基因工程技术在环境保护中的应用

文章编号:1001-4829(2007)05-1130-04

收稿日期:2007-07-20

作者简介:杨林(1964-),男,助理研究员,从事期刊编辑与研

究工作,*为通讯作者。

基因工程技术在环境保护中的应用

杨 林,聂克艳,杨晓容,高红卫

*

(贵州省农业科技信息研究所,贵州贵阳 550006)

摘 要:随着科技的发展,人类在为自己生产出越来越多生活资料的同时,产生有害物质的数量和种类也大幅度增加,对环境的污染日益严重。基因工程技术是在DNA 分子水平上按照人们的意愿进行的定向改造生物的新技术。利用基因工程技术提高微生物净化环境的能力是用于环境治理的一项关键技术。本文简要介绍基因工程的原理、步骤与内容,概述其在环境保护中的应用,以期能对同类研究提供参考。关键词:基因工程;环境保护

中图分类号:Q789 文献标识码:A

Th e app lication of gene engi neer i ng techn i que to environ m en ta l p rotecti on

YANG L i n,N IE Ke 2yan ,YANG X iao 2rong ,GAO H ong 2wei

*(Gu iz hou Instit u te of Sci en ce and T echnol ogy Infor m ati on,Gu i yang Gu i zhou 550006,Ch i na)

A bstract :The gene eng i neeri ng techn i quewas the ne w techn i que form od if yi ng livi ng bei ngs accord i ng to hum an wis h es on the DNA m olecu 2l ar l evel and t he key tec hn iqu e for environm entalm anage m en t by i m provi ng t he pu ri fyi ng environm en t ab ility ofm i crobes .The paper i n tro 2duced t h e p ri nci p le ,st ep and con t en t of gen e eng i neeri ng ,and rev i e wed the appli cati on of gene engi n eeri ng techn i que to environm en tp rotec 2ti on.

K ey word s :gene eng i neeri ng ;environm en t a l protection

随着科技的发展,人类在为自己生产出越来越多的生活资料的同时,也向大自然排放了越来越多的有害和难降解物质。如农药、塑料和各种芳香烃

类化合物,这些物质正严重破坏环境和危害着人类的身体健康。因此,有意识地利用生物界中存在的净化能力进行生物治理,已渐渐成为环境治理的主要手段。自然界中的生物,往往在有毒物质的选择压力下经过基因突变、基因重组、物种间基因的交流,进化出代谢这些有毒物质的能力

[1]

。

利用基因工程技术提高微生物净化环境的能力

是现代生物技术用于环境治理的一项关键技术[2]

。20世纪50年代初,由于分子生物学和生物化学的发展,对生物细胞核中存在的脱氧核糖核酸(D NA )的结构和功能有了比较清晰的阐述

[3]

。20世纪70

年代初实现了DNA 重组技术,逐步形成了以基因工程为核心内容,包括细胞工程、酶工程、发酵工程的生物技术[4]

。这一技术发展到今天,正形成产业化

并列为世界领先专业技术领域之一,广泛应用于食品、医药、化工、农业、环保、能源和国防等许多部门,并日益显示出其巨大的潜力,将为世界面临的环境保护等问题的解决提供广阔的应用前景。

1 基因工程技术原理与步骤

基因工程技术是一项极为复杂的高新生物技术,它利用现代遗传学与分子生物学的理论和方法,按照人类的需要,用D NA 重组技术对生物基因组的结构或组成进行人为修饰或改造,从而改变生物的结构和功能,使之有效表达出人类所需要的蛋白质或对人类有益的生物性状[5]

。首先该技术高效、经济,这是传统产业工程无法比拟的。它能按人类需

要来设计和改造生物的结构和功能,生产出优良的动物、植物和微生物品种。在低投入的情况下,能够高效生产出所需商品。而且外源基因只要进入受体

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西 南 农 业 学 报Sou t hwest Ch i na J ournal of Agri cu lt u ral Sciences

2007年20卷5期

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细胞的基因组中就可以遗传给后代,育出的优良品种,可持久利用。其次,该技术具有清洁、低耗和可持续发展的特点。现代基因工程所利用的原料是可再生及可循环使用的,不需消耗大量的不可再生资源,所以极少产生对生态环境有害的废物。再次,该技术应用于疾病的诊断与治疗方面也具有优势。基因诊断更具预见性和准确性,而且基因治疗可从基因水平上纠正疾病,从而使疾病得以根治。

111基因工程技术的原理

基因工程技术是一种按照人们的构思和设计,在体外将一种生物的个别基因插入质粒或其他载体分子,构成遗传物质的重组,然后导入到原先没有这类分子的受体细胞内进行无性繁殖,使重组基因在受体细胞内表达,产生出人类所需要的基因产品的操作技术。或者说,基因工程技术是在生物体外,通过对一种生物的DNA分子进行人工/剪切0和/拼接0,对生物的基因进行改造和重新组合,再把它导入另一种生物的细胞里,定向地改造生物的遗传性状,产生出具有新的遗传特性的生物[6]。

112基因工程技术的步骤和内容

一个完整的基因工程技术流程一般包括目的基因的获得、载体的制备、基因的转移、基因的表达、基因工程产品的分离提纯等过程[7]。概括起来,基因工程技术应包括如下几个主要的步骤和内容[8~9]:¹从复杂的生物有机体基因组中,经过酶切消化或PC R扩增等步骤,分离出带有目的基因的D NA片段;º在体外,将带有目的基因的外源D NA片段连接到能够自我复制并具有选择记号的载体分子上,形成重组DN A分子;»将重组D NA分子转移到适当的受体细胞(亦称寄主细胞),并与之一起增殖;¼从大量的细胞增殖群体中,筛选出获得了重组D NA分子的受体细胞克隆;½从这些筛选出来的受体细胞克隆,提取出已经得到扩增的目的基因,供进一步分析研究使用;¾将目的基因克隆到表达载体上,导入受体细胞,使之在新的遗传背景下实现功能表达,产生出人类所需要的物质。

2基因工程技术在环境保护中的应用环境污染已远远超出了自然界微生物的净化能力,已成为人们十分关注的问题。基因工程技术可提高微生物净化环境的能力。日本将嗜油酸单孢杆菌的耐汞基因转入腐臭单孢杆菌,该菌株能把汞化物吸收到细胞内,用它处理污水就能解决被汞污染的环境问题,又使汞得以回收[10~12]。Yee DC等[13]构建了能降解樟辛烷、甲苯、萘等物质的/超级菌0,可以从环境中多功效地消除有毒物质。P Marcon 等[14]把Bt毒蛋白基因、球形芽孢杆菌的毒蛋白基因转入大肠杆菌,且表达成功。它能杀死蚊虫与害虫,而对人畜无害,不污染环境。20世纪90年代后期问世的DNA改组技术可以创新基因,并赋予表达产物以新的功能,创造出全新的微生物,如可将降解某一污染物的不同细菌的基因通过PCR技术全部克隆出来,再利用基因重组技术在体外加工重组,最后导入合适的载体,就有可能产生一种或几种具有非凡降解能力的超级菌株,从而大大地提高降解效率[15~17]。

211基因工程技术应用于降解农药

农田长期过量施用农药,严重破坏了生态平衡,造成土壤水质及食品中残留毒性增加,给人畜带来潜在危害。如何消除农药污染、保护环境已成为当今世界的一个迫切问题。由于微生物在物质循环中的重要作用,它在环境修复中一直扮演着重要的角色;然而受微生物对农药(特别是难降解农药)降解能力的限制,生物修复具有周期长的明显特点,阻碍了这一技术在现实中的发展和应用。应用基因工程原理与技术,对微生物进行改造,是环境科学工作者向更深更广的研究领域拓展时必不可少的途径[18~20]。构建高效的基因工程菌可以显著提高农药降解效率。环境微生物尤其是细菌中的农药降解基因、降解途径等许多农药降解机制的阐明为构建具有高效降解性能的工程菌提供了可能。现已开发出有净化农药(如DDT),降解水中染料以及环境中有机氯苯类和氯酚类、多氯联苯的基因工程菌[21]。

H or ne等[22]人将从农杆菌得到的OpdA(编码有机磷降解基因)和黄杆菌(F lavoba cterium sp.)中得到的Opd(有机磷降解酶基因)分别构建了原核表达质粒,并分别转到大肠杆菌E.coli D H10B中表达,对其表达产物进行了研究。通过其表达产物OpdA和OPH(有机磷水解酶)对几种农药的酶解动力学比较,发现OpdA能作用更多底物的类似物,降解范围更广。

212基因工程技术已成功开发出能吞食有毒废弃物的细菌

美国加利福尼亚大学的微生物学工作者培育出了一种以PCBs(聚氯联苯)为食物的细菌[23]。PCBs 是一种污染环境的致癌物质,它不能被一般的自然过程破坏,这种从实验室中培育成的细菌被认为是有效解决这一难题的工具。该大学的研究人员是将一种一般土壤细菌(恶臭假单胞菌)的两个菌株的DN A进行交换,产生一种杂交的突变菌株。该基因交换菌株能破坏联苯基,而联苯基正是构成PCBs 分子的一个关键基因。它由两个苯环组成的,有剧

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