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基因工程与微生物的关系
嘿，朋友们！今天咱来聊聊基因工程和微生物这俩神奇的家伙。
有一次啊，我去参观一个生物科技展览。
一进去，就看到好多奇奇怪怪的仪器和展板。
我正瞎逛着呢，突然被一个展示基因工程和微生物关系的展板给吸引住了。
展板上写着，基因工程可以利用微生物来做很多厉害的事情。
我就纳闷了，这微生物不就是那些小不点儿的细菌啥的嘛，能有啥大作用呢？
这时候，旁边来了一个讲解员阿姨。
她看我一脸疑惑，就笑着给我解释起来。
她说，微生物虽然小，但是它们的作用可大了。
比如说，有些微生物可以生产出我们需要的药物呢。
阿姨还给我举了个例子。
她说有一种微生物，可以通过基因工程的方法，被改造得能够生产胰岛素。
哇，我一听就惊呆了。
胰岛素那可是很多糖尿病患者需要的药啊。
原来这些小小的微生物还能这么厉害呢。
阿姨接着说，基因工程还可以让微生物变得更强大。
比如说，可以让它们能够分解那些很难处理的污染物。
我就想象着，那些小小的
微生物像小战士一样，把那些脏东西都给打败了。
我又问阿姨，那基因工程会不会有啥风险啊？阿姨说，当然有啦。
如果不小心把那些改造过的微生物放出来，可能会对环境造成不好的影响呢。
所以啊，科学家们在做基因工程的时候，都特别小心。
从展览出来，我就一直在想基因工程和微生物的关系。
这俩家伙，一个是高科技，一个是小不点儿，但是它们组合在一起，就能做出这么多厉害的事情。
真是太神奇了。
以后啊，说不定基因工程和微生物还能给我们带来更多的惊喜呢。
嘿嘿。
基因工程与微生物基因工程（genetic engineering）又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。
基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。
一、基因工程的概况基因工程是生物工程的一个重要分支，它和细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程共同组成了生物工程。
所谓基因工程（genetic engineering)是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术。
是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。
它是用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质——DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新技术。
它克服了远缘杂交的不亲和障碍。
1974年，波兰遗传学家斯吉巴尔斯基（Waclaw Szybalski）称基因重组技术为合成生物学概念，1978年，诺贝尔生医奖颁给发现DNA 限制酶的纳森斯（Daniel Nathans）、亚伯（Werner Arber）与史密斯（Hamilton Smith）时，斯吉巴尔斯基在《基因》期刊中写道：限制酶将带领我们进入合成生物学的新时代。
2000年，国际上重新提出合成生物学概念，并定义为基于系统生物学原理的基因工程二、基因工程的基本步骤（1）提取目的基因获取目的基因是实施基因工程的第一步。
如植物的抗病（抗病毒抗细菌）基因，种子的贮藏蛋白的基因，以及人的胰岛素基因干扰素基因等，都是目的基因。
要从浩瀚的“基因海洋”中获得特定的目的基因，是十分不易的。
科学家们经过不懈地探索，想出了许多办法，其中主要有两条途径：一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因；另一条是人工合成基因。
微生物与基因工程微生物与基因工程是当今科学领域中备受瞩目的研究方向。
微生物作为一类微小生物体，具有广泛的分布和多样的功能，对人类的生活和自然界的生态系统起着重要的作用。
而基因工程则是通过改变生物体的遗传信息，以实现对其性状和功能的精确控制和改良。
本文将对微生物与基因工程之间的紧密联系以及它们在生物科技领域的应用进行探讨。
第一部分：微生物的概述微生物是一类非常广泛的生物体，主要包括细菌、真菌、病毒等，其特点是体积小、繁殖能力强、生活环境广泛。
微生物在自然界中广泛存在，在空气、水、土壤、外界物体等各个环境中都可以找到微生物的身影。
微生物对人类的生活产生了巨大的影响，比如某些细菌可以分解有机物质，参与土壤肥力的维持；真菌在食品工业中被广泛应用，用于食品的发酵和保鲜等。
第二部分：微生物与基因工程的联系微生物是基因工程研究的重要对象之一，它们具有以下几个方面的优势：1. 繁殖能力强：微生物的繁殖速度非常快，可以在短时间内获得大量的微生物种群，为基因工程实验提供了便利条件；2. 遗传信息简单：相对于高等生物，微生物的基因组结构相对简单，研究人员可以更容易地对其基因进行操作和改变；3. 可操作性好：微生物的生长条件可以比较容易地进行控制，通过改变培养基中的成分或温度、pH等环境因素，可以实现对微生物生长的精确控制；4. 改良潜力大：由于微生物的基因信息相对简单，研究人员可以利用基因工程技术，对微生物的性状和功能进行精确改良，以实现人类的特定需求。
第三部分：基因工程在微生物中的应用基因工程技术在微生物研究和应用中具有广泛的应用场景，具体包括以下几个方面：1. 转基因微生物的应用：通过导入外源基因，可以让微生物具备特定的生物合成或代谢功能，比如利用大肠杆菌表达外源蛋白，用于生产重组蛋白；2. 微生物基因组学研究：通过对微生物基因组进行测序和分析，可以揭示微生物种类、功能和进化等方面的信息，为微生物学研究提供基础数据；3. 微生物制药和生物工程：利用微生物进行药物、酶和化学品的生产，比如利用酵母菌进行乳酸和酒精的发酵；4. 环境修复和生态恢复：微生物在环境修复和生态恢复中发挥重要作用，比如利用微生物降解污染物，净化水体和土壤。
微生物在药物开发中的应用导言：微生物是一类极小的生物体，由于其独特的生物特性和生物代谢能力，被广泛应用于药物开发领域。
本文将探讨微生物在药物开发中的应用，介绍其在新药发现、抗生素生产和基因工程等方面的重要作用。
一、新药发现微生物在药物开发的早期阶段发挥着重要的作用。
通过新颖的微生物筛选和发酵技术，科研人员可以从微生物中发现许多具有药理活性的物质。
比如，青霉素等许多重要的抗生素就是通过从青霉属微生物中分离和提取出来的。
此外，微生物还可以作为药物合成的起始物质，通过微生物发酵生产药物前体，如青霉素的合成前体6-氨基青霉素酸等。
二、抗生素生产微生物在抗生素生产中发挥着重要的作用。
抗生素是微生物代谢产物的一种，许多微生物具有产生抗生素的能力。
通过发现和培育这些具有产生抗生素能力的微生物，并优化培养条件和发酵工艺，可以实现大规模的抗生素生产。
例如，链霉菌属微生物可以产生青霉素、红霉素等抗生素，链霉菌发酵工艺的优化可以大幅提高链霉菌菌种的抗生素产量，从而满足临床上对抗生素的需求。
三、基因工程微生物在基因工程中的应用正在不断扩展，为药物开发提供了新的思路和方法。
通过改造微生物的遗传物质，科研人员可以使其在代谢途径中产生特定的化合物。
例如，通过基因工程手段，可以使大肠杆菌产生人类胰岛素，为糖尿病患者提供治疗药物。
此外，通过外源基因的导入，还可以使微生物产生抗癌药物、免疫调节剂等重要药物。
四、微生物酶的应用微生物酶是微生物分泌的一种蛋白质，具有催化反应的功能，因此在药物开发中具有广泛的应用前景。
微生物酶可以用于合成一些药物的中间体，提高合成效率和产率。
同时，微生物酶也可以用于合成药物的具体步骤中，使得底物转化成药物的速度更快、效果更好。
通过对微生物酶进行工程改造，还可以提高其催化效率和特异性。
结论：微生物在药物开发中具有广泛的应用前景，通过微生物的发酵和合成反应，可以发现和合成许多有益的物质。
随着科学技术的不断发展和创新，可以预见，微生物在药物开发中的应用会更加重要和广泛，为人类带来更多的健康福祉。
第十章微生物与基因工程基因工程(genetic engineering)或重组DNA技术(recombinant DNA technology) 就是指对遗传信息的分子操作与施工,即把分离到的或合成的基因经过改造,插入载体中,导入宿主细胞内,使其扩增与表达,从而获得大量基因产物,或者令生物表现出新的性状。
基因工程这个术语可以用来表示特定基因操作,也可泛指它所涉及的技术系统,其核心就是构建重组体DNA的技术。
因此,基因工程与重组DNA技术有时也就成为同义词。
基因工程就是在现代生物学、化学与化学工程学以及其她数理科学的基础上产生与发展起来的,并有赖于微生物学的理论与技术的发展与运用,微生物在基因工程的兴起与发展过程中起着不可替代的作用。
基因工程的出现就是本世纪生物科学具有划时代意义的巨大事件,它使得生物科学获得迅猛发展,并带动了生物技术产业的兴起。
它的出现标志着人类已经能够按照自己意愿进行各种基因操作,大规模生产基因产物,并且去设计与创建新的基因、新的蛋白质与新的生物物种,这也就是当今新技术革命的重要组成部分。
第一节基因工程概述一、基因工程的发展历史基因工程就是在本世纪70年代初开始出现的。
三项关键技术的建立为基因工程奠定了基础,这三项技术就是:DNA的特异切割、DNA的分子克隆与DNA的快速测序。
早在50年代,阿尔伯(Arber)的实验室就已发现大肠杆菌能够限制侵染的噬菌体,60年代末进而证明大肠杆菌细胞内存在修饰–限制系统,即给宿主自身DNA打上甲基化标记并切割入侵的噬菌体DNA。
1970年史密斯(Smith)等人从流感嗜血杆菌(Hemophilus influenzae)中分离出特异切割DNA 的限制酶。
次年,内森斯(Nathans)等人用该酶切割猴病毒SV40 DNA,最先绘制出DNA的限制图谱(restriction map)。
1973年史密斯与内森斯提出修饰–限制酶的命名法。
限制性核酸内切酶可用以在特定位点切割DNA,限制酶的发现使分离基因成为可能。
为表彰上述科学家在发现与使用限制酶中的功绩,1978年的诺贝尔医学奖被授予阿尔伯、内森斯与史密斯。
1973年,科恩(Cohen)与博耶(Boyer)等将pSC101质粒作为载体与R质粒的四环素与卡那霉素的抗性基因相融合,并将重组体DNA转化大肠杆菌,首次实现了DNA的分子克隆。
1975年桑格(Sanger)实验室建立了酶法快速测定DNA序列的技术。
1977年吉尔伯特(Gilbert)实验室又建立了化学测定DNA序列的技术。
分子克隆与测序方法的建立,使重组DNA技术系统得以产生。
1980年诺贝尔化学奖被授予伯格、吉尔伯特与桑格,以肯定她们在发展DNA重组与测序技术中的贡献。
1977年板仓(Itakura)与博耶用人工合成的生长激素释放抑制素(Somatostatin, SMT)基因构建表达载体,并在大肠杆菌细胞内表达成功,得到第一个基因工程的产品。
1982年,在建立转基因植物与转基因动物的技术上均获得重大突破。
借助土壤农杆菌Ti质粒可将外源基因导入双子叶植物细胞内并发生整合,从而使植株获得新的遗传性状。
同年通过基因工程方法把大鼠生长激素基因注射到小鼠受精卵的雄核中,然后移植到母鼠子宫内,由此培育出巨型小鼠。
仅仅10年时间,基因工程在实践中迅速成熟,日趋完善。
二、基因工程的基本过程生物的遗传性状就是由基因(即一段DNA分子序列)所编码的遗传信息决定的。
基因工程操作首先要获得基因,才能在体外用酶进行“剪切”与“拼接”,然后插入由病毒、质粒或染色体DNA片段构建成的载体,并将重组体DNA转入微生物或动、植物细胞,使其复制(无性繁殖),由此获得基因克隆(clone,无性繁殖系的意思)。
基因还可通过DNA聚合酶链式反应(PCR)在体外进行扩增,借助合成的寡核苷酸在体外对基因进行定位诱变与改造。
克隆的基因需要进行鉴定或测序。
控制适当的条件,使转入的基因在细胞内得到表达,即能产生出人们所需要的产品,或使生物体获得新的性状。
这种获得新功能的微生物称为“工程菌”,新类型的动、植物分别称为“工程动物”与“工程植物”,或“转基因动物”与“转基因植物”。
基因工程操作过程大致可归纳为以下主要步骤:①分离或合成基因;②通过体外重组将基因插入载体;③将重组DNA导入细胞;④扩增克隆的基因;⑤筛选重组体克隆;⑥对克隆的基因进行鉴定或测序;⑦控制外源基因的表达;⑧得到基因产物或转基因动物、转基因植物。
上述步骤可用图10-1来表示。
图10-1 基因工程基本操作过程示意图三、微生物学与基因工程的关系微生物与微生物学在基因工程的产生与发展中占据了十分重要的地位,可以说一切基因工程操作都离不开微生物。
从以下六个方面可以说明:①基因工程所用克隆载体主要就是用病毒、噬菌体与质粒改造而成;②基因工程所用千余种工具酶绝大多数就是从微生物中分离纯化得到的;③微生物细胞就是基因克隆的宿主,即使植物基因工程与动物基因工程也要先构建穿梭载体,使外源基因或重组体DNA在大肠杆菌中得到克隆并进行拼接与改造,才能再转移到植物与动物细胞中;④为大规模表达各种基因产物,从事商品化生产,通常都就是将外源基因表达载体导入大肠杆菌或就是酵母菌中以构建成工程菌,利用工厂发酵来实现的;⑤微生物的多样性,尤其就是抗高温、高盐、高碱、低温等基因,为基因工程提供了极其丰富而独特的基因资源;⑥有关基因结构、性质与表达调控的理论主要也就是来自对微生物的研究中取得的,或者就是将动、植物基因转移到微生物中后进行研究而取得的,因此微生物学不仅为基因工程提供了操作技术,同时也提供了理论指导。
第二节微生物与克隆载体外源DNA片段进行克隆,需要一个合适的载体,将其运送到细胞中并进行复制与扩增。
这种以扩增外源DNA为目的载体,称为克隆载体(cloning vector)。
作为克隆载体的基本要求就是:(1)载体在细胞中必须能够进行独立自主地复制。
因此载体应就是一个独立的复制子(replicon),具有复制起始序列,可在细胞中进行有效扩增。
(2)载体必须具有若干限制酶的单一切割位点,便于外源DNA的插入。
并且由于这些酶切位点位于载体复制的非必需区,故插入适当大小外源DNA片段后载体仍然能够进行正常的复制。
(3)载体必须具有可供选择的遗传标记,例如具有抗生素的抗性基因,便于对阳性克隆的鉴别与筛选。
(4)载体DNA须易于生长与操作。
到目前为止,基因工程中使用的载体基本上均来自微生物,主要包括六大类:质粒载体;λ噬菌体载体;柯斯质粒载体;M13噬菌体载体;真核细胞的克隆载体;人工染色体等。
一、质粒克隆载体1、质粒克隆载体的特性当前分子克隆中所用的克隆载体,绝大多数就是利用细菌的质粒,经人工修饰改造而成。
质粒作为克隆载体,具有十分有利的特性:(1)具有独立复制起点作为克隆载体的质粒,通常都含有一个复制起点,这就是质粒在宿主细胞中进行扩增的必要条件。
(2)具有较小的分子量质粒就是染色体外DNA,通常由环形双链DNA构成,其分子大小约为1～200Kb。
低分子量有利于DNA的分离与操作,但也限制其克隆外源DNA片段的大小,一般不超过15Kb。
(3)具有较高拷贝数每个细胞可含有10～200个拷贝的松弛型复制质粒。
当加入蛋白质合成抑制剂(如氯霉素等),还可大大增加细胞中质粒的拷贝数,每个细胞可含有高达数千个拷贝的质粒,使外源DNA得以大量扩增。
(4)具有便于选择的标记某些质粒中存在着抗生素的抗生基因,便于对克隆基因的检测与筛选。
(5)易于导入细胞质粒可通过转化或电穿孔等方法极易被导入细胞。
(6)具有安全性作为载体的质粒不具有转移功能,防止带有外源DNA的重组质粒扩散至实验室外,以免造成危害。
2.质粒pBR322的结构特点大肠杆菌质粒pBR322就是基因工程中最常用与最具代表性的质粒(图10－2),它就是由博利瓦(Bolivar)等人于1977年构建而成的,就是一个典型的人工质粒载体。
质粒pBR322就是环状双链DNA分子,由4361bp组成。
可插入外源DNA大小为5kb左右,外源DNA 若超过10kb,质粒在复制时就会变得不稳定。
它具有一个复制起点,就是松弛型质粒,故细胞中具有较高的拷具数,每个细胞含有20～30个拷贝。
当加入氯霉素扩增之后,每个细胞可含有1000～3000个拷贝,大大有利于重组质粒在细胞中的扩增。
此外,pBR322还具有两种抗生素的抗性基因,一个就是四环素抗性基因(Tet r)另一个就是氨苄青霉素抗性基因(Amp r)。
已知有24种主要限制酶在pBR322上都只有一个切点,其中有7种限制酶(EcoRV、NheI、BamHI、SphI、SalI、 XmaIII、 NruI)的切点位于四环素抗性基因之内,还有3种限制酶(ScaI 、PvuI与PstI)的切点位于氨苄青霉素抗性基因之内。
外源DNA片段插入这些位点之中任一位点时,将导致相应的抗性基因的失活。
这种因外源DNA的插入而导致基因失活的现象,称为插入失活(insertional inactivation)。
图10-2 质粒pBR322结构图插入失活常被用于检测含有外源DNA的重组体(图10－3),例如若在质粒pBR322的BamHI的位点插入外源DNA,然后转化大肠杆菌(Tet s、Amp s )。
含有重组质粒(即带有外源DNA的质粒)的宿主细胞失去对四环素的抗性,所以不能在含有四环素培养基的平板上生长,但仍能在含有氨苄青霉素培养基的平板上生长。
而那些含有不带外源基因的质粒的宿主细胞,则可以在含有四环素或氨苄青霉素培养基的平板上生长,这样就很容易筛选到含有目的基因的细菌,从而淘汰不含目的基因的细菌。
图10-3 插入失活示意图3、其它质粒载体现在已构建许多新的质粒载体 (如pUC系列与pGEM系列的质粒载体),它们具有更多有用的特点并且使用起来更方便。
这些载体的优点之一,在质粒载体上含有一个人工构建的多接头位点(polylinker) 或多克隆位点(multiple cloning site),这就是一个带有不同限制酶单一识别位点的短的DNA片段,外源基因可随意插入任何一个切点。
同时又由于多克隆位点常位于一个基因的编码区之中,因此,基因的插入失活极易被检测到。
除大肠杆菌质粒外,枯草芽孢杆菌质粒也可作为质粒载体之用。
此外,酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的2m m质粒常作为酵母细胞外源基因的克隆或表达载体。
为了便于基因工程工作,人们先后构建了一系列不同类型的穿梭质粒载体(shuttle plasmid vector)。
这就是一类同时含有两种细胞的复制起点(特别就是同时含有原核与真核生物的复制起点),能在两种生物细胞中进行复制的质粒载体。
