生物技术的发展

生物技術的發展王鳳英副教授國立新竹教育大學生物技術的發展與未來生物技術將在21世紀成為全球經濟與產業的主力，同時也影響日常生活。由於生物技術在遺傳操作上的能力，衍生了在社會、倫理及法律上的問題。新科技對人類所創造的進步與滿足。判斷生物技術所衍生的種種問題對於人類社會或倫理上的可能衝擊。『生物技術』的定義廣義的『生物技術』可說是無所不包，人類日常生活上的食衣住行，幾乎全部離不開生物技術的影響『生物技術』的定義：利用生物(動物、植物或微生物)或其產物，來生產對人類醫學或農業有用的物質或生物。傳統的生物技術早在數千年前，埃及人就用生物技術的方法來生產啤酒、酒類、醬油、泡菜、豆腐乳、紅糟肉、養樂多、味精等利用微生物加工食品。酒類所含的酒精與風味、醬油或泡菜、紅糟肉的抗血脂物質等，都是微生物的代謝產物青黴素，則是青黴菌為了抵抗周遭環境各種細菌，被人類利用來消滅入侵人體的細菌。兩種生技領域的差異『傳統的生物技術』與現代的生物技術之差別『現代生物技術』運用生物化學、分子生物學以及分子遺傳學等現代科技改變生物個體的遺傳形質；控制生物的代謝或生理，以達到生產有用物質之目的。現代生物技術是使用『細胞與分子』層次的微觀手法來進行操作，不同於傳統以『整體』動物、植物或微生物的飼養、交配或篩選方式。現代生物技術從1953年在劍橋大學發現DNA的雙螺旋構造開始，遺傳學走進分子層次接著是五十年的基因操作、轉殖與表現，把整個生物學帶入數百年所未見的狂潮。這個運動在『人類基因圖譜』解密的喝采聲中達到高潮。生物技術之特點生物技術涉及的科技種類，是『跨領域』極強的綜合學問。動物、植物、微生物以及人體，都可成為生物技術的探討對象以微觀至分子與細胞，甚至奈米級的原子層次，到組織、個體、群落甚至整個生態系。複製生物的倫理問題，以及基因改造物體的安全與法律問題，進入法學與哲學中。基因操作在發現DNA的雙螺旋構造後不久，生命公式出現了：所有生物細胞內的運作，都要靠蛋白質為其工作機器，而蛋白質是依DNA所攜信息的指示，經由RNA所合成出來的生命信息的流動是：DNA→RNA→蛋白質；發現DNA雙螺旋構造，此為生命表現改變DNA改變蛋白質改變DNA即有可能改變該生物的蛋白質表現，也就會改變該細胞的外在性狀。當外來基因的DNA放到大腸菌中，發現宿主大腸菌會『認養』此外來基因，並且遵循『中心教條』表現出此基因的蛋白質。大腸菌認養外來基因須先經過一『歸化』手續，即外來基因必須接在一種大腸菌所特有的環形核酸中，稱為質體(plasmid)；被『夾帶』入細菌內，在宿主菌內複製表現。質體是一種獨立的環形核酸質體是一種獨立的環形核酸，擁有若干個基因，並可自行製造蛋白質，因此也服從『中心教條』的規律。很多質體帶有抗藥性基因，會產生某些酵素類的蛋白質，酵素可以水解抗生素，使抗生素失去藥效。質體可以自由進出大腸菌，且能在新的大腸菌中複製自己，會把原來所含的基因轉移到新大腸菌宿主中，是細菌取得抗藥性的方法之一。分子群殖『種瓜得瓜，種豆得豆』，『種分子得分子』。分子群殖(molecularcloning)技術可利用質體為載具，把目標基因如上述方法送入宿主菌中，然後大量複製自己。大腸菌中通常可複製達百多個；而且當大腸菌分裂時，質體也會跟著複製，該段基因的數目也如數增加。種植核酸分子每個菌落有1,000隻大腸菌，而每隻大腸菌內含有100個重組質體，則每個菌落就有1×100×1000個質體這種把一個分子『放大』成數萬個分子的過程，真是有如在種植核酸分子。複製與增殖早期的遺傳工程操作中，大部分的基因都還不是很清楚，因此必須把細胞的全部核酸一一切成無數小片段，然後每一段分別接入一個質體中這一大群接有外來基因的重組質體，再各自送入大腸菌中表現，並複製與增殖.一宿主菌只能收容一重組質體每宿主菌只能收容一個重組質體，而每一個重組質體只含有一段核酸片段；因此這樣所得到的每一個細菌群落，雖然質體數目被放大很多，但都只含有單一種核酸片段。重組質體的數目在宿主菌中放大，每個菌落中的核酸含有足夠的分子數目，可用專一性的探針，挑出含有所要外來基因片段的群落，就可分離得到含有目標基因的純種細菌。核酸的剪接核酸的剪接精確有效，這是利用酵素的專一性辨識能力，及其催化能力。有一大群名為『限制酶』的酵素，可以在核酸長條分子上面的特定位置切開，每種限制酶可辨認核酸上不同位置，使用適當的限制酶，在指定的位置切開核酸；核酸連接是由一群叫做『接合酶』的酵素，把兩段核酸接在一起。基因群殖及表現用分子群殖方法，得到某一目標基因的核酸片段之後，就有非常多的下游工作等著，其中最重要的當然是順著『中心教條』的指示，把此段基因大量表現出它所攜帶訊息的蛋白質。第一個被大量表現以生產藥用蛋白質者，是人類的胰島素基因，可以取代原先使用的豬胰島素，防止病人發生過敏反應。基因植入宿主早期使用的表現宿主是大腸菌；現在除了大腸菌，目標基因可有效地表現在動物或植物。人類凝血第八因子的基因轉殖到山羊細胞，並設法讓它在乳腺細胞中大量表現，則山羊的乳汁中就含有大量凝血因子，純化供醫藥使用。螢火蟲的發光基因植入煙草中，結果轉殖之煙草可在暗處中隱隱發光；把易受蟲害的棉花等植物植入抗蟲基因。基因治療基因轉殖也應用在人體上，稱為『基因治療』。血友病人體內缺乏凝血第八因子的正確基因，若能把正確的基因導入病人的細胞中，並且正常表現而產生凝血因子，則可使病人正常凝血。指定的基因注入人體細胞中病毒的構造是一顆外形像釋迦果的圓球，某些群族還長有一隻柄並接有幾隻腳。這個釋迦果的內部充滿病毒核酸，可能是DNA或RNA，外殼則是由一顆顆的蛋白質組合成，這些蛋白質負責辨識並攻擊目標，在找到目標後便將其中的核酸注入宿主細胞，並且大量繁殖流行性感冒病毒便是如此攻擊人類的呼吸道等細胞，使流鼻涕或頭痛。有一種腺病毒，若把其中所含的核酸修改及添加，使它不會產生太多不良症狀，則可能修正人體的錯誤基因。基因轉殖技術基因轉殖技術都是正向地表現出某個基因，產生某種蛋白質例如番茄容易軟化而腐爛，是番茄的某一基因被啟動，產生一種酵素可把番茄的果膠質水解而造成軟化。若植入此酵素基因的反義基因(antisensesequence)，此反義基因會抑制正常基因的表現，就可以抑制番茄的軟化。這番茄早已上市，的確不易腐爛。反義基因生物基因的DNA有兩股，每股DNA是以A,T,C,G等四種鹼基所連接成的密碼。兩股DNA中只有一股會依循『中心教條』轉錄成RNA，然後再轉譯成蛋白質，暫稱『表現股』；而另外一股DNA則遵循A=T與C=G配對的基本原則，其密碼剛好與表現股互補，稱為『反義股』或反義基因。反義基因在自然界中並不會表現，因此反義基因是以基因操作，硬是把本來不會表現的反義股表現出來，則其所轉錄的RNA序列剛好與表現股互補，互補的序列便會接合在一起，因而抑制了表現股的表現，也就抑制了該基因。兩股都有可能為表現股，但只能選其中之一為表現股原來在核酸的每一股上，除了最後可轉譯成蛋白質的片段之外，在其他的部份有許多做了『記號』的核酸片段，通常都位於所表現基因的上游；負責表現工作的蛋白質看到這些記號，就知道要不要表現其下游的DNA。這些負責控制的區域，可以稱為基因的『開關』，因為不是所有的基因都一直開或關著，可能會隨著其生長期間、細胞組織、日夜改變或外來因素的影響，而隨時機動調整。基因序列基因被選殖出來之後，除了可以進行轉殖或表現之外，解讀這個基因本身鹼基序列的排列資訊，通稱基因序列。基因序列之所以重要，是因為這個序列可以直接轉錄成RNA序列，然後再轉譯成蛋白質的胺基酸序列，而胺基酸序列則是決定如何形成蛋白質正確構造，及如何進行正常蛋白質功能的根本原因。基因定序方法有二在1977年由F.Sanger提出，定出一種病毒五千多個鹼基序列，也共同獲得諾貝爾獎。再來的定序工作則越來越快，所定的生物基因也越來越大；先是粒線體的DNA序列，接著有細菌、酵母菌等微生物基因序列，再來是動植物的基因序列，乃至於人體基因序列。人體基因序列人體基因序列共有三十億多個鹼基序列，在2001年已經完成初稿，是一部蘊藏著人類生命奧祕，也開啟了『基因體學genomics』及『生物資訊學bioinformatics』的時代。細胞核的染色體中記憶著所有核酸序列，若以磁碟片或光碟代表細胞核中的核酸資訊，則此磁碟可以分成46個檔案夾，類似人類的46條染色體，磁碟容量須達3,000M位元。細胞都攜帶有完整遺傳資訊除了紅血球沒有細胞核，以及精子或卵子細胞只含有一半染色體，身體上每個細胞，都攜帶有完整遺傳資訊，理論上都可以重新建構一個新的個體。染色體上的基因需要有種種調控系統，以協調並組織生物體的正常發育過程。蛋白質的胺基酸序列蛋白質的胺基酸序列比核酸定序早二十多年，由F.Sanger提出，定出了胰島素的胺基酸序列，得到諾貝爾獎。能得到某基因的核酸序列，就可以很快翻成胺基酸序列，不用再進行整個蛋白質的定序。基因體學所帶動的『蛋白體學proteomics』，反而加重蛋白質定序的需求。蛋白質定序由一個一個胺基酸切下來測定的蛋白質打成大小不等的碎片，分別用『質譜儀』測定這些碎片的質量，再依其質量算出含有那些胺基酸。整體基因序列首先把所有可能表現出蛋白質的基因，全部找出來並翻譯成蛋白質，這個含有整體蛋白質的集合體，是此病菌的『蛋白體proteome』。然後應用電腦資料庫比對，儘可能檢定出這些蛋白質的身分，以得知病菌含有那些酵素、活性因子或調節分子等，由這些蛋白質或酵素的功能，就可以湊出此病菌的代謝地圖得到一個細胞的代謝地圖，就可擬定攻擊的切入點，以便有效攻克目標；找出此病菌的弱點，設計或開發新藥物以攻擊此病菌。生物資訊學『生物資訊學』，如搜尋、比對、翻譯、組合、模擬、預測、設計等動作，都需靠電腦的強力運算，是生物資訊學的主要工作。生物資訊學的另外一項重要工作，就是對蛋白質立體構造的模擬與預測，由蛋白質的胺基酸序列，就可以預測出該蛋白質的立體構造通常需要有其類似蛋白質的已知構造來當作樣板，才能預測得接近正確的構造。預測得蛋白質的立體構造後，就可推導出其生理功能。X-射線的反射有不同的折射角度，觀察如此的折射圖譜蛋白質太小，電子顯微鏡只能模模糊糊看到巨大蛋白質(如抗體分子)的外型。若要深入看到其分子內部構造，就要以X-射線為光源，射入蛋白質晶體，因為晶體內蛋白質分子各原子的排列關係，使X-射線的反射有不同的折射角度，觀察如此的折射圖譜，回推原來在晶體中蛋白質的分子構造。DNA探針(probe)DNA是由兩股核酸長鏈捲繞成的雙螺旋，此兩股核酸之間的互補性極強，但經高溫加熱後可把兩股核酸解開，回復室溫後又可找到互補的配對而恢復原狀。若有一小段核酸，其鹼基序列與目標的DNA序列互補，則可用這小段核酸當作探針(probe)，與經過加熱解開的目標DNA混合，兩者便發生互補而黏合在一起，是為『雜合反應hybridization』若探針分子上帶有放射性或其他螢光標誌，則目標核酸就會連上標誌而被觀察到。雜合反應前目標基因都只限一或數個；一種『高產能highthroughput』的篩檢方式產生了。因為基因體處理的是總體的基因，其數目可能上千上萬；若能把這些基因以極細微的陣列方式排列，點在固相平面上，再與待檢樣本進行上述雜合反應，則可同時檢測千萬基因；『晶片chip』是因為要在極小的玻璃平面，點上數千萬小點的核酸。蛋白質晶片proteinchip核酸可以如此製成晶片，用來檢定兩種核酸分子的雜合關係；那蛋白質是否也可以如此般製成『蛋白質晶片proteinchip』。而利用抗體來作為專一性的偵測工具，同樣可以應用在晶片的檢測方式，也就是『抗體晶片antibodychip』。微流體microfluidics利用這種微小化的觀念，也開發出『微流體microfluidics』的裝置，有人微流體說是把『整個實驗室』搬到一片晶片上去。其基本原理與目前所有的生化技術並無