基因，一項偉大的人類科學事業

基因工程（genetic engineering）又稱基因拼接技術和DNA重組技術，是以分子遺傳學為理論基礎，以分子生物學和微生物學的現代方法為手段，將不同來源的基因按預先設計的藍圖，在體外構建雜種DNA分子，然後導入活細胞，以改變生物原有的遺傳特性、獲得新品種、生產新產品。

基因工程是生物工程的一個重要分支，它和細胞工程、酶工程、蛋白質工程和微生物工程共同組成了生物工程。所謂基因工程（genetic engineering）是在分子水平上對基因進行操作的複雜技術。是將外源基因通過體外重組后導入受體細胞內，使這個基因能在受體細胞內複製、轉錄、翻譯表達的操作。

它是用人為的方法將所需要的某一供體生物的遺傳物質——DNA大分子提取出來，在離體條件下用適當的工具酶進行切割后，把它與作為載體的DNA分子連接起來，然後與載體一起導入某一更易生長、繁殖的受體細胞中，以讓外源物質在其中「安家落戶」，進行正常的複製和表達，從而獲得新物種的一種嶄新技術。它克服了遠緣雜交的不親和障礙。

1974年，波蘭遺傳學家斯吉巴爾斯基（Waclaw Szybalski）稱基因重組技術為合成生物學概念，1978年，諾貝爾生醫獎頒給發現DNA 限制酶的納森斯（Daniel Nathans）、亞伯（Werner Arber）與史密斯（Hamilton Smith）時，斯吉巴爾斯基在《基因》期刊中寫道：限制酶將帶領我們進入合成生物學的新時代。2000年，國際上重新提出合成生物學概念，並定義為基於系統生物學原理的基因工程。

一個完整的、用於生產目的的基因工程技術程序包括的基本內容有：（1）外源目標基因的分離、克隆以及目標基因的結構與功能研究。這一部分的工作是整個基因工程的基礎，因此又稱為基因工程的上游部分。（2）適合轉移、表達載體的構建或目標基因的表達調控結構重組。（3）外源基因的導入。（4）外源基因在宿主基因組上的整合、表達及檢測與轉基因生物的篩選。（5）外源基因表達產物的生理功能的核實。（6）轉基因新品系的選育和建立，以及轉基因新品系的效益分析。（7）生態與進化安全保障機制的建立。（8）消費安全評價。

細菌試驗

迄今為止，基因工程還沒有用於人體，但已在從細菌到家畜的幾乎所有非人生命物體上做了實驗，並取得了成功。事實上，所有用於治療糖尿病的胰島素都來自一種細菌，其DNA中被插入人類可產生胰島素的基因，細菌便可自行複製胰島素。基因工程技術使得許多植物具有了抗病蟲害和抗除草劑的能力；在美國，大約有一半的大豆和四分之一的玉米都是轉基因的。目前，是否該在農業中採用轉基因動植物已成為人們爭論的焦點：支持者認為，轉基因的農產品更容易生長，也含有更多的營養（甚至藥物），有助於減緩世界範圍內的飢荒和疾病；而反對者則認為，在農產品中引入新的基因會產生副作用，尤其是會破壞環境。

誠然，仍有許多基因的功能及其協同工作的方式不為人類所知，但想到利用基因工程可使番茄具有抗癌作用、使鮭魚長得比自然界中的大幾倍、使寵物不再會引起過敏，許多人便希望也可以對人類基因做類似的修改。畢竟，胚胎遺傳病篩查、基因修復和基因工程等技術不僅可用於治療疾病，也為改變諸如眼睛的顏色、智力等其他人類特性提供了可能。目前我們還遠不能設計定做我們的後代，但已有藉助胚胎遺傳病篩查技術培育人們需求的身體特性的例子。比如，運用此技術，可使患兒的父母生一個和患兒骨髓匹配的孩子，然後再通過骨髓移植來治癒患兒。

隨著DNA的內部結構和遺傳機制的秘密一點一點呈現在人們眼前，特別是當人們了解到遺傳密碼是由 RNA轉錄表達的以後，生物學家不再僅僅滿足於探索、提示生物遺傳的秘密，而是開始躍躍欲試，設想在分子的水平上去干預生物的遺傳特性。如果將一種生物的 DNA中的某個遺傳密碼片斷連接到另外一種生物的DNA鏈上去，將DNA重新組織一下，就可以按照人類的願望，設計出新的遺傳物質並創造出新的生物類型，這與過去培育生物繁殖後代的傳統做法完全不同。這種做法就像技術科學的工程設計，按照人類的需要把這種生物的這個「基因」與那種生物的那個「基因」重新「施工」，「組裝」成新的基因組合，創造出新的生物。這種完全按照人的意願，由重新組裝基因到新生物產生的生物科學技術，就稱為「基因工程」，或者說是「遺傳工程」。基本操作步驟這個過程即為體外重組DNA的過程。首先選擇目的基因所適合的運載工具，如質粒、病毒等，然後用同一種限制酶分別切割運載體和目的基因，使其產生相同的黏性末端，再加入適量的DNA連接酶，在生物體外將目的基因的DNA與運載體的DNA結合起來，形成重組DNA（或重組質粒）將重組的DNA雜合分子，借鑒細菌或病毒侵染細胞的途徑，轉移到選定的生物體細胞中，使重組的DNA在受體細胞中複製、轉錄、翻譯得以表達。把目的基因裝在運載體上並通過運載體將目的基因運到受體細胞的這一過程，在一般情況下，轉化成功率僅為百分之一。為此遺傳工程師們創造了低溫條件下用氯化鈣處理受體細胞和增加重組DNA濃度的辦法來提高轉化率。採用氯化鈣化處理后，能增大受體細胞的細胞壁透性，從而使雜種DNA分子更容易進入。另外也可用基因槍法、激光微束穿孔法、顯微注射法等方法直接將目的基因轉入受體細胞（如受精卵細胞）。

人類基因工程

信息技術的發展改變了人類的生活方式，而基因工程的突破將幫助人類延年益壽。目前，一些國家人口的平均壽命已突破80歲，也突破了70歲。有科學家預言，隨著癌症、心腦血管疾病等頑症的有效攻克，在2020至2030年間，可能出現人口平均壽命突破100歲的國家。到2050年，人類的平均壽命將達到90至95歲。

人類將挑戰生命科學的極限。1953年2月的一天，英國科學家弗朗西斯·克里克宣布：我們已經發現了生命的秘密。他發現DNA是一種存在於細胞核中的雙螺旋分子，決定了生物的遺傳。有趣的是，這位科學家是在劍橋的一家酒吧宣布了這一重大科學發現的。破譯人類和動植物的基因密碼，為攻克疾病和提高農作物產量開拓了廣闊的前景。1987年，美國科學家提出了「人類基因組計劃」，目標是確定人類的全部遺傳信息，確定人的基因在23對染色體上的具體位置，查清每個基因核苷酸的順序，建立人類基因庫。1999年，人的第22對染色體的基因密碼被破譯，「人類基因組計劃」邁出了成功的一步。可以預見，在今後的四分之一世紀里，科學家們就可能揭示人類大約5000種基因遺傳病的致病基因，從而為癌症、糖尿病、心臟病、血友病等致命疾病找到基因療法。

繼2000年6月26日科學家公布人類基因組"工作框架圖"之後，中、美、日、德、法、英等6國科學家和美國塞萊拉公司2001年2月12日聯合公布人類基因組圖譜及初步分析結果。這次公布的人類基因組圖譜是在原"工作框架圖"的基礎上，經過整理、分類和排列后得到的，它更加準確、清晰、完整。人類基因組蘊涵有人類生、老、病、死的絕大多數遺傳信息，破譯它將為疾病的診斷、新藥物的研製和新療法的探索帶來一場革命。人類基因組圖譜及初步分析結果的公布將對生命科學和生物技術的發展起到重要的推動作用。隨著人類基因組研究工作的進一步深入，生命科學和生物技術將隨著新的世紀進入新的紀元。

基因工程在20世紀取得了很大的進展，這至少有兩個有力的證明。一是轉基因動植物，一是克隆技術。轉基因動植物由於植入了新的基因，使得動植物具有了原先沒有的全新的性狀，這引起了一場農業革命。如今，轉基因技術已經開始廣泛應用，如抗蟲西紅柿、生長迅速的鯽魚等。1997年世界十大科技突破之首是克隆羊的誕生。這隻叫「多利」母綿羊是第一隻通過無性繁殖產生的哺乳動物，它完全秉承了給予它細胞核的那隻母羊的遺傳基因。「克隆」一時間成為人們注目的焦點。儘管有著倫理和社會方面的憂慮，但生物技術的巨大進步使人類對未來的想象有了更廣闊的空間。

技術應用

農牧業、食品工業

運用基因工程技術，不但可以培養優質、高產、抗性好的農作物及畜、禽新品種，還可以培養出具有特殊用途的動、植物。

1.轉基因魚

2.轉基因牛

3.轉黃瓜抗青枯病基因的甜椒

4.轉魚抗寒基因的番茄

5.轉黃瓜抗青枯病基因的馬鈴薯

6.轉基因大豆

7.超級動物

8.特殊動物

9.抗蟲棉

環境保護

基因工程做成的DNA探針能夠十分靈敏地檢測環境中的病毒、細菌等污染。

利用基因工程培育的指示生物能十分靈敏地反映環境污染的情況，卻不易因環境污染而大量死亡，甚至還可以吸收和轉化污染物。

基因工程與環境污染治理

基因工程做成的「超級細菌」能吞食和分解多種污染環境的物質。

醫學

基因作為機體內的遺傳單位，不僅可以決定我們的相貌、高矮，而且它的異常會不可避免地導致各種疾病的出現。某些缺陷基因可能會遺傳給後代，有些則不能。基因治療的提出最初是針對單基因缺陷的遺傳疾病，目的在於有一個正常的基因來代替缺陷基因或者來補救缺陷基因的致病因素。

用基因治病是把功能基因導入病人體內使之表達，並因表達產物——蛋白質發揮了功能使疾病得以治療。基因治療的結果就像給基因做了一次手術，治病治根，所以有人又把它形容為「分子外科」。

我們可以將基因治療分為性細胞基因和體細胞基因治療兩種類型。性細胞基因治療是在患者的性細胞中進行操作，使其後代從此再不會得這種遺傳疾病。體細胞基因治療是當前基因治療研究的主流。但其不足之處也很明顯，它並沒前改變病人已有單個或多個基因缺陷的遺傳背景，以致在其後代的子孫中必然還會有人要患這一疾病。

無論哪一種基因治療，目前都處於初期的臨床試驗階段，均沒有穩定的療效和完全的安全性，這是當前基因治療的研究現狀。

可以說，在沒有完全解釋人類基因組的運轉機制、充分了解基因調控機制和疾病的分子機理之前進行基因治療是相當危險的。增強基因治療的安全性，提高臨床試驗的嚴密性及合理性尤為重要。儘管基因治療仍有許多障礙有待克服，但總的趨勢是令人鼓舞的。據統計，截止1998年底，世界範圍內已有373個臨床法案被實施，累計3134人接受了基因轉移試驗，充分顯示了其巨大的開發潛力及應用前景。正如基因治療的奠基者們當初所預言的那樣，基因治療的出現將推動新世紀醫學的革命性變化。

醫藥衛生

1.基因工程藥品的生產：

⑴基因工程胰島素

⑵基因工程干擾素

⑶其它基因工程藥物

2.基因診斷與基因治療：

基因治療是把正常基因導入病人體內，使該基因的表達產物發揮功能，從而達到治療疾病的目的，這是治療遺傳病的最有效的手段。基該方法是：基因置換、基因修復、基因增補和基因失活等。

運用基因工程設計製造的「DNA探針」檢測肝炎病毒等病毒感染及遺傳缺陷，不但準確而且迅速。通過基因工程給患有遺傳病的人體內導入正常基因可「一次性」解除病人的疾苦。

但基因治療技術尚未成熟，未成熟的關鍵問題在於：①如何選擇有效的治療基因；②如何構建安全載體，病毒載體效率較高，但卻有潛在的危險性；③如何定嚮導入靶細胞，並獲得高表達。

相關危害

關於轉基因生物的安全性，沒有科學性共識。儘管如此，基因工程農作物已被大規模投放，生物醫學應用也日益增加。轉基因生物還被投入工業使用和環境恢復，而公眾對此卻知之甚少。最近幾年，越來越多的證據證明存在生態、健康危害和風險，對農民也有不利影響.

基因工程細菌影響土壤生物，導致植物死亡

當把克氏桿菌的基因工程菌株與砂土和小麥作物加入微觀體中時，餵食線蟲類生物的細菌和真菌數量明顯增加，導致植物死亡。而加入親本非基因工程菌株時，僅有餵食線蟲類生物的細菌數量增加，而植物不會死亡。沒有植物而將任何一種菌株引入土壤都不會改變線蟲類群落。

克氏桿菌是一種能使乳糖發酵的常見土壤細菌。基因工程細菌被製造用來在發酵桶中產生使農業廢物轉換為乙醇的增強乙醇濃縮物。發酵殘留物，包括基因工程細菌亦可於土壤改良。

研究證明，一些土壤生態系統中的基因工程細菌在某些條件下可長期存活，時間之長足以刺激土壤生物產生變化，影響植物生長和營養循環進程。雖然仍不清楚此類就地觀測的程度，但是基因工程細菌引起植物死亡的發現也說明如果使用此種土壤改良有殺傷農作物的可能。

致命基因工程鼠痘病毒偶然產生

澳大利亞研究員在研發對相對無害的鼠痘病毒基因工程時竟意外製創造出可徹底消滅老鼠的殺手病毒。

經改良的鼠痘病毒雖然對人類無影響，但卻與天花關係十分密切，讓人擔心基因工程將會被用於生物戰。一名研究員在談及他們決定出版研究成果的原因時曾說：" 我們想警告普通民眾，現在有了這種有潛在危險的技術"，"我們還想讓科學界明白，必須小心行事，製造高危致命生物並不是太困難。"

殺蟲劑使用的增加大部分是由於HT作物，尤其是HT大豆使用的殺蟲劑增加，這一點可追溯到對HT作物的嚴重依賴性以及雜草管理的單一除草劑（草甘磷）使用。這已導致轉移到更加難以控制的雜草，而某些雜草中還出現了遺傳抗性，迫使許多農民在基因工程作物上噴洒更多的除草劑以對雜草適當進行控制。HT大豆中的抗草甘膦杉葉藻（marestail）於2000年在美國首次出現，在HT棉花中也已鑒別出此種物質。

其它研究顯示，基因工程農作物本身也會對其使用的除草劑產生抗性，引發嚴重的自身自長作物問題（同一塊地里早先種植的作物種子發芽的植物後來變成雜草）並迫使進一步使用除草劑。加拿大科學家證實了抗多種除草劑之基因工程油菜的迅速演化，此種作物因花粉長距離傳播而融合了不同公司研製的單價抗除草劑特性。

此外，科學家還在2002年確認了轉基因可從Bt向日葵移動到附近的野生向日葵，使雜化物更強、對化學藥品更具抗性，因為較之無基因控制的情況，雜化物多了50%的種子，且種子健康，甚至在乾旱條件下也如此。

基因工程事關全人類，科學家們正積極地研究著，希望這樣的科學事業在未來能趨利避害，造福全人類。