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转基因生物安全锁：构建更安全的细菌
转基因生物安全的构建需要将基因重组生物体的生存与生命必需氨基酸的人工合成结合起来
　　新浪科技讯 北京时间23日消息，据国外媒体报道，转基因生物，特别是完全人工合成出来的生物体的诞生，在不断令人感到振奋的同时，也带来了挥之不去的担忧。这些生物有的已经在源源不断地生成胰岛素以及其他药物成分，有的能够制造生物燃料，有的可以帮助科学家了解人类疾病，还有的能改善渔业和农业的生产。尽管转基因的风险不像被人为夸大的那样令人恐惧，但如果转基因生物逃脱束缚，确实可能给自然生态系统造成麻烦。
　　物理性的控制是不够的。实验室的器皿和工业用的大桶有可能破裂；工人有可能把不经意间被污染的衣物带回家。还有一些生物本来就是要在开阔的环境中发挥作用，如不能传播疟疾的蚊子。于是注意力就转移到了生物控制方面，即建立内在的生物安全保障，避免转基因生物在不应该存在的地方存活下来。为了做到这一点，遗传学家和合成生物学家从安全工程师那里寻找到了线索。
　　担任哈佛医学院罗伯特·温索遗传学讲座教授，同时也是维斯研究所核心研究成员的乔治·丘奇(George Church)说：“如果你制造出了一种具有潜在爆炸性的化学物质，你会往里面加入稳定剂。如果你生产汽车，你会装上安全带和安全气囊。”而如果你创造出了一种基因组重新编码的生物，它就只能依赖你所提供的物质存活。乔治·丘奇的研究组在2013年宣布，他们创造出了世界上第一种基因组重新编码的生物体：一株基因组完全改变的大肠杆菌(Escherichia coli)。
　　在1月21日的《自然》(Nature)杂志中，他们阐述了如何对2013年的那株大肠杆菌进行更进一步的改进，在其基因组中的许多位置掺入了一种人工合成的氨基酸。如果没有这种氨基酸，这种大肠杆菌就无法将核糖核酸(RNA)翻译成正确折叠的蛋白质。
　　在野外环境中，这种大肠杆菌无法自己合成这一人工的氨基酸，它们必须依赖特殊的实验室培养基才能存活。另一个科研团队也在《自然》杂志上撰文称，他们采用不同的方法也生成了同样的、依赖人工合成氨基酸的大肠杆菌菌株。该研究团队由乔治·丘奇的长期合作者，来自耶鲁大学的法伦·艾萨克斯(Farren Isaacs)领导。
　　这两个研究都是首次利用对人工合成营养的依赖作为生物控制的策略，这或许可以对开阔环境中转基因生物的安全性问题带来启发。此外，“我们现在有了第一例基因组规模的生物工程，而不仅仅是基因编辑或基因组复制，”乔治·丘奇说，“从基因组功能的角度来说，这是目前为止改变最彻底的基因组。我们不仅有了新的编码，而且有了一个新的氨基酸，该生物体完全要依赖于这种氨基酸。”
　　乔治·丘奇所在的团队，由两位共同第一作者丹·曼德尔(Dan Mandell)和马克·拉茹瓦(Marc Lajoie)所领导，他们都是哈佛医学院遗传学的研究员。该团队还使大肠杆菌对两种病毒产生了抗性，接下来他们还计划使其能够抵抗更多的病毒。
　　这些改进使制造更加安全的大肠杆菌菌株成为可能，这些菌株可以用于生物技术应用，而不用担心会受到病毒的污染。受到病毒感染的菌株可能会带来灾难性的经济损失，如果扩散的话还可能导致生态灾难(大肠杆菌是工业上应用很广的生物体)。
　　确定氨基酸
　　科学家已经探索出了两种主流的生物控制方法，但二者均有缺陷。乔治·丘奇想对这两种方法进行修正。
　　其中一种方法是将通常自给自足的生物体如大肠杆菌改造成营养缺陷体，即不能生成生长所需的某种特定营养物质。人类就是营养缺陷体，我们需要摄食维生素以及其他“必要”的营养物质。
　　乔治·丘奇称，改变大肠杆菌的基因，使它们无法生成某种自然存在的营养物质，这一方法并不总是奏效。因为有些大肠杆菌可以从周围环境中吸收这种营养物质。通过使大肠杆菌依赖于某种自然界没有的营养物质，就可以降低这种风险。
　　另一个改造成营养缺陷体的不足之处是，大肠杆菌可以演化出合成所需营养物质的方式，或者在和其他大肠杆菌进行“水平基因转移”过程时，通过DNA片段的交换，获得这种合成能力。
　　乔治·丘奇相信，他的团队可以避免这些可能性，因为他们对基因组做了49处基因改变，使它们必须依赖这种人工营养物质。如果某个大肠杆菌能随机避免这些变化，同时不获得某种有害突变，这样的概率极其微小。
　　乔治·丘奇的方案还考虑到了另一种生物控制技术。这种技术利用基因“杀死开关”，使细菌能被某种毒素杀死，因此在逃逸时可以被很快地控制。乔治·丘奇说：“如果要关闭‘杀死开关’，只要使基因不表达即可，”有很多方法都可以做到这一点。不过，通过基因组改造，使大肠杆菌对人工氨基酸产生依赖却比这些难得多。
　　成功制造“合成营养缺陷体”的关键之一，是保证大肠杆菌只有依赖人工氨基酸才能生存。为了做到这一点，乔治·丘奇的团队将目标定在了细胞中发挥必要功能的蛋白质上。“如果你使周边的基因不表达，好比取消了汽车的喷漆工作，那汽车还是能运转，”他解释道，“你需要把这种依赖性植入发动机的内部，比如曲轴，使它成为一个独特的部分，你只能从欧洲的某个制造商那里才能得到。”
　　构建更加安全的细菌
　　选择与大肠杆菌生存密切相关的生化过程，以及需要合成一种自然界中找不到的营养物质，使得乔治·丘奇的团队只能选择少数几个基因。他们利用计算机工具设计氨基酸，使其能引起“不可逆的、不可逃避的依赖性”。之后，他们选择了最佳的候选氨基酸，进行合成并在大肠杆菌上进行实验。
　　他们最终获得了3种成功被重新设计的必需氨基酸，以及两株具有依赖性的大肠杆菌。乔治·丘奇说：“三种氨基酸一起使用时，作用比单独使用时更强大。”他设想未来的大肠杆菌将依赖更多的合成氨基酸，从而彻底解决菌株逃逸的问题。
　　在没有提供人工合成氨基酸的条件下，能存活的大肠杆菌数极低，以至于无法检测到。在多次实验中，乔治·丘奇的团队培养了总共1万亿个大肠杆菌细胞，在两周时间之后，没有一个细胞能够存活下来。乔治·丘奇称，这比美国国立卫生研究院推荐的转基因生物逃逸率低了10000倍。
　　当然，乔治·丘奇的方法还有待时间的检验。目前，他很满意研究团队已经获得的检测结果。他们致力于建设生物的安全工程，试图开发出包含在生物体内部的机制，使得最终不再需要物理性的控制措施。与此同时，他说：“我们可以使用物理性的控制方法进行纠错，确保这些机制能够有效发挥作用。”(任天)
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应用转基因技术可生产人类所需要的转基因产品，如利用大肠杆菌生产人胰岛素。下列选项中能说明人胰岛素基因完成了在受体细胞中表达的是
A．在大肠杆菌细胞中检测到人的胰岛素基因B．在大肠杆菌中检测到人胰岛素基因转录出的mRNAC．在含有四环素的培养基中培养出大肠杆菌D．在大肠杆菌的代谢产物中提取到人胰岛素
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基因工程的基本操作程序
基因工程的基本操作程序：1、目的基因的获取（1）目的基因是指： 编码蛋白质的结构基因。（2）获取方法：①从基因文库中获取；②人工合成（反转录法和化学合成法）；③PCR技术扩增目的基因。2、基因表达载体的构建（1）目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传至下一代，使目的基因能够表达和发挥作用。（2）组成：目的基因+启动子+终止子+标记基因。如图：①启动子：是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质。②终止子：也是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的尾端。③标记基因的作用：是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来。常用的标记基因是抗生素基因。（3）基因表达载体的构建过程：3、将目的基因导入受体细胞（1）转化的概念：是目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。（2）常用的转化方法：
（3）重组细胞导入受体细胞后，筛选含有基因表达载体受体细胞的依据是标记基因是否表达。4、目的基因的检测和表达（1）首先要检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是采用DNA分子杂交技术。（2）其次还要检测目的基因是否转录出mRNA，方法是用标记的目的基因作探针与mRNA杂交。（3）最后检测目的基因是否翻译成蛋白质，方法是从转基因生物中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原--抗体杂交。 （4）有时还需进行个体生物学水平的鉴定。如转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。知识点拨：1、构建基因文库的目的为了在不知目的基因序列的情况下，便于获得所需的目的基因。 2、PCR技术：是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。PCR扩增是获取目的基冈的一种非常有用的方法，也是进行分子鉴定和检测的一种很灵敏的方法。目的：通过指数式扩增获取大量的目的基因。 3、基因文库中不是直接保管相应基因，基因文库中的基因保存在受体菌中。 4、在基因工程的四个操作步骤中，只有第三步将目的基因导入受体细胞不需碱基互补配对，其余三个步骤都涉及碱基互补配对。5、原核生物繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少，有利于目的基因的复制与表达，因此常用大肠杆菌等原核生物作为受俸细胞。 6、植物细胞的全能性较高，可经植物组织培养过程成为完整植物体，因此受体细胞可以是受精卵也可以是体细胞；动物基因工程中的受体细胞一般是受精卵。7、转化的实质是目的基因整合到受体细胞染色体基因组中，从而使受体生物获得了新的遗传特性的现象，从其变化的实质看，这种变异属于可遗传变异中的基因重组。 知识拓展：1、基因文库的构建：（1）概念①基因组文库：含有一种生物的全部基因。将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因，称为基因组文库。 ②cDNA文库：只包含了一种生物的部分基因。 （2）构建过程
2、人工合成目的基因（1）反转录法：（2）人工合成目的基因3、PCR技术扩增目的基因①原理：DNA双链复制②过程：第一步：加热至90～95℃DNA解链；第二步：冷却到55～60℃，引物结合到互补DNA链；第三步：加热至70～75℃，热稳定DNA聚合酶从引物起始互补链的合成。
发现相似题
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10068810474891703697688329590409什么是基因？什么是转基因技术_百度知道
什么是基因？什么是转基因技术
答：1.基因：基因（遗传因子）是遗传的物质基础，是DNA或RNA分子上具有遗传信息的特定核苷酸序列。基因通过复制把遗传信息传递给下一代，使后代出现与亲代相似的性状。人类大约有几万个基因，储存着生命孕育、生长、凋亡过程的全部信息，通过复制、表达、修复，完成生命繁衍、细胞分裂和蛋白质合成等重要生理过程。生物体的生、长、病、老、死等一切生命现象都与基因有关。它也是决定人体健康的内在因素。2.转基因技术：转基因技术是将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体的性状的可遗传的修饰，这一技术称之为转基因技术（Transgene technology）。人们常说的&遗传工程&、&基因工程&、&遗传转化&均为转基因的同义词。经转基因技术修饰的生物体在媒体上常被称为&遗传修饰过的生物体&（Genetically modified organism，简称GMO）。运用科学手段从某种生物中提取所需要的基因，将其转入另一种生物中，使与另一种生物的基因进行重组，从而产生特定的具有优良遗传性状的物质。利用转基因技术可以改变动植物性状，培育新品种。也可以利用其它生物体培育出人类所需要的生物制品，用于医药、食品等方面。转基因技术，包括外源基因的克隆、表达载体、受体细胞，以及转基因途径等，外源基因的人工合成技术、基因调控网络的人工设计发展，导致了21世纪的转基因技术将走向转基因系统生物技术 - 合成生物学时代。
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