基因工程课程设计（范文）

第一篇：基因工程课程设计（范文）

RNA干扰研究进展

摘要 ：RNA干扰（RNAi）是广泛存在于真菌、动物、植物的一种自身调控机制，是双链RNA诱发的使同源mRNA高效特异性降解的基因沉默现象，也是近几年生命科学的研究热点，具有广泛的应用前景。本文主要介绍了RNAi的发现、作用机理和在各个领域的应用。关键词： RNAi；dsRNA；siRNA；RISC；基因沉默

Progress of the study on RNA interference Abstract: RNAi is somekind Self-regulatory mechanism which widely exists in epiphyte, plants and animals,it is a phenomenon of gene silencing induced by double strandRNA,and also is the hotspot on life science with a wide range of application prospects.This study aimed to introduce the discovery , Mechanism and the apply in some fields of RNAi.Key words: RNAi;dsRNA;siRNA;RISC;Gene silencing RNA干扰（RNA interference, RNAi）是指在进化过程中高度保守的、由双链RNA（double-stranded RNA，dsRNA）诱发的导致同源mRNA高效特异性降解的基因沉默现象。当细胞中导入与内源性mRNA编码区同源的双链RNA时，该mRNA发生降解而导致基因表达沉默。与其它基因沉默现象不同的是，在植物和线虫中，RNAi具有传递性，可在细胞之间传播，此现象被称作系统性RNA干扰(systemic RNAi)。RNAi是基因转录后沉默的一种方式，是生物界古老而且进化的高度保守的现象之一。

RNAi广泛存在于生物界，是生物体抵御病毒或其它外来核酸入侵以及保持自身遗传稳定的保护性机制。RNAi是通过siRNA介导的特异性高效抑制基因表达途径，由siRNA介导识别并靶向切割同源性靶mRNA。RNAi具有生物催化反应特征，反应中需要多种蛋白因子以及ATP的参与。RNAi在基因功能研究和基因药物应用具有广泛的前景。1.RNAi的发现历史

1990年，为加深矮牵牛花的紫色，Jorgensen等导入了一个强启动子控制的色素基因，可是结果与预期相反，许多花瓣颜色并未加深，反而呈杂色甚至白色，这是由于转基因和同源内源基因的表达都被抑制了，Jorgensen把这个现象命名为共抑制(cosuppression)。

1995年，Guo等发现注射正义RNA和反义RNA均能有效并特异性地抑制秀丽新小杆线虫par-1基因的表达，该结果不能使用反义RNA技术的理论做出合理的解释。

1998年，Fire和Tabara首次将双链dsRNA—正义链与反义链的混合物注入线虫，结果表现出比单独注入单链要强得多的沉默，并且导致子一代同源基因的沉默，这也是人们第一次应用RNAi技术。

随后,Hammond还发现，不仅在线虫中，在果蝇的研究中同样发现RNAi，尽管采用能生产dsRNA的酵母喂食果蝇的实验以失败告终，但是通过显微注射或者通过基因枪将dsRNA注入果蝇胚胎中或者将带有反向重复序列的DNA导入果蝇中能够引发基因沉默。后来RNAi相继在锥形虫（trypanosomes）、涡虫(planarian）、水螅（hydra）、斑马鱼（zebrafish）、真菌（fungi）、植物以及小鼠等不同种属的生物体中得以发现。

2002年，Zernicka-Coetz等用双链RNA注射小鼠受精卵和着床前的胚胎，结果发现导入的双链RNA可以特异性地抑制C-mos（c-mos是莫洛尼氏鼠类肉瘤病毒癌基因的同源基因）、钙粘附蛋白（E-cadherin）和绿色荧光蛋白（GFP）基因的表达。JudyLiebem1an和Premlata Shankar首先向公众宣布了在动物中利用RNAi技术治疗疾病的研究进展。

由于Fire和Mello解释了先前Guo S等无法解释的基因抑制现象而于2006年被授予诺贝尔生理医学奖。2.RNAi的作用机制

目前有关RNAi在植物、动物、果蝇中的研究表明其大体分为起始阶段、效应阶段、循环阶段。

2.1起始阶段 2.1.1 dsRNA的形成

细胞中dsRNA的形成是RNAi 的第一步。外源DNA、RNA序列均可引起细胞产生相应的dsRNA，dsRNA可以是一个RNA分子回折自身互补而形成分子内双链，也可以是分开的两个RNA分子互补形成的分子间双链。如基因组中DNA 反向重复序列的转录产物或者同时转录反义和正义RNA 或者病毒RNA 复制中间体以及以细胞中单链RNA 为模板由细胞或病毒的RNA 依赖的RNA 聚合酶(RdRp)催化合成dsRNA等。在线虫（c.elegans)可以直接注射dsRNA 或把线虫浸泡在含dsRNA 溶液中等方式引入外源dsRNA ,还可以通过喂养表达正义和反义RNA 的细菌获得dsRNA。

2.1.2 siRNA的形成和参与RNAi的蛋白因子

当细胞中的dsRNA扩增达到一定量时，dsRNA会在一种具有RNase Ⅲ样活性的核酸酶作用下加工裂解成21～23 nt（nucleotide）由正义和反义序列组成的小分子干扰RNA片段(small interferingRNAs，siRNA)，每个siRNA分子互补双链两侧3′末端具有2 nt的突出，5′端的磷酸基团会被一种特殊的激酶保护起来。

果蝇中RNase III 样核酸酶称为Dicer。Dicer 含有解旋酶(helicase)活性以及dsRNA 结合域。迄今为止已鉴定出包括Dicer在内的若干个与RNAi有关的蛋白因子。在果蝇（Drosophila melanogaster）RISC中，已知存在着称为Argonaute2(AGO2)的因子，AGO2蛋白的表达受到抑制时，RNAi效应缺失，也就是说AGO2是果蝇RNAi机制的必须因子。研究表明Argonaute家族蛋白具有RNA切割酶活性（slicer activity），RNAi机制正是由Argonaute家族蛋白的RNA切割酶活性主导。另外，几个RNA解旋酶(RNA helicase)也被鉴定为参与RNAi机制的因子。

在秀丽隐杆线虫（C.elegans）的RNAi中必须的因子有EGO1。这是一种RdRP(RNA-dependent RNA Polymerase)，植物中也存在该蛋白同系物。RNAi中RdRP是将标靶mRNA作为模板，以导入的dsRNA(或siRNA)作为引物合成RNA，在细胞内针对于标靶mRNA合成新siRNA的酶。这一反应在一些生物的RNAi中为必须，但RdRP活性在人和果蝇的RNAi中是非必须的，这说明在不同物种之间RNAi机制的基本框架虽然相同，但存在着微妙差异。2.1.3 siRNA的结构特点

已发现在拟南芥(Arabidopsis）、线虫（c.elegans）、裂殖酵母（charomyces）以及哺乳动物中也存在Dicer 同类物干扰性小RNA(small interfering RNA ,或short interfering RNAs , siRNA)是RNAi赖以发生的重要中间效应分子。

siRNA 是一类长约21～25 个核苷酸(nt)的特殊双链RNA(dsRNA)分子,具有特征性结构,即siRNA 的序列与所作用的靶mRNA 序列具有同源性，siRNA 两条单链末端为5′端磷酸和3′端羟基，此外,每条单链的3′端均有2～3 个突出的非配对的碱基。

The structure of siRNA 对于体外人工合成的siRNA 来说,其活性发挥完全需要其双链中与靶RNA 互补的一条链5′端磷酸化,有时也需要与靶RNA 序列一致的另一条链5′端磷酸化。5′端磷酸化的siRNA 其活性明显高于非磷酸化siRNA。

在果蝇胚细胞裂解物中,新生成siRNA 的磷酸化由一种能特异识别siRNA 的激酶催化生成,从而允许siRNA 参与多轮靶RNA 的裂解，该过程为ATP 依赖性。这种激酶能够区分

siRNA 5′-核糖和5′-脱氧核糖。siRNA 的结构特征,即长21～23 nt、双链的两端各有2 个突出的3′碱基，5′的磷酸化使siRNA 不同于其它小dsRNA ,这是细胞赖以区分真正的siRNA 和其它dsRNA 的结构基础, 特异性激酶只保持真正siRNA 的5′端磷酸化状态,而对其它dsRNA 不发生作用,从而保证只有真正的siRNA 才能进入RNAi 途径并引发靶mRNA 的裂解。靶RNA 中的裂解位点受siRNA 中互补链5′端序列的影响,该链5′端的额外序列将导致靶RNA 中裂解位点的改变,而3′端的额外序列对靶RNA 中的裂解位点无明显影响。因此,siRNA 5′磷酸可能充当靶RNA 裂解位点的一种分子参照。

Elbashir 等对果蝇胚细胞裂解物中siRNA 任意一条链或两条链同时进行2′-脱氧或2′-氧-甲基修饰,结果siRNA 不能介导RNAi ,但对siRNA 3′端多个碱基进行2′-脱氧核苷酸替代修饰时仍具有RNAi作用。siRNA 识别靶序列的过程虽然高度特异,但并非siRNA 中的每一个位点对靶序列的识别均具有同等作用，siRNA 双链中心的碱基错配将不能引发靶

RNA 的降解。

Boutla 等研究显示,不同的合成siRNA 可引发果蝇胚胎细胞的RNAi ,这些siRNA 的点突变仅使其基因沉默功能轻度下降,提示基因沉默机制虽然要求一定的序列特异性,但并不过分严格。2.2效应阶段

siRNA的反义链可指导形成一种核酸内切酶复合体，称为RNA induced silencing complexes(RISC)。RISC是由多种蛋白成分组成的，包括：内切核酸酶、外切核酸酶、解旋酶和同源RNA链搜索活性等，其第一个亚单位为siRNA。RISC可利用结合在其上的内切核酸酶活性切割靶mRNA分子中与siRNA反义链互补的区域，从而干扰基因的表达。线C.elegans 中的MUT7(一种RNase D 样蛋白)可能是一种3′5′-外切核酸酶。此外, PAZPPiwi 蛋白家族成员可能是RISC中的构成组分,如Arabidposis中的AGO1 ；N.Crassa中的QDE2 ；C.elegans 中的RDE1 等,以上这些蛋白与翻译因子eIF2C 同源。最新的研究进一步揭示,ATP 在siRNA 介导的RNAi 中具有重要作用。较长dsRNA 向siRNA 的转变要有ATP 参与，siRNA 与蛋白因子形成一个无活性的约360 kD 的蛋白PRNA 复合体，随之, siRNA双链结构解旋并形成有活性的蛋白PRNA 复合体(RISC),此步具有ATP 依赖性。

ATP 使siRNA 5′端带上磷酸分子,且对siRNA 的功能具有重要作用。上述过程中siRNA 双链结构解旋很可能是一种稳定的结构改变,因为siRNA 双链体与细胞裂解物、ATP 等孵育后再除去ATP 及其它辅助因子，引导RISC与靶mRNA结合时，siRNA 3′端倒数第2个碱基起的作用非常大，因此此处不能出现错配现象。2.3循环阶段

含有siRNA 的活性复合体仍能识别和切割靶mRNA 分子。siRNA 可作为一种特殊引物，在RNA 依赖RNA聚合酶(RdRp)作用下以靶mRNA 为模板合成dsRNA ,后者可被降解形成新的siRNA，新生成的siRNA又可进入上述循环。这种过程称为随机降解性多聚酶链反应(random degradative PCR)。新生的dsRNA 反复合成和降解,不断产生新的siRNA ,从而使靶mRNA 渐进性减少,呈现基因沉默现象。RdRp 一般只对所表达的靶mRNA 发挥作用,这种在RNAi 过程中对靶mRNA 的特异性扩增作用有助于增强RNAi的特异性基因监视功能。每个细胞只需要少量dsRNA 即能完全关闭相应基因表达,可见RNAi 过程具有生物催化反应的基本动力学特征。siRNA特异性地与mRNA结合，siRNA作为引物在RNA依赖的RNA聚合酶作用下通过类似PCR的扩增作用再次形成dsRNA，新的dsRNA又被RNAase样的Dicer内切酶切割产生次级siRNA，次级siRNA又可以进入下轮循环。3．RNAi的应用与相关讨论

RNAi 是植物、线虫、真菌、昆虫、原生动物以及动物的一种强有力的基因表达抑制途径,在生物体的发生发育及防御系统的构成等方面均具有十分重要的作用。已证实无脊椎动物和植物中的RNAi 机制可抑制侵入宿主体内的病毒和转座子(transposon),减弱和清除其基因毒性作用。在基因工程中将一转移基因导入植物细胞时出现的基因沉默作用也是宿主细胞的一种通过RNAi 机制实现的自我保护性反应。3.1 RNAi在动植物中的应用

目前尚不清楚RNAi 在哺乳动物系统中所起的作用。哺乳动物基因组常面临高负荷病毒和自私DNA(selfish DNA)的侵袭以及转录异常所带来的危害,对这些危及正常基因组完整性的因素来说,RNAi 可能是整个防御网络的重要组成部分。dsRNA 介导的特异性基因沉默作用也可能在哺乳动物基因表达的调控中起重要作用,例如X 基因的灭活等。总之,在动物和植物中RNAi 的功能之一是通过抑制生殖细胞中转座子的迁移和DNA 重复序列的积累来保持基因组的完整性和稳定性。3.2 RNAi的细胞毒作用

此外，RNAi 也可作为一种防御机制抵抗病毒感染，2001年，Tuschl等将siRNA导入到哺乳动物细胞中并由此解决了在哺乳细胞内导入长的双链RNA时引发的干扰素效应，由此拓展了RNAi在基因治疗上应用前景。

RNAi机制普遍存在于动植物，尤其是低等生物中。因此被认为是进化上相对保守的基因表达调控机制。一种假说为，RNAi机制是作为在RNA水平上抵御病毒入侵的防御机制而存在的。在病毒自身基因组所包含的，或在病毒复制过程中产生的双链RNA可以被Dicer识别，从而引起病毒RNA降解。但是许多病毒为抵抗宿主的RNA干扰机制，会产生抑制宿主RNA干扰的蛋白，以保护病毒基因在宿主体内的顺利复制。已经发现的可以抑制宿主RNA干扰的病毒蛋白有potyviruses编码的HC-PRO蛋白、马铃薯X病毒编码的Cmv2b蛋白、兽棚病毒编码的B2蛋白等。RNA干扰也是抑制破坏基因结构的一种DNA片段转座子活性的重要方式。转座子通常以逆转座的方式在基因组中扩增。在逆转座过程中产生的双链RNA分子可以被Dicer识别，从而被降解。3.3抗肿瘤方面的应用

肿瘤的发生是一种多基因协同作用的结果，利用RNAi技术可同时阻断多个癌基因的转录表达，从而有效抑制肿瘤的生长，达到治疗肿瘤的目的。

尿激酶型纤溶酶原激活剂(uPA)是一种在肝癌细胞中高表达的蛋白，Salvi等用RNAi技术沉默肝癌细胞中尿激酶型纤溶酶原激活剂(uPA)的表达，结果转染靶向uPA的siRNA的肝癌细胞其侵袭、转移和增殖能力显著下降。Pardridge等以人表皮生长因子受体(HEGFR)为靶点，应用RNAi技术干扰其表达从而抑制颅内肿瘤的生长。

肿瘤的生长具有血管依赖性血管内皮生长因子(VEGF)是一种重要的血管生长因子。Han等报道用RNAi技术研究分析了血管内皮生长因子(VEGF)5种同型异构体基因功能，进一步

对血管生成基因进行敲除治疗癌症，并显示了较好的治疗结果。

因此，用RNAi技术沉默肿瘤发生发展过程中过表达的癌基因可抑制肿瘤的生长。RNAi还可用于研究与肿瘤细胞生长分化相关的信号传导通路，并通过干扰细胞信号传导途径中关键蛋白的表达，达到抑制肿瘤生长的作用，为恶性肿瘤的基因治疗提供了新的技术方法。

3．4 RNAi在药物研究中的应用

利用RNAi能够特异高效地抑制基因表达,获得去基因功能表型,能够在短时间内大规模筛选靶点,从而实现了在细胞水平和动物水平筛选药靶和评定药靶。Hamamichi利用RNAi和基因敲除技术系统屏蔽帕金森病模型中将近900个候选基因和通路,找到了两个帕金森病遗传易感性位点和治疗靶点,从而为该疾病的治疗奠定基础。

RNAi在被广泛应用于功能基因组研究确定了大量潜在的药物作用靶点的同时,也被证实了其作为新一代基因治疗药物的可能性。2006年,美国Acuity制药公司生产的用于治疗湿性老年斑病变的RNAi药物—Bevasiranib在RNAi临床实验方面取得成功,它在疗效、安全性方面都优于常规药物。

目前,FDA已经批准Bevasiranib进入III期临床实验,而最终的试验结果将于2009年获得。

RNAi药物其他方面的应用,如治疗Huntington病和哮喘以及COPD也进入临床前研究阶段,但是RNAi药物仍存在如给药途径、使用安全性等方面的问题。

另外，发现RNAi机制中的相关一些因子如内源性双链RNA及蛋白因子可以在多种层次上对基因表达进行调控，其范围已经超越了PTGS（post transcriptional gene silencing），如RNAi机制同样参与了转录水平上的基因表达调控过程中。

从理论上讲，RNAi技术能选择性地沉默基因组中任何基因的表达。在实验室中，RNAi已经被广泛用来研究生命现象的遗传奥秘，特别是在哺乳动物中抑制那些无法敲除的基因的表达，已经发展成为研究基因功能有利的工具。与其他几种进行功能丧失的技术相比，RNAi技术具有明显的优点，它比反义RNA技术和同源共抑制更有效，更容易产生功能丧失,与造成的功能永久性缺失技术相比，RNAi技术更受人们青睐。而且通过与细胞特异性启动子及可诱导系统结合使用，可以在发育的不同时期或不同器官中有选择的进行。4.展望

自从1998年Fire首次报导以来，RNAi研究迅猛发展，掀起了dsRNA介导的基因沉默作用分子机制及其生物学功能研究的热潮，使RNAi成为分子生物学领域最热门的研究课题之一。在美国《科学》杂志评出的2002年十大科技进展的排行榜中名列榜首。

由于RNAi干扰作用具有高效性和高特异性特点,能有效阻抑不必要或有害基因表达,对细胞及机体正常功能的发挥和维持至关重要。为多种病毒性或遗传性疾病以及肿瘤癌症等医学顽症的根治开辟了一条新的有效途径。RNAi不仅能大大推动人类后基因组计划的发展,还将应用于基因治疗、新药开发、生物医学等研究领域。因此,RNAi的研究与应用具有极其重要的理论和实际意义,将对医学生物学的发展产生深远的影响。

但我们注意到RNAi在其发展的过程中仍然存在许多问题需要解决，需要我们对它进一步研究和应用，并在生命的各个领域做出贡献。

参考文献：

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第二篇：基因工程

宁波大学科学技术学院考核答题纸

（2011--2012学年第 学期）

课号：:EK5G04A00

课程名称：现代生物技术概论

阅卷教师：

班级：10级生物工程

学号：104177306

姓名：郭兆峰

成绩：

基因工程

摘要：基因工程是20世纪70年代在分子遗传学、细胞生物学基础上发展起来的，是一种可以按照人们的意愿设计、改造和组建生物品种的新技术。包括它通过基因操作，将目的基因活DNA片段与合适的载体连接转入目标生物细胞，通过复制、转录、翻译外源目的基因以及蛋白质的活性表达，使转基因生物获得新的遗传性状。

关键词：生物技术；基因工程

一、基因工程的诞生：

从20世纪40年代开始，受分子生物学、分子遗传学发展的影响，基因分子生物学取得巨大进步，为基因工程的诞生奠定了基础。现在人们公认的诞生日期是1973年，其中现代分子生物学领域上的三大发现及技术上的三大发明起了决定性作用。

理论上的三大发现包括：第一，20世纪40年代，Avery 在美国的一次学术会上报道了肺炎球菌的转化，证明了遗传信息的携带者是DNA而不是蛋白质；第二，1953年，Watson 和 Crick 提出的DNA分子的双螺旋结构以及半保留复制机理，解决了基因的自我复制和传递问题；第三，20世纪50年代末的“中心法则”，60年代由Monod 和 Jacob 提出的操纵分子学说，并成功的由一批科学家破译了遗传密码从而阐明了遗传信息的流向和表达问题。

以上问题的解决使得人们自主改造生物遗传性状从理论上成为现实。

技术上的三大发明：第一，1967年发现的DNA连接酶，以及1979年发现的具有更高活性的T4 DNA连接酶。在1970年Smith和 Wilcox从流感嗜血杆菌中分离并纯化的限制性核酸内切酶HindⅡ和1972年发现的EcoRⅠ核酸内切酶。后来发现的大量的限制性核酸内切酶。第二，一些病毒、质粒和噬菌体等载体技术的发现使把目的基因的导入更加容易。第三，DNA分子序列分析及琼脂糖凝胶电泳、Southern杂交技术的发展使得基因工程的诞生越来越近。1973年，斯坦福大学将抗四环素质粒和抗新霉素的质粒用限制性内切酶切割并连接成重组质粒导入到大肠杆菌中是基因工程诞生的标志。

二、基因工程有几个重要特征：（1）、打破了物种的界限，实现跨物种的基因转移；（2）、通过已知功能基因的遗传转化，进行物种的定向改良；（3）、创造出自然界中本来不存在的物种。

三、基因工程技术流程包括：（1）、目的基因克隆，即从特定生物基因组和cDNA中分离提纯和扩大繁殖目的基因；（2）、选择合适的载体，并对载体DNA进行克隆；（3）、将目的基因与载体宁波大学科学技术学院考核答题纸

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课号：:EK5G04A00

课程名称：现代生物技术概论

阅卷教师：

班级：10级生物工程

学号：104177306

姓名：郭兆峰

成绩：

连接；（4）、将重组DNA导入到大肠杆菌或酵母菌体内培养；（5）、利用载体上的标记基因进行筛选，获得转目的基因的细胞或植株。

四、基因工程的应用：

（1）基因工程应用于农业生产方面：农业领域是目前转基因技术应用最为广泛的领域之一。农作物生物技术的目的是提高作物产量，改善品质，增强作物抗逆性、抗病虫害的能力。基因工程在这些领域已取得了令人瞩目的成就。

（2）基因工程应用于医药方面：目前，以基因工程药物为主导的基因工程应用产业已成为全球发展最快的产业之一，发展前景广阔。基因工程药物主要包括细胞因子、抗体、疫苗、激素和核苷酸药物等。它们对预防人类的肿瘤、心血管疾病、遗传病、糖尿病、包括艾滋病在内的各种传染病、类风湿疾病等有重要作用。在很多领域特别是疑难病症上，基因工程工程药物起到了传统化学药物难以达到的作用。我们最为熟悉的干扰素(IFN)就是一类利用基因工程技术研制成的多功能细胞因子，在临床上已用于治疗白血病、乙肝、丙肝、多发性硬化症和类风湿关节炎等多种疾病。

（3）基因工程应用于环保方面：基因工程技术可提高微生物净化环境的能力。美国利用DNA重组技术把降解芳烃、萜烃、多环芳烃、脂肪烃的4种菌体基因链接，转移到某一菌体中构建出可同时降解4种有机物的“超级细菌”，用之清除石油污染，在数小时内可将水上浮油中的2/3烃类降解完，而天然菌株需要1年之久。也有人把Bt蛋白基因、球形芽孢杆菌、且表达成功。它能钉死蚊虫与害虫，而对人畜无害，不污染环境。现已开发出的基因工程菌有净化农药的DDT的细菌、降解水中的染料、环境中有机氯苯类和氯酚类、多氯联苯的工程菌、降解土壤中的TNT炸药的工程菌及用于吸附无机有毒化合物(铅、汞、镉等)的基因工程菌及植物等。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。

五、基因工程的安全性问题：

自基因工程诞生以来，基因工程的安全性问题就受到人们极大的关注，关于重组DNA潜在的危险性问题的争论，在基因工程还处于酝酿阶段的时候就已经开始。争论的焦点是担心基因工程宁波大学科学技术学院考核答题纸

（2011--2012学年第 学期）

课号：:EK5G04A00

课程名称：现代生物技术概论

阅卷教师：

班级：10级生物工程

学号：104177306

姓名：郭兆峰

成绩：的杂种生物会从实验室溢出，在自然界造成难以抑制的灾难，有害的杂种菌或病毒与化学物质不同，它们会在自然界不断繁殖，造成的危害更大。

在1975年2月，美国国立卫生研究院（NIH）在加利福尼亚州的Asilomar 会议中心内，160名来自美国和16个国家的专家学者对重组DNA的危害辩论，虽然与会代表分歧挺大，但最后也达成了一些重要的共识，在1976年6月23日美国NIH制定并公布了《重组DNA研究准则》。为了避免可能造成的危害，除了规定禁止若干类型的重组DNA实验外，还制定了许多具体的规定条文。

六、基因工程的前景展望：基因工程技术是继工业革命、信息革命之后 对人类社会产生深远影响的一场革命。它在基因制药、基因诊断、基因治疗、基因芯片和基因克隆等技术方面取得的革命性成果，将极大地改变人类生命和生活面貌。

参考文献：

1、基因工程/楼士林，杨盛昌，龙敏南等主编.—北京：科学出版社，2002

2、基因工程技术/钟卫鸿主编.—北京：化学工业出版社，2007.6

3、基因工程/何水林主编.—北京：科学出版社，2008

4、基因工程原理与技术/刘志国主编.—2版.—北京：化学工业出版社，2010,12

5、基因工程：原理、方法与应用/徐煜泉等编著.—北京：北京大学出版社，2008.12

第三篇：基因工程

《基因工程论文》

嗜热解烃基因工程菌SL-21的构建

学

院：生命科学学院 班

级：生物技术12-2 学

号：7011208209 姓

名：陈 昆 任课教师：张锐

嗜热解烃基因工程菌SL-21的构建

摘要﹕从以C15—C36直链烷烃为惟一碳源生长的解烃菌———地芽孢杆菌MD-2细胞中获得了1个新的烃降解基因———烷烃单加氧酶基因sladA。将基因sladA克隆到质粒pSTE33上,构建了重组质粒pSTalk。通过电转化将pSTalk转化入嗜热脱氮土壤芽孢杆菌ZJ-3内,构建了基因工程菌SL-21。SL-21兼具嗜热和解烃的功能,在70℃条件下,14d后对原油的降解率达75.08%。研究结果表明,可以通过体外重组的方式向嗜热菌中引入烃降解基因,从而构建嗜热解烃基因工程菌。关键词:微生物采油;烃类降解菌;嗜热解烃基因;质粒;基因工程菌

微生物降解原油是微生物提高原油采收率的主要机理之一。研究结果表明,在解烃菌作用下原油的族组分发生变化,轻质组分增加,粘度下降,改善了原油的流动性;同时,解烃菌还可以将烃类分子转化成有机溶剂、表面活性剂、酸和气体等驱油物质。迄今为止,从自然界筛选的高效解烃菌绝大多数为嗜温微生物,最适合生长温度一般为20-45℃,很难适应油藏的高温环境。笔者从1株解烃菌细胞中分离出1个新的烃降解基因———烷烃单加氧酶基因sladA,并采用基因工程手段将此基因转化到另外1株最适合生长温度为70℃的嗜热菌体内,构建了嗜热解烃基因工程菌SL-21。该基因工程菌既具有高效的解烃功能,又能适应油藏高温环境,在微生物采油中具有良好的应用前景。1.1 实验材料

实验材料包括限制性内切酶EcoRⅠ和XhoⅠ;UNIQ-10柱式DNA胶回收试剂盒、PCR片断回收试剂盒;大肠杆菌感受态细胞E.coliDH5α;pGEM-T easy载体;质粒pSTE33 kanr,Ampr,EcoRⅠ/XhoⅠ;异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)、十二烷基硫酸钠(SDS)、氨苄青霉素(Amp)、卡那霉素(Kan)。LB培养基按文献配制。无机盐培养基组成:Na2HPO40.06g;KH2PO40.02g;NaNO30.2g;CaCl20.001g;FeSO40.001g;MgSO4 0.03g;蒸馏水100mL;pH值为7.2。嗜热脱氮土壤芽孢杆菌ZJ-3,分离自胜利油区孤岛油田中一区馆3区块采出液,最适合生长温度为70℃;地芽孢杆菌MD-2,以C15—C36直链烷烃为惟一碳源生长,分离自胜利油区原油污染土壤。1.2 实验方法

DNA的操作 基因组DNA小量提取,利用聚合酶链式反应(PCR)对DNA扩增、PCR产物的回收、酶切与连接,质粒DNA提取和基因序列测定等均按文献[13-14]方法进行。菌株培养 所涉及到的菌株培养均在温度为70℃,转速为180r/min的条件下进行振荡培养。基因工程菌的构建和筛选方法 ZJ-3感受态细胞的制备按文献[13-14]方法进行。用构建的重组质粒pSTalk在最佳条件下电转化ZJ-3感受态细 胞构建基因工程菌。在含有50μg/mL Kan的LB琼脂平板上挑选10个阳性克隆接种到5mL LB培养基中,培养过夜,获得种子液。将该种子液接种到200mL以液蜡为惟一碳源的无机盐培养基中,培养5d后用CCl4抽提剩余的液蜡,用红外测油仪测定烃的剩余量,根据菌株降解液蜡的速率筛选出目的基因工程菌。基因工程菌的诱导表达及SDS-PAGE检测挑取阳性克隆接种于含100μg/mL Amp的10mL的LB液体培养基中,180r/min下振荡培养至光密度值达到0.6(检测光波波长为600nm),加诱导物IPTG至终浓度为1mmol/L,振荡培养8h,收集表达菌体,加SDS上样缓冲液,于100℃水浴10min后上样,用12%的SDS-PAGE电泳检测。基因工程菌降油能力测试 将基因工程菌接入20mL LB培养基中,培养12h,以5 000r/min的速度离心5min收集菌体,用无菌生理盐水洗涤菌体1次,加20mL无菌生理盐水悬浮,作为菌株利用烷

烃生长的种子液。取菌悬液按1%接种量接入200mL无机盐培养基中,加入2%孤岛油田中一区馆3区块原油或2%的液体石蜡作为惟一碳源培养,取样稀释涂布计数。原油降解实验 在无机盐培养基中添加2%的原油,按1%接种量接入基因工程菌,培养14d。用正己烷萃取降解后的原油,用气相色谱仪测定原油饱和烃组分的降解情况。原油降解率为菌株降解前、后原油量的差值与菌株降解前原油量的比值。2 实验结果与分析

2.1 MD-2基因组DNA的检测

对MD-2基因组进行提取和纯化。提取后的染色体DNA经0.8%的琼脂糖凝胶电泳检测,相对分子质量不小于23kb,说明提取的DNA完好。在检测光波波长为260280nm条件下分别测出DNA的光密度,其比值为1.95,换算出DNA的质量浓度为1 400g/mL,表明DNA纯度较好,无蛋白、RNA、酚和多糖物质的干扰。2.2 烷烃单加氧酶基因的克隆与序列分析依据美国国立卫生研究院基因序列数据库(Genbank)中的烷烃单加氧酶基因开放阅读框两端保守序列,设计了一对兼并引物以MD-2基因组DNA为模板进行PCR扩增,将约1.3kb的PCR产物回收后连接到pGEM-T easy载体上,转入E.coliDH5α,挑取阳性克隆质粒进行测序。测序结果经Genbank检索,表明该DNA序列是个新的烷烃单加氧酶基因,命名为sladA。2.3 基因工程菌的构建及筛选

通过PCR扩增sladA后,将PCR产物用EcoRⅠ或XhoⅠ消化,分离纯化出1 329bp的片断,与经EcoRⅠ或XhoⅠ消化的pSTE33质粒连接,构建成含sladA的重组质pSTalk。经电泳鉴定表明(图1),重组质粒构建成功。

2.4 基因sladA在基因工程菌SL-21中的诱导表达

由基因工程菌SL-21全蛋白的SDS-PAGE图谱可见(图2),在烷烃单加氧酶基因sladA对应蛋白大小的地方扫描到高信号强度,表明sladA基因在SL-21中得以表达。2.5 基因工程菌SL-21碳源生长

基因工程菌SL-21在以原油和液体石蜡为惟一碳源的无机盐培养基中培养,在70℃和180r/min条件下,经过3d的延滞期后进入对数期,菌体数增加。17d后,菌体数为接菌初期的5倍,表明SL-21能够利用原油或液体石蜡作为惟一碳源生长。2.6 对原油的降解作用

由原油饱和烃组分的降解情况可看出(图3),基因工程菌对原油有很明显的降解效果,几乎将饱和烃降解完全。经对气相色谱各峰面积对比,计算出各峰面积的含

量和饱和烃组分降解率(表2)。基因工程菌SL-21对原油的降解率为75.08%。

实验结果表明,烃类降解菌地芽孢杆菌MD-2细胞提取的烷烃单加氧酶基因sladA可以在嗜热脱氮土壤芽孢杆菌ZJ-3中表达。但不同的基因工程菌株中烷烃单加氧酶基因sladA表达的效率不同,需要通过菌株对原油的降解评价进一步筛选。获得的对原油降解速率最高的基因工程菌SL-21能在70℃高温条件下生长,并且对原油降解效果明显。因此以体外重组方式向嗜热菌中引入烃类降解基因构建嗜热解烃基因工程菌在技术上是可行的。3 结论

以地芽孢杆菌MD-2为目标菌株,克隆和表达了降解长链烷烃的单加氧酶基因sladA,并在嗜热脱氮土壤芽孢杆菌ZJ-3中正确表达了基因sladA,构建了基因工程菌SL-21。基因工程菌SL-21在70℃条件下,能以原油或液体石蜡为惟一碳源生长。14d对原油的降解率为75.08%,对原油饱和烃组分均有明显的降解效果。该基因工程菌既可以用于微生物驱油技术,又可以用于高温油田污水的生物处理。利用基因工程的方法可以获得既能耐受极端环境,又具有良好功能的基因工程菌株,是石油微生物菌种选育的重要方向。参考文献: [1] 周金葵,王大威,廖明清,等.一株石油烃降解菌的筛选及性能研究[J].大庆石油地质与开发,2007,26(6):119-123.[2] 汪卫东,汪竹,耿雪丽,等.美国微生物采油技术现场应用效果分析[J].油气地质与采收率,2002,9(6):75-76.[3] 袁长忠,宋永亭,段传慧.微生物采油用营养物质在石英砂上的静态和动态吸附规律[J].油气地质与采收率,2009,16(4):74-76.[4] 修建龙,董汉平,俞理,等.微生物提高采收率数值模拟研究现状[J].油气地质与采收率,2009,16(4):86-89.[5] 路璐,向廷生,黑花丽.本源微生物降解原油的饱和烃色谱分析[J].油气地

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第四篇：基因工程

基因工程技术的程序与应用

【摘要】基因工程技术是一项正在蓬勃发展的技术，它将给人类社会带来一场深刻的变革，我们有必要了解基因工程的概念、原理、技术程序，以及基因工程在农业、工业、医药等方面的应用和进展情况。

【关键词】基因工程技术程序应用进展

基因工程（genetic engineering）又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，在分子水平上对基因进行复杂的操作，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。它是用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质——DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新技术。它克服了远缘杂交的不亲和障碍。基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。

一 基因工程的技术程序

基因工程的基本原理是在体外将不同来源的DNA进行剪切和重组，形成镶嵌DNA分子，然后将之导入宿主细胞，使其扩增表达，从而使宿主细胞获得新的遗传特性，形成新的基因产物。它有3个基本的步骤：①从合适材料分离或制备目的基因或DNA片段。②目的基因或DNA片段与载体连接作成重组DNA分子。③重组DNA分子引入宿主细胞，在其中扩增和表达。不同种类生物的生物学特性不同，其基因工程在操作上和具体技术上必然有所差异，但技术核心都是DNA的重组，即利用一系列的DNA限制性内切酶、连接酶等分子手术工具，在某种生物DNA链上切下某个目标基因或特殊的DNA片段，然后根据设计要求，将其接合到受体生物DNA链上。

一个完整的用于生产生产目的的基因工程技术程序包括的基本内容有：①外源目标基因的分离、克隆以及目标基因的结构与功能研究。②适合转移、表达载体的构建或目标基因的表达调控结构重组。③外源基因的导入。④外源基因在宿主基因组上的整合、表达及检测与转基因生物的筛选。⑤外源基因表达产物的生理功能的检定。⑥转基因新品系的选育和建立以及转基因新品系的效益分析。⑦生态与进化安全保障机制的建立。⑧消费安全评价。

（一）外源目标基因的分离、克隆及功能结构分析

获合乎人类某种需要的取目的基因是实施基因工程的第一步，也是开展一项基因工程的前提和全部工作的核心。目前人们已经能够通过多种途径和方法来获取目标基因，其中主要有两条途径：一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因；另一条是人工合成基因。

直接分离基因最常用的方法是“鸟枪法”，又叫“散弹射击法”。鸟枪法的具体做法是：用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段，将这些片段分别载入运载体，然后通过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞提供的DNA（即外源DNA）的所有片段分别在各个受体细胞中大量复制（在遗传学中叫做扩增），1

从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把带有目的基因的DNA片段分离出来。如许多抗虫抗病毒的基因都可以用上述方法获得。用鸟枪法获得目的基因的优点是操作简便，缺点是工作量大，具有一定的盲目性。又由于真核细胞的基因含有不表达的DNA片段，一般使用人工合成的方法。

目前人工合成基因的方法主要有两条。一条途径是以目的基因转录成的信使RNA为模版，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需要的基因。另一条途径是根据已知的蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA序列，然后按照碱基互补配对的原则，推测出它的基因的核苷酸序列，再通过化学方法，以单核苷酸为原料合成目的基因。如人的血红蛋白基因胰岛素基因等就可以通过人工合成基因的方法获得。

（二）构建能在受体生物细胞中表达的重组目标基因

要使一个外源目标基因能整合到受体细胞的基因组中并能在整合后在受体基因组的调控下有效地转录和翻译，就必须事先对目标基因的功能结构用DNA重组技术进行适当的修饰，也就是将目标基因与一种特别的DNA分子重组，这种特别的DNA分子称为基因载体，目前所用的载体主要有以下几类：质粒、λ噬菌体、柯斯质粒、病毒载体、YAC载体等，各类载体具有独特的生物学特性，可用于不同的目标基因。

（三）外源重组目标基因的导入

将重组的外源目标基因转入到宿主细胞中的过程称为基因导入或基因转移。接受外源基因的细胞称为受体细胞。由于受体生物学特征的不同以及基因工程目的不同，外源基因导入的方法也不同，有的是用载体导入，有的是直接用物理的方法导入。目前使用的有转化、转染、电穿孔导入法、基因枪射入法、显微注射法、脂质体介导法等，向细菌等微生物中导入外源目标基因常用质粒转化和噬菌体转染方法；向植物细胞中导入外源基因常用基因枪注入法和Ti质粒导入法；能由原生质体再生出植株的植物细胞还可以用电穿孔导入法及脂质体融合法；动物的受精卵一般通过人工显微镜注射法导入外源基因；动物的体细胞可用电穿孔法和病毒转染法导入外源基因，但对用于生产目的的基因工程常常避免用病毒转染法。

（四）转基因细胞或个体的鉴别和筛选

在对宿主的细胞进行了外源目标基因导入处理以后，有些细胞可能并没有外源基因的进入，另有一些细胞可能在外源基因进入后因各种原因而不能使外源基因表达，因此必须对被进行了基因转移处理的细胞或个体进行鉴别，以筛选出导入外源目标基因的转基因细胞或个体。鉴别和筛选转基因生物一般在两个层面上进行：一是检测目标基因是否表达，二是检测目标基因是否整合到了宿主的染色体上和能否稳定传代。表达检测的方法主要有转录产物的印迹杂交法、免疫印迹检测法、免疫组织化学检测法等。整合检测可通过DNA分子杂交来确定。

（五）转基因品系的效益分析。

一个生产性能优越的转基因品系，首要的条件是目标基因的表达产物必须有正常的生理功能，另一个必要标志是其目标基因必须有适度的高效表达特性和可持续生产能力。

（六）生态与进化安全保障

由于转基因生物与其他生物一样具有可遗传、易扩散及自主的特性，而且人类对生命、生态系统、生物的演化实际上还知之甚少，对不同物种间基因的人工组合，外源基因对受体生物进化的可能影响，转基因生物对生态系统的长期影响

等都无法进行评估，因此如果人们不事先采取控制措施，转基因生物一旦进入到自然环境中就可能打破生态平衡，破坏生态环境和自然种质资源。对转基因生物的控制措施有物理的方法和生物的方法：物理的方法就是通过各种严格的管理措施和物理屏障尽量使转基因生物不能从实验室逃逸进入到自然环境里去；生物的方法一般就是造成转基因生物与非转基因生物之间的生殖隔离，如利用三倍体不育的特性将用于生产的转基因动物或植物变成三倍体等。

（七）消费安全评价

消费安全评价一般要考虑以下一些主要的方面：①导入外源目标基因本身编码的产物是否安全。②外源目标基因是否稳定。③使用的载体是否安全。④使用的报道基因（就是能产生很容易观察的性状的基因）是否会产生有害物质。⑤外源基因导入后是否会诱导受体生物产生新的有害遗传性状或不利于健康的成分。为了保护人类的健康，许多国家都已通过立法或其他形式对转基因产品进行消费安全评价和严格的管理，对进口转基因食品严格限制。

二 基因工程的应用

基因工程在医药业中的应用。许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。如基因工程胰岛素、干扰素、人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。

基因诊断与基因治疗。遗传病是长期困扰人类的一类不治之症，迄今已发现的有3000多种。其根源于遗传基因存在缺陷，主要特征是可随生育而传代。基因治疗是把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，这是治疗遗传病的最有效的手段。基本方法是：基因置换、基因修复、基因增补和基因失活等。如运用基因工程设计制造的“DNA探针”检测肝炎病毒等病毒感染及遗传缺陷，不但准确而且迅速。通过基因工程给患有遗传病的人体内导入正常基因可“一次性”解除病人的疾苦。

基因工程在农牧业、食品工业上的应用。运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。如转基因鱼（生长快、耐不良环境、肉质好），转基因牛（乳汁中含有人生长激素），转黄瓜抗青枯病基因的甜椒，转鱼抗寒基因的番茄，转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯，不会引起过敏的转基因大豆，抗虫棉等。

基因工程在环境保护工业方面的应用。基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。利用基因工程培育的指示生物能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。如有一种超级细菌，能快速分解石油，可用于清除被石油污染的海域。这种超级菌是美国科学家用基因工程方法，把降解不同石油化合物的基因移植到一个菌株内而产生的。

总之，基因工程的发展将会给人类社会带来巨大的变化。

三 基因工程的进展状况

基因工程技术是一项正在蓬勃发展的技术，而且也已经取得了许多重要的应用成果，但我们也应该看到，基因工程技术不是一项已经成熟的技术，仍然还很粗糙和原始，在许多方面尚需完善和改进。

1．基因工程在技术上存在一定的不确定性和盲目性。目前的基因工程在技术上有很多的不确定性。这种不确定性表现在两个方面，一是技术方面的不稳定性，二是由于对不同生物的生理特性的了解不很深入，如我们将鱼类抗冻蛋白基因转移到不抗寒的罗非鱼等热带鱼中，虽然抗冻蛋白基因得到表达，但并没有使受体鱼产生预期的抗寒效果。目前我们所进行的基因工程基本上只能对简单的、单基因控制的性状进行设计和改造，操作对象只限于一些比较简单的单因子基因。但生物绝大部分的重要性状是由多个基因共同控制的，对这些多基因控制的性状，现有的基因工程技术几乎仍然是束手无策。我们对活的生物体中基因表达调控的机制知之甚少，有关的知识仅限于对启动子和增强子有所了解，对生物体整体的调节复杂性的认识还刚刚开始。

2．在安全性方面存在着不确定性。对社会大众来说，最主要和最关心的是基因工程的安全性问题，基因工程的安全性问题包括两个方面：一是基因工程产品的消费安全问题，二是转基因生物的生态安全问题。目前用转基因技术生产出来的食品因其成分的某些改变是否会对人类的健康产生不良的影响，这需要实验和时间来验证。有着某种生存优势的转基因生物如果进入到自然生态系统，就有可能排挤自然种群，降低生态系统里物种的多样性，打破生态平衡。

所以我们在大力发展转基因技术的同时，必须高度重视对转基因动物、植物及微生物品种的生物控制和控制技术的研究。在转基因品种的安全性没有进行全面的评估和没有可靠的生物控制措施之前，应严格禁止其进行生产和进入开放的自然生态系统，只有其生态安全性达到了传统育种方法培育的新品种时，或无生殖能力的转基因动物和植物才能允许进入自然界进行生产，也只有这样才是有益于人类和社会进步的。

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第五篇：材料基因工程

材料基因工程

——为什么是一项“颠覆性前沿技术”

1.前言

材料基因组技术是近几年兴起来的材料研究新理念和新方法，是当今世界材料科学与工程领域的最前沿。材料基因工程借鉴人类基因组计划，探究材料结构与材料性质变化的关系。并通过调整材料的原子或配方、改变材料的堆积方式或搭配，结合不同的工艺制备，得到具有特定性能的新材料。但是材料基因组与人类基因组的又有很大的区别，材料的微观结构多样化，不但成分组成可以不同，微观形貌等结构也可能千差万别，其组成-结构-性能之间的关系更加复杂。

2.材料基因组技术

2.1材料基因组技术

材料基因组计划是通过“多学科融合”实现“高通量材料设计与试验”；其核心目标在于通过“高通量计算、实验和大数据分析”技术加速材料“发现-研发-生产-应用”全过程，缩短材料研发周期，降低材料研发成本，引发新材料领域的科技创新和商业模式变革。

材料基因组技术包括高通量材料计算方法、高通量材料实验方法和材料数据库三大组成要素。

2.1.1高通量材料计算方法

高通量计算是指利用超级计算平台与多尺度集成化、高通量并发式材料计算方法和软件结合，实现大体系材料模拟、快速计算、材料性质的精确预测和新材料的设计，提高新材料筛选效率和设计水平，为新材料的研发提供理论依据。其中并发式材料计算方法包括第一原理计算方法、计算热力学方法、动力学过程算法等，跨越原子模型、简约模型和工程模型等多个层次，并整合了从原子尺度至宏观尺度等多尺度的关联算法。

高通量材料集成计算技术利用第一性原理、分子动力学与位错动力学、合金相图计算、相场计算等方法，快速并行模拟实验室中成分与性能优化的传统试错式材料研发过程，并基于材料科学知识，迅速挑选有利于目标性能的合金成分与微观结构特征，从而加速新材料的研发进程并显著降低材料研发成本。

2.1.2高通量材料实验方法

传统材料研发模式依赖于成分与工艺的不断“试错”实验优化，结合对结构-性能关系的不断理解以获得满足性能指标的材料。但是，新型关键材料具有成分多元化、复杂化、微结构多级化等特点，传统的“试错”模式在实际材料开发中不仅耗费巨大，而且几乎难以取得成功。

高通量实验平台是发展材料基因组技术具备的条件之一。高通量实验平台可以为据库提供数据支撑；而就高通量集成计算而言，高通量实验技术为各种计算模拟工作提供计算目标。材料基因组概念中的高通量实验技术具有快速制备快速表征各类金属与非金属样品的能力，典型的高通量实验方法有扩散多元结与材料基因芯片

2.1.3材料数据库

数据可以看作是感兴趣参量的具体数值，这些参量在空间与时间上的一系列数值就构成数据集，不同的数据集结合到一起并按照一定的协议实现相互调用，体量巨大、结构性的数据集就构成大数据。利用物理层面的分布式服务器对随时间不断膨胀的数据集进行存放，利用通讯协议实现服务器中数据集的远程调用与管理，利用专门的算法对不同数据集自身和数据集之间进行分析并提取有价值的信息，并用专门的软件实现数据分析的可视化，就构成了基于大数据方法的材料数据库技术。

材料信息学通过数据管理、数据分析与数据协作，实现从已有数据中提取高价值信息和知识的目的。由于计算材料数据库是综合物理，化学及生物的交叉学科的数据库。因此，材料数据库的建立，有利于减少材料的重复实验和测试，对缩短新材料的研发周期，节约新材料的研发成本具有非常积极的作用

2.2结论

材料计算模拟是实现“材料按需设计”的基础，可以帮助缩小高通量材料实验范围，提供实验理论依据；高通量材料实验起着承上启下的角色，既可以为材料模拟计算提供海量的基础数据和实验验证，也可以充实材料数据库，并为材料信息学提供分析素材，同时还可以针对具体应用需求，直接快速筛选目标材料；材料数据库可以为材料计算模拟提供计算基础数据，为高通量材料实验提供实验设计的依据，同时计算和实验所得的材料数据亦可以丰富材料数据库的建设。

3．结论

材料基因组技术融合了材料科学、固体力学、信息科学、软件工程、先进实验方法等学科，采用数值模拟、数据库及数据挖掘、人工智能等技术研究材料的工艺过程、微/细观结构、性能和服役行为等，阐明成分、微结构和工艺对性能的控制机制，引导并支撑实体材料的研发和应用。

在材料基因工程提出之前，新材料从研发到市场应用实践跨度非常大，某种材料从最初的研究开发，经过性能优化、系统设计与集成、验证、制造再到投入市场通常需要10-20年时间。部分原因是一直以来过度依赖对材料研发的科学自觉与实验判断，目前大部分材料的设计与测试时通过耗时的重复实验完成的、而实际上，有些实验通过理论计算工具就能完成模拟。材料基因工程采用强大的计算分析和理论模拟工具，减少新材料研发和生产过程中对物理实验的依赖。改进的数据共享系统和一体化的工程团队将允许设计、系统工程与生产活动的重叠与互动。这种新的综合设计将结合更多的计算与信息技术，加上实验与表征方面的进步，将显著加快材料投入市场的种类及速度，材料的开发周期可从目前的 10~20 年缩短为 5~10 年。因此说材料基因组技术是一项“颠覆性前沿技术”

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