有太多的梦想、太多的期待。于是，疑问与谜团，梦想与期待，便给了我们破解人类文明与科学未解之谜的精神和勇气，给了我们心灵遨游未知世界的动力。人类的历史，也正是在不断探索和破解未知世界的过程中，不断地向前迈进。
我们所主编的这套《破解人类文明与科学之谜》丛书，内容极为丰富，包括《破解的天书》、《真实的梦幻》、《复活的古城》、《古老的密码》、《出土的谜团》、《灾祸的降临》、《科学的黑屋》、《大脑的神奇》、《人类的奥秘》、《生命的密码》、《身体的透视》、《长寿的钥匙》。它向读者展示了人类在时空长廊里考证历史的回响、发掘生命的秘密、探寻太空的谜团、破解文明的神秘，所揭示的神奇绚丽的壮阔画卷，将让我们的视野更加开阔，将使我们的心灵感到震颤。
揭示人类文明之谜，需要科学严肃的态度，需要建立在丰富的知识与缜密的思维的基础上。如果只是对科学一知半解就断然下结论，那将是幼稚可笑的。我们希望更多的人、尤其是广大的青少年读者，以严谨、求实的科学态度，对待种种神秘现象。只有这样，才能更接近真理，查清真伪，破解宇宙间未知现象的真实本质。
人类的进化，从来都是以一连串的问号开始的，始终都是以一系列的答案发展的。虽然，今天人类的未知世界依然非常广阔，太多的未解之谜依然等待着人们去探索与破解。但永不屈服与不懈的挑战，从来都是人类的优秀传统。为了未来的生存与发展，为了明天的光荣与梦想，谜底将逐渐被揭开，文明将不断被创造，一个无限美妙与神奇的新世界，将在未来向人类招手。
我们期待着这一天。舒天丹 仇静2006年春节于北京
第五章: 干预生命: 透视基因工程
人类探索生命真谛的历史源远流长。而生物学最简明的含义就是研究生命的科学。生命科学是一个多层次、多分支、系统而完整的科学体系。基因工程则以基因科学为基础，利用生物体的特性与功能，为人们设计出具有良好性能的新物种。基因工程现在已广泛地用于农业、畜牧业，专家们估算，到2211世纪粮食的需要量至少比现在增加一倍，依靠基因工程解决全世界面临的粮食问题，已成为人们共同的希望。不仅如此，运用基因工程处理饲养的动物，改良鱼类等，从而生产出更多的肉蛋类等产品。
一、横空出世的基因工程
基因在体内实现重新组合可引起变异，那么在体外，基因的重新组合又会是什么样呢？日新月异的基因研究成果使科学家们可以从染色体上取出基因，再把它放到另一处甚至是另一个生物体内。这就是人们常常所称的“基因工程”，那么，“工程原料”何处取？“工程载体”哪里来？人们又是怎样进行“施工”的呢？
1.什么是基因工程
基因工程（genetic engineering），也叫基因操作、遗传工程，或重新组体DNA技术。它是一项将生物的某个基因通过基本载体运送到另一种生物的活性细胞中，并使之无性繁殖（称之为“克隆”）和行使正常功能（称之为“表达”），从而创造生物新品种或新物种的遗传学技术。一般说来，基因工程是专指用生物化学的方法，在体外将各种来源的遗传物质（同源的或异源的、原核的或真核的、天然的或人工合成的DNA片段）与载体系统（病毒、细菌质粒或噬菌体）的DNA组合成一个复制子。这样形成的杂合分子可以在复制子所在的宿主生物或细胞中复制，继而通过转化或转染宿主细胞、生长和筛选转化子，无性繁殖使之成为克隆。然后直接利用转化子，或者将克隆的分子自转化子分离后再导入适当的表达体系，使重组基因在细胞内表达，产生特定的基因产物。
基因工程中内外源DNA插入载体分子所形成的杂合分子又称为分子嵌合DNA或DNA嵌合体（DNA chimera）。构建这类重组体分子的过程，即对重组体分子的无性繁殖过程又称为分子克隆（molecular cloning），基因克隆（gene cloning）或重组DNA（recombinant DNA）。
在典型的基因工程实验中，被操作的基因不仅能够克隆，而且能够表达。但是在另外一种情况下，为了制备和纯化一段DNA序列，我们只需这一段DNA在受体细胞中克隆就可以了，无需让它表达，这也是一种基因工程实验。
2.基因工程的前奏曲
人们一般把沃森和克里克提出DNA分子的双螺旋模型这一年作为分子遗传诞生的日子。诚然，没有这一发现就不会有分子遗传学。可是如果把这一发现比喻为划破天空的闪电，那么可以说隐隐的雷声早在远处响起。拉开分子遗传舞台的幕布为时尚早，前奏曲的音响却已发布着分子遗传学时代即将到来的信息。演奏前奏曲的主要角色是谁呢？他们不是遗传学家而是理论物理学家。或许生物学家习惯于观察和实验，而理论物理学家习惯于抽象思维，所以虽然孟德尔和摩尔根阐明了遗传的基本规律，现在却轮到物理学家来问基因为什么这样稳定，生命究竟服从于什么规律。
1932年，著名量子物理学家波尔（Niels Bohr）在一次国际光学医疗会议上，发表了题为“光和生命”的演讲。他认为，物质结构还不足以充分说明生命现象，因此要在物理学的基础上解释生命之谜或许还缺少某些基本因素。
1935年波尔的学生德尔布吕克的一篇题为《关于基因突变和基因结构》的论文中认为遗传学正是波尔心目中的缺少某些基本因素的学科，因为物理和化学都不足以说明遗传学中的奥秘。德尔布吕克曾经和遗传学家合作，通过射线处理果蝇以诱发突变来推算基因的大小。他们发现基因的大小类似于最大的分子，然而它具有不同一般分子的高度稳定性。
对于基因的稳定性的讨论引起了另一理论物理学家薛定锷（Erwin Schrodinger 1887～1961）的注意。
读者只要看一看相差400余年的奥地利皇室人员的相貌何等相似，就不难理解薛定锷会对这微小的，海勃氏堡唇基因竟然在37℃这一体温中长久保持不变而感到无比的惊奇。1945年薛定锷写了一本名叫《什么是生命》的小书，这在书中他写道：“虽然当前的物理学和化学不足以说明生物体发生的一切，然而这并不意味着生命现象最终不能为物理学和化学所解释”，接着他又说“根据德尔布吕克对于遗传物质的见解，可以认为今天的物理学定律确实无能为力，所以今天的物理学定律也好，另一些物理学定律也好，它们都将成为统一的物理学的一个部分”。
薛定锷在他的书中还对遗传物质进行了描绘。他认为染色体是一个非周期性晶体，包含一系列异构体，构成遗传密码。就这样薛定锷预言了生命科学研究中一个新时代的到来。这时第二次世界大战刚结束，许多物理学家在困惑中读到他的书后大受鼓舞，他们跃跃欲试地要在这一新兴的领域中一试身手，去发现所谓另一些物理学规律。可是在这点上他们失败了，他们没有找到另一些规律。但是疑云散去以后却迎来了分子遗传学的灿烂阳光。
在进入遗传学研究领域的“外行人”中间有两个人，特别是他们的合作起着重要的作用。一个是德国出生的德尔布吕克。他在30年代中曾企图用果蝇作为研究对象来揭露基因的奥秘，后来他认为果蝇太复杂了，于是转向噬菌体的研究。他来到美国的麻省理工学院，并且吸引了一批人形成一个噬菌体研究集体。另一人是意大利出生的卢里亚（Salvador E. Luria）。他原是一个医生，在法西斯种族压迫下去到巴黎，以后又在德军侵入法国后去到美国，他和德尔布吕克虽然不在同一处工作，可是两人一见如故，气味相投，在相当长的一段时间中常常夏季相会在美国东海岸的冷泉港实验室，或是合作研究，或是开设噬菌体讲习班。从1945年开始的几年中吸引了不下30人参加到噬菌体研究的队伍中来，这些人以后都在噬菌体研究中作出比较重要的贡献。从粪便或污泥中分离噬菌体并非难事；许多研究噬菌体的人常用自己分离得到的噬菌体作为研究材料。在德尔布吕克的创议下把研究工作集中到大肠杆菌的7个噬菌体株系T1～T7上以利于工作的推进。他风趣地称这为白雪公主和7个矮人。
20世纪50～60年代中经过许多研究工作者的共同努力，分子遗传学中的轮廓已经完全绘就。孟德尔正确地选用豌豆作为研究材料，得来了作为一切遗传学研究的基础的孟德尔法则。摩尔根正确地选用果蝇作为研究材料，建立了染色体遗传学。分子遗传学研究所用的是什么研究材料呢？分子遗传有四项基本的内容：遗传密码、基因表达、基因调控、基因突变。这四个方面的知识也是基因工程研究的必要知识，它们大多是用大肠杆菌或者偶或用大肠杆菌噬菌体进行研究所取得的成果。不过情况和豌豆与果蝇不同，豌豆和果蝇是根据实验的需要而特地选择它们作为研究材料的，而大肠杆菌用作分子遗传学研究的材料则是在已有研究工作的基础上的继续前进。
为什么用大肠杆菌作为研究材料会取得如此辉煌的成就呢？遗传学研究离不开所谓相对性，例如豌豆花瓣颜色的紫或白，果蝇复眼颜色的红或白等等。果蝇的小小的一双复眼的相对性状还有大或小、表面粗糙或光滑等等。整个身体的各个部分又都可以因为发生突变而呈现各种相对性。细菌是肉眼所不能看到的单个的细胞，它们有什么相对性状可以用来作为遗传学研究的素材呢？
原来细菌的单个细胞虽然肉眼无法视察，可是在固体培养基的表面由单个细菌经过多次细胞分裂得来的上亿个细胞聚集在一起却能形成肉眼可见的菌落，而菌落可以呈现种种相对性。例如在含有某些染料和乳糖的培养基表面能发酵乳糖的细菌的菌落呈带有金属光泽的深紫色，而不能发酵乳糖的突变型细菌的菌落几乎是无色的；例如对于链霉素呈敏感状态的细菌在含有链霉素的培养基上不能形成菌落，而对链霉素呈抗性的突变型细菌则在这上面能够形成菌落；例如能自行合成某种氨基酸的细菌在不含这一种氨基酸的突变型细菌则在这上面不能形成菌落，等等。在大肠杆菌的染色体上已经标定位置的基因数以千计，多数基因在合适的培养基上能使细菌呈现相对性状。
把基因的位置标定在染色体上，在遗传学研究中这是一项基础性的工作，但不是最重要的工作。突变型可以被用来研究生物体内种种生物化学反应过程如氨基酸和维生素的合成过程等。更为复杂的代谢过程如蛋白质合成、DNA复制过程的研究部分地储存靠突变型。在利用突变型进行这些研究的进程中如果像当年比德尔和塔顿那样等待突变型偶然出现的话，分子遗传学便不可能发展得这么快。在这里定向地筛选突变型的手段的运用起着十分重要的作用。下面将扼要地介绍一种常用的手段。
青霉素专一性地抑制大肠杆菌合成细胞壁物质的反应而不抑制蛋白质等其他物质的合成。所以在同样两个培养有大肠杆菌的试管中加入相同量的青霉素，把一个试管放入冰箱，把另一试管放入温箱，过了两个钟头以后将发现前一试管中活菌数既不增加也不减少，后一试管中的活菌数则大幅度地减少。这是因为在温箱中的细菌虽然不能合成细胞壁物质，细胞中的其他物质则在不断地合成，终于细胞膨胀而破裂：在冰箱中的细菌因温度不适于生长，所以细胞内部的物质和细胞壁物质同样地不再合成，于是细胞得以保持平衡而免于死亡。利用这一原理便可以有效地筛选突变型。扼要地讲，具体的方法是将经射线等诱变剂处理过的野生型在不含有有机物而含有青霉素的培养液中培养，在这里面野生型的大肠杆菌因能生长而被大量地杀死，不能自行合成氨基酸或维生素的突变则因为不能生长而不被杀死，这样突变型细菌便会得以“浓缩”而便于分离，为了再进一步提高分离突变型的效率，还可以采取一些辅助的手段，例如首先把经过“浓缩”的菌液接种在不含有任何氨基酸的固体培养基上，待菌落形成以后把菌落一一做上标记，然后再加上只含有各种氨基酸的培养基再进行培养，第二次生长的菌落便是不能合成某一种氨基酸的突变型。其他种种特殊的突变型也可以设计特殊的方法来“浓缩”。用大肠杆菌作为遗传学研究的一大优点便是便于取得各种突变型。试想如果这样许多突变型都是偶然发现的话，恐怕分子遗传学时代的到来得推迟至少几十年。大肠杆菌用作遗传学研究材料的优越性还多着呢：培养基简单，脉孢菌的培养基中需要加入生物素，大肠杆菌的培养基中除了一种糖以外都是无机盐；大肠杆菌繁殖快，许多实验只要隔一个晚上就可以看到结果；便于大量培养也是一个优点，试想要对果蝇复眼色素或它的合成中间产物进行化学分析需要饲养多少果蝇，要得到几十、几百克大肠杆菌细胞进行化学分析则是轻而易举的事；大肠杆菌的细胞便于保藏，这一点有利于用为数众多的株系（在细菌中称菌株）进行遗传学研究，不用时把菌株往低温冰箱中一放，需要时从冰箱中取出，细菌便能复苏。那么是谁首先采用这样好的研究材料进行遗传研究呢？故事不妨从赖特伯格的青少年时代讲起。
赖特伯格（Joshua Lederberg）是美籍犹太人。在少年时代便广泛阅读《巴斯德的生平》、《生命的科学》以及一些物理学和化学方面的书籍。1941年他收到的一件16岁生日礼物是一本著名细胞学家威尔逊的权威性著作《发育和遗传中的细胞》。他的研究生涯也几乎同时开始，他的第一个研究课题是细胞固定和染色的化学基础。研究生涯的第二个阶段是1942～1945年在哥伦比亚大学赖恩（Francis J. Ryan）实验室打工时合作进行的有关脉孢菌的研究工作，那时他是哥伦比亚大学医学院的学生。此后的大半辈子从事大肠杆菌的遗传学研究。
1946年他和博士生导师塔顿共同发表有关细菌杂交的第一篇论文，那时他才19岁。一年以后便获得博士学位。22岁便当上了助理教授，还是一个犹太人！这就难怪在当时的评审委员会中议论纷纷了。
赖特伯格的实验其实很简单明了，不容怀疑。然而事物往往并不是那么容易被接受。有名的科学家也难免。细菌是单细胞生物，它以一分为二的方式繁殖。如果把一个细菌细胞看作一袋能催化各种生化反应的酶，细胞分裂时全部酶被分装在两个袋里，每一个细胞不就具备全部催化能力了吗？这不就是遗传吗？细菌的代谢作用、遗传、变异不都可以用化学反应动力学来说明了吗？坚持这一观点的主要是英国的诺贝尔化学奖获得者兴许儿伍特爵士（Sir Syril Hinshelwood）。他31岁时便被选为英国皇家学会会员，以后又封为骑士，在化学动力学方面作出过杰出的贡献，1946年著有《细菌的化学动力学》。然而不管他的学术地位有多高，毕竟他的观点是错误的。事实证明细菌的遗传规律基本上相同于高等动植物，细菌的遗传不能看成像一袋酶分装成两袋那样。其实在1940年前后细胞学家达灵顿（Darlington，C.D.）和动物生物学家赫蛋黎（Huxly.j）也都有过与兴许儿伍特相类似的观点。赫胥黎曾写道“（细菌的）整个个体既是身体细胞又是生殖细胞，所以（它的）进化必然是整个反应系统的变化”，只不过后来在事实面前他们改变了观点就是了。
由于细菌遗传学研究在遗传学发展中具有承上启下的重要意义，所以在这里不免多费一些笔墨了。
子女往往在某一点上像父亲而在另一点上像母亲，这就是双亲间基因混杂的结果。如果细菌也有基因，而且，双亲的基因可以通过细菌细胞间的沟通而混杂，那么把两个具有不同性状的菌株的细菌进行混合培养，就可望得到一些兼具双亲性状的新的菌株。早在1937年就有人把大肠杆菌的能发酵不同种类的糖的菌株进行混合培养，观察有没有关于糖发酵能力的新的组合出现。例如一个菌株能发酵乳糖而不能发酵蔗糖，另一个菌株能发酵蔗糖而不能发酵乳糖，把两者进行混合培养，如果能从中分离得到既能发酵乳糖又能发酵蔗糖的菌株，便说明细菌能进行有性生殖。这样的菌株确实从混合培养中得到，可是却不足以说明大肠杆菌能进行有性生殖，原因是两个菌株单独培养时同样能获得发酵两种糖的菌株。这显然是发生了回复突变的结果；回复突变是指突变基因恢复成为野生型基因的突变（野生型大肠杆菌能发酵蔗糖和乳糖，不能发酵这两种糖的菌株都是突变株）。
正是考虑到这一因素，赖特伯格在他的杂交实验中采用不能自行合成氨基酸或维生素作为生长因子的营养缺陷型桥梁作为杂交亲本，8这些突变基因都比较稳定，大约在10个细菌中才有一个发生回复突变。而且为了使实验结果更为可信，他采用具有两个营养缺陷型标记的双重突变菌株作为样本；两个基因同时发生回复突变就更为难得了。这样一个实验设计还起到另一重要作用，那便是即使能够进行有性生殖的只限于个别细菌，它们也能被检出。
那么难道大肠杆菌真的有雌雄之分呢？在通过实验来回答这一问题之前先看一个莫须有的假想实验：我们不知道一只黑色小鼠中哪一只是雌的，哪一只是雄的。在不进行形态观察的情况下怎样可以判断它们的性别呢？不妨设想这样一个实验：把白鼠和黑鼠关在同一个笼子时一两个星期后把白鼠取出，再过几个月后笼子里出现幼鼠，相反地如果取出黑鼠便不出现幼鼠，这就说明黑鼠是雌的，白鼠是雄的。同样原理可以用来测定两个大肠杆菌菌株是否有性别之分，而且孰雌孰雄。
实验从大肠杆菌K－12菌株的野生型开始，野生型能自行合成各＋＋s种氨基酸和维生素，对链霉素呈敏感状态，所以定作abs。通过＋紫外线（UV）处理得到分别失去合成氨基酸b或a的两上突变菌株a－s＋－r－＋r＋bs。再经UV处理，从它们得到两个抗菌株abs和abs。把a－s－＋rbs和abs混合培养，把培养物涂在含有链霉素［S］或不含有链－＋s＋－r霉素［－］的固体培养基表面；同样把abs和abs作同样处理。实验结果说明在后一组合中如果培养基中含有链霉素便没有菌落出现，而相反的组合中即使加入链霉素培养基上仍然出现菌落。链霉－＋s＋－r素只杀死abs细菌而不杀死abs细菌，所以和黑鼠、白鼠这一－＋s＋－r实验对照起来看，就可以知道abs是雌的而abs是雄的，因为前者被杀死后便没有后代而后者被杀死后仍有后代。前一组实验的结果则正好相反。＋－s－＋r
细心的读者或许会提出疑问：abs和abs菌株都来自野生型K－12，怎么会一个菌株是雌的另一个是雄的呢？野生型K－12菌株是雌的呢还是雄的？要回答这两个问题得参考一些其他的现象：雄性细菌经某些药物的处理可以变为雌性；雌、雄细菌混合培养一个小时后大部分雌性细菌变为雄性。这些事实暗示我们雌、雄变化并非基因突变的结果；似乎雄性细菌的细胞中含有一种性别决定因子；紫外线或某些药物的处理能令性别因子消失而使雄性细菌变为雌性；雌雄细菌的接触能使雌性细菌从雄性细菌获得性别因子而变成雄性。根据这些推测可以认为野生型的K－12菌株是雄性的，在紫外线处理过程中，从而出现了像上述实验中那样的现象。性别因子后来经证明是一个环状的DNA分子，它的大小不过是大肠杆菌菌染色体的1%，这一－＋性别因子被称为致育因子（F因子），雌雄细菌分别称为F和F。
那时世界上已经有许多实验室在进行大肠杆菌遗传学研究了，而＋－且所用的都是K－12和它的派生菌株，新的发现层出不穷：F和F细菌的形态和生理特征被揭露了；两种细胞接合的状态在电子显微镜＋下被展现了；F细菌的环状染色体怎样中间断开成为线状，然后以－一端开始逐渐进入F细菌的过程通过遗传学术手段被阐明了；F因子可以使它带上染色体上的基因而发展成为有效的遗传学研究工具了；环状染色体上被标定的基因不断地在增加。通过细菌接合和其他实验方法，包括转化、F因子转导等进行着各式各样的遗传学分析，大大地丰富了遗传学的内容；大肠杆菌的溶源性现象的发现又迎来了对噬菌体的研究和它在基因在工程中的应用。
可以毫不夸张地说细菌遗传学研究是分子遗传学的序幕。现在几乎任何遗传学问题的研究都在应用分子遗传学研究手段，几乎任何高等动植物，也包括人的遗传学问题的研究都在应用分子遗传手段，而且这些研究手段也被其他生命科学学科的研究所广泛采用。然而当年在分子遗传学中起着奠基作用的一些研究中如果不采用大肠杆菌而采用豌豆、果蝇作为研究材料的话，即使仍然可以取得同样的结果，其进度不知会怎样的迟缓，或许今天不会听到21世纪将是生命科学的时代这句话了。
细菌的遗传学研究还在不断地深入时，分子遗传学剧中人物已经陆续登台了。分子遗传学已经深入到各个生命科学领域中去，而且也将永无止境地发展下去，不过作为一个剧本，内容不能没有限制，这里的叙述将限于作为分子遗传学的奠基性工作的四个方面，它们也是基因工程的基础：遗传密码、基因表达、基因调控、基因突变。
3.基因工程的创立
1972年，美国斯坦福大学的著名遗传学家伯格等进行了一次具有重大的历史意义的实验，成功地在体外实现了对DNA的重组和改造。他们将两种环状的DNA分子，即SV40（一种猴病毒）的DNA和噬菌体的DNA分别用同一种限制性内切酶裂解成了带有粘性末端的DNA，然后在连接酶的作用下，组合成DNA分子。1973年，以科恩为首的研究小组把两个不同的质粒拼接一起，组合成一个嵌合质粒，导入大肠内传信息。这是DNA重组技术，也是基因工程的第一个例子。
从此，科学家们撞开了从分子水平上直接改造生物的大门。这一成功，激发了人们对操作基因的巨大热情，并接二连三地攻克了一个又一个难关，使DNA重组技术逐渐趋于成熟，并进入实用化阶段，从此宣布基因工程延生。
基因工程就是DNA的重组技术，它是指在体外通过人工“剪切”和“接接”等方法，对各种生物的DNA分子改造和重新组合，然后导入微生物或真核苷胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类需要的基因产物，或者改造、创造新的生物类型。
基因工程又称遗传工程。但是广义的遗传性涵义比较广泛，任何采用物理、化学方法改变生物性状的手段，都可以称为遗传工程。基因工程则专指对基因进行直接的人工处理，从而研究并控制生物特性表达的途径手段。所以，基因工程是指狭义的遗传工程。
基因工程问世至今不过二十几年时间。国内外的许多实验室争相应用DNA重组技术进行了大量的研究工作，取得了许多举世瞩目的成就。基因工程完全突破了经典的研究方法和研究内容，将遗传学扩展到了一个内容广泛的崭新领域。自然界创造新的生物物种一般需要几十万年乃至几百年万年的漫长岁月，但在实验室里应用基因工程，在几天内就完成这一过程。自然界中从未有过的新型蛋白质也可能通过基因工程创造出来。随着基因工程学的诞生，人类已经开始从单纯的认识生物和利用生物的传统模式跳跃到了随心所欲地改造生物、创造新生物的时代。
基因工程既是现实的生产力，更是巨大的潜在的生产力，势必成为下一代新产品的基础技术，成为世界各国特别是科学较发达国家的国民经济的重要支柱。在能源短缺、食品不足和环境污染这三大危机已经开始构成全球问题的今天，基因工程及其伴随的细胞工程、酶工程和微生物发酵工程（统称生物技术）将是帮助人类克服这些难关的金钥匙。基因工程在人类生活和社会发展中将起到越来越重要的作用。基因工程的发展日新月异，方兴未艾！它目前的发展状况正类似于40年代原子能技术和50年代半导体技术刚刚兴起的情形，毫无疑问，这一领域的发展势必会引起基础理论研究、工农业生产、医疗保健事业等各个领域的一场深刻的技术革命。
基因工程技术的前提条件是什么呢？答案就在于遗传密码的普遍性。进化程度差异很大的各种生物，不管是动物、植物、微生物还是人类本身，一切生物的遗传密码都是相同的。各个物种之间的区别仅在于它们所含的遗传物质-DNA分子的长度不同，即所载的信息量不同。这是人类所以能进行不同物种间基因操作的基础。
基因工程是有目的地在体外进行的一系列基因操作。一个完整的基因工程实验包括5个步骤：（1）获取目的基因；（2）获取基因载体；（3）重组DNA；（4）把重组DNA导入受体细胞进行扩增；（5）筛选与培育。
这一流程只是基因工程的基本轮廓，远远不能包含基因工程的全部内容。一个完整的基因工程实验异常复杂，它犹如一条长长的链锁，由许多紧密相连的环节组成。
4.基因工程运用的工具
基因工程的操作，是分子水平上的操作，它是依赖一些重要的酶作为工具来对基因进行人工切割和拼接等操作，所以把这些酶称为工具梅或基因工程工具。自然界的许多微生物体内存在着一些具有特异功能的酶类。这些酶类参与微生物的核酸代谢，在核酸复制的修复等反应中具有重要作用，有的酶还作为微生物区别自己和非自己的DNA，进而降解非己DNA的防御工具。在研究掌握了利用这些酶类对基因切割，拼接操作方法后，人类获得了最好的基因工程工具，扩大了人类改造生物的能力。（1）限制酶
限制酶的发现给基因工程的发展起了巨大的推动作用。限制酶是基因工程中不可缺少的工具酶，有人把它比喻为“基因工程的手术刀”。限制酶切点专一，它作用于DNA分子，产生特异DNA的片段。用DNA连接酶，可将这种DNA片段与用同种限制酶处理得到的另一种DNA片段连接起来，而组成杂合DNA分子。
几乎所有种类的原核生物都能产生限制酶。根据结构和功能特性，可将限制酶分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。Ⅰ型和Ⅲ型限制酶的切点不固定，不能产生可以利用的DNA片断，因此基因工程中所用的限制酶都是Ⅱ型限制酶。
由于限制酶的大量发现，需要有一个统一的命名法，以免造成混乱。现行Ⅱ型限制酶命名法要点是：①限制酶的名称由三个字母组成。第一个字母采用细菌属名的第一个大写字母，第二和第三个字母采用细菌种名的前两个字母。如大肠杆菌（Escherichia coli）用Eco表示，流感嗜血菌（Hacmophilus influcnzac）用Hin表示。②第四个字母是表示菌株的类型，如Ecor中的R代表大肠杆菌R株。③如果一个菌株中有几种限制酶，则在代表菌株的字母后用罗马数字表示。如流感嗜血d株有几种限制酶，则分别表示为Hindl、Hindll、Hindlll等。④当同属细菌的不同细菌名前两个字母完全相同时，一般取名词头后的第一个字母来代替酶名字中的第三字母。例如Hinfl表示是从流感嗜血杆菌的f菌株中发现和提纯的第一种限制酶。迄今发现的限制酶有400种，基因工程中常用的EcoRI、BamHll、Hindlll、Hinclv、Pstl、Pvull等十分钟。
Ⅱ型限制酶是一种位点特异性酶，能够识别双链DNA分子中的特异序列，并在特定部位上水解双链DNA中每一条链上的磷酸二酯键，从而造成双链缺口，切断DNA分子。限制酶的识别序列一般为4～8个核苷酸，这此序列大多呈回文结构，也就是说，序列正读和反读是一样的。例如，EcoRⅠ识别6个核苷酸序列，在特定的G－A之间切割DNA分子：
EcoRⅠ酶切
EcoRⅠ识别6个核苷酸的序列，在特定的A－A之间切割DNA分子：
EcoRⅠ酸切（3＇粘性末端）
由于大多数Ⅱ型限制酶在双链核苷酸回文序列中相应的部位上进行切割，因此，经限制酶切割的双链DNA形成所谓的粘性末端，也就是在DNA末端由几个碱基组成的能与具有互补末端的DNA片段连接的部分，多数限制酶在作用后产生具有5′末端突出或3′突出的粘性末端。例如EcoRⅠ和BamHⅠ在切割双链DNA形成3′粘性末端，PstⅠ切割双连DNAⅠ形成5′粘性末端。
粘性末端能与另一个相同的粘性末端相连接，任何两个具有相同识别位点的DNA分子经限制酶切割点后能够重新连接成新的重组DNA分子。在进行DNA重组时，应用限制酶同时切割目的基因和载体DNA，使之产生相对的粘性末端，然后再将二者连接成重组DNA分子。
酶切产生的平端也可用连接酶连接。平端之间的连接效率比粘性末端之间的连接效率要低，但因平端连接具有普遍适应性，所以极其有用。例如限制性内切酶HaeⅢ产生的平端，不仅能与HaeⅢ切出的平端或其他内切酶切出的平端连接，而且能与补平后的3′突出端相连接。平端连接还可应用于合成的多克隆位点（DNA多接头）连接到DNA的末端。
与其他酶学反应一样，应用各种限制性内切酶切割DNA时需要适宜的反应条件，包括温度、pH值和离子强度等等。限制酶的活性单位是指某种限制酶在最适合反应条件下，1微克DNA于1小时完全酶切的酶量。
在商品目录中或某些论著中，有些酶被标记上星号（*）。如EcoRⅠ*，意思是说在反应体系变化时，酶的性能甚至酶切位点可能会改变。例如离子强度降低，pH值升高，或酶浓度过高，WcoRⅠ除切割GAATTC，还非随机地切割AATT序列，这给操作使用造成困难。这就是所谓的“星号活性” （star activity）。发生星号活性的EcoRⅠ，还有HindⅢ、HbaⅠ、BsuⅠ、XBbaⅠ、SalⅠ、Pst、BamHⅠ和SstⅠ等。关于星号活性的发生机制尚不清楚。维持反应体系适当的离子强度、较低的温度或酶浓度，尽可能缩断反应时间或DNA样品的重新处理等措施，常常可使星号活性得以克服。
在DNA重组技术中，限制酶主要用于：
①在特异位点上切割DNA，产生特异的限制酶片段；
②建立DNA分子的限制酶图谱；
③构建基因文库；
④用限制酶切出的相同的粘性末端，以便重组。（2）DNA聚合酶
DNA聚合酶的种类很多，它们在细胞中的DNA复制过程中起着重要的作用。DNA聚合酶有DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类。基因工程中很多步骤都需要DNA聚合酶催化DNA体外合成反应，这些酶作用时大多都需要模板，合成产物的序列与模板互补。基因工程常用的DNA聚合酶有：①大肠杆菌聚合酶Ⅰ（全酶）；②大肠杆菌聚合酶Ⅰ大片段（Klenow片段）；③T4噬菌体DNA聚合酶；④T7噬菌体聚合酶及经修饰的T7噬菌体聚合酶（测序酶），⑤耐热DNA聚合酶（TaqDNA聚合酶）；⑥末端转移酶（末端脱氧核苷酸转移酶，也属DNA聚合酶）；⑦逆转录酶（依赖于RNA的DNA聚合酶）。
DNA聚合酶Ⅰ是基因工程中最常用的工具酶。DNA聚合酶Ⅱ是一条120kD的肽链，催化5′→3′方向合成DNA，也具有3′→5′外切酶活性但没有5′→3′外切酶活性。可能在当细胞DNA受到化学或物理损伤时，DNA聚合酶Ⅱ在修复过程中起特殊作用。DNA聚合酶Ⅲ全酶是一种大于250kD，由多种亚基组成的蛋白质，它是不对称的二聚体，两个亚基可分别同时催化前导链（leading strand）及后随链的合成。DNA聚合Ⅲ与DNA聚合酶Ⅰ相同，也具有3′→5′外切酶活性。在DNA聚合作用中，核苷酸添加的错误率达1/1000。由于DNA聚合酶Ⅰ和DNA聚合酶Ⅲ全酶的3′→5′外切酶活性，可以终止核苷酸加入并除去错误核苷酸，然后可继续加入正确的核苷酸，可将错误率减少到百万分之一或更少。
大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ（全酶）：DNA聚合酶Ⅰ的分子量为109kD，是一条约1000个氨基酸残基的多肽链。它具有三种活性：①5′→3′DNA聚合酶活性（能以单链DNA为模板，在3′－OH引物的引导下，按5′→3′方向，合成互补的DNA序列），②3′→5′外切核酸酶活性（能够去除延长的核酸链上的3′－OH末端上的核苷酸，可以沿3′→5′方向降解双链或单DNA链DNA，释放5′－单核苷酸），③5′→3′外切核酸酶活性（能从DNA链5′－OH末端降解双螺旋DNA的一条链，沿5′→3′方向，释放出单核苷酸或寡核苷酸）。DNA聚合酶Ⅰ的主要用途：①用切口平移方法标记DNA（可作杂交探针），②利用其5′→3外切核酸酶活性降解寡核苷酸作为合成cDNA第二链的引物，③用于对DNA分子的3′突出尾进行末端标记，用于DNA序列分析。
大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ大片断（KLENOW）：KLE NOW片断是用枯草杆菌蛋白酶裂解完整的DNA聚合酶Ⅰ产生，或通过克隆技术而获得。此酶是单一多肽链，分子量76kD。它具有5′→3′聚合酶活性和3′→5′外切酶活性，而无5′→3′外切酶活性。Klenow片段的主要用途：①补平限制性内切酶切割DNA产生的3′凹端；②用［32P］dBTP补平3′凹端，对DNA片段进行末端标记；③对带3′突出端的DNA进行末端标记；④在cDNA克隆中，用于合成cDNA第二链；⑤在体外诱变中，用于从单链模板合成双链DNA；⑥应用双脱氧链末端终止法进行DNA测序。
T4噬菌体DNA聚合酶：T4噬菌体DNA聚合酶（分子为114kD），与Klenow片断相似的是：都具有5′→3′聚合酶活性及3′→5′外切核酸酶活性。其3′→5′外切酶活性对单链DNA的作用比对双链DNA的作用更强。它的外切核酸酶活性比Klenow片段要强200倍。由于它不从单链DNA模板上置换寡核酸引物，因此在体外诱变反应中，它的效率比Klenow片段更强。它的主要用途：①补平或标记限制性内切酶消化DNA后产生的3′凹端，②对带有3′突出端的DNA分子进行末端标记；③标记用作探针的DNA片段。④将双链DNA的末端转化成为平端。⑤使结合于单链DNA模板上的诱变寡核苷酸引物得到延伸。
Ts噬菌体DNA聚合酶及由此改造的测序酶：T7噬菌体感染大肠杆菌诱生的DNA聚合酶，是两种紧密结合的蛋白质的复合体。这两种蛋白质一种是T7噬菌体基因5蛋白，另一种是宿主蛋白的硫氧还原蛋白。该酶是所有已知DNA聚合酶中持续合成能力最强的一个，它所催化合成的DNA的平均长度要比其他DNA聚合酶催化合成的DNA平均长度大得多。它的3′→5′外切核酸酶活性约为Klenow片段的1000倍。它没有5′→3′外切酶核酸酸活性。它的主要用途：①用于拷贝长段模板的引物延伸反应，②通过补平或交换（置换）反应进行快速末端标记。
T7噬菌体聚合酶中基因5蛋白中一个结构区，与大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ的DNA结合处及聚合结构区高度同源。这一结合及聚合结构区包含了该蛋白近羟基端的序列，而其氨其端则具有强有力的3′→5′外切核酸活性。用氧作还原剂把该酶分子与氧及二价铁离子处理可使酶3→5′外切核酸酶活性灭活而保留其聚合酶活性。改造后的酶的持续合成能力很强，是双脱氧链终止法对长段DNA进行测序的理想用酶。后来由United States Biochemical公司以测序酶（sequenase）作为商品名投放市场，现在已通过基因工程手段生产出一种改进的测序酶（2.0版），它完全丧失了外切核酸酶活性。
耐热DNA聚合酶（Taq DNA聚合酶）：这是一种耐热的依赖DNA的DNA聚合酶（分子量65kD，原是从嗜热的水生菌Thermus TMaquaticus中纯化来的，现在以基因工程生产并出售（AmpliTaq）。这些酶具有依赖于聚合物5′→3′外切核酸酶活性。用途：①用于DNA测序，②用于聚合酶链式反应（PCR）对DNA片段进行体外扩增。
末端转移酶：从动物胸腺和骨髓中提取。此酶催化脱氧核苷酸添2＋加到DNA分别的3′－OH末端上，催化作用不要求有模板，但需Co的存在。末端转移酶可作一群DNA分子的3′－OH末端接上寡dA或dC，而给另一群DNA分子的3′－OH末端接上寡dT或dG，混合这两群分子，即可使同聚物尾部退火形成环状分子。用途：①给载体或cDNA加上互补的同聚尾，②用于DNA片段3′末端的放射同位素标记。（4）DNA连接酶
能将两段DNA拼接起来的酶叫DNA连接酶。该酶催化DNA相邻的5′磷酸基和3′羟基末端之间形成磷酸二酯键，使DNA单链缺口封合起来。大肠杆菌和动植物细胞中都有DNA连接酶。为将限制性酶切片段共价地连接起来，可使用T4DNA连接酶，或大肠杆菌连接酶。T4 DNA连接酶是分子量58kD的多肽，是T4噬体感染大肠杆菌而产生的。在连接反应中以ATP为辅助因子，是应用最广的连接酶，有商品供应。它的用途是：①连接带匹配粘端的DNA分子，②使平端的双链DNA分子互相连接或合成的接头相连接。大肠杆菌DNA连接酶能使互＋相匹配的5′突出端和3′突出端的双链DNA连接，反应中以NAD作为辅助因子，基因工程不常用。（5）S1核酸酶
S1核酸酶是由米曲霉（Aspergill suoryzde）中提取的。S1核酸酶是一种特异性单链核苷酸外切酶，能降解单链DNA和单链RNA，产生5′单链核苷酸或寡核苷酸。双链DNA、双链RNA和DNA－RNA杂交分子对S1核酸酶具有较大的抵抗力，只有高浓度的酶才可使其消化。它水解单链DNA的速率要比水解双链DNA快75000倍。酶反应的最适pH为4.0～4.3，PH时酶活性下降50%。通常酶反应在PH进4.94.62＋行，以防DNA变性，酶反应需要低浓度Zn，但可被EDTA和柠檬酸盐等整合剂所抑制。在10～30mmol/L范围内变化的NaCⅠ浓度对酶活性无影响。该酶在尿素、SDS和甲酰受中稳定。S1核酸酶在基因工程中用途很多：①去除DNA片段的单链突出端，使之成为平端，利用某些情况下片段之间的连接；②去除cDNA合成时形成的发夹结构；③施行S1核酸酶保护试验（S1protection或S1maping）分析，转录产物；④成熟m RNA与基因组DNA杂交后，结合S1核酸酶水解，可确定内含子在基因组DNA中的定位；⑤修整渐进性删除突变的末端。（6）Bal31核酸酶
Bal31核酸酶是由海生菌（Alteromonas espeliana）提取的。该酶具有高度特异的单链脱氧核糖核酸内切酶活性，也可在缺口或超螺旋卷曲瞬间出现的单链区域降解双链环状DNA或在3′或5′端，渐进地降解双链线性DNA。Bal31核酸酶具有核糖酸酶活性，能降解rRNA和2＋2＋2＋tRNA。该酶反应需要Ca和Mg为辅助因子。Ca的特异螯合剂EDTA可终止该酶的水解反应。Bal31核酸酶主要用途：①用于不同长度的删除突变克隆实验及基因结构、机能分析，②绘制DNA限性内切图谱，③研究超螺旋DNA的二级结构和致畸剂引起的双链DNA螺旋结构变化。（7）碱性磷酸酶
基因工程中，广泛使用的碱性磷酸酶有两种，一种是从大肠杆菌提取的BAP，另一种是从牛小肠提取的CIP。两种碱性磷酸酶均能催化去除DNA、RNA、rNTP和dNTP的5′磷酸基，产生5′羟基末端。两2＋种酶反应均需Zn。区别在于BAP耐热，而CIP在70℃加热10分钟或经酚抽则灭活；CIP的特异活性较BAP高出10～20倍。因此，CIP应用更广泛。碱性磷酸酶主要用于：①去除DNA和RNA的5′－磷酸基，32然后在T4多聚核苷酸激酶催化下，用［r－P］ATP进行末端标记，继而进行序列分析；②去除载体DNA5′磷酸基，防止自我环化，降低本底，提高重组DNA检出率。（8）逆转录酶
逆转录酶（reverse transcriptase）又称为依赖RNA的 DNA聚合酶。1970年很多研究者从一些致癌RNA病毒中发现这种酶，该酶催化以单链RNA为模板生成双链DNA的反应。由于这一反应中的遗传信息的流动方向正好与绝大多数生物转录生成方向（即DNA模板转录生成RNA的方向）相反，所以此反应称为逆转录作用。逆转录酶具有三种酶活性：①RNA指导的DNA合成反应；②DNA指导的DNA合成的反应；③RNA的水解的反应。
基因工程中有两种商品化的逆转录酶：一种来自纯化的禽成髓细胞瘤病毒（avian myoblastosis virus，AMV）提取的；另一种是Moloney鼠白血病病毒（moloney murine leukemia virus，Mo－MLV）克隆的逆转录酶编码基因在大肠杆菌的表达产物。这两种逆转录酶有一些区别，禽源逆转录酸在42℃（鸡的正常体温）能有效发挥作用，而鼠源逆转录酶在42℃时则迅速失活。禽源逆转录酶能更有效地拷贝较复杂的mRNA。禽源逆转录酶和鼠源逆转录酶均属多功能酶，它们的共同性质是：①具有RNA指导的DNA聚合酶活性，可以RNA为模板，以寡聚脱氧核糖核苷酸为引物，合成互补的DNA（cDNA）；②具有DNA指导的DNA聚合酶活性，但不具DNA聚合酶那样的3′→5外切酶活性；③具有RNaseH活性，即从5′或3端连续地降解RNA：DNA杂种双链中的RNA部分。
在基因工程中，逆转录酶的主要用途是：①将真核基因的mRNA转录成cDNA，构建cDNA文库，进行克隆实验；②对具有5′突出端的DNA片段的3′端进行填补（补平反应）和标记，制备探针；③代替Klenow大片段，用于DNA序列测定。
5.基因工程的“施工”过程
基因工程是一次非常复杂的技术操作。它的环节之繁多、操作之细致是其他工程所无法比拟的。但是如果跳开细节问题，基因工程操作流程还是比较明了的。它的基本步骤大致可归纳如下：
第一步：制备所需的基因（即目的基因）
所谓目的基因就是人们依据工程设计中所需要的某些DNA分子的片段。它含有一种或几种遗传信息的全套遗传密码。DNA的种类繁多，每个DNA分子所包含的基因也很多，但它在细胞内的含量却很少。因此，要获得一定量的目的基因，是一件十分复杂的细致工作。目前采用的分离、合成目的基因的方法有多种。如：超速离心法，是根据不同基因的组成不同，其浮力、密度等理化性质也不同的原理，应用密度梯度超速离心器，直接将不同的基因分离出来；噬菌体摄取法，是利用噬菌体侵入到细菌细胞中，其染色体能与细菌细胞染色体整合并一同复制的特性。在一定条件下，噬菌体可以从细菌中释放出来，并带出一部分细菌的染色体，从而可以从带出的这些细菌染色体上获得目的基因；反录酶法，是先分离出特定基因的mRNA，再用反转录酶作催化剂，以mRNA为模板，合成所需要的DNA目的基因；分子杂交法，先用加碱或加热的办法使DNA变成单链，而后加入有放射标记的RNA，让DNA在特定条件下，结合成DNA与RNA的杂合分子，再用多聚酶制备出足够数量的双链的DNA分子，进而获得DNA目的基因；霰弹枪法，是用酶将已切割成的DNA片断与载体混合生成杂合子，再导入到大肠杆菌中去繁殖，然后分离筛选出所需要的目的基因；合成法，如果已知道基因DNA的碱基排列顺序，就可以采用不同的核苷酸为原料，用特定的酶催化，直接合成目的基因。
第二步：选择基因载体
在基因工程中必须把外源基因转移到宿主细胞中去。要实现这种基因转移，还需要一种合适的运转基因的载体。理想的载体要具备有如下条件：能够自我复制；大小要适度，能从外部进入细胞；稳定安全可靠；要有遗传标记和选择性的识别标记。通常选用的基因载体有三类：一类是细菌质粒。它是存在于细菌细胞中染色体外的环状的 DNA，也叫“核外遗传体或外染色体”，是具有遗传特性的物质。由于它能独立复制，也能组入到宿主细胞中，与宿主细胞的染色体一起复制、转录、翻译表达，因而在基因工程中是常被选用的载体。例如：土壤根癌农杆菌中有一种环状DNA物质——Ti粒，它能够带着重组的基因稳定地整合到宿主细胞核的基因中去，进行复制、转录和表达。Ti质粒是目前高等植物基因工程中，常被选用的基因载体；另一类是噬菌体和病毒。如N－噬菌体和SV40（猿猴病毒）等，在微生物和哺乳动物体细胞的基因工程中，作为基因载体已广泛被应用。在植物病毒中，除了利用自然无毒的病毒品系，如抗烟草花叶病毒（TMV）外，对其他绝大多数的病毒都必须进行若干修饰或改造，才能成为可用的基因载体。修饰改造的目标之一，就是要减弱或消除病毒的致毒性，使其引起宿主细胞病症的毒性降至最低水平，并在使用过程中使其原有毒性不至于复发。此外，再有一类载体就是转座因子、人造粘接体等。它们的主要成分都是不同的脱氧核糖核酸（DNA）。
第三步：基因转移
把所取得的基因引入细胞的方法随接受这基因的细胞的不同而不同。接受基因的细胞可以大致分为三类：以细菌和酵母菌为主的微生物；人、家畜和实验动物的细胞和植物细胞。
转化是把基因引入微生物细胞的常用方法。转化是细菌在特定的生理状态下摄入DNA的过程。一种称为电击穿孔的方法则较少依赖于细菌的生理状态，把细菌悬浮在电场中，短时间的通电能使细胞膜破损而令DNA进入细胞中去。
对于人和动物细胞来讲，引入外来基因的方法的采用要视细胞对象而不同。对于身体细胞来讲，用于微生物的方法也可以采用。此外还常用微粒子轰击法和微小囊体融合法。微粒子轰击法是将DNA吸附在钨或金的微粒上，通过特制的枪的轰击把DNA导入细胞。微小囊体融合法是将DNA包在人工制造的磷酯类微小囊体中，依赖于囊体与细胞的融合而把DNA输入细胞中去。
卵细胞体积大而数量少，所以常用显微注射方法引入DNA。显微注射当然是一种很费事的操作，不过现在某些实验室已采用电脑控制的自动化装置，应用这种装置每小时可注射1500个卵细胞。
植物细胞具有坚硬的细胞壁，所以一般在进行导入外来DNA操作以前先把它的细胞壁用溶解纤维素的酶处理，去除了细胞壁的细胞形成圆球状的原生质体。以上介绍的方法于是都可以应用于原生质体的悬浮液。在一定的条件下导入了外来基因的原生质体又可以形成细胞壁，甚至可以生长成植株。去除了细胞壁的植物细胞会发生融合。融合也可以发生在去除细胞壁的植物细胞与细菌细胞之间，通过这种融合可以把细菌细胞中所包含的运载着的基因直接导入植物细胞而毋须抽提它的质粒。当然方法各有利弊，例如最后一种方法似乎简便易行，可是在细胞融合过程中不需要的物质也将随着外来的基因同时进入细胞，这对以后的工作将会产生一些不利的影响。
除运用化学物质诱导细胞摄入基因的方法外，将外源基因直接导入受体细胞的方法也不断研究和采用中，它能有效地提高DNA的转化率。下面介绍几种常用的方法。
①电激法。这是用瞬间脉冲刺激细胞膜，在一定强度的电脉冲作用下，使其脂质部分形成若干可以逆转的小孔，以增加通透性而不损伤细胞膜的基本结构。这些孔就成了外部重组的DNA分子进入细胞的通道。电脉冲的强度可决定孔的直径大小和数量。孔的直径大小又决定了DNA进入细胞的速度和难易。但是如果电脉冲强度超过了临界，细胞膜就会遭到不可逆转的破坏。美国农业局的科学家詹姆斯·桑德思和本杰明·马修斯成功地将大肠杆菌产生的β－葡萄糖苷酸酶（GUS）的基因，用电脉冲植入到烟草发芽的花粉细胞中，在再生的烟草植株内发现了GUS。他们先将细菌的基因提取出来，当烟草的花粉粒发芽并长出花粉管时，就立即将二者混合放入一试管中，试管里有两根相距2毫米的不锈钢的电极。当通上电流后，两极之间产生了很强的电脉冲，持续时间80微秒，电势为9千伏/厘米2，使花粉管上被击出一些小孔。这些小孔能持续开放30分钟左右，GUS的DNA就由这些人眼看不见的小孔进入到花粉细胞中，而花粉壁因较厚不会被电脉冲击穿。
②微注射法。在显微操作和相差显微镜等精密技术设备条件下，用毛细管针将外源基因直接注射到细胞中去。
③激光打孔注入法。用激光在植物细胞壁、细胞膜和核膜上开孔，将开了孔的细胞浸于外源基因培养液中，培养液的浓度应略高于细胞内液体的浓度，使外源基因从孔中注入细胞内。日本用这种方法已成功地给大麦注入了外源基因，速度比较快，30～40分种就能给几万个细胞注入完毕。
④黄金弹射入法。用极微小的固体黄金颗粒为子弹，弹上涂上DNA，放在一张非常薄的膜上，然后用加压的氦气射流把薄膜猛烈地击入一个滤网，使膜上的黄金微粒以接近手枪子弹的射击速度，穿过薄滤网和细胞膜，进入细胞内。美国得克萨斯大学西南医疗中心的研究人员，已经成功地把涂有萤火虫基因的黄金子弹，射入了小鼠的皮肤和肝细胞内，并证实被射入的基因在10%～20%的受轰击的细胞内工作了14天，研究人员寄希望用这种办法，把某些基因射入人体细胞，以矫正和医治由于基因缺陷或掉失而引起的各种疾病。
⑤“基因枪”法。是用各种特制的“基因枪”把带有外源基因的“微型弹”直接嵌入受体细胞中去。美国有两个研制作物种子的科研小组，都宣布他们使用了一种相同的“基因枪”，把涂有外源基因的小弹丸射到了玉米细胞里面去，并得到了表达。这两个实验小组中一个实验小组在弹丸表面涂的是一种能产生荧光的基因，这种基因引入到试验的玉米细胞中之后，能促使玉米产生比较低，但却可以探测得到的微弱的光线。研究人员说：这两种特殊基因中的任何一种都对玉米特别有用，而且“基因枪”技术代表着可以把具备任何特性的基因引入谷物内的研究发展方向。
在我国，由清华大学和中国科学院联合组成的“基因导入细胞技术”课题组的研究成果——“ZHFQ－1型撞击发射式基因枪”，已于1991年12月26日通过了技术鉴定。这种“基因枪”具有结构合理、造价低廉、使用操作方便，无硝烟污染、冲击波影响小等优点。这个联合课题研究组在国内已首次成功地将抗虫基因用基因枪引入了玉米细胞，并得到了转基因植株，进行大田栽培试验并已经成活。专家们认为这项成果达到了国际上同类工作先进水平。在植物基因工程和人类基因治疗方面都有广阔的应用前景。
第四步：外来基因的检出
无论哪一种导入DNA的方法都会带来接受外来DNA的细胞的死亡，在活下来的细胞中也总是只有一小部分真正接受了外来的DNA。因此必须有一种方法来检出这些细胞。
最常用的办法是用一个抗药性质粒作为基因载体。如果说质粒上有一个抗氯霉素基因，那么把经转化处理的细菌接种在含氯霉素的固体培养基上，在这上面长出来的菌落必然由含有这一质粒的细菌所长成。不过这样检出的细菌固然含有这一质粒，质粒上却未必运载着外来的基因，因为经过限制酶切的质粒可以通过自身的两个酶切末端的连接而成为不带有任何外来DNA的质粒，而这样的质粒同样可以通过转化进入细菌细胞而使它们对氯霉素具有抗性。
为了避免上述困难可以采用下面这一策略：选择一个具有两个抗药基因的质粒作为基因载体，其中一个抗药基因的内部要求有某一限制酶的单一识别序列，利用这一识别序列来克隆外来基因，如果这里有外来的DNA插入便导致这一抗药基因的失活，因此可以从这一基因载体所给予细菌的另一种抗药性来检出带有外来基因的细胞。
在以上这两种方法中接受外来基因的细胞应该是对这些药物呈敏感状态的；抗药性基因载体和敏感的受体细胞配成一对成为一个转化系统。按照同一原理可以用一个营养缺陷型细胞株系作为受体，用带有相应的野生型基因的质粒作为基因载体，在不加受体细胞所需的物质的培养基上生长的菌落都由接受了这一基因载体的受体细胞所长成；这里带有野生型基因的载体和营养缺陷型株系配成一对，成为一个转化系统。
在以是这些方法中所检出的不过是含有载体，或者至多是带来外来DNA片断的细菌而已，至于这些DNA片断是否是所需要的基因还是依靠其他方法来确定。确证的方法有两种，一种是根据外来DNA的核苷酸序列的检验，另一种是根据外来基因所编码的多肽序列的特性的检验，前者所应用的是核酸分子杂交方法，后者所应用的是免疫化学方法。这里面涉及的许多反应原理和技术细节只好略而不谈了。
基因工程为科学研究和生产实践开辟了一条新路。过去用传统方法要试验研究基因在新的遗传环境中的功能，以及验证它对生物的影响，是不可能进行的。而现在已成为遗传研究中的常规手段。用基因工程生产人们所需要的生物产品，已成为新兴的产业。1997年美国加州的科学家，将生长激素释放抑制因子的基因转入大肠杆菌，在大肠杆菌培养液中，生产出了这种由14种氨基酸组成的多肽激素，仅用9升培养液，就提到了5毫克激素。这相当于从50万只羊的下丘脑中所能提取到的激素量的总和。1979年，美国又利用细菌生产人的胰岛素，以满足医治糖尿病的需要。他们用基因工程把人的胰岛素基因导入大肠杆菌，用几公斤培养大肠杆菌的发酵液，就生产出了3～4克胰岛素，相当于过去从100公斤大家畜胰脏中才能提取出来的胰岛素数量，而且生产过程也简便得多。由这些事例来看，我们也就能够理解了，人们为什么对基因工程那么重视，那么感兴趣。
6.中国的基因工程
基因工程的研究在国外开展得如火如荼，在中国进行得怎么样呢？
我国自70年代末即开始了基因工程研究工作。最几年来，我国的基因工程取得了很大的成绩，利用DNA重组技术表达了乙型肝炎表面抗原、胰岛素、干扰素、青霉素酰化酶、猪牛生长激素、促红细胞生长素等等。其中基因工程乙肝疫苗、基因工程α1型干扰素已投放市场，还有好几种基因工程医药也已进入了中试阶段，转基因植物和生物农药的基因工程工作，也将进入中试、野外试验阶段。但是基因工程技术在生产上的作用还发挥不够，经济效益还不大，还有待于提高水平以及培养人才。
我国目前还缺乏具有生产意义的基因工程元件（目的基因）。发展基因合成技术，开发基因源是发展基因工程的先决条件。我们还缺乏高效的转录启动子和宿主细胞系统，需要努力构建适用于不同宿主系统的高效表达的载体系统。基因工程下游的重要环节是表达后产物的分离、纯化，即基因工程的后处理工艺。在研究表达产物的分泌机制，建立分泌型载体受体系统等等方面，都有待于我们进一步深入研究和开发。
目前，基因工程中的许多新技术尚处于探索研究阶段，需要从理论上搞清楚。只有科学研究取得突破，才有可能开拓新的技术，新的产业才能达到较高的科学水平，从而显示出经济效益。从这个意义上讲，基础研究的水平代表了一个国家的科技实力。同时，开展基础研究也是消化吸收国外先进技术和培养人才的重要条件。因此，我国应当对生物技术的基础研究予以足够的重视。
目前，我国基因工程基础研究还比较薄弱。以我国的农业科学来说，虽然，近年来，我国十分重视基因工程在农业科学中的应用，并取得了许多重大成果，但基础研究水平还是不高，多数工作仍处于起步或模仿的阶段，与国际先进水平相比，差距还较大。
组织培养是细胞工程中容易见效的技术手段。国外对农作物遗传规律和机理研究较多，而我国这方面的研究较少。又如家畜胚胎移植技术，国外对生殖生物学的许多基础理论进行了深入研究，并不断扩大应用领域。作为胚胎移植基础环节的超数排卵技术，我国还没有过关，冷冻移植成功率低。20世纪70年代以来，国外在基因工程疫苗、自生固氮基因转移方面已经取得了较大进展，而我国这方面研究基础较差，进展缓慢。
从总体上说，我们的基因工程基础研究还相当薄弱，突出表现在：一是当前基因工程研究的选题范围、应用目标和技术路线仿国外的多，创新的少：二是将实验室成果转化为商业化产品的基础技术水平低，延缓了科研成果转化为生产能力的周期；三是有重要经济意义的微生物、植物和动物的生物学基础研究薄弱。对此，我们应有紧迫感和危机感。
近几年来，我国做了很大的努力，投入巨资兴建了现代化的生物工程开发中心，还建立了分子生物学、植物分子遗传学、遗传工程、分子酶学和天然药物及仿生药物等国家重点实验室。这些实验室对推进我国生物技术基础研究具有深远意义。
分子生物学国家重点实验室于1985年建立之后，在承担国家重点科技攻关项目，国家工业性试验项目和跟踪世界生物技术发展中起了重要作用。分子生物学是生命科学中的带头学科。它使生物学中各个学科与物理、化学密切联系起来，推动整个生物学的全面发展。它主要研究生命的物质基础，特别是研究蛋白质、酶和核酸结构与功能的关系，以阐明生命现象的各种秘密和机理。自20世纪50年代，分子生物学崛起以来，它发展迅速。如遗传物质基础的核酸双螺旋结构的发现，就是其中的一个。认识生物是改造生物的基础。分子生物学的基础研究已在工、农、医等领域的生产实践中发挥了重要作用，加强分子生物学的基础研究，对生物技术基础理论和实际应用的发展都有重大作用。
基因工程是在遗传学和分子生物学发展的基础诞生的。它研究决定遗传性状的基因重组和移植；研究基因的表达，即外源基因送到受体细胞中后，使基因信息得到表达的调节、控制的机理等。
同时，这些实验室对外开放，能够吸引国内外优秀的中青年学者，特别是留学国外的我国优秀学者归国进行研究工作，成为我国培养人才的重要基地。
当前，应考虑我国目前的实际情况，暂时不能投入较多的资金全面开发基础理论研究，要合理部署生物技术基础研究的配置工作，即结合国情，选准突破口，以近为主，远近结合。首先要重点地发展那些对生物技术发展和应用直接起作用的关键性技术。基因工程既是生物技术的基础，又是生物技术研究开发的主导，加强这方面的研究工作，对提高我国科研水平，促进今后生物技术的发展至关重要；其次，在有选择地从国外引进、吸收和消化先进技术的同时，要重视那些为开发新产品、发明新技术和创造新生物类型所必需的基础研究；其三，适当部署力量，开展分子遗传学、细胞学、微生物学和化学工程学等基础理论研究，以做好技术储备工作，为今后我国生物技术的持续和迅速的发展提供强有力的后盾。
基因工程下游过程的研究是我国的薄弱环节，应围绕攻关项目，鼓励企业创办研究机构和投资，组织好力量，动用生化工程的原理和方法，加强生产工艺和产物后处理技术等方面的研究，以便贯通基因工程的上游过程和下游过程，使科研与生产能够更好地衔接起来。
二、农业的“绿色革命”
地球上的人口在“爆炸”。人口的增长使得粮食的生产已远远不能满足需要。自从20世纪40年代开始，全全界共同发起了一场为饥饿而战的运动，这就是“绿色革命”。人们绞尽脑汁，采用各种手段、来进行“革命”。直到伴随着第一种转基因植物的问世，新的绿色革命时代才真的来临了。
1.植物界在“革命”
植物，特别农作物正进行着一场“革命”，转基因植物创造了奇迹。那么，什么是转基因植物呢？
简单地说，转基因植物是具有另一种植物性状的植物。我们知道，植物的遗传性状是由植物体的遗传基因决定的。基因是由细胞核里的一处结构复杂的化合物构成的，这种化合物就是DNA，一个基因就是DNA分子的一个片段。科学家们利用转基因技术从植物细胞里把DNA提取出来并转移到另一种植物的细胞里去，使之具有新的特性。这种植物就成为了转基因植物。
自20世纪70年代转基因植物出现以来，至今人们在这方面的科学研究和应用，已取得了巨大的成就。（1）含有抗性基因的基因植物
病虫害是影响农作物产量的主要原因之一，直到今天，抗病虫害的主要方法仍然是大量使用杀虫剂，即使在抗性植物研究获得巨大成就的美国，杀虫剂的使用量依然居高不下，大量使用杀虫剂不但增加了生产开支，还极大地污染了环境，影响着人类的健康。如果使农作物本身就具有抗病抗虫能力，杀虫剂需求量不就将大大减少吗？
20世纪70年代中期，科学家们就开始了植物抗性基因工程的试验，但是由于植物性基因本身的复杂性，一直未有突破性进展。20世纪80年代以来，随着在基因分离、基因载体的构建、植物的遗传转化和外源基因在高等植物细胞中的表达等方面的深入，特别是由于利用真核基因启动子构建融合基因的工作解决了外源基因在植物转化细胞中的表达问题，使科研人员增强了对发展植物抗性基因工程的信心。
1982年，美国孟山都公司和比利时根特大学的科学家宣布，他们分别成功地把细菌抗卡那霉素的基因移植到向日葵、烟草和胡萝卜等农作物的细胞中，使这些农作物具有很强的抗卡那霉素的能力。
这项研究成果公布以后，受到了广泛的称赞。科学家们认为，这项成果是利用基因工程改变农作物性状的一个重大突破。从此，科研人员将研究的重点深入到植物抗性基因工程研究上来。力图在短期内开发出具有抗病虫害、耐温耐寒、耐旱耐涝、抗除草剂、抗软化等抗逆性更强的转基因植株。
在这方面，美、日等西方发达国家开发起步早，发展势头旺。20世纪80年代中期，美国在大豆、小麦、玉米、棉花、甜莱、马铃薯、蕃茄、烟草、苜蓿等农作物上开始了全面性的植物抗性转基因试验。
1987年，美国Agracetus公司首先在棉花抗病虫害基因工程的研究上取得突破。他们利用农杆菌Ti质粒介导法将苏去金芽孢杆菌毒素基因转入商品棉，并从1989年起开始进行大田试验，结果表明抗虫基因棉花在受铃虫等危害的棉铃比正常棉低50%。Calgene公司已将耐两种除草剂（草甘膦和溴苯腈）的基因导入棉花，田间试验表明育成的溴苯腈棉花能抗比田间用药量高10倍的除草剂用量。此外，美国还进行了蝎毒素、蜕皮激素、昆虫病毒等基因转入研究，以培育具有多种抗逆基因的基因工程棉花。
1992年，美国Agracetus公司用AceellTM基因枪向玉米细胞内引进基因，从而成功地开发出抗病、抗虫、抗旱性以及养份含量更高的转基因玉米。这是一项具有巨大的经济效益的突破性成果，引起了生物学界的极大关注。
提高小麦的抗逆性始终是科研人员努力追求的目标。1992年，美国Monsanto公司宣布，他们研制出世界上第一种rDNA小麦，这是一项重大的突破。这项突破可导致抗病毒、抗霜冻、抗干旱小麦的出现。
在蕃茄抗性基因植株的研究上，美国也取得了飞速进展。1990年已培育出抗病虫蕃茄基因株；1991年研究成功抗软化耐贮藏的蕃茄。1994年，美国市场上又出现了保味蕃茄。保味蕃茄的投入市场，预示着DNA经过改性的农产品涌入市场的时代已经来临。
日本在植物抗性基因工程研究方面有自己的特色。他们根据国情，将研究的重点定在水稻抗基因的研究方面，1991年他们制定了专门的水稻基因组计划。日本国立农业环境研究院植物技术研究所在1990年末，已经开发抗水稻条纹枯叶病的水稻植株。这项成就是首次利用外壳蛋白性基因使水稻作物不受水稻条纹枯叶病侵害的尝试。此外，三井土津化学工业公司宣称，他们运用反义RNA技术已开发出一种无过敏原的转基因水稻新品种，其所含引起皮炎的过敏性蛋白质不到原先品种的20%。他们还将进一步修饰此基因水稻品种，研制出一种完全无过敏原的水稻品系。
中国的植物基因工程以及植物抗基因工程都起始于1986年，科研人员从零开始奋力拼搏，在较短时间里就实现重大突破，获得了四种抗病毒、抗虫、耐盐烟草和一种抗除草剂大豆的转基因植株。近年来，转基因植物研究又取得了许多突破性进展。
在大豆方面，华中农业大学从江汉平原土壤中的快生型根瘤菌中分离出优良基因，构建了基因库，然后通过三亲本杂交方式将其基因片段导入黑龙江地区的慢生型菌株中，培育出转基因“工程菌HN32”。两年来，在黑龙江、广西、四川、内蒙古等地累计推广128万亩，增产大豆17700多吨，创经济效益2800多万元。这也是一件具有国际先进水平的成果。
在马铃薯方面，中国微生物所首先找到了用核酶基因防治类病毒的方法，其研究成果居国际领先水平。这一成果对阻止马铃薯退化效果显著，目前已在野外实验中取得成功。
我国已在抗虫转基因棉花的研究方面取得重要进展。中国科技人员已将苏云金杆菌毒素蛋白基因（Bt基因）和胰蛋白酶抑制剂基因（Cpt基因）在成功地导入晋棉7号、冀合321、泗棉3号和中棉12号等生产用品种中，部分植株经室温抗虫性鉴定有明显杀虫能力，棉铃虫死亡率达60%-91.1%。
耐储藏蕃茄基因植株研究也取得重大进展。中国科学院植物研究所和微生物研究所的科技人员利用反义RNA技术，通过基因工程方法专一性地抑制多聚半乳糖醛酸梅（PG）与ACC合成酶基因的表达，在整体水平上调节基因活动。1991年，将两个蕃茄商业品种的批量转基因植株移入温室大棚种植，经过连续两年的观察实验证明，该转基因植株的果实抗真菌侵染能力明显提高，延长储存期一个月以上。
北京农业大学食品系副教授罗云波主持的转基因西红柿研究工作，1995年初宣布获得结果。该课题组成功地将阻断乙烯生物合成的反义Acc（乙烯中间产物）合成酶基因导入西红柿植株，其果实显示的极强的耐贮能力。这些成果，为在常温、常条件下保鲜西红柿提供了可能，能大大减少采后损失，这将带来巨大的经济效益。同时，也为培育其他转基因耐贮藏种类的果蔬品种，积累了宝贵的经验。（2）品质优良的转基因新品种
转基因技术运用于作物育种，也是一项前途无量的事业。我们知道谷类作物的蛋白质含量是比较低的，而豆类作物的蛋白质含量较多，比如大豆的蛋白质含量就高达40%。科学家们发现，在豆类作物细胞里，有一些基因跟蛋白质的合成有密切关系，如果能把这些基因移植到别的农作物身体里，必须提高这些农作物的蛋白质量。1981年，美国农业部和威斯康星大学的科学家，首次将大豆储藏蛋白的基因转到向日葵里。这一试验的成功为改良作物品种开辟了广阔的前景。这一成功的试验采用的是一种新技术，即分子育种技术。
分子育种技术是采用基因工程在植物的分子水平上改变农作物的遗传性状，培育出农作物新品种的育种技术。传统的育种技术是在细胞水平上进行的育种，采用的主要方法是有性杂交，人工诱变的筛选自然突变。这些方法主要的缺点是育种时间长、效率低。按常规方法实际上是把两种农作物的全部基因都混合起来。这样给当家品种带来人们想要的基因的同时，也带来了不想要的基因。人们想要分离掉不想要的基因，只有经过很多代的选育工作才能成功。由于分子育种能够将人们想要的基因提取出来，直接移植到当家品种中去，自然可以大大缩短育种周期。
但是，将提取出来的基因有效地移植到当家品种中去却是一项非常复杂，难度很高的工作，以至在开始几年里，这几方面的研究进展缓慢。近些年来，科学家们探索采用新的方法，使基因转移技术有了许多新的进展。例如，出现了电导技术，即用高压电脉冲来冲击植物的细胞。使细胞膜出现很微小的小孔，与此同时，让有用的基因从这个微孔进入植物细胞同里面的DNA相结合，成为细胞的基因。美国学者威廉、卡格里德和我国中山大学的遗传学家李宝健合作，采用这种技术在胡萝卜的细胞基因移植上获得了成功。再如，美国康奈尔大学的研究人员发明了基因注射技术。他们设计了一种基因注射枪，打一枪可以射出上千粒非常微小的金属粒子，这些微粒的表面包着遗传基因。微粒能够穿过细胞进入植物细胞里边，同时，也把基因带进细胞去。
我国在培育品种优良的转基因新品种方面，投入了大量人力物力，据不完全统计，全国有16个省市近30个实验室采用授粉后外源DNA（基因）直接导入植物的分子育种技术，已取得了良好的育种效果。
2.农作物不再害怕病虫害
病虫害对农民来说，一直是一件很头痛的事，基因工程解决了这一难题。植物基因工程尽管仅仅问世十几年，但已经在许多领域中取得了显著成绩。尤其是得到了一大批农作物的转基因植株，促进了农作物育种工作的顺利开展，具有重要的现实意义。用基因工程方法相继开发出了一块块在有潜力可挖的农作物分子育种新领地。到目前为止，主要培育出了具有以下优良特性的新的转基因农作物：（1）抗病性；（2）抗虫害；（3）抗除草剂；（4）提高蛋白质含量；（5）抗逆境；（6）延缓衰老。这些转基因作物的开发和利用，必将大大提高农作物产量，使世界上更多的人不虞饥饿。
植物基因工程取得的最鼓舞人心的业绩之一就是抗病性转基因作物的培育获得成功。我们都知道，种类繁多的病毒是农作物的天敌，它们的入侵使许多农作物的产量大大降低，给农业造成巨大的经济损失。据统计，仅此一项每年就使全世界农作物平均减产12%。靠大量喷洒农药以抵制病害不但对人造成危害，而且对许多病毒、细菌无济于事。所以科学家们下大功夫培育能抗病毒的转基因农作物，并已取得成效。抗病性方面的转基因操作有赖于早先在植物生理学方面的一些基础工作。科学家早就注意到某些受到中、低度病毒侵害的植物，其后反而增强了对烈性病毒的抵抗力。显然，低度病毒菌株的复制扰乱了烈性病毒的感染能力。科学家已将这种“交叉保护”原理用于蕃茄和烟草中。
1987年，美国华盛顿大学的比奇及其同事推论，病毒的某种单一成分可能起到了这种防护作用。他们构建了一个中间宿主——烟草花叶病毒的外壳蛋白（TMV）基因，将其转移到烟草和蕃茄植物细胞中，由此制造出转基因植物这些受到TMV感染的植物获得了对高浓度病毒的抵抗能力，从而有力地证明了“交叉保护”原理的正确性。
从此以后，科学家们利用“交叉保护”原理和基因工程技术，相继制造出了许多抗病毒农作物品种，包括苜蓿、马铃薯、水稻和甜瓜等。科学家们在对付其他病原体的战斗中也取得了胜利。日本的研究者把一种基因导入烟草，使之能够抵抗一种被称作“野火”的疾病，这种疾病是由一种很普通的土壤细菌引起的。植入的基因明显使植物能够生成一种能够破坏土壤细菌产生的有毒物质的酶。
1990年7月，美国新泽西的一家DNA植物技术公司由于发明了一种能够有效地把一种壳多糖酶病菌基因导入植物的方法而获专利。这种壳多糖酶能能够粉碎几丁质，一种真菌细胞壁的主要组成物质。用这种方法生产的转基因作物能够有效地抵抗真菌的入侵。
植物基因工程的另一重要目标是培育能抗虫害的转基因作物，特别是棉花、马铃薯、小麦等易受害虫侵害的重要农作物。众所周知，害虫给农业造成了极大危害，每年仅因虫害就使全世界损失数以千计斤的粮食。在过去30年间，主要是靠杀虫剂来抵御虫害。为了减少对杀虫剂的使用量，科学家发明了许多方法，其中一种最有效的方法是借助于苏芸金杆菌（Bt）来防虫害。这种细菌能够产生一种杀虫剂蛋白。常用的绝大多数的Bt制剂都能高度专一性地针对鳞翅目昆虫的幼虫——蛾和蝶，正是这些幼虫构成了主要的虫害。Bt蛋白连接到特定的受体中，这些受体处于被攻击的昆虫的肠膜部位。这一连接体与肠上皮细胞中的离子通道发生作用。这样就阻断了昆虫的进食能力。这些天然的杀虫剂优越于化学杀虫剂的地方在于它对人或其他动物没有毒性。但是也有令人不满意的方面：制取这种Bt蛋白杀虫剂比较麻烦，价格比较贵。20世纪80年代中期，基因工程专家成功地从Bt细胞菌中分离出了杀虫剂蛋白质基因，并采用子粒子枪和土壤农杆菌将这种基因转入蕃茄、马铃薯和棉花植株内，由此培育出的转基因植株表现出了对鳞翅害虫的特异性抗性。后来，将这种方法又加以改进，并将培育出的转基因作物放入大田进行试验。几年来的农田试验表明，转基因棉花使棉花杀虫剂的使用量减少了40%～60%。
科学家在研究中还相继发现了好多能够杀死除鳞翅目昆虫以外的其他类型的Bt基因，并把它们转入植物体内，生成相应的转基因作物。1991年夏天，从对美国的七个试验点所做的试验可以看出，具有抗甲虫基因的转基因马铃薯基本上对甲虫都有免疫功能。另外，美国的科学家最近发现Bt基因能有效地抗御植物寄生线虫，同时还发现Bt基因能抵抗蚊虫。一些专家正试图在海藻上研制一种杀虫剂蛋白以控制疟疾。Bt蛋白的专一性及其在植物组织中的定位能使其定向地攻击害虫，Bt基因在抗虫害转基因作物的培育过程中起着越来越来重要的作用。
3.消灭田间杂草
众所周知，杂草是农业生产的大敌，它对环境的适应性及繁殖能力都比作物强，因此与作物争夺养分、水分、阳光等，致使作物产量下降。同时它也是病原和害虫的巢穴，是病虫害的传播媒介。在全世界农业生产中，杂草每年使粮食减产10%左右。因此，自古以来防除杂草在农事活动中就占有重要的位置。自从20世纪50年代了发现了脲素型的除草剂以来，除草剂的发展和运用对农民从繁重的农田劳动中解放出来起了很大的推动作用。随着农业械化的实现，更要求高效的农田除草技术，而除草剂的应用，就是一种最有效、最省工的方法。
对除草剂的施用效果，人们追求的目标是既高效地除草又确保作物安然无恙。尽管由于作物与杂草的一些生理生态的差异以及某些栽培方式的辅助，除草剂致毒时对作物和杂草有所选择，如时差选择、位差选择及生理选择等，但作物的生长发育仍然或多或少地要受到一些影响。因此，如果作物本身具备了抗除草剂的特性，就如水稻对敌稗、玉米和高粱对阿特拉津具有不同的生化选择性而最终表现出抗性一样，除草剂的使用自然会更加方便有效。但遗憾的是自然界中能够抗除草剂的作物类型很少，能同时抗多种除草剂的作物就更是少见，对某种高效除草剂的抗性也往往仅限于少数几种作物。因此，如何运用基因工程技术解决上述问题，创造出更多抗除草剂的作物新品种，已成为当前植物基因工程研究的主要目标之一。
经过科学工作者们的不懈努力，目前这已是一项比较成功的植物基因工程。现在至少已培育出分别抗敌稗、镇草宁等4种以上除草剂转基因植物。比较突出的有：（1）1987年，比利时的德布劳克等使一种能够分解膦的基因在马铃薯、烟草和番茄植株中表达，由此产生的植株具有抗除草剂的能力，甚至当除草剂喷施量超过正常量的10倍时，该转基因植株也不受影响。（2）1987年，美国卡尔金公司的托普森等人从鼠伤寒沙门氏杆菌中分离出一种基因（aroA基因），它的产物能有效地分解甘草膦，利用此基因转化番茄，也获得抗性植株：同年，孟山都公司把抗甘草膦的另一基因（EPSP合成酶基因）转入大豆，也使大豆对甘草膦的抗性大大增加。（3）美国农业部、农业研究局的南方杂草研究所，从能杀死杂草的真菌中分离出毒素，将此毒素喷施于大豆田中，可以杀死98%的杂草而不伤害作物，该研究室与米科金公司合作，使这种真菌素成为商业除草剂。（4）日本的研究者与美国杜邦公司合作已获得抗除草剂的水稻。预计在不久的将来将有抗除草剂的玉米、大豆、水稻、棉花、番茄、烟草及各种蔬菜进入大田试验。
关于植物抗除草剂的分子机理，迄今研究得最为透彻的是除草剂阿特拉津的抗性机理。由于叶绿体基因组ps bA基因编码的光系统Ⅱ反应中心蛋白质QB是阿特拉津的结合受体，即阿特拉津结合的靶目标。它与另一种同由叶绿体基因组编码QA蛋白共同组成光系统Ⅱ的核心，对光合作用过程中电子传递起介导、调节作用。因此，当施用阿特拉津后，进入植物体内的阿特拉津就与QB蛋白结合，从而抑制了植物光系统Ⅱ电子传递链中电子的转运，进而抑制了光合过程。玉米、高粱等作物由于能够降解阿特拉津或通过叶片组织内特有的谷胱甘肽转移酶与之形成复合物而解除毒性，从而表现出抗性。但杂草却由于不具备这一防卫机制而遭灭杀。不过，有一些杂草（如苋菜）对阿特拉津却具有天然的抗性。经过psbA基因的克隆和DNA序列结构分析发现，抗性型苋莱psbA基因同敏感型相比，仅仅是在编码的64位氨基酸的密码子上发生了突变（AGT→GGT），使原来编码的64位氨酸改变为甘氨酸（Ser➝Gly），从而大大降低了该QB蛋白与阿特拉津的结合力，植物的光合过程也就不至于因为QB蛋白被阿特拉津结合而影响正常功能的发挥；另一方面，在高等植物中，这种单一氨基酸的取代反应，也不会使QB蛋白的功能发生改变，所以，植物光合作用仍能正常进行，对阿特拉津的抗性便由此产生。此外，在一些原生生物和蓝色细菌中，QB蛋白质等264位上也存在着单一氨基酸取代反应（Ser→Ala），它们也具有抗阿特拉津的能力。
目前对QB蛋白及其编码基因psbA都有相当的了解，psbA基因及其产物QB蛋白都是相当保守，在不同植物间具有极高的同源性，其表达受光的调控。QB蛋白刚合成出来时分子量为33.5-35KD，经过在其羧基未端（C端）剪切、加工成分子量为32KD的成熟蛋白。现在还不清楚QB蛋白与阿特拉津的真正结合位点。但使QB蛋白与阿特拉津的亲和性发生变化的可能原因有二个：其一，上述氨基酸改变的位点恰在QB蛋白结合位点内部：基二，上述氨基酸的改变使QB蛋白三维空间构象发生改变。
对抗性和敏感性植物中QB蛋白基因的核苷酸及相应的氨基酸序列进行分析，是通过重组DNA技术将抗性基因引入到一些主要农作物（水稻、小麦、大豆等）中的第一步，如今迈出的这一步显然已为作物抗除草剂基因工程研究奠定了坚实的基础。
4.抗拒腐烂的苹果
水果会抗拒腐烂，这似乎是不可思议的一件事。但是，在植物基因工程取得累累硕果中，有一项很引人注目的成就，这就是科学家们培育出的能延缓水果软化和腐烂时间的转基因水果新品种。我们知道，很多水果极易腐烂，造成很大的浪费。如果能设法延缓水果的衰老、腐烂时间，那么将具有很重要的实用价值。基因工程可望在这方面助一臂之力。
研究发现，水果在成熟和衰老的过程中产生乙烯，如果能够控制乙烯的生成势必会延缓水果的寿命。为了提高水果的存放期，科学家们开发了两种基因工程技术：其一是插入所谓的反义催熟基因，反义分子与专一的信使mR NA结合以关闭基因。具有这种反义基因的蕃茄不易软化；第二种方法是将某基因导入到番茄中诱使其产生一种酶，这种酶能降解形成乙烯的原始化合物，从而延缓了蕃茄的腐烂。由这两种方法培育出的转基因蕃茄植株所结的果实在颜色、味道等诸多性能方面均无任何变化。其他类型的抗腐烂转基因水果正在进一步研制中。这种类型的转基因水果一旦进入市场，将产生巨大的经济效益和商业价值。
基因工程专家也在尝试培育具有更高营养的健康食品。目前已经分离出了具有更高营养性能的基因，并证明将这些基因插入作物中是可能的，关于这方面研究最多的是关于作物蛋白基因以及相应转基因作物的研究。例如，科学家设想把大豆蛋白基因转移到水稻中，这将会大大改善水稻的品质。美国威斯康星大学把菜豆的储藏蛋白基因转移到向日葵里并使基因得到了表达。美国明尼苏达大学也已把玉米醇溶蛋白基因转移到向日葵根部的细胞中。这些实验都为改良作物品种开辟了广阔的前景。
在取得一个又一个胜利之后，基因工程专家们又继续新的研究。目前他们正努力培育能产生特定的化学性质的物质，如淀粉、工业用油、酶甚至药物的转基因植物。另外，对植物固氮基因的研究也是植物基因工程的又一热点。科学家们设想能够把固氮基因直接转移到禾本科（如稻、麦）作物的根上，使之直接固氮，这样不施氮肥或少施氮肥也能生产。这些美好的愿望，在基因工程科学家的努力下，最终一定会变成现实。
在美国、欧洲等国家对转基因植物已进行上千次的田间试验。这些含有新特征的作物可望不久就会在农田普及开来。到那时，人类从基因工程中能获利多少将难以估算。
我国在转基因作物培养方面不断取得突破和进展。转基因水稻、小麦、玉米、马铃薯、蕃茄等作物和蔬菜，不久就可望在市场与大众见面。我国是世界上第二个获得抗虫基因棉花的国家，“抗虫棉”的推广正在为彻底战胜困扰棉农的棉铃虫做出贡献。此外，我国还是世界上第二个用基因工程培育出能抗两种病毒（双抗烟草）的转基因作物的国家。目前，这种烟草已大面积推广并走向市场，带来可观的经济效益。
随着转基因植物的出现，一个新的绿色基因革命时代开始了。
5.增强植物的光合作用
绿色植物或光合细菌借助光的作用将大气中的CO转化成动植物2及人类赖以生存的碳水化合物，同时向周围环境释放O的过程，也2即光合细胞捕获光能并将其转化为化学能的过程，称为光合作用。换言之，光合作用具有下述三个重要性：其一，将无机物变成有机物。鉴于光合作用所利用的能源是取之不尽用之不竭的日光能，所利用的原料是广布于地球表面的C0和HO，所以它能合成的有机物质远超22过世界上其它物质的产量。据估计，如果以葡萄糖计算，地球上每年通过光合作用固定的碳相当于四五千亿吨有机物质，“绿色工厂”之称即由此而来；其二，蓄积太阳能。植物在同化无机碳化合物的同时，还把日光能转变为化学能储藏在形成的有机化合物中。按照理论推算，每固定1克分子碳（即12克碳）就会储藏114千卡能量。因而绿色植物实质上是一个巨型转换站；其三，保护环境。动物、植物和微生物等全部生物在生命的呼吸过程中吸收O呼出CO，工厂、居民燃烧各22种燃料也大量消耗的O排出CO，而光合作用过程则是吸收CO放出222O。因此，光合作用过程还可清除空气中过多的CO补充消耗O，宛222如自动的空气净化器。
长久以来，人类一直在想方设法提高作物的生产力，而提高作物光合效率便是实现这一目标的主要措施之一。地球上光合作用的产物，约占植物总量的95%以上，阳光是地球上一切生命的存在、繁荣和发展的根本源泉。然而，植物利用太阳能的效率相当低，通常不过5%。即便是我国南方亩产高达1500千克的水稻，对光能的利用率也只近乎4%。若能在原有基础上将作物光能利用率提高1-2%，农作物产量将成倍增长。因此，许多科学工作者都把进一步提高粮食作物产量的希望寄托在提高高光合效率的途径上。特别是如何设法提高占全世界粮食总产量50%左右的水稻、小麦、玉米、高粱等8种重要粮食作物的光合效率，已成为植物基因工程研究中活跃纷繁的领域之一。
提高作物光合效率，一方面通过遗传改良提高作物自身的光合能力，即提高光合强度（通常以每小时每平方米叶面积吸收的CO毫克2数表示，它一般已减去了呼吸作用所释放CO量）；另一方面则是通2过合理的栽培管理（如提高复种指数、合理密植、适当延长生育期等）以提高光能利用率。对于前者，除通过改良植株形态结构（株型），在确保不破坏群体内生态环境前提下适当增大光合面积外，重点寄希望于提高植株机体内部碳固定的效率及光能的吸收转化效率。
光合作用是一个极为错综复杂的过程。从宏观角度看，它牵涉到细胞、个体乃至群体及外界环境等方方面面；从微观角度看，它是核基因组、叶绿体基因组及多种细胞结构协同作用的结果。正因为如此，通过光合作用基因工程来提高光合效率并非一朝一夕之事。首要问题之一便是解决与之密切相关的叶绿体基因工程的各种理论性和技术性问题。
叶绿体作为基因工程的研究材料有许多优点：它的基因组比核基因组要小得多；其基因组内不少基因的结构及功能已在许多植物中研究得相当透彻；其基因组表达与调控研究也有了迅速的进展；叶绿体有自己独立的遗传系统。同时又与核遗传系统保持既相对独立又协同作用的关系，而且它还具有许多类似于原核遗传系统的特性。
尽管叶绿体DNA分子的存在直至1962年才通过电子显微镜技术得以证实，但由于它在绿色生命活动中的重要作用，以及在20世纪70年代之后重组DNA技术等分子生物学研究技术的应运而生，叶绿体分子生物学的研究迅速深入，至今已取得了多方面的良好进展。
可以预计：随着生物技术研究的进一步深入，通过改造叶绿体基因来提高光合作用效率的基因工程必将会给人类带来巨大的福利。
三、转基因动物：给世界一个惊喜
转基因动物与克隆动物有什么差异？前者是基因人工操作的产物；而后者仅仅是细胞无性繁殖的产物。转基因动物在生物界被称作“活体生物反应器”，它可以按照人类的需要生产所必需的产物。无怪乎人们称：转基因动物的出现会给世界一个惊喜！
1.“超级小鼠”诞生了
20世纪70年代中期以来由于基因工程技术的发展，人们逐渐实现了把外源基因导入哺乳动物细胞的愿望，如有人将疱疹的tk和人的β珠蛋白基因导入小鼠畸胎瘤细胞获得成功；还有人将小鼠畸胎瘤细胞导入小鼠早期胚胎胚胞腔后得到了嵌合体小鼠。1980年，美国耶鲁大学的科学家们将含有两种病毒DNA的重组质粒以显微注射方式导入小鼠受精卵的原核内培育出带有这种外源DNA序列的子代小鼠。在这些研究工作的鼓舞下，华盛顿大学的科学家们将大鼠的生长激素基因导入小鼠的受精卵，也得到了基因组中整合有大鼠生长激素基因的小鼠，该小鼠的体重比普通小鼠高出了二至三倍。这就是1982年美国“自然”杂志上登载的“超级小鼠”。“超级小鼠”一时成为新闻媒体报道的焦点，一些著名的科学家纷纷撰文对“超级小鼠”带来的生物学上的革命性意义大为赞扬。“超级小鼠”就是今天我们津津乐道的转基因动物的开端。它是用实验手段将特定的外源基因导入动物早期胚胎细胞并整合至其基因组中，通过生殖细胞系再传给子代，由此得到的一种含有特定外源基因的“新动物”。转基因动物体系打破了自然情况下的种间隔离，使
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