生物技术：基因工程

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我刚上大学时主修艺术。当时我的女朋友希望有人在生物化学课上坐在她旁边，我只是偶然想成为一名生物专业的学生。你也许能猜出原因。我开始上这些课程，但是什么让我一直坚持下去，让我从生物学的辅修变成了双主修，是当我开始突然发现DNA和生物技术发生了什么？

生物技术是一个非常大的领域。但真正引起我兴趣的，是一个叫做基因工程的想法，就是从其他生物身上提取特征，然后把它们移植到一个新的生物身上。它让玉米书的世界更接近现实。

所以我将从讨论基因工程的一些内容开始。预演基因工程的基本过程。我还将讨论基因工程的一些惊人用途。然后我们将深入研究如何制造重组DNA，或者基因工程所涉及的不同来源DNA的组合。然后我们将讨论如何将其插入到任何一个新的宿主携带这组新的DNA中。最后，我们该如何检查你是否成功，这叫做检查表达。

所以我想说，基因工程就是从一个有机体中提取DNA，然后把它放到另一个有机体中。但是，你要怎么做，为什么这么做?如果你是彼得·帕克，原因很简单。你想要超能力，你想要蜘蛛的能力。但这在现实世界中是行不通的，不是吗?

对于糖尿病患者来说，每天注射胰岛素是维持生命的关键。早在20世纪20年代，科学家就发现了如何获得胰岛素。

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他们所做的是，他们使用死猪和死牛的胰腺，将它们碾碎以获得胰岛素。问题是，因为它不是人类胰岛素，有些人对它过敏，会出现严重的症状或副作用。另一个大问题是，需要8000磅的胰脏才能得到1磅的胰岛素。所以它既危险又昂贵。

然而，在70年代中后期，一些科学家找到了获取人类DNA序列的方法，并将其放入细菌中。细菌不会坐在那里说，“哦，这是人类，我不能用它。”不，他们会遵循牢房里的指令。所以这些细菌就开始生产它们被告知的蛋白质，也就是人类胰岛素。

如今，这里有大量的细菌，大量地分泌胰岛素。很容易分离出来。这意味着我们有了这种超级英雄细菌，用这种人类胰岛素拯救了世界各地数百万糖尿病患者的生命。

基因工程还有哪些其他用途？在农业领域，基因工程是一项重大发展。在农业中最常见的事情之一是培育玉米和其他植物，这些植物中含有基因工程蛋白质。在实际的植物中产生少量的杀虫剂。这意味着这里是一个正常的植物，你可以看到虫子一直在吃它破坏它。这只虫子咬了几口就死了。

对于那些真正支持它的人来说，这彻底改变了农业，因为农民们不需要喷洒那么多的杀虫剂。那些反对它的人有点担心，把这个新基因放入生态系统会有什么后果。有机农民对此也有点不安，因为实际上使用的农药，是由细菌产生的。有机农民不使用杀虫剂。

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他们所做的就是喷洒在一种天然细菌上，然后这些细菌就会制造杀虫剂。这就是他们允许使用的一种杀虫剂。他们担心大规模的农业公司对它的使用，最终会导致进化发生，虫子将不再被它阻止。

那么，它在农业中的其他用途是什么呢?它的范围。他们给农作物添加了一些抗冻基因，使它们不被霜冻破坏。他们添加了来自其他来源的基因，使作物耐久或保持成熟的时间更长。他们甚至开始寻找蜘蛛使用的DNA，来制造蛛丝。他们甚至将其植入山羊体内。现在你可能在想，你为什么要这样做?你是想做蜘蛛山羊吗?不。不是有山羊跑来跑去，从乳房上射网吗，因为那是完全不可能的。 Sorry for the chizzy joke, I thought I’d milk that one for all I could.

但事实证明，他们所做的是，山羊就是用来产奶的。牛奶中含有大量的蛋白质。有了蛛丝蛋白，山羊就能制造蛛丝蛋白它就在牛奶中的其他蛋白质中。我们已经用了好几个世纪的技术分离蛋白质来寻找牛奶。我们称之为制作奶酪和酸奶。所以这是获得大量蛛丝蛋白的好方法。

我们为什么要这样做呢?如果你读过漫画书，你就会知道蛛丝比等量的钢铁更结实、更轻。因此有人建议用它来制造一些东西，比如非常轻的防弹背心，用它来制造汽车和飞机的新车身。可能性是无穷无尽的，这比尝试更好，我不知道。一想到伤害蜘蛛就觉得毛骨悚然，你想给蜘蛛挤奶吗?

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药呢?除了药物，它们还被用于很多新技术。比如制造这种基因工程老鼠，叫做敲除老鼠。其中一个基因被关闭了。现在在这个地区，你会想，“哇，人们有这么多遗传疾病，为什么我们不通过基因工程来解决他们的问题呢?”在概念上行得通，但在现实中却变得相当复杂，因为这个被称为基因治疗的过程，在过去有一些问题。因为我们很难准确定位我们想要改变的基因。很多时候，它会意外导致一些事情出错，比如癌症。

成功使用它的第一个例子是，处理一个称为服务器折衷免疫缺陷问题或SCIDS的问题。你们中有些人可能听说过这个患有泡泡综合症的男孩。这是你体内一个基因的问题。而这恰好是激活免疫系统的基因。如果你的基因有一个坏的版本，那么你的免疫系统就不会启动。这就是为什么它被称为泡泡病因为一个患有这种病的孩子，一生都生活在泡泡里。

一些科学家找到了从这些可怜的孩子身上取出细胞的方法，这些孩子正遭受着绝症的折磨。在它们身上做实验被认为是合乎生物伦理的原因之一，因为它们无论如何都会死。他们所做的是，取出细胞，然后使用一种改良病毒。

现在病毒，很多都是通过将DNA插入你的细胞来工作的。他们所做的是，他们带走了病毒，去除了致病的DNA，转而植入了新的基因。给这些孩子ADH基因的工作版本，他们的身体无法制造。然后，他们将病毒与他们的骨髓细胞混合，让这些细胞有足够的时间生长。然后他们把骨髓细胞重新植入孩子体内，结果证明它起作用了。

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这就是基本思想。你从你想要的人那里剪下DNA，一个捐赠者。然后把它加到载体DNA中，这就是病毒的DNA。然后你把它放进你的细胞里，希望它能起作用。

听起来很简单，但总体来说确实如此。但是，就像大多数事情一样，细节决定成败。那么让我们仔细看看第一步，即如何将供体DNA和载体DNA连接在一起?

DNA结合的整个过程，也就是制造重组DNA，都依赖于一对蛋白质或酶。这些是限制性酶和DNA连接酶。限制性内切酶是在细菌中发现的一种特殊蛋白质，细菌利用它在病毒有机会杀死细菌之前将病毒DNA切碎。

限制性内切酶的特别之处在于，它们会寻找非常特殊的序列，称为识别序列，或限制性内切位点。它们的特殊之处在于它们是回文。如果我们看一下，比如GAATTC。你会注意到，读另一个方向，是完全相同的GAATTC。因为你还记得，DNA是反平行方向的。所以限制性内切酶会沿着它会折断磷酸糖主链或者打断它，在序列的第一个核苷酸和下一个之间。

它的作用是在单链DNA的悬吊部分留下一点。现在，这些单链DNA片段可以很容易地相互配对。因为氢键。或者它们也可以对任何其他被相同的限制性内切酶切断的DNA序列做同样的处理，因为它们会留下相同的重叠末端。

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这种粘在一起的倾向，就是它们被称为粘尾的原因。现在你可能会想，这有什么意义?问题是，如果你可以这个载体DNA，你可以用它进入你想要进行基因改造的细胞。如果你用与切割供体DNA相同的酶切割载体DNA;你想从DNA中提取一个新的基因，然后你可以把它们混合在一起。

我们来看看。这里我们看到一些捐赠者的DNA，我们用限制性内切酶把它切了。这是我们的载体DNA。我们用同样的酶切的。现在我们把它们混合在一起我们会看到这里的顺序，氢键在一起，还有这里。现在的挑战是，它们是氢键连接在一起的，但是你怎么让它们保持在那里呢?因为你们都知道氢键当它们很多的时候它们有很多，它们各自都很弱。这就是DNA连接酶的作用。

DNA连接酶是DNA复制过程中用来连接冈崎片段的一种酶。也可以用来修复任何事故或对你的DNA造成的损伤。当你把供体DNA和载体DNA组合在一起后，给你一些热量，使限制性酶变性。然后，混合连接酶。连接酶会在任何有碎片粘在一起的地方，它会把这里和这里的糖磷酸键固定在一起，从而产生一个新的DNA分子由这两个不同的来源组成也就是重组DNA。

之前我讲过用病毒作为载体DNA。当我们谈到他们如何进行基因治疗时。另一种常见的载体DNA叫做质粒。如果我们看一下这些，你会发现质粒是细菌中常见的DNA小圈之一。

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细菌，不管他体内的DNA来自哪里。因为它们自己的染色体是圆形的，所以它们不携带质粒。接下来会发生的是，如果你能把一个带有重组DNA的质粒放入细菌中，那么它就会遵循你刚才给它的相互作用。事实上，现在，你可以打开目录，你可以在无数已经生成的预制质粒中生存。

接下来会发生的是，你会在这个预先制成的质粒上有一个基因。这让带有质粒的细菌有能力在任何你想要的抗生素中存活。这样你以后就可以选择哪些细胞得到了质粒，哪些没有。

这里还有一些不同的调控位点，可以帮助你打开或关闭你添加到细菌中的基因。这是一个了不起的能力。你会注意到还有其他的小网站。这些位置或限制性内切酶位置允许你们用不同数量的常用限制性内切酶切碎你们的质粒。所以你可以制造任何你想要的重组DNA。

现在我们有了重组DNA现在的挑战是如何将它植入细胞。如果你用病毒作为载体，那么过程就很简单，只要让病毒感染你试图将DNA注入的细胞，也就是宿主细胞。另一方面，如果你用的是质粒，那么你必须进行一个叫做转化的过程。

让我们快速看一下。这里我们又得到了载体质粒。我们用限制性内切酶把它切开，这是我们切碎的DNA现在我们想要这个深绿色的供体DNA，想要的基因，和载体一起。加入连接酶，然后进行转化。转化是将质粒进入细菌细胞的过程。

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一般来说，最常见的技巧之一是希区柯克所知的一个过程。基本上就是，你把你的细菌试管放在冰上。你让它静置一段时间，然后把它放入热水中，然后再把它放回冰里。以前，你必须对细菌进行一般的治疗，试图在它的膜上戳洞。这叫做使细菌细胞有能力。这通常是通过用电或加入氯化钙之类的东西来完成的。

一旦你这样做了，你给细胞几分钟放松。然后恢复，然后把它放入装满食物的试管中。细菌会怎么做?让我们来看看。

当它吸收食物时，它就像细菌一样进食。以及人们最终会做什么。他们开始生孩子。每次你从一个细菌变成两个细菌，它忠实地复制i的所有DNA。无论是它自己的染色体还是质粒，最终都会给你一个装满了原始改良细菌小丑的试管。

所以不管你是转化还是只是病毒感染。你不能保证百分之百的效果。这时你需要查看这个叫做检查表达式的东西。记住，我们用的是带有抗生素抗性基因的质粒。然后我们就把那些我们允许生长的细菌蹲下，我们把它们蹲下在培养皿上。

在这个培养皿中，我们加入了一些抗生素，质粒也携带了抗性基因。这使得我们能够杀死任何没有吸收我们试图进入的质粒的细菌。所以成千上万的细菌蹲在这里，你可以看到只有10个左右的幸存者。现在，他们是否都有我们喜欢的插入的捐赠者DNA ?不。但随机地，其中一些应该是。

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所以你可以开始观察，这些不同的细胞在做什么。有很多方法可以做到这一点。一种是在上面放一些滤纸。这些由细菌产生的产品碎片会渗透到过滤器中，然后检查哪个细菌得到了它。但希望你能做的是，打开这些基因。再次记住，你是在用预先制作好的质粒，它们有所有这些遗传的东西，遗传调节部分。很多时候你添加的基因会改变颜色。所以你可以选择绿色的。就是这样。你要做的是检查它是否有效。

所以我忽略了一些细节，比如细菌如何不像真核生物那样有内含子和外显子。所以，在现实中你需要花些时间编辑内含子，创造出一系列有外显子的DNA。这叫做cDNA，是互补DNA的缩写。但总的来说，就像你看到的，这不是一个很难的过程。让我们快速浏览一下这个非常棒的YouTube视频来复习一下。

我们继续，我们把它做得漂亮又大，这样我们就能在屏幕上看到它了。我们开始吧。我们在这里看到的是一个装满了质粒或载体DNA的试管。当我们放大时，我们会看到在这个试管中漂浮着无数的质粒。每个质粒都有抗生素抗性基因，也就是所谓的复制起源或者说会被复制。这是我们可以插入并粘贴捐赠者DNA的区域。现在我们要继续，引入限制性内切酶，这样我们就可以开始切DNA了。这里我们看到一个识别序列。所以我们用限制性内切酶把它切碎。记住，那些黏糊糊的末端，用在AP的生物论文上，你就能得一分。

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这是我们捐献者的DNA。现在我们得到的不是一个或数千个所需序列的副本，而是数千个不同DNA区域的单个副本，因为我们不确定那个基因在哪里。但我们把它们混合在一起，它们都被相同的酶切过。氢键开始形成我们需要加入连接酶。现在我们把捐赠者的DNA加入到载体DNA中。这被称为重组DNA。

如果你还记得，我们接下来要做什么?把它放入细菌或转化物中。这里你可以看到其他质粒的样本每个质粒都有自己不同的供体DNA。这是我们的细菌大肠杆菌。所以我们要通过希区柯克程序把DNA注入他们体内。你会看到，一些细菌会吸收它，另一些不会。它是如何进入的是随机的。这个人，体内的质粒受伤了。这一个，这两个完全没有。这意味着这些携带重组质粒的家伙，具有抗生素耐药性。

这是我们的试管我们要继续我们要把它放到有盖培养皿里。记住，只有不到10%的人得到了质粒。所以我们的培养皿里会有大量可怕的细菌死亡和毁灭，但我们不在乎。他们的细菌。我们把它倒进去，细菌就开始死亡。我们在37摄氏度的温度下孵育它这是人类的体温，这是大肠杆菌在人体内生存的理想环境。

所以这些家伙有质粒而这个家伙没有。那么会发生什么呢?他们会死的。那些获得了我们的质粒的家伙，他们会开始吃，尤其是现在我们已经除掉了他们的竞争对手。一旦它们开始这样做，它们就会生越来越多的孩子。

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你可以看到，每次它们准备好细胞分裂时，都会复制出质粒。制造大量的质粒副本，足够每个子细胞使用。我们可以看到这个过程我们将要经历二元分裂，也就是细菌的细胞分裂。我们从两个细菌开始，一直重复这个过程。每个细菌都在吸收营养，它遵循染色体和质粒的指令。

在皮氏培养皿的表面，你会看到越来越多的菌落生长。最初它们是从显微镜开始的，但当你对每一种细菌进行大量复制时，这些集群或菌落，有时被称为克隆，它们在基因上是完全相同的。他们每个人都会产生我们插入的任何基因。

这就是整个过程。我强烈建议你多读几遍，直到你得到它。因为它很有可能出现在AP生物考试中。无论是在选择题还是论文中。但一旦你掌握了它，你就掌握了他们最喜欢的作文题目之一。所以祝你好运。