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15.3: 重组DNA
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15.3: 重组DNA

“科学家通过将来自不同来源的DNA(通常是其他物种的DNA)在实验室中合成重组DNA。DNA克隆使研究人员能够通过将特定基因插入易于操作的细胞(如细菌)中来进行研究。含有重组DNA的生物体被称为转基因生物体(gmos)。重组DNA技术生产出具有新基因的有机体,这些基因可以造福于科学、医学和农业。”

科学家如何制造重组DNA?

构建重组DNA需要将兴趣基因插入载体中,载体是将外源DNA携带到宿主细胞中进行DNA复制和蛋白质表达的载体。最常用的克隆载体是质粒,即独立于宿主染色体DNA进行复制的小环状DNA片段。

为了产生重组DNA,供体DNA(包括兴趣基因)和载体都被用限制性内切酶切割成特定的核苷酸序列,称为限制性位点。DNA连接酶在兴趣基因和质粒连接处封闭糖磷酸骨架。

结果是一个重组DNA分子,由一个载体和一个完整的供体DNA片段组成,称为插入物。科学家可能会将这种杂交DNA分子引入宿主生物体,通常是细菌或酵母,在那里它很容易快速复制。这就产生了许多兴趣基因的拷贝,这是科学研究和其他应用所必需的。该基因也可以通过宿主的细胞机制转录并翻译成所需的蛋白质,如人类胰岛素。

创建重组DNA是一个不完善的过程,而且经常会出现错误。例如,向量可以在没有插入的情况下闭合,或者插入可能不正确(例如,向后)。在使用重组DNA进行进一步研究之前,研究人员必须检查错误。核苷酸测序有助于识别携带正确插入质粒的细菌菌落。

科学家利用重组DNA研究基因和蛋白质

当科学家需要兴趣的基因或蛋白质产品的多个拷贝时,重组DNA技术尤其有利。然而,科学家的研究可能需要额外的复杂程度,例如检测或纯化所需的蛋白质。为了实现这一目标,研究人员可以将用于识别基因产品的标签或报告蛋白附加到他们所需的蛋白质上,以创建融合基因或嵌合基因。

在医药和农业中的应用

科学家首先利用重组DNA技术在细菌中产生人胰岛素,从而治疗糖尿病。自从最初的发现,研究人员已经产生了其他用于治疗的重组DNA。重组细菌使人生长激素(一种正常生长发育所需的蛋白质)用于治疗生长激素缺乏症患者。重组哺乳动物细胞,来源于人类和仓鼠,产生治疗血友病患者所需的凝血因子viii。显然,重组DNA技术是大规模生产必需蛋白质的有力工具。

农业上重组DNA技术的进步也影响到人类的福祉。例如,由于欧洲玉米螟的危害,玉米农民遭受了巨大的农作物损失。作为回应,科学家们从一种土壤细菌苏云金芽孢杆菌(Bt)中分离出基因,创造出转基因的、抗虫的玉米。苏云金芽孢杆菌自然产生对某些昆虫有毒的蛋白质,而不是人类、植物或其他动物。抗虫Bt玉米的引入提高了作物产量,减少了化学农药的使用。这种农业应用提高了全球粮食供应的质量和数量。


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