第十一章微生物和基因工程 11.1概述 自从分子生物学家发现所有生物的遗传信息都是由DNA分子携带并发现了基因的密码 后,人们就一直致力于将分子生物学的这一划时代成果用于微生物细胞的改造,使得微生物 细胞能够结累更多的目标产物、合成新的代谢产物及转化原本不能转化的底物或有毒物质 通过科学家们的不懈努力,基因工程已经成了工业微生物菌种选育的重要手段,正在发酵工 业中发挥愈来愈大的作用。可以说工业微生物遗传育种取得的重要进展是基因工程发展的基 础之一,现在又为工业微生物的育种提供了新的、有力的工具。两者始终存在着十分密切的 依赖关系。 基因克隆是重组DNA技术的关键步骤。这里,基因定义为细胞的染色体中含有遗传信 息的基本单元。在对基因进行操纵之前,必须对DNA分子的脱氧核糖核酸顺序、各个结构单 元的功能及其相互关系有一个清楚的认识,即所谓的基因组。目前,许多微生物、植物、动 物及人类基因组计划已经完成或即将完成,怎样利用从基因组中获得的大量信息为人类服务 已经成了生物技术的重要研究内容和发展方向。但是这些基因组、特别是人类基因组太复杂, 很难讲清楚其功能和组织。因此本章将只讨论最简单的基因组为例对DNA分子的核苷序列分 析和结构基因的获得进行简要讨论 早在1978年猴子病毒SV40的DNA分子的核苷序列就已经完全清楚,它有5,243个碱基 对,这些碱基对构成了五个结构基因。限制性内切酶( Restriction endonuclease)对基因序 列分析作出了巨大的贡献,限制性内切酶是一类从细菌中分离得到的能够将DNA分子在特定 的位点进行切断的酶。限制性内切酶的功能是将一个很大的DNA分子切割成许多良好定义的 碎片,以便进一步研究。目前已经从约250种细菌中提纯出了500余种限制性内切酶。其中 典型的如从大肠杆菌得到的EORI,专门作用于 GAATTC核苷序列:又如从白色短小杆菌 ( BrevibacteriⅧ m albidum)得到的BaII则专门切断 TGGCCA核苷序列 限制性内切酶切断双股DNA分子时有如图11.1.1所示的两种方式: TGGCCA GAATTC ACCGGT CTTAAG TGG CCA AATTC ACC CTTAAG 图1.1限制性内切酶的两种切断方式:(a)平端,(b)粘性末端 1)沿对称线切断形成两个平端分子(图11.1.1a 2)在对称线附近沿对称位置切断形成两个含粘性末端( Sticky ends)的分子(图 11.11b)。这种方式都在重组DNA技术中使用 限制性内切酶的类型和主要特性列于表11.1.1,其它在重组DNA中常用的核酸酶见表 11.1.2 由于限制性内切酶所能识别的核苷序列是唯一的,因此在一个DNA分子中的切割位点 有限。被切割下来的DNA碎片的分离时需要应用一项非常有用的技术:凝胶电泳。然后就能 进一步研究每个DNA碎片的结构和功能。利用不同的限制性内切酶反复进行上述过程,就能1 第十一章 微生物和基因工程 11.1 概述 自从分子生物学家发现所有生物的遗传信息都是由 DNA 分子携带并发现了基因的密码 后，人们就一直致力于将分子生物学的这一划时代成果用于微生物细胞的改造，使得微生物 细胞能够结累更多的目标产物、合成新的代谢产物及转化原本不能转化的底物或有毒物质。 通过科学家们的不懈努力，基因工程已经成了工业微生物菌种选育的重要手段，正在发酵工 业中发挥愈来愈大的作用。可以说工业微生物遗传育种取得的重要进展是基因工程发展的基 础之一，现在又为工业微生物的育种提供了新的、有力的工具。两者始终存在着十分密切的 依赖关系。 基因克隆是重组 DNA 技术的关键步骤。这里，基因定义为细胞的染色体中含有遗传信 息的基本单元。在对基因进行操纵之前，必须对 DNA 分子的脱氧核糖核酸顺序、各个结构单 元的功能及其相互关系有一个清楚的认识，即所谓的基因组。目前，许多微生物、植物、动 物及人类基因组计划已经完成或即将完成，怎样利用从基因组中获得的大量信息为人类服务 已经成了生物技术的重要研究内容和发展方向。但是这些基因组、特别是人类基因组太复杂， 很难讲清楚其功能和组织。因此本章将只讨论最简单的基因组为例对 DNA 分子的核苷序列分 析和结构基因的获得进行简要讨论。 早在 1978 年猴子病毒 SV40 的 DNA 分子的核苷序列就已经完全清楚，它有 5,243 个碱基 对，这些碱基对构成了五个结构基因。限制性内切酶(Restriction endonuclease)对基因序 列分析作出了巨大的贡献，限制性内切酶是一类从细菌中分离得到的能够将 DNA 分子在特定 的位点进行切断的酶。限制性内切酶的功能是将一个很大的 DNA 分子切割成许多良好定义的 碎片，以便进一步研究。目前已经从约 250 种细菌中提纯出了 500 余种限制性内切酶。其中 典型的如从大肠杆菌得到的 EcoRI，专门作用于 GAATTC 核苷序列；又如从白色短小杆菌 (Brevibacterium albidum)得到的 BalI 则专门切断 TGGCCA 核苷序列。 限制性内切酶切断双股 DNA 分子时有如图 11.1.1 所示的两种方式: 1） 沿对称线切断形成两个平端分子（图 11.1.1a）。 2） 在对称线附近沿对称位置切断形成两个含粘性末端(Sticky ends)的分子（图 11.1.1b）。这种方式都在重组 DNA 技术中使用。 限制性内切酶的类型和主要特性列于表 11.1.1，其它在重组 DNA 中常用的核酸酶见表 11.1.2。 由于限制性内切酶所能识别的核苷序列是唯一的，因此在一个 DNA 分子中的切割位点 有限。被切割下来的 DNA 碎片的分离时需要应用一项非常有用的技术：凝胶电泳。然后就能 进一步研究每个 DNA 碎片的结构和功能。利用不同的限制性内切酶反复进行上述过程，就能 T G G C C A G A A T T C A C C G G T C T T A A G T G G C C A G A A T T C A C C G G T C T T A A G (a) (b) 图 11.1.1 限制性内切酶的两种切断方式：(a)平端，(b)粘性末端