基因工程在环境污染治理中的应用

Founded in 1895
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基因工程工具酶
• 把DNA分子切割、DNA片段修饰和DNA片段连接等 所需的酶成为工具酶
• 根据其用途可分为三大类
– 限制性内切酶：识别和切割dsDNA分子内特殊核苷酸顺序 的酶，通过水解DNA分子骨架的磷酸二酯键，将完整的 DNA分子切开
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• 双螺旋模型可以解释
– 细胞减数分裂与有性生殖：配子与受精卵的形成 – 个体发育：受精卵的发育 – 遗传与变异：碱基序列的保守性、可变性 – 性状控制：蛋白质的生物合成
• 双螺旋模型的补充
– DNA分子双链可以左旋：Z-DNA – DNA分子每圈碱基数具可变性：A-DNA – 发现三股DNA – 超螺旋结构普遍存在
• DNA通过自我复制将遗传信息代代相传，并通过RNA将其传 给蛋白质
• 利用DNA为模板合成RNA的过程叫转录 • 利用RNA为模板合成蛋白质的过程叫翻译
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逆转录
• 以RNA为模板在逆转录酶（依赖于RNA的DNA聚合 酶）催化下合成DNA的过程成为逆转录
• 逆转录和逆转录酶的发现，实现了以真核mRNA为 模板，通过逆转录而获得为特定蛋白质编码的基因
• 利用分子杂交可以求出特定基因的频率、异源DNA 的相似程度，研究基因组织、基因定位
• 分子杂交广泛应用于生物工程、核酸结构分析及功能 探讨中，也是研究分子遗传学的重要手段
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中心法则
• 除某些病毒外，大多数生物将其遗传信息储存在DNA分子中， 功能的实现必须通过蛋白质
基因工程载体
• 能够独立于宿主细胞染色体之外复制的DNA片段即 是载体
• 载体能将外源DNA片段带入受体细胞，并决定外源 基因的复制、扩增、传代乃至表达
• 常见的载体有质粒和病毒 • 天然质粒和病毒要加以改造，增加耐药性基因片段，
以利于提高基因的转化、筛选和表达效率
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• DNA分子的基本单位是脱氧核糖核苷酸，由碱基、 脱氧核糖和磷酸基三部分组成
• 碱基有四种：A、G、C、T
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• 碱基携带遗传信息， 糖和磷酸基起结构作 用
• DNA分子的骨架由磷 酸二酯键连接的多个 脱氧核糖组成
• 一个脱氧核糖核苷酸 中五碳糖的3’羟基， 通过一个磷酸二酯键 与邻近五碳糖的5’磷 酸基相连
• 基因工程包括基因的分离、重组、转移以及基因在受 体细胞内的保持、转录、翻译表达等全过程
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基因工程的实验步骤
• 带有目的基因的DNA片 段的获取
• 在体外将带有目的基因 的DNA片段连接到载体 上，形成重组DNA分子
• 重组DNA分子导入受体 细胞
• 带有重组体的细胞扩增
• 重组体的筛选
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碱基配对
• 一条链中的A与另一条链中的T配对，G与C配对，两 条链中的碱基序列总是互补的
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DNA的复制
• 从复制起始点开始
• 半保留复制：两条链 均可作为新链合成的 模板
• 半不连续复制：DNA 序列的方向性
• 高度的忠实性：自我 校正
• 多种酶和蛋白因子协 同有序作用
• 通过测定DNA的Tm值，可以计算其G+C含量
• DNA的复性速度跟其wenku.baidu.com子大小、复杂程度、浓度、离子强度、
温度等因素有关
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DNA的杂交
• 复性的DNA分子由不同来源的两个单链DNA分子形 成，称为杂交
• 互补的碱基序列即可发生杂交，一定条件下也可发生 少量的偏差（错配、缺失）
• 利用逆转录酶所建立的cDNA文库为基因的分离和重 组提供了重要手段
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基因工程概要
• 基因工程又称DNA重组技术，是在分子水平上对基 因进行操作的复杂技术，其实施的四个必要条件是： 工具酶，基因，载体，受体细胞
• 基因工程的特征
– 外源核酸分子在寄主生物中能够表达 – 确定的DNA小片段在寄主细胞中能够大量扩增
– 连接酶：将两段乃至数段DNA片段拼接起来的酶，催化磷 酸二酯键的形成
– 修饰酶：包括DNA聚合酶、逆转录酶、T4多核苷酸酶、碱 性磷酸酶等
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限 制 性 内 切 酶 的 作 用
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T4DNA酶的连接原理
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载体的必备条件
• 能够进入宿主细胞：个体小，不具备独立生存的能力 • 在宿主细胞中能够独立复制，即本身是一个复制子：
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DNA的变性、复性与杂交
• 加热或某些试剂可使DNA碱基间的氢键破坏，双链 发生分离，此过程称为变性
• 变性DNA在一定条件下能恢复双螺旋结构，此过程 成为复性
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• G+C含量高的DNA比较稳定，环状DNA比线状稳定 • Tm值：熔点，DNA发生半数变性时的温度
– 50年代，发现DNA的双螺旋结构 – 60年代，确立遗传信息的传递方式：操作子学说，密码子破译
• 技术上的三大发明
– 工具酶：核酸内切酶，连接酶
– 载体：质粒
– 逆转录酶：打破中心法则
• 1973年，完成了DNA的体外重组并成功转化
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分子生物学基础
• DNA即脱氧核糖核酸，携带决定生物遗传，细胞分 裂、分化、生长以及蛋白质生物合成等生命信息
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第3讲 基因工程在环境污染治理中的应用
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1 基因工程
• 基因工程是在分子水平上对生物遗传特性进行人为干预，对 生物基因进行改造，利用生物生产人们需要的特殊产品
• 理论上的三大发现
– 上世纪40年代，发现生物的遗传物质是DNA：Avery肺炎双球菌转化 实验
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DNA的结构
• 双螺旋结构的要点
– 两链平行反向且右 旋
– 碱基以氢键互补配 对，A=T，G≡C
– 螺旋每周含10个碱 基对，每周垂直升 高340nm，螺旋直 径200nm
– 核主链在螺旋外侧， 碱基对平面在内侧 且与主链垂直
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