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(guó)斯坦福大學(xué)科恩研究小組首次將大腸桿菌中兩個(gè)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(gè)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(shí)表達(dá)出原來(lái)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(dòng)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(guò)對(duì)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(lèi)型。
基因工程一般要經(jīng)過(guò)五個(gè)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(guò)化學(xué)合成方法合成出一個(gè)個(gè)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(gè)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(guò)漫長(zhǎng)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(huì)被一種叫做限制性?xún)?nèi)切酶的酶類(lèi)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(guò)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(guò)程稱(chēng)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(wàn)分之一，所以必需用一些方法進(jìn)行檢出和篩選。然后對(duì)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(guò)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(lèi)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(dòng)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(zhǎng)期以來(lái)，人們用動(dòng)植物和微生物手段（即雜交和選擇）來(lái)培養(yǎng)植物和動(dòng)物新品種。后來(lái)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(lái)了極大的困難。同時(shí)，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(zhuān)家一生的心血只能培育出幾個(gè)優(yōu)良品種。從理論上講，基因工程可以把任何不同種類(lèi)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(lèi)向育種的自由王國(guó)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(jiàn)性和準(zhǔn)確性。
在農(nóng)作物中，已成功地對(duì)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(gè)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(chóng)不能消化其中的蛋白質(zhì)而無(wú)法繁殖，從而這一煙草品種就獲得了抗蟲(chóng)害的能力。對(duì)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(zhǎng)時(shí)間，也避免了過(guò)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(guó)上市。雖然植物基因工程的應(yīng)用還剛剛開(kāi)始，但為農(nóng)作物的大量增產(chǎn)和品種改造提供了無(wú)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(gè)氨基酸組成的多肽。由于醫(yī)用水蛭來(lái)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(lái)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(lái)生產(chǎn)，年銷(xiāo)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(jì)到1997年生物高技術(shù)產(chǎn)品的世界銷(xiāo)售額將達(dá)71億美元。
3 人類(lèi)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(zhǎng)期保存的、穩(wěn)定的重組體中，以備需要時(shí)應(yīng)用。這好像將文獻(xiàn)資料貯存于圖書(shū)館一樣，所以稱(chēng)基因文庫(kù)（ge-nomic library）。人類(lèi)基因文庫(kù)的建立是一項(xiàng)意義重大的工程，稱(chēng)為人類(lèi)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(lèi)8萬(wàn)個(gè)基因中每個(gè)基因所含的4種核苷酸（共30億個(gè)堿基對(duì)）的排序，以及每個(gè)基因在23對(duì)染色體中的確切位置，從而確定全部的人類(lèi)基因，從中了解控制生命過(guò)程的全部信息。從現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展速度來(lái)看，完成這項(xiàng)工程大約需要10～15年時(shí)間，投資30億美元，全部完成后，如果印成書(shū)，以每頁(yè)3000個(gè)印刷符號(hào)計(jì)，會(huì)有100萬(wàn)頁(yè)。這將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的任何一種百科全書(shū)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(lèi)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(duì)待現(xiàn)在還不能控制的各種危及人類(lèi)生命的常見(jiàn)病、遺傳病以及癌癥等的根本方法和技術(shù)。有了這個(gè)巨大的基因數(shù)據(jù)庫(kù)，人們就可以知道每個(gè)基因所發(fā)揮的作用，并確定哪些基因與疾病有關(guān)。通過(guò)這種方法可以找到致病的原因，然后對(duì)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(jì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)，許多遺傳疾病和癌癥可望通過(guò)基因治療得到根治。
人類(lèi)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(gè)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(gè)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(jiàn)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(lái)治療遺傳性疾病。這種方法由于涉及到對(duì)異常基因進(jìn)行“修補(bǔ)”，所以稱(chēng)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。