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一、什么是基因工程?

基因工程，有時也被稱為基因修飾，是改變生物體基因組中 DNA 的過程。

這可能意味著改變一個單一的堿基(A、T、C 或 G)以改變一個基因的功能，或者刪除或插入一個完整的基因或 DNA 區(qū)域。在此處閱讀關(guān)于不同類型的基因組編輯的內(nèi)容。

在某些情況下，基因工程意味著從另一個生物體的基因組中提取 DNA 并將其與該個體的 DNA 相結(jié)合。

科學(xué)家使用基因工程來增強(qiáng)或修改單個生物體的特征。

例如，基因工程可用于生產(chǎn)具有更高營養(yǎng)價值或能耐受除草劑暴露的植物。

它可以應(yīng)用于任何生物體，盡管法律法規(guī)各不相同。

二、基因工程是如何工作的?

自 20 世紀(jì) 80 年代以來，基因工程工具不斷發(fā)展，使科學(xué)家能夠?qū)ι矬w的基因組進(jìn)行越來越精確的編輯。

你可以在此處閱讀關(guān)于其中一些工具的內(nèi)容，包括 TALENs 和 CRISPR-Cas9.

案例研究：對細(xì)菌或酵母細(xì)胞進(jìn)行基因工程以生產(chǎn)胰島素

基因工程的一個例子是使細(xì)菌或酵母細(xì)胞為糖尿病患者生產(chǎn)胰島素。

一小段環(huán)狀 DNA 經(jīng)過基因修飾以包含編碼人類胰島素的基因。

經(jīng)過基因修飾的質(zhì)粒被引入一個新的細(xì)菌或酵母細(xì)胞中。

這個細(xì)胞然后迅速分裂并開始生產(chǎn)胰島素。

為了產(chǎn)生大量的細(xì)胞，經(jīng)過基因修飾的細(xì)菌或酵母在含有它們所需的所有營養(yǎng)物質(zhì)的大型發(fā)酵罐中生長。細(xì)胞分裂得越多，產(chǎn)生的胰島素就越多。

當(dāng)發(fā)酵完成時，混合物被過濾以釋放胰島素。

然后胰島素被純化并包裝到瓶子和胰島素筆中，分發(fā)給糖尿病患者。

顯示基因修飾如何用于在細(xì)菌中生產(chǎn)胰島素的插圖。圖片來源：Laura Olivares Boldú / Wellcome Connecting Science

三、基因工程還用于什么?

基因工程有許多有用的應(yīng)用，包括科學(xué)研究、農(nóng)業(yè)和技術(shù)。

1、用于農(nóng)業(yè)

在植物中，基因工程已被應(yīng)用于提高作物如土豆、西紅柿和水稻的抗性、營養(yǎng)價值和生長速度。

例如，“黃金大米” 是一種經(jīng)過基因工程改造的大米，它能產(chǎn)生高水平的一種叫做 β- 胡蘿卜素的分子，使其呈黃橙色。當(dāng)被食用時，人體可以將 β- 胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素 A。

2、用于醫(yī)藥

一些動物已被基因工程改造以生產(chǎn)藥品，如激素、酶或疫苗。

例如，山羊已被基因工程改造以生產(chǎn)富含一種叫做抗凝血酶的分子的奶，這種分子用于預(yù)防高?；颊叩男呐K病發(fā)作和中風(fēng)。

類似地，綿羊可以被基因工程改造以生產(chǎn)含有一種叫做 α-1 抗胰蛋白酶的人類酶的奶，這種酶可以治療囊性纖維化和肺氣腫患者。

3、用于研究

1973 年，第一個被創(chuàng)造出來的轉(zhuǎn)基因生物是一種細(xì)菌。

1974 年，同樣的技術(shù)被應(yīng)用于小鼠。這使得在模式生物中研究特定基因的功能成為可能。

科學(xué)家還創(chuàng)造了在黑暗中發(fā)光的線蟲以研究諸如阿爾茨海默病等疾病。

案例研究 —— 阿爾茨海默病與線蟲

秀麗隱桿線蟲在其整個神經(jīng)系統(tǒng)中只有大約 300 個細(xì)胞。它也幾乎是透明的，這使得用熒光標(biāo)記標(biāo)記不同的蛋白質(zhì)并在顯微鏡下觀察它們?nèi)绾斡绊懖煌募?xì)胞成為可能。

在人類中，APP 基因編碼一種與阿爾茨海默病患者特有的淀粉樣斑塊相關(guān)的蛋白質(zhì)。

研究人員對線蟲的神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行基因工程改造，使其含有 APP 基因，實(shí)際上使線蟲患上了阿爾茨海默病。

他們還用熒光標(biāo)記標(biāo)記了由此產(chǎn)生的 APP 蛋白。這表明，隨著線蟲變老，與 APP 蛋白接觸的每個細(xì)胞都死亡了。

然后研究人員能夠監(jiān)測線蟲中阿爾茨海默病的進(jìn)展，并繼續(xù)將他們的發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于理解 APP 在患有阿爾茨海默病的人類中的作用。

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