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一、什么是基因工程?

基因工程，有時也被稱為基因修飾，是改變生物體基因組中 DNA 的過程。

這可能意味著改變一個單一的堿基(A、T、C 或 G)以改變一個基因的功能，或者刪除或插入一個完整的基因或 DNA 區域。在此處閱讀關于不同類型的基因組編輯的內容。

在某些情況下，基因工程意味著從另一個生物體的基因組中提取 DNA 并將其與該個體的 DNA 相結合。

科學家使用基因工程來增強或修改單個生物體的特征。

例如，基因工程可用于生產具有更高營養價值或能耐受除草劑暴露的植物。

它可以應用于任何生物體，盡管法律法規各不相同。

二、基因工程是如何工作的?

自 20 世紀 80 年代以來，基因工程工具不斷發展，使科學家能夠對生物體的基因組進行越來越精確的編輯。

你可以在此處閱讀關于其中一些工具的內容，包括 TALENs 和 CRISPR-Cas9.

案例研究：對細菌或酵母細胞進行基因工程以生產胰島素

基因工程的一個例子是使細菌或酵母細胞為糖尿病患者生產胰島素。

一小段環狀 DNA 經過基因修飾以包含編碼人類胰島素的基因。

經過基因修飾的質粒被引入一個新的細菌或酵母細胞中。

這個細胞然后迅速分裂并開始生產胰島素。

為了產生大量的細胞，經過基因修飾的細菌或酵母在含有它們所需的所有營養物質的大型發酵罐中生長。細胞分裂得越多，產生的胰島素就越多。

當發酵完成時，混合物被過濾以釋放胰島素。

然后胰島素被純化并包裝到瓶子和胰島素筆中，分發給糖尿病患者。

顯示基因修飾如何用于在細菌中生產胰島素的插圖。圖片來源：Laura Olivares Boldú / Wellcome Connecting Science

三、基因工程還用于什么?

基因工程有許多有用的應用，包括科學研究、農業和技術。

1、用于農業

在植物中，基因工程已被應用于提高作物如土豆、西紅柿和水稻的抗性、營養價值和生長速度。

例如，“黃金大米” 是一種經過基因工程改造的大米，它能產生高水平的一種叫做 β- 胡蘿卜素的分子，使其呈黃橙色。當被食用時，人體可以將 β- 胡蘿卜素轉化為維生素 A。

2、用于醫藥

一些動物已被基因工程改造以生產藥品，如激素、酶或疫苗。

例如，山羊已被基因工程改造以生產富含一種叫做抗凝血酶的分子的奶，這種分子用于預防高危患者的心臟病發作和中風。

類似地，綿羊可以被基因工程改造以生產含有一種叫做 α-1 抗胰蛋白酶的人類酶的奶，這種酶可以治療囊性纖維化和肺氣腫患者。

3、用于研究

1973 年，第一個被創造出來的轉基因生物是一種細菌。

1974 年，同樣的技術被應用于小鼠。這使得在模式生物中研究特定基因的功能成為可能。

科學家還創造了在黑暗中發光的線蟲以研究諸如阿爾茨海默病等疾病。

案例研究 —— 阿爾茨海默病與線蟲

秀麗隱桿線蟲在其整個神經系統中只有大約 300 個細胞。它也幾乎是透明的，這使得用熒光標記標記不同的蛋白質并在顯微鏡下觀察它們如何影響不同的細胞成為可能。

在人類中，APP 基因編碼一種與阿爾茨海默病患者特有的淀粉樣斑塊相關的蛋白質。

研究人員對線蟲的神經細胞進行基因工程改造，使其含有 APP 基因，實際上使線蟲患上了阿爾茨海默病。

他們還用熒光標記標記了由此產生的 APP 蛋白。這表明，隨著線蟲變老，與 APP 蛋白接觸的每個細胞都死亡了。

然后研究人員能夠監測線蟲中阿爾茨海默病的進展，并繼續將他們的發現應用于理解 APP 在患有阿爾茨海默病的人類中的作用。

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