基因工程技术在环境治理保护中的应用

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*

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

The application of gene engineering technique to environmental protection

Abstract: The gene engineering technique was the new technique for modifying living beings according to human wishes on the DNA molecular level and the key technique for environmental management by improving the purifying environment ability of microbes. The paper introduced the principle, step and con ten t of gene engineering, and reviewed the application of gene engineering technique to environment protection.

Key word s: gene engineering; environmental 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(DNA)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DNA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PCR 扩增等步骤, 分离出带有目的基因的DNA 片段; 在体外, 将带有目的基因的外源DNA 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DNA 分子; »将重组DNA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DNA 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