1 基因工程的原理與步驟
基因工程始于70年代初。1973年美國斯坦福大學(xué)科恩研究小組首次將大腸桿菌中兩個不同的抗藥性的質(zhì)粒（一種在細(xì)菌染色體以外的遺傳單元，通常由環(huán)形雙鏈DNA構(gòu)成）結(jié)合在一起，構(gòu)成一個雜合質(zhì)粒，再引入大腸桿菌。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種雜合質(zhì)粒不但復(fù)制，而且能夠同時表達(dá)出原來的兩種抗藥性。第二年科恩等人又用金黃色葡萄球菌中的抗藥性質(zhì)粒與大腸桿菌的抗藥性質(zhì)粒結(jié)合，得到了同樣結(jié)果。接著他們又進(jìn)一步用高等動物非洲爪蛙的決定核糖體RNA結(jié)構(gòu)的基因（rRNA）與大腸桿菌的質(zhì)粒重組到一起，并引進(jìn)到大腸桿菌中去，結(jié)果發(fā)現(xiàn)爪蛙的基因在細(xì)菌細(xì)胞中同樣可以復(fù)制與表達(dá)，產(chǎn)生出與爪蛙核糖體RNA完全一樣的RNA。科恩等人的工作證明，人們可以根據(jù)自己的意愿、目的，通過對基因的直接操縱而達(dá)到定向改造生物遺傳特性，甚至創(chuàng)造新的生物類型。
基因工程一般要經(jīng)過五個步驟。第一步是目的基因的分離與制備，其方法主要包括從細(xì)胞中分離提純和人工合成。人工合成是指先通過化學(xué)合成方法合成出一個個小的DNA片段，然后再用連接酶把這些小片段聯(lián)接成為一個完整的基因。
第二步為目的基因與載體的連接。雖然直接把目的基因引入變體細(xì)胞，這也不是不可能的，但多數(shù)情況下因每種生物經(jīng)過漫長的進(jìn)化演變，已具有抗拒異種生物侵害而保存自己種族的本領(lǐng)。所以，當(dāng)外源DNA赤裸裸地進(jìn)入細(xì)胞后往往會被一種叫做限制性內(nèi)切酶的酶類破壞分解。這就需要一種能夠把目的基因安全送進(jìn)受體細(xì)胞的運(yùn)載工具，即載體。這些載體除能比較方便地進(jìn)入受體細(xì)胞外，還要能在受體細(xì)胞中復(fù)制自己，以便擴(kuò)增。此外，基因工程中所應(yīng)用的載體往往帶有一定的選擇標(biāo)記和特定的酶切位點(diǎn)，這樣可以方便選擇和裝拆外源DNA。最常用的載體是質(zhì)粒（如大腸桿菌質(zhì)粒pBR322）和病毒（如λ噬菌體——一種細(xì)菌病毒，為雙鏈DNA）。外源DNA與載體DNA連接即形成重組DNA。在連接過程中通常需要兩種酶：限制性核酸內(nèi)切酶（能特異性的切斷DNA鏈）和連接酶。
第三步為將重組DNA引入受體細(xì)胞。重組DNA分子建立之后，還要引進(jìn)到受體細(xì)胞中去，使細(xì)胞獲得新遺傳特性，此過程稱為轉(zhuǎn)化或感染。目前基因工程的受體細(xì)胞主要是細(xì)菌，因?yàn)榧?xì)菌具有操作方便，易于培養(yǎng)，繁殖迅速等優(yōu)點(diǎn)。
第四步為篩選出含有重組體的克隆（即復(fù)制）。由于細(xì)胞轉(zhuǎn)化的頻率較低，轉(zhuǎn)化率一般在10-6水平，即轉(zhuǎn)化后的帶有重組DNA的細(xì)菌只占其總數(shù)的百萬分之一，所以必需用一些方法進(jìn)行檢出和篩選。然后對篩選出的含有重組體DNA的細(xì)胞進(jìn)行克隆。圖6．11為DNA重組體的構(gòu)建與克隆示意圖。
通過以上步驟，便得到了帶有異源目的基因的細(xì)菌。第五步就是要使這些帶有異源目的基因的細(xì)菌得到表達(dá)，生產(chǎn)出人類所需要的產(chǎn)品。
人們已經(jīng)成功地利用這種將外源基因?qū)爰?xì)菌中的技術(shù)，將人或動物的某些基因（如胰島素等）導(dǎo)入大腸桿菌，取得了舉世注目的巨大成果。
2 基因工程在農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用
長期以來，人們用動植物和微生物手段（即雜交和選擇）來培養(yǎng)植物和動物新品種。后來又發(fā)展到人工誘變。但是，不同物種之間的生殖隔離給種間雜交帶來了極大的困難。同時，人工誘變又不能定向，所以以往的育種工作帶有很大的盲目性，并且效率極低。許多育種專家一生的心血只能培育出幾個優(yōu)良品種。從理論上講，基因工程可以把任何不同種類生物的基因組合到一起，使得它具有所需要的遺傳特性，這是人類向育種的自由王國邁出的一大步，使得在定向改造生物本性方面具有了前所未有的預(yù)見性和準(zhǔn)確性。
在農(nóng)作物中，已成功地對馬鈴薯進(jìn)行了改造，不但使其獲得了抗病毒基因，而且也得到了高蛋白質(zhì)含量的馬鈴薯新品種。把一個蛋白水解酶抑制劑基因引入煙草之后，使得以煙葉為食的害蟲不能消化其中的蛋白質(zhì)而無法繁殖，從而這一煙草品種就獲得了抗蟲害的能力。對蕃茄的基因改造得到了比較不易軟化和擦傷的品種，因此可以在成熟后收獲并且保存較長時間，也避免了過去在成熟前收獲而口味不好的缺點(diǎn)，該產(chǎn)品已經(jīng)在美國上市。雖然植物基因工程的應(yīng)用還剛剛開始，但為農(nóng)作物的大量增產(chǎn)和品種改造提供了無法估量的發(fā)展前景。
基因工程在醫(yī)藥領(lǐng)域也有廣闊應(yīng)用前景。水蛭素是從水蛭中提取到的一種抗凝血、抗血栓藥物，它是由65個氨基酸組成的多肽。由于醫(yī)用水蛭來源有限，直接從中大量分離水蛭素供給治療需要是不可能的。現(xiàn)在可以利用基因工程技術(shù)大量生產(chǎn)水蛭素。重組水蛭素與天然水蛭素的藥理活性基本相同。
組織血栓溶酶活化蛋白（TPA）是另一種有助于溶化血栓的蛋白質(zhì)，但在生物體中含量甚微，不可能用天然來源制備這種藥物，現(xiàn)在已經(jīng)能夠用基因工程技術(shù)大量生產(chǎn)，并被用于中風(fēng)的預(yù)防和治療中。僅此一產(chǎn)品，年產(chǎn)值已達(dá)2.3億美元。治療糖尿病的藥物胰島素，也已用基因工程的方法來生產(chǎn)，年銷售額約5.7億美元。
目前世界上的生物工程公司已經(jīng)在幾年前紛紛建立的基礎(chǔ)上取得了很大發(fā)展，各種疫苗、抗生素、激素、酶等產(chǎn)品可利用基因工程技術(shù)大量生產(chǎn)。估計到1997年生物高技術(shù)產(chǎn)品的世界銷售額將達(dá)71億美元。
3 人類基因組工程與基因治療
應(yīng)用DNA重組技術(shù)，可以很容易地將各種生物體的全部基因組的遺傳信息貯存在可以長期保存的、穩(wěn)定的重組體中，以備需要時應(yīng)用。這好像將文獻(xiàn)資料貯存于圖書館一樣，所以稱基因文庫（ge-nomic library）。人類基因文庫的建立是一項(xiàng)意義重大的工程，稱為人類基因組工程。
在這項(xiàng)工程中，科學(xué)家正在進(jìn)行巨大的努力，要在21世紀(jì)初（約2005年）弄清人類8萬個基因中每個基因所含的4種核苷酸（共30億個堿基對）的排序，以及每個基因在23對染色體中的確切位置，從而確定全部的人類基因，從中了解控制生命過程的全部信息。從現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展速度來看，完成這項(xiàng)工程大約需要10～15年時間，投資30億美元，全部完成后，如果印成書，以每頁3000個印刷符號計，會有100萬頁。這將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的任何一種百科全書的篇幅。
就像19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)的元素周期律為20世紀(jì)作好準(zhǔn)備，使化學(xué)工業(yè)、量子力學(xué)理論出現(xiàn)了大發(fā)展一樣，人類基因組工程將為21世紀(jì)的發(fā)展作好準(zhǔn)備，它能夠產(chǎn)生對待現(xiàn)在還不能控制的各種危及人類生命的常見病、遺傳病以及癌癥等的根本方法和技術(shù)。有了這個巨大的基因數(shù)據(jù)庫，人們就可以知道每個基因所發(fā)揮的作用，并確定哪些基因與疾病有關(guān)。通過這種方法可以找到致病的原因，然后對有關(guān)的基因進(jìn)行修復(fù)、校正等特異性的“治療”，從而達(dá)到根治疾病的目的，這就是所謂的基因治療。預(yù)計在不遠(yuǎn)的將來，許多遺傳疾病和癌癥可望通過基因治療得到根治。
人類的遺傳疾病是由于基因上的缺陷導(dǎo)致某些蛋白質(zhì)制造能力的喪失而引起的。早已知道鐮刀狀貧血病是由于血紅蛋白基因中的一個核苷酸T突變?yōu)?/font>A（遺傳密碼由CTT變?yōu)?/font>CAT），造成蛋白質(zhì)中的一個谷氨酸被纈氨酸代替，從而引起脫氧血紅蛋白溶解度下降，在細(xì)胞內(nèi)成膠或聚合，使紅細(xì)胞變形成為鐮刀狀，并且喪失結(jié)合氧分子的能力。另外一種比較常見的遺傳病是由于編碼苯丙氨酸羥基化酶的基因丟失，人體不能合成苯丙氨酸羥基化酶，造成苯丙氨酸在人體內(nèi)的積累而引起的癡呆癥。利用DNA重組技術(shù)，人們可以用正常功能的基因片段去替換或插入有缺陷的基因片段中，來治療遺傳性疾病。這種方法由于涉及到對異常基因進(jìn)行“修補(bǔ)”，所以稱為基因修補(bǔ)。基因修補(bǔ)是基因治療方法中的一種。基因修補(bǔ)可望在21世紀(jì)中葉成為根治遺傳性疾病的實(shí)用手段。