基因工程

材料基因工程

——为什么是一项“颠覆性前沿技术”

1.前言

材料基因组技术是近几年兴起来的材料研究新理念和新方法，是当今世界材料科学与工程领域的最前沿。材料基因工程借鉴人类基因组计划，探究材料结构与材料性质变化的关系。并通过调整材料的原子或配方、改变材料的堆积方式或搭配，结合不同的工艺制备，得到具有特定性能的新材料。但是材料基因组与人类基因组的又有很大的区别 ，材料的微观结构多样化，不但成分组成可以不同，微观形貌等结构也可能千差万别，其组成-结构-性能之间的关系更加复杂。

2.材料基因组技术

2.1材料基因组技术

材料基因组计划是通过“多学科融合”实现“高通量材料设计与试验”；其核心目标在于通过“高通量计算、实验和大数据分析”技术加速材料“发现-研发-生产-应用”全过程，缩短材料研发周期，降低材料研发成本，引发新材料领域的科技创新和商业模式变革。

材料基因组技术包括高通量材料计算方法、高通量材料实验方法和材料数据库三大组成要素。

2.1.1高通量材料计算方法

高通量计算是指利用超级计算平台与多尺度集成化、高通量并发式材料计算方法和软件结合，实现大体系材料模拟、快速计算、材料性质的精确预测和新材料的设计，提高新材料筛选效率和设计水平，为新材料的研发提供理论依据。其中并发式材料计算方法包括第一原理计算方法、计算热力学方法、动力学过程算法等，跨越原子模型、简约模型和工程模型等多个层次，并整合了从原子尺度至宏观尺度等多尺度的关联算法。

高通量材料集成计算技术利用第一性原理、分子动力学与位错动力学、合金相图计算、相场计算等方法，快速并行模拟实验室中成分与性能优化的传统试错式材料研发过程，并基于材料科学知识，迅速挑选有利于目标性能的合金成分与微观结构特征，从而加速新材料的研发进程并显著降低材料研发成本。

2.1.2高通量材料实验方法

传统材料研发模式依赖于成分与工艺的不断“试错”实验优化，结合对结构-性能关系的不断理解以获得满足性能指标的材料。但是，新型关键材料具有成分多元化、复杂化、微结构多级化等特点，传统的“试错”模式在实际材料开发中不仅耗费巨大，而且几乎难以取得成功。

基因工程

基因工程能够定向改造生物的遗传特性。基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程是在DNA分子水平上设计和施工的，因此又叫做DNA重组技术。

DNA重组技术的基本工具

实现这一精确的操作过程至少需要三种工具，即准确切割DNA的“手术刀”，将DNA片段再连接起来的“缝合针”，将体外重组好的DNA导入受体细胞的“运输工具。

限制性核酸内切酶——“分子手术刀”

切割DNA的工具是限制性核酸内切酶又称限制酶。这类酶主要是从原核生物中分离纯化出来的。迄今已从近300种不同的生物中分离出了约4000种限制酶。它们能识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成，例如，EcoRI,SmaI限制酶识别的序列均为6个核苷酸，也有少数限制酶的识别序列由4，5和8个核苷酸组成。DNA的分子经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式——黏性末端和平末端。当限制酶在它识别序列的中心轴线两侧将DNA的两条链分别切开时，产生的是黏性末端，而当限制酶在它识别序列的中心线处切开时，产生的则是平末端。 EcoRI{在G与A之间切割}磷酸二酯键

Smal[在G与C之间切割]

DNA连接酶——“分子缝合针”

将切割下来的DNA片段拼接成新的DNA分子，是靠DNA连接酶来完成的。1967年，世界上几个实验室几乎同时发现了一种能够将两条DNA连接起来的酶，称之为DNA连接酶.。根据酶的来源不同，可以将这些酶分为两类；一类是从大肠杆菌中分离得到的，E·coli DNA连接酶；另一类是从T4噬菌体中分离出来的，称为T4DNA连接酶。这两类酶都是将双链DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键，但这两种酶的作用有所差别：E·coli DNA连接酶只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间连接起来，不能将双链DNA片段平末端之间进行连接。而T4DNA连接酶即可以“缝合”双链DNA片段互补的黏性末端，又可以“缝合”双链DNA片段的平末端，但连接平末端的效率比较低。

1 基因工程测试题

一、选择题：

1.人的糖蛋白必须经内质网和高尔基体进一步加工合成。通过转基因技术可以使人的糖蛋白基因得以表达的受体细胞是( )

A.大肠杆菌 B.酵母菌

C.肺炎双球菌 D.乳酸菌

2.下列有关基因工程的叙述，正确的是( )

A．DNA连接酶将碱基对之间的氢键连接起来

B．目的基因导入受体细胞后，受体细胞即发生基因突变

C．限制性核酸内切酶识别序列越短，则该序列在DNA中出现的几率就越大

D．常用的载体有大肠杆菌、噬菌体和动植物病毒等

3.我国科学家运用基因工程技术，将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞并成功表达，培育出了抗虫棉。下列叙述不正确的是( )

A.抗虫基因的提取和运输需要专用的工具酶和载体

B.重组DNA分子中替换一个碱基对，不一定导致毒蛋白的毒性丧失

C.抗虫棉的抗虫基因可通过花粉传递到近缘作物，从而造成基因污染

D.转基因抗虫棉是否具有抗虫特性是通过检测棉花对抗生素抗性来确定的

4.如图是获得抗虫棉的技术流程示意图。卡那霉素抗性基因(kanr)常作为标记基因，只有含卡那霉素抗性基因的细胞才能在卡那霉素培养

2 基上生长。下列叙述正确的是( )

A.构建重组质粒过程中需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶

B.愈伤组织的分化产生了不同基因型的植株

C.卡那霉素抗性基因(kanr)中有该过程所利用的限制性核酸内切酶的识别位点

D.抗虫棉有性生殖后代能保持抗虫性状的稳定遗传

5.上海医学研究所成功培育出第一头携带人白蛋白基因的转基因牛。他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍，以下与此有关的叙述中正确的是( )

A.“转基因动物”是指体细胞中出现了新基因的动物

B.“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白基因

C.只有从转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白，是因为人白蛋白基因只在牛乳腺细胞中含有

1、基因工程：在体外对不同生物的遗传物质（基因）进行剪切、重组、连接，然后插入到载体分子中（细菌质粒、病毒或噬菌体DNA)，转入微生物、植物或动物细胞内进行无性繁殖，并表达出基因产物。

2、1973年斯坦福大学的S. Cohen小组把非洲爪蟾核糖体基因片断同pSC101质粒重组，转化大肠杆菌，并在菌体内成功转录出相应的mRNA。这是第一次成功的基因克隆实验。

3、基因工程的安全措施：

（1）实验室的物理安全：P1-P4级实验室 （2）实验室的生物安全：① EK1级的大肠杆菌、② EK2-EK3级大肠杆菌、（3） 载体的安全：应该是失去了自我迁移的能力。

4、第一个基因重组做出的药物-----胰岛素

5、限制性核酸内切酶：是一类能够识别双链DNA分子中的某种特定核苷酸序列（4—8bp），并由此处切割DNA双链的核酸内切酶。

6、修饰限制系统的两种酶：甲基化酶和限制性内切酶。(Dam甲基化酶在A碱基上引入,Dcm

在C碱基上引入）

7、同裂酶：识别位点的序列相同的限制性内切酶。分为完全同裂酶（识别位点和切点完全

相同）与不完全同裂酶（识别位点相同，但切点不同）

Xma I 5’-CCCGGG -3’ Sma I 5’-CCCGGG-3’

3’-GGGCCC-5’ 3’-GGGCCC-5’

同尾酶：识别的序列不同，但能切出相同的粘性末端。

星号（*）活性：如果改变反应条件就会影响酶的专一性和切割效率，称为星号（*）活性。

8、限制性内切酶的命名：1.用属名的第一个字母和种名的头两个字母组成3个字母的略语表示寄主菌的物种名。2. 用一个右下标的大写字母表示菌株或型。如Ecok, EcoR（现在都写成平行，如EcoRI）。3. 如果一种特殊的寄主菌内有几种不同的限制与修复系统，用罗马字母表示。如EcoR I，EcoR V。

9、影响限制性内切酶活性的因素：DNA的纯度、DNA的甲基化程度、温度、缓冲液