生物科技與生活

1、.PAGE ：.；PAGE 24生物科技與生活大仁科技大學(xué)生物科技系 何婉清教授壹、前言生物科技的發(fā)展已經(jīng)繼資訊產(chǎn)業(yè)，成為全球工業(yè)國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流。在這個(gè)時(shí)代，人類食、衣、住、行以及醫(yī)藥保健的任何產(chǎn)品能夠都和生物科技脫不了關(guān)係，它將和各種產(chǎn)業(yè)結(jié)合，在各種生活層面上影響著我們。此外和生物技術(shù)有關(guān)的議題，也會(huì)不斷成為人們留意的焦點(diǎn)，例如，無(wú)論我們?cè)谀难e，一定不會(huì)不留意有關(guān)桃莉羊出生及死亡的頭條新聞；不會(huì)不留意到人類器官移植需求的願(yuàn)望。此外，我們能否思索過(guò)以下的議題：人類的複製能否該被制止？具有醫(yī)療價(jià)值的幹細(xì)胞能否可被複製？我們能否有權(quán)力複製動(dòng)物來(lái)取用牠們的器官？我們對(duì)基因改造食品能否有足夠的風(fēng)險(xiǎn)

2、評(píng)估？我們能否有權(quán)力改變?nèi)祟惖幕?，使人類變得更安康、更聰明？能否一個(gè)人具有所謂的好基因，就會(huì)成為一個(gè)比較好的人？本課程的教學(xué)目標(biāo)就是要幫助學(xué)生了解有關(guān)生物技術(shù)、生物科技、複製的基礎(chǔ)知識(shí)、技藝，它對(duì)人類的貢獻(xiàn)以及可應(yīng)用的範(fàn)圍，更重要的是要以人文、社會(huì)及品德的觀點(diǎn)來(lái)討論圍繞在這新技術(shù)的一些具爭(zhēng)論性的問(wèn)題。貳、生物技術(shù)的定義及範(fàn)疇生物技術(shù)biotechnology是應(yīng)用微生物、植物或動(dòng)物的細(xì)胞及其成分，經(jīng)工業(yè)化的生物生產(chǎn)程序，用以改進(jìn)人類生活素質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，是一門(mén)新近崛起的尖端科技，被列為我國(guó)現(xiàn)階段八大重點(diǎn)科技之一?；厮菔澜缈萍际?，生物技術(shù)可說(shuō)是一項(xiàng)古老的科技，我們?nèi)粘Ｉ钪谐３缘尼勗旌歪w酵食品如

3、：酒類、醬油、醋，以及味精等，都是早年應(yīng)用生物技術(shù)製造的產(chǎn)品。晚近興起的遺傳工程基因重組技術(shù)、細(xì)胞交融技術(shù)、生體反應(yīng)利用技術(shù)、細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、組織培養(yǎng)技術(shù)、胚移植技術(shù)及細(xì)胞核移植技術(shù)等生物技術(shù)，為傳統(tǒng)的生物技術(shù)開(kāi)拓了更為精緻、深?yuàn)W廣闊的領(lǐng)域，因此促成了革命性的發(fā)展，構(gòu)成了一門(mén)嶄新的科技-“新生物技術(shù)。二十世紀(jì)是科技的世紀(jì)，尤其在中葉以後，生物科學(xué)以及其後的分子生物學(xué)的發(fā)展及其應(yīng)用，可謂一日千里。自從一九二八年英國(guó)的醫(yī)生佛來(lái)明爵士Sir Alexander Fleming發(fā)現(xiàn)盤(pán)尼西林青黴素，penicillin以來(lái)，生物技術(shù)的發(fā)展逐漸進(jìn)入工業(yè)化。一九五三年華特森J.D Watson與柯立克F. C

4、rick發(fā)現(xiàn)去氧核糖核酸的雙螺旋體結(jié)構(gòu)DNA double helix為遺傳基因的根本構(gòu)造以後，生物科學(xué)的研討立刻進(jìn)入一個(gè)新的紀(jì)元。分子遺傳學(xué)的崛起，生物化學(xué)的起飛，導(dǎo)致微生物學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大。參、生物技術(shù)的應(yīng)用範(fàn)疇根本上，生物技術(shù)是由很多不同學(xué)門(mén)所組成的綜合體，由於各種學(xué)門(mén)都有其不同的特性及其研討領(lǐng)域，因此，生物技術(shù)的定義與範(fàn)疇是非常廣的。很多人以為生物技術(shù)就是遺傳工程genetic engineering，其實(shí)從美國(guó)數(shù)百家生物技術(shù)公司的名單中，不難看出其中約有三分之二的公司，其產(chǎn)品是靠遺傳工程技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。但是日本的生物技術(shù)公司及其生物工業(yè)的研討發(fā)展重點(diǎn)，卻被放在醱酵技術(shù)ferment

5、ation technology及酵素技術(shù)enzyme technology上。近年來(lái)，許多歐美及日本的生物技術(shù)公司，正積極地應(yīng)用組織培養(yǎng)技術(shù)tissue culture technique及動(dòng)、植物的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)cell culture technique來(lái)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。在畜牧業(yè)上，胚移植embryo transplantation及細(xì)胞核移植nucleus transplantation等技術(shù)也逐漸成為生物技術(shù)研討發(fā)展的對(duì)象。目前比較能被普通人所接受的生物技術(shù)定義是利用微生物、動(dòng)物細(xì)胞或植物細(xì)胞的培養(yǎng)及改良來(lái)製造產(chǎn)品的技術(shù)，稱之為生物技術(shù)。從另外一個(gè)角度來(lái)看，生物技術(shù)是應(yīng)用微生物程序的擴(kuò)大，

6、包括了動(dòng)物細(xì)胞與植物細(xì)胞的應(yīng)用。因此，由生命科學(xué)的進(jìn)步而產(chǎn)生的生物技術(shù)，包括六種主要的關(guān)鍵性技術(shù)key technology：即1遺傳工程；2細(xì)胞交融cell fusion technology；3生體反應(yīng)利用技術(shù)一包括醱酵技術(shù)、酵素技術(shù)及生物反應(yīng)器bioreactor等；4細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)；5組織培養(yǎng)技術(shù)；6胚移植技術(shù)及細(xì)胞核移植技術(shù)。新發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)與傳統(tǒng)性的生物技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成了新的生物工業(yè)，其應(yīng)用的範(fàn)疇亦也因此擴(kuò)大到農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、醱酵及食品工業(yè)、特用化學(xué)工業(yè)、能源工業(yè)、礦業(yè)、環(huán)境淨(jìng)化等領(lǐng)域圖一。茲將各產(chǎn)業(yè)所應(yīng)用的技術(shù)分述如下：一、農(nóng)業(yè)主要應(yīng)用遺傳工程，細(xì)胞交融，植物組織培養(yǎng)等技術(shù)來(lái)進(jìn)行

7、抗逆境，抗病蟲(chóng)草害及高產(chǎn)量、高品質(zhì)作物品種之育種，以及作物病害之偵測(cè)等任務(wù)。二、醱酵及食品工業(yè)利用醱酵等生體反應(yīng)技術(shù)及酵素技術(shù)等來(lái)進(jìn)行微生物如酵母菌及其代謝產(chǎn)品的生產(chǎn)；也利用遺傳工程技術(shù)及微生物篩選法進(jìn)行微生物的育種。三、醫(yī)藥工業(yè)利用遺傳工程，細(xì)胞交融及微生物篩選等技術(shù)並結(jié)合生物反應(yīng)器或酵素技術(shù)的生產(chǎn)流程來(lái)達(dá)到生產(chǎn)荷爾蒙，干擾素、抗生素、維他命、單源抗體的目的或研發(fā)生物感測(cè)器的製造。四、化學(xué)工業(yè)利用微生物篩選技術(shù)、及遺傳工程技術(shù)來(lái)篩選或研發(fā)基因轉(zhuǎn)殖微生物並利用生體反應(yīng)技術(shù)達(dá)到脂肪酸、殺蟲(chóng)劑及其他化學(xué)產(chǎn)品高效能的生產(chǎn)目的。五、能源工業(yè)利用遺傳工程及細(xì)胞交融技術(shù)以及細(xì)胞篩選或選殖生物質(zhì)量bioma

8、ss合效果能高的微生物，並利用生物反應(yīng)器達(dá)到生質(zhì)能源生產(chǎn)的目的。六、環(huán)境及礦業(yè)工業(yè)以遺傳工程、細(xì)胞交融技術(shù)以及微生物篩選法來(lái)篩選或選殖具備分解或淨(jìng)化功能的微生物，並以醱酵法在大型的生物反應(yīng)器中進(jìn)行廢水處理或改善金屬的浸濾過(guò)程。生物技術(shù)基因重組技術(shù)作物栽培品種改良食品加工能源環(huán)境保護(hù)製藥化學(xué)工業(yè)作物栽培品種改良食品加工能源製藥食品加工製藥化學(xué)工業(yè)作物栽培品種改良食品加工製藥作物栽培食品加工能源環(huán)境保護(hù)製藥化學(xué)工業(yè)家畜飼養(yǎng)品種改良食品加工病毒鑑定藥物開(kāi)發(fā)疾病診斷胚移植及核移植技術(shù)DNA微陣列技術(shù)細(xì)胞大量培養(yǎng)技術(shù)組織培養(yǎng)技術(shù)生體反應(yīng)利用技術(shù)細(xì)胞交融技術(shù)關(guān)鍵性技術(shù) 主 要 應(yīng) 用 對(duì) 象圖一、生物技術(shù)

9、的範(fàn)疇及其主要的應(yīng)用對(duì)象肆、生物技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)key technology一、遺傳工程genetic engineering技術(shù)遺傳工程技術(shù)即所謂的DNA重組技術(shù)recombinant DNA technology，此技術(shù)賦予生物新的重組基因recombinant DNA，因此該生物就具備了新的物質(zhì)合成才干或表現(xiàn)新的特性及功能。一遺傳工程技術(shù)的基礎(chǔ)不論是原核生物註1或具備細(xì)胞核註2的真核生物註3，基因註4都是決定生物遺傳的根本單位?；蛲ǔＪ且匀パ鹾缩焙怂酓NA註5的方式存在，它根本上由磷酸、去氧核醣和鹼基組成，其中鹼基由A、T、C、G組成。DNA是雙股的螺旋結(jié)構(gòu)，兩股互補(bǔ)，假設(shè)其中一股的鹼基

10、是A，則另一股對(duì)應(yīng)的一定是T；假設(shè)是C，則對(duì)應(yīng)配對(duì)的一定是G。當(dāng)DNA複製圖二時(shí)，兩股間的鹼基鍵便會(huì)被切斷，變成兩條單股的DNA。每條DNA各成為模板與對(duì)應(yīng)的鹼基結(jié)合，構(gòu)成兩條完成一樣的DNA。由於DNA複製註6，主要的原理是構(gòu)造的互補(bǔ)，因此才干很忠實(shí)的將遺傳訊息一代代地傳下去。圖二、DNA的複製真核生物的DNA主要存在於細(xì)胞核，還有小部分存在細(xì)胞質(zhì)的粒線體。DNA並非單獨(dú)存在，它必須跟組織蛋白結(jié)合，外觀看起來(lái)有點(diǎn)像珍珠項(xiàng)鍊，而且鍊子還會(huì)纏繞在一同 構(gòu)成一種絲狀的結(jié)構(gòu)。當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)，這個(gè)絲狀結(jié)構(gòu)會(huì)更進(jìn)一步緊密地纏繞在一同，成為顯微鏡下所看到的染色體註7。基因假設(shè)要發(fā)揮作用，得經(jīng)過(guò)一連串的轉(zhuǎn)換。

11、首先，DNA必須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄transcription作用註8，產(chǎn)生核醣核酸RNA註9，核醣核酸再經(jīng)轉(zhuǎn)譯translation作用產(chǎn)生蛋白質(zhì)圖三。通常遺傳密碼註10可決定蛋白質(zhì)的胺基酸序列，而蛋白質(zhì)是讓基因發(fā)揮作用的實(shí)際物質(zhì)。在轉(zhuǎn)譯的過(guò)程中，每三個(gè)鹼基是一個(gè)密碼稱密碼子註11，譬如說(shuō)CAT，第一個(gè)鹼基是C，第二個(gè)是A，第三個(gè)是T，這三個(gè)鹼基代表HIS這個(gè)胺基酸。所以每一個(gè)訊息會(huì)翻譯成什麼樣的蛋白質(zhì)，是有一定的依據(jù)，這樣才不會(huì)製造出錯(cuò)誤的訊息。遺傳訊息雖由DNA傳達(dá)，但蛋白質(zhì)才是使生命現(xiàn)象能表達(dá)的物質(zhì)。蛋白質(zhì)分結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)及功能蛋白。蛋白質(zhì)都知道本人的去處和功能。有的蛋白質(zhì)要被分泌到細(xì)胞外面去，如擔(dān)任

12、生理調(diào)整功能的賀爾蒙；有些蛋白質(zhì)則又必須回到細(xì)胞核裡面，去擔(dān)任基因表達(dá)調(diào)控的任務(wù)。圖三、DNA的轉(zhuǎn)錄transcription及轉(zhuǎn)譯translation作用二DNA重組技術(shù)recombinant DNA technology基因重組技術(shù)註12的第一步是先以分子生物化學(xué)的方法，將能控制某種功能或能表達(dá)某種特性的基因從動(dòng)物，人體或植物細(xì)胞中分離出來(lái)。換句話就是先找到這段功能基因，並將它剪下來(lái)。目前擔(dān)任剪刀角色的是核酸內(nèi)切限制酶restriction endonuclease註13，能將染色體剪斷。下一個(gè)步驟就是要將這段基因運(yùn)送到欲表現(xiàn)功能生物的細(xì)胞內(nèi)，這個(gè)能擔(dān)任司機(jī)角色的構(gòu)培育稱為載體vecto

13、r註14常用的載體有質(zhì)體plasmid及反轉(zhuǎn)錄病毒註15等；而能將選殖基因連接在載體上的酵素則為DNA連接酶ligase圖四。圖四、DNA的切割及重組以人體胰島素基因，移植於大腸桿菌細(xì)胞的基因重組為例，首先將人體的胰島素基因切下，再連接在大腸桿菌細(xì)胞的質(zhì)體plasmid上，質(zhì)體是環(huán)狀DNA，性質(zhì)活潑，可以做為運(yùn)送基因的載體。其方法為將質(zhì)體找出來(lái)，接著運(yùn)用限制酶這把剪刀，將質(zhì)體切開(kāi)，將能製造胰島素的基因嵌進(jìn)去，再運(yùn)用連接酶ligase將切斷的兩頭連接起來(lái)，又回復(fù)成為環(huán)狀。這種帶有外來(lái)基因的質(zhì)體，不但可以魚(yú)目混珠地混進(jìn)大腸桿菌的細(xì)胞裏去，而且還能在大腸桿菌的細(xì)胞裏自行繁衍圖五。圖五、DNA重組技術(shù)

14、二、細(xì)胞交融技術(shù)以人為的操作，將兩個(gè)不同生物細(xì)胞的染色體及細(xì)胞質(zhì)相互交融，使成為一個(gè)新雜種細(xì)胞hybrid cell的技術(shù)，稱為細(xì)胞交融技術(shù)。這種技術(shù)已在農(nóng)業(yè)及醫(yī)用藥物的生產(chǎn)上，開(kāi)拓了多方面的發(fā)展途徑。細(xì)胞交融技術(shù)發(fā)展的另一趨勢(shì)是合成交融瘤hybridoma，在應(yīng)用上將為診斷劑及醫(yī)藥品的生產(chǎn)開(kāi)創(chuàng)一個(gè)新境界。交融瘤hybridoma為兩個(gè)細(xì)胞交融成的雜種細(xì)胞，優(yōu)點(diǎn)是擁有兩個(gè)細(xì)胞的持微。普通分化後的細(xì)胞經(jīng)培養(yǎng)也不分裂，將這種細(xì)胞與能夠無(wú)限增殖的腫瘤細(xì)胞交融，可構(gòu)成既保有分化細(xì)胞的性狀，又能增殖的交融瘤。交融瘤最常用來(lái)製造抗體，抗體是異物從外部侵入體內(nèi)時(shí)，淋巴球B細(xì)胞製造的攻擊用蛋白質(zhì)。體內(nèi)製造的抗

15、體種類繁多，製造抗體的B細(xì)胞，種類也和抗體一樣多圖六。我們大量需求1種抗體時(shí)，取出1個(gè)B細(xì)胞培養(yǎng)，B細(xì)胞也會(huì)因?yàn)閴勖木壒识鵁o(wú)法增殖。假設(shè)將B細(xì)胞與骨髓腫瘤細(xì)胞交融成交融瘤，該交融瘤除保有B細(xì)胞製造抗體的性質(zhì)，又能增殖，則可大量生成1種抗體。生成的均質(zhì)抗體，稱作單株抗體monoclonl antibody圖六。假設(shè)以人類腫瘤癌細(xì)胞當(dāng)做抗原，所產(chǎn)生的交融瘤單株抗體假設(shè)與藥物結(jié)合，使可直奔癌細(xì)胞，進(jìn)行專一性的治療。圖六、利用交融瘤生產(chǎn)單源抗體淋巴球lymphocytes會(huì)對(duì)抗原決定基antigenic determinant各別產(chǎn)生特異的抗體。因此，白老鼠血液中所得抗血清antiserum含有抗體

16、的混合物mixed antibodies。白老鼠胰臟取出淋巴球細(xì)胞與骨髓腫瘤細(xì)胞myeloma cells交融，將所得雜交腫瘤細(xì)胞hybrid-myeloma cells純化繁衍clone後，可得純粹的單源抗體monoclonal antibodies。三、生體反應(yīng)利用技術(shù)生體反應(yīng)利用技術(shù)，包括酵素技術(shù)、醱酵技術(shù)及生物反應(yīng)器等關(guān)鍵性技術(shù)。目前酵素已經(jīng)在遺傳工程上顯現(xiàn)威力，為遺傳工程中不可短少的一項(xiàng)利器；而醱酵技術(shù)，可說(shuō)是最古老的生物技術(shù)，目前的重點(diǎn)在於如何改進(jìn)，提高產(chǎn)能。生物反應(yīng)器是將過(guò)去屬於理化學(xué)的工業(yè)，改變?yōu)橐晕⑸锘蚪退刈饔|媒的醱酵化學(xué)工業(yè)。這種技術(shù)極適合於節(jié)省能源與資源，且為具有環(huán)保功

17、能的現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)。一酵素技術(shù)酵素可說(shuō)是研討生命科學(xué)上最重要的工具。近幾十年來(lái)在分子生物學(xué)及遺傳工程學(xué)上的蓬勃發(fā)展及其豐碩的成果，主要是歸功於酵素的應(yīng)用。酵素在食品工業(yè)的應(yīng)用興起最早，並且佔(zhàn)有最重要的位置。例如，利用凝乳酶rennin於牛酪的製造；麥芽糖酶maltase在麥芽糖的製造；微生物澱粉酶-amylase及葡萄糖糖化酶glucoamylase在葡萄糖的製造；果膠水解酶pectinase在果汁製造上應(yīng)用於廓清助濾作用；以木瓜蛋白酶papain處理啤酒以防止冷藏中的混濁；以蔗糖酶invertase處理蔗糖液，使蔗糖轉(zhuǎn)化，以提高甜度並改善糖漿的物理特性；以葡萄糖氧化酶glucose oxida

18、se處理乾燥蛋粉以防止變色變味等，不勝枚舉。近年來(lái)，進(jìn)一步將澱粉酶和葡萄糖異構(gòu)酶glucose isomerase配合運(yùn)用，並將酵素加以固定製成所謂固定化酵素反應(yīng)器enzyme reactor圖七，不但可以在小體積的反應(yīng)器內(nèi)，以最短的時(shí)間完成大量物質(zhì)的反應(yīng)，並可將酵素反覆運(yùn)用，而建立自動(dòng)化反應(yīng)系統(tǒng)。如此，利用低廉價(jià)格的澱粉為原料，已可製廢品質(zhì)與蔗糖轉(zhuǎn)化物一樣的異構(gòu)化糖產(chǎn)品或高果糖漿high fructose syrup，威脅蔗糖工業(yè)的存在。目前更可將異構(gòu)化糖液中的葡萄糖和果糖分離後，將葡萄糖循環(huán)於反應(yīng)器內(nèi)，而獲得高純度的果糖，可供特殊用途。在醫(yī)藥上，一些消化酵素製劑除用於幫助消化的醫(yī)療外，酵素

19、直接應(yīng)用於其他疾病的治療，則是近年才興起的新用途。例如，由人尿分離得到的尿激酶urokinase及取自微生物的類似酵素鏈激酶streptokinase，均被運(yùn)用於血栓癥的治療；由鳳梨莖分離得到的鳳梨蛋白酶bromelin可作為消炎劑及肉品嫩化劑；得自大腸菌的天冬醢胺酶asparaginase可用以治療小兒性白血癥病患。此外，尚有許多臨床檢驗(yàn)用的酵素被開(kāi)發(fā)應(yīng)用。在尖端科技的遺傳工程研討發(fā)展中，酵素也扮演著不可短少的角色，目前知可用於基因操作的酵素已有數(shù)十種之多。其中比較常用的酵素是核酸內(nèi)切限制酶restriction endonuclease，它擔(dān)任剪刀的角色，在遺傳工程中，核酸內(nèi)切限制酶就是負(fù)

20、責(zé)將DNA切開(kāi)，將所需求的那一段DNA切下來(lái)。下一步操作則需求將此段DNA膠合在適當(dāng)?shù)募?xì)胞的DNA中，使其具備這段DNA的特性，而扮演膠合劑角色的酵素稱為連接酶ligase。在酵素的應(yīng)用方面，固定化酵素immobilized enzymes圖七將是未來(lái)酵素工業(yè)的主流。目前酵素工業(yè)遭到的限制，部分是由於酵素的供應(yīng)量缺乏所引起，固定化酵素技術(shù)的引進(jìn)，使工業(yè)界能發(fā)展出一套新流程，其特征為酵素穩(wěn)定性的添加，以及能夠?qū)⒔退剞D(zhuǎn)化效率作最有效的控制。此外，將細(xì)菌、酵母菌、真菌、植物與動(dòng)物細(xì)胞固定，可以成為固定化複合酵素系統(tǒng)immobilized multi -enzyme systems，其優(yōu)點(diǎn)可以彌補(bǔ)以往

21、極昂貴，費(fèi)時(shí)且低效率的化學(xué)轉(zhuǎn)化程序。因此，現(xiàn)有產(chǎn)品以及新產(chǎn)品皆可應(yīng)用酵素技術(shù)來(lái)生產(chǎn)。圖七、酵素的固定化方法及各種反應(yīng)器的方式圖S：基質(zhì) P：生成物 E：固定化酵素或酵素液ACSTR連續(xù)攪拌槽型反應(yīng)器B中空系膜型反應(yīng)器C三相流動(dòng)層反應(yīng)器D回轉(zhuǎn)圓板型反應(yīng)器E流動(dòng)層型反應(yīng)器F中空系膜型反應(yīng)器GPER充填層反應(yīng)器二醱酵技術(shù)所謂醱酵工業(yè)就是以微生物的細(xì)胞機(jī)能處理大量物質(zhì)，使之轉(zhuǎn)換為高價(jià)值產(chǎn)品的工業(yè)。其中微生物扮演關(guān)鍵性角色。例如前述牛奶會(huì)變酸，是乳酸菌的作用；酒類會(huì)成為醋酸，就是醋酸菌活動(dòng)的結(jié)果；而飯菜會(huì)變酸，也是由於空氣中黴菌和細(xì)菌的作用。因此，利用微生物這種轉(zhuǎn)化物質(zhì)的才干，以最經(jīng)濟(jì)的方法生產(chǎn)符合人類

22、生活所需求的產(chǎn)品，這就是醱酵工業(yè)技術(shù)。第二次世界大戰(zhàn)末期，由於青黴素panicillin的大量生產(chǎn)，使醱酵工業(yè)的實(shí)質(zhì)及技術(shù)發(fā)生了宏大的改變。戰(zhàn)後，微生物反應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)益加進(jìn)展，抗生素、酵素、胺基酸、單細(xì)胞蛋白質(zhì)等複雜化合物的生產(chǎn)，或?qū)︻惞檀?、生物鹼等複雜分子加以特異反應(yīng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)，致使舊有的醱酵工業(yè)完全改觀。以大型的通氣攪拌醱酵槽作大量培養(yǎng)的方法，在今日已成為很普遍的手法，而在此發(fā)展中累積的學(xué)術(shù)研討成果甚為可觀。圖八、各種型式的生物反應(yīng)器氣泡型bubble type，2空氣升液型airlift type槳葉輪翼氣泡型paddle-impeller-bubble type渦輪式攪動(dòng)型turbin

23、e-impeller type渦輪式覺(jué)動(dòng)通風(fēng)管型turbine-impeller-draft tube type三生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器是將過(guò)去屬於理化學(xué)的工業(yè)，改變以微生物或酵素作為觸媒的發(fā)酵化學(xué)工業(yè)的生體反應(yīng)利用技術(shù)上頁(yè)圖八。這種技術(shù)能夠節(jié)省大量能源，資源得以充分利用，不致浪費(fèi)，是既環(huán)保又先進(jìn)的一種化學(xué)工業(yè)。有關(guān)微生物或酵素的操作、生物產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)需求有特殊的處理程序及特殊的管理與控制方法。因此，程序與系統(tǒng)工程process and system engineering在生物技術(shù)的應(yīng)用與工業(yè)化過(guò)程中，扮演著重要的角色。普通用生物反應(yīng)器進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化的程序可用圖九表示如下：圖九、生物轉(zhuǎn)化程序的

24、流程四、細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)一微生物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)利用基因重組技術(shù)或細(xì)胞交融技術(shù)育成能生產(chǎn)有用物質(zhì)例如，胰島素、干擾素、生長(zhǎng)激素等醫(yī)藥品或能進(jìn)行高效率酒精醱酵的微生物，在進(jìn)入工業(yè)化量產(chǎn)前都需求確立能迅速且廉價(jià)的細(xì)胞大量培養(yǎng)技術(shù)。這種技術(shù)為生物工業(yè)成立的必須條件。尤其是以基因重組技術(shù)培育勝利的微生物例如，大腸桿菌，在細(xì)胞內(nèi)移植的質(zhì)體，通常在培養(yǎng)過(guò)程中，容易自宿主細(xì)胞脫離出來(lái)。因此，如何防止質(zhì)體的脫落，是在細(xì)胞大量培養(yǎng)上必須解決的問(wèn)題。二植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)。三動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)。五、植物組織培養(yǎng)技術(shù)植物的細(xì)胞或組織可在培養(yǎng)基上構(gòu)成癒傷組織callus註16。植物的細(xì)胞具有全能性totipotency，因此癒傷組

25、織可分化成具備根、莖、葉的完好植物體。植物組織培養(yǎng)技術(shù)包括莖頂培養(yǎng)技術(shù)，花藥培養(yǎng)技術(shù)、體細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)及胚培養(yǎng)技術(shù)。圖十、十一、十二分別為植物組織培養(yǎng)室的平面設(shè)計(jì)圖，以及可做示範(fàn)的豆苗莖頂培養(yǎng)的簡(jiǎn)易步驟及工具。圖十、植物組織培養(yǎng)室的平面設(shè)計(jì)圖圖十一、簡(jiǎn)易的莖頂培養(yǎng)技術(shù)豆苗的莖頂培養(yǎng)圖十二、豆苗莖頂培養(yǎng)的器皿及工具六、胚移植技術(shù)及細(xì)胞核移植技術(shù)一胚移植技術(shù)有關(guān)家畜受精卵的移植技術(shù)，在1960年代後期已開(kāi)始研討，如今已進(jìn)入實(shí)用化的階段。但在1975年以後，又另外開(kāi)發(fā)了受精卵分割胚的移植技術(shù)，這種新生物技術(shù)在家畜生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，遂更加遭到矚目。1978年，英國(guó)的魏拉遜Willadsen在顯微鏡下操作手

26、術(shù)，分切兩細(xì)胞期的受精卵胚成為兩個(gè)分切胚，並將此分切胚移植於母羊的子宮，而勝利地生產(chǎn)了一卵雙胞胎。從此，胚移植的研討開(kāi)發(fā)大為盛行，目前在羊、老鼠及牛的胚移植技術(shù)上，也有很大的進(jìn)展，已證實(shí)了一卵多胎生產(chǎn)的可行性。二細(xì)胞核移植技術(shù)從優(yōu)良家畜的體細(xì)胞取出細(xì)胞核，另自非優(yōu)良母畜的子宮內(nèi)取出受精卵，並取出其胚細(xì)胞的細(xì)胞核後，移植上述體細(xì)胞核，再將此具有優(yōu)良細(xì)胞核的受精卵移植於非優(yōu)良母畜的子宮內(nèi)所謂借腹生產(chǎn)，使其發(fā)育生長(zhǎng)，使可生產(chǎn)優(yōu)良的子畜。1996年，英國(guó)洛斯林研討室發(fā)表的純系複製綿羊桃莉註17，使是第一個(gè)勝利的體細(xì)胞核移植家畜。伍、生物技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用生物技術(shù)應(yīng)用於醫(yī)學(xué)上，如藥物及疫苗製造、基因診斷

27、、基因治療等，已為醫(yī)療事業(yè)帶來(lái)革命性發(fā)展。一、藥物的製造遺傳工程能將各種生物包括人類的基因轉(zhuǎn)殖到可大量繁衍的細(xì)胞，如細(xì)菌、酵母菌、動(dòng)物及植物細(xì)胞，以製造藥物。尤其是細(xì)菌已成為生物工廠，可以大量生產(chǎn)藥物，最先應(yīng)用遺傳工程技術(shù)生產(chǎn)的藥物是胰島素。含血纖維蛋白溶酶基因的轉(zhuǎn)殖山羊，可生產(chǎn)血纖維蛋白溶酶，用於治療心臟病及動(dòng)脈阻塞，一頭含此基因的羊每天可生產(chǎn)7萬(wàn)美圓的藥物。市場(chǎng)上遺傳工程藥物及疫苗已相當(dāng)多。已經(jīng)在運(yùn)用的遺傳工程藥物藥物名稱治療病癥胰島素糖尿病生長(zhǎng)激素腦垂體分泌不良、侏儒癥血纖維蛋白溶酶心臟病、血管阻塞干擾素癌癥紅血球生成素刺激紅血球構(gòu)成的激素貧血癥白血球介素2協(xié)助T淋巴球構(gòu)成癌癥腫瘤壞死因

28、子癌癥人類凝血第八因子血友病二、疫苗的製造疫苗方面最有成就的是B型肝炎遺傳工程疫苗，將B型肝炎外表抗原基因轉(zhuǎn)殖到酵母菌內(nèi)，酵母菌就可產(chǎn)生B型肝炎外表抗原，將這種外表抗原做成疫苗，可以有效的預(yù)防B型肝炎感染。研發(fā)中的還有食品疫苗，例如將B型肝炎病毒的外表抗原基因轉(zhuǎn)殖於香蕉，使香蕉果實(shí)中含有少量病毒的外表抗原，只需吃這類香蕉就可刺激人體產(chǎn)生抗體，而達(dá)成免疫作用。三、單株抗體monoclonal antibody由單一B淋巴球與骨髓瘤細(xì)胞交融的交融瘤細(xì)胞，產(chǎn)生的單一抗體稱為單株抗體，用於治療或檢驗(yàn)特定蛋白質(zhì)。四、基因治療遺傳疾病能夠由一個(gè)或多個(gè)基因的功能受損害而引起。治療遺傳疾病可以設(shè)法以安康的基因

29、替換缺陷的基因，或者改變受精卵的基因組成?；蛑委煴徽J(rèn)為是二十一世紀(jì)的醫(yī)療希望，特別是遺傳疾病。五、檢驗(yàn)利器DNA指紋DNA指紋亦稱DNA鑑定圖十三，已廣泛應(yīng)用在親子和刑事醫(yī)學(xué)的鑑定。DNA指紋是利用限制酶將DNA分子切成許多長(zhǎng)短不一的片段。各種片段在電場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，片段短者移動(dòng)較快，片段長(zhǎng)者移動(dòng)較慢。移動(dòng)後的DNA經(jīng)過(guò)特別處理，會(huì)顯現(xiàn)不同的帶狀分布。在親子鑑定時(shí)，由於子代繼承父母各一半的基因，所以DNA指紋中有一半環(huán)帶的分布與父親一樣，而另一半則與母親一樣。經(jīng)過(guò)仔細(xì)比對(duì)後，親子關(guān)係就可以鑑定。圖十三、DNA指紋六、組織工程和器官移殖器官移殖是重要的醫(yī)療過(guò)程，但器官移殖有器官來(lái)源缺乏、排斥等問(wèn)題

30、。利用組織工程培養(yǎng)器官是解決問(wèn)題方法之一，目前已有培養(yǎng)的皮膚、血管、肝臟、膀胱等器官正在運(yùn)用或研發(fā)中。七、試管嬰兒利用體外受精技術(shù)，將卵在體外受精，培養(yǎng)成為初期胚胎，然後殖入子宮中發(fā)育成嬰兒。自1978年技術(shù)勝利後，現(xiàn)在普遍用來(lái)解決不能生育的問(wèn)題。陸、生物技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用利用微生物大量生產(chǎn)商品，尤其是藉基因工程改變微生物的基因組成，大量生產(chǎn)工業(yè)酵素、化學(xué)原料、食品原料。一、食品工業(yè)：人工甜味劑阿斯巴甜、果寡糖、甲殼素等。二、化妝品工業(yè)：如含紫草紅色素的口紅，取代人工色素。三、能源工業(yè)：生質(zhì)能源如醱酵產(chǎn)生酒精、甲烷等。四、清潔工業(yè)：清潔劑中含蛋白酶、澱粉酶和脂肪酶等酵素，藉以去除油汙。五、皮革

31、工業(yè)：蛋白酶、脂肪酶除去毛髮、油脂。六、生產(chǎn)化學(xué)原料：如胺基酸、乙醇、丙酮、乳酸、醋酸、澱粉等。柒、生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用一、傳統(tǒng)育種與基因工程改造植物之差別傳統(tǒng)育種基因工程改造植物1.耗時(shí)1.省時(shí)2.有遺傳學(xué)上的限制2.可自任何生物獲得選殖基因3.不可有效的控制育種結(jié)果3.確實(shí)的殖入所需求的遺傳基因PAGE PAGE 36二、植物生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用一抗殺草劑基因轉(zhuǎn)殖作物。二利用生物技術(shù)添加作物之固氮才干。三抗蟲(chóng)基因轉(zhuǎn)殖作物。四抗寒作物。五抗逆境作物。六改進(jìn)作物品質(zhì)。1.添加蛋白質(zhì)含量2.添加植物組織中人體必需氨基酸的含量3.添加作物之營(yíng)養(yǎng)價(jià)值4.添加飼料的消化性能5.藥用植物之發(fā)展七植物

32、成熟期調(diào)整及添加收獲後之耐貯性等，如1994年美國(guó)加州基因公司calgene所開(kāi)發(fā)的生技番茄Bio-tomato註18，使具有耐儲(chǔ)藏的特性。三、動(dòng)物生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用一添加牛乳、肉、蛋及飼料作物的產(chǎn)量。二禽、畜牧的預(yù)防及治療。三改進(jìn)畜產(chǎn)品的品質(zhì)1.如利用遺傳工程生產(chǎn)低膽固醇的蛋。2.利用遺傳工程減少豬肉的脂肪含量等。四利用遺傳工程生產(chǎn)特殊蛋白質(zhì)1.利用動(dòng)物轉(zhuǎn)殖基因技術(shù)，培育基因轉(zhuǎn)移動(dòng)物註19，如使牛能在牛乳中生產(chǎn)胰島素或荷爾蒙。2.利用羊奶生產(chǎn)人類之凝血因子。五利用動(dòng)物胚胎技術(shù)加速純系動(dòng)物之繁衍效率。六利用生技產(chǎn)品來(lái)添加禽畜之生產(chǎn)效能。四、微生物生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用一醱酵技術(shù)1.醱酵的目

33、的1食品保管2添加食物之營(yíng)養(yǎng)價(jià)值3改進(jìn)食物之風(fēng)味4生產(chǎn)微生物細(xì)胞、酵素、代謝產(chǎn)物等2.醱酵的種類1傳統(tǒng)的醱酵2生物反應(yīng)器二微生物生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用1.生物防治微生物之生產(chǎn)2.固氮菌之生產(chǎn)3.反芻動(dòng)物有益腸內(nèi)菌的生產(chǎn)4.動(dòng)物荷爾蒙或胰島素之生產(chǎn)5.乳酸菌的生產(chǎn)三微生物生物技術(shù)在食品工業(yè)上的應(yīng)用1.改進(jìn)醱酵食品的品質(zhì)2.發(fā)展新的加工食品3.改進(jìn)食品的平安4.食品平安檢驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用四微生物生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)上的應(yīng)用1.生物分解作用2.有毒物質(zhì)之分解捌、與生物技術(shù)相關(guān)的行業(yè)一、與農(nóng)業(yè)相關(guān)的行業(yè)酵素、食品添加、飼料、動(dòng)植物育種、農(nóng)藥、疫苗、植物荷爾蒙、肥料、病害診斷等。二、其他相關(guān)行業(yè)品質(zhì)控制、

34、動(dòng)植物檢疫、製造業(yè)、生產(chǎn)業(yè)、資訊系統(tǒng)業(yè)、市場(chǎng)行銷、行政管理。玖、生物技術(shù)與人文生物科技的進(jìn)步，帶給人類美麗的遠(yuǎn)景，也帶來(lái)潛在的和未知的危險(xiǎn)。所謂水可載舟，亦可覆舟，生物科技對(duì)生態(tài)和社會(huì)能夠呵斥的好處與風(fēng)險(xiǎn)都需求仔細(xì)評(píng)估。有關(guān)社會(huì)、法律、生態(tài)、倫理品德等方面的問(wèn)題都需求未雨綢繆。一、潛在危險(xiǎn)一操作過(guò)程的潛在危險(xiǎn)在微生物遺傳工程的操作過(guò)程，能夠會(huì)製造出危險(xiǎn)的有毒生物、廢棄物，或者發(fā)生微生物逸出事件。為了防止事件的發(fā)生，需制定嚴(yán)格的平安規(guī)則和縝密的隔離措施。二遺傳工程產(chǎn)物的潛在危險(xiǎn)遺傳工程產(chǎn)物具有潛在的危險(xiǎn)性和副作用，長(zhǎng)期運(yùn)用能否會(huì)有後遺癥？又如用來(lái)生產(chǎn)胰島素和生長(zhǎng)激素的大腸菌，假設(shè)回到人體。將是禍

35、害無(wú)窮，因?yàn)檫^(guò)多的胰島素及生長(zhǎng)激素對(duì)人體是有害的?；蜣D(zhuǎn)殖食物能夠引起生病、過(guò)敏等。二、社會(huì)觀點(diǎn)看生物技術(shù)醫(yī)療技術(shù)、新品種生物的專利，能否會(huì)呵斥壟斷？貧富不均呵斥資源享用的不公平有錢(qián)人可做基因轉(zhuǎn)殖；生物科技藝否對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生排擠作用？這些都是整個(gè)社會(huì)的問(wèn)題。當(dāng)1970年，美國(guó)展開(kāi)鐮刀型細(xì)胞貧血癥篩檢任務(wù)，協(xié)助人民發(fā)現(xiàn)本人潛在的疾病。但是有些美國(guó)的非洲後裔青年因帶有此病基因，被保險(xiǎn)公司拒絕投保，有的無(wú)法進(jìn)入空軍官?；蚝娇展救蝿?wù)等，顯現(xiàn)能夠呵斥無(wú)意的傷害或基因歧視。三、倫理觀與法律觀看生物技術(shù)一切基因工程發(fā)展的產(chǎn)物，實(shí)際上都伴隨著倫理和法律問(wèn)題。諸如：一衝擊倫理關(guān)係人假設(shè)可以複製，人類社會(huì)的倫理

36、關(guān)係，例如親子、夫妻關(guān)係將遭到嚴(yán)重影響。試管嬰兒技術(shù)為許多無(wú)法生育的夫婦帶來(lái)希望。但父親、代理孕母、母親等關(guān)係複雜，會(huì)帶來(lái)不少倫理和法律的問(wèn)題。二誰(shuí)有權(quán)利人類基因體的完成，將開(kāi)啟基因診斷與治療發(fā)展的大門(mén)，同時(shí)它也產(chǎn)生了倫理與法律問(wèn)題，譬如誰(shuí)有權(quán)利檢視他人的基因體隱私權(quán)？如何運(yùn)用這些遺傳資訊？個(gè)人的基因體能否影響到職業(yè)選擇的公平性？保險(xiǎn)公司能否可以拒絕基因組圖中有致命遺傳疾病基因的人投保？四、生物技術(shù)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)生物演化的影響轉(zhuǎn)殖生物其實(shí)是人類創(chuàng)新的新生物，能夠會(huì)加速生物的演化，影響原有的生態(tài)系。轉(zhuǎn)殖生物能夠發(fā)生以下變化：一轉(zhuǎn)殖生物能夠發(fā)生突變，產(chǎn)生超出人類預(yù)期的影響。二轉(zhuǎn)殖生物能夠產(chǎn)生基因的

37、擴(kuò)散抗殺草劑植物在自然界可藉傳粉作用，將基因四處散播，野草能夠會(huì)獲得此抗殺草劑基因，成為抗殺草劑的野草，使殺草劑失去殺草的效果。三轉(zhuǎn)殖生物能夠產(chǎn)生超級(jí)植物抗病蟲(chóng)害植物可抗病蟲(chóng)害，將在自然界成為超級(jí)植物，大量繁衍構(gòu)成生態(tài)的大災(zāi)難。能夠降低生物歧異度，不利生態(tài)的平衡。四人成為生物演化的力量之一，是相當(dāng)危險(xiǎn)的人類的科技固然進(jìn)步很多，但對(duì)生命現(xiàn)象的了解依然有限，對(duì)演化與自然平衡的機(jī)制仍未能全盤(pán)掌握，冒然的改造生物基因，對(duì)未來(lái)生命世界的影響，仍是個(gè)未知數(shù)。假設(shè)是不好的影響該怎麼辦？！五、人類對(duì)生物技術(shù)應(yīng)有的態(tài)度總之，就目前的基因工程發(fā)展而言，一切尚在人類的掌握中，未曾有嚴(yán)重危險(xiǎn)事件發(fā)生，人類對(duì)生物技術(shù)應(yīng)

38、有的根本態(tài)度應(yīng)該是：一生物技術(shù)是以服務(wù)人類為原則。二必須尊重人權(quán)、平等和隱私。三誡慎小心，未雨綢繆。四應(yīng)與自然界的生物共存共榮，不應(yīng)過(guò)度干預(yù)自然法則。註1原核細(xì)胞原核細(xì)胞為不具細(xì)胞核構(gòu)造的細(xì)胞，這是相對(duì)於真核細(xì)胞的名詞。原核細(xì)胞攜帶遺傳情報(bào)的DNA呈環(huán)狀，以裸露狀態(tài)存於細(xì)胞質(zhì)cytoplasm中。相對(duì)地，真核細(xì)胞的DNA則包在細(xì)胞核中。此外，原核細(xì)胞沒(méi)有粒線體、葉綠體、高爾基氏體Golgi body等真核細(xì)胞可見(jiàn)的各種胞器organelle，即使以電子顯微鏡觀察，細(xì)胞質(zhì)部分也看不到清楚的構(gòu)造。生命演化過(guò)程中出現(xiàn)的原始細(xì)胞能夠是原核細(xì)胞，現(xiàn)存於地球上的一切生物，能夠均源自30億年以前誕生的原核細(xì)

39、胞。由原核細(xì)胞構(gòu)成的生物稱為原核生物，可大分為細(xì)菌真細(xì)菌與原始細(xì)菌archaebacteria兩群。原核生物主要包含由一個(gè)細(xì)胞構(gòu)成一個(gè)個(gè)體的單細(xì)胞生物，細(xì)胞通常為110微米大，最近則發(fā)現(xiàn)由一個(gè)100微米以上細(xì)胞所構(gòu)成的宏大原核生物。註2細(xì)胞核細(xì)胞核為由雙重膜構(gòu)成的胞器，真核細(xì)胞即因具有細(xì)胞核而得真核之名。細(xì)胞核為細(xì)胞中最顯著的構(gòu)造，通常一個(gè)真核細(xì)胞擁有一個(gè)細(xì)胞核。細(xì)胞核將攜帶遺傳情報(bào)的DNA包住。雙重膜的內(nèi)側(cè)膜稱為內(nèi)膜；外側(cè)膜稱為外膜，外膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連。核膜上開(kāi)有許多小孔核孔，細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)間的連絡(luò)，即透過(guò)核孔進(jìn)行。真核細(xì)胞DNA的轉(zhuǎn)錄transcription，DNA情報(bào)轉(zhuǎn)寫(xiě)成mRNA，在核

40、中進(jìn)行。mRNA經(jīng)核孔來(lái)到細(xì)胞質(zhì)，在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行轉(zhuǎn)譯translation，根據(jù)mRNA的情報(bào)，進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成。不具細(xì)胞核的原核生物，不論轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)譯都在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。真核細(xì)胞如何獲得細(xì)胞核仍不清楚。真核細(xì)胞的祖先能夠因原核細(xì)胞的細(xì)胞膜向內(nèi)側(cè)縊縮，包住DNA，而構(gòu)成細(xì)胞核。註3真核細(xì)胞真核細(xì)胞內(nèi)含有具雙重膜所包圍的細(xì)胞核，因此而得真核之名。真核細(xì)胞除了細(xì)胞核之外，還擁有高爾基氏體、葉綠體假設(shè)為植物、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)endoplasmic reticulum等胞器，以及細(xì)胞骨架cytoskeleton。真核細(xì)胞的大小普通為5100微米，比原核細(xì)胞大，有攜帶大量遺傳情報(bào)的DNA。原核細(xì)胞的RNA、蛋白質(zhì)與D

41、NA同樣在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成；真核細(xì)胞攜帶遺傳情報(bào)的DNA則包在細(xì)胞核中，因此其RNA在細(xì)胞核中合成，蛋白質(zhì)則在細(xì)胞質(zhì)中合成。地球上廣見(jiàn)的動(dòng)物、植物、真菌等均由真核細(xì)胞構(gòu)成。真核細(xì)胞在原核細(xì)胞出現(xiàn)20億年以後，大約15億年前出現(xiàn)，因攜帶遠(yuǎn)比原核細(xì)胞多的遺傳情報(bào)，任務(wù)並由胞器分擔(dān)，因此而可發(fā)展出複雜的功能。我們可以說(shuō)，由於真核細(xì)胞這種優(yōu)秀細(xì)胞的誕生，地球上的生物遂得以多樣性的演化。註4基因基因是指細(xì)胞內(nèi)決定生物遺傳性狀的單位，這是孟德?tīng)栰?865年所提倡的概念。我們可以觀察到，細(xì)胞核中的染色體如孟德?tīng)査岢幕虬?，分配到配子。摩根?926年發(fā)表基因?qū)W說(shuō)gene theory，闡明基因陳列在染色體上

42、。細(xì)胞核中有核酸、蛋白質(zhì)等種種物質(zhì)；核酸是由核糖、磷酸、4種鹼基所構(gòu)成的單純物質(zhì)，蛋白質(zhì)則是種類非常多的複雜分子，因此當(dāng)初預(yù)測(cè)基因的主體物質(zhì)能夠是蛋白質(zhì)。1928年葛里菲斯將S型肺炎雙球菌Diplococcus pneumoniae加熱殺死後，加在R型肺炎雙球上，發(fā)現(xiàn)R型菌會(huì)轉(zhuǎn)變成S型菌的性狀轉(zhuǎn)換transform現(xiàn)象；1944年，歐茲華德艾佛里發(fā)表，引起這種性狀轉(zhuǎn)換的物質(zhì)遺傳物質(zhì)為DNA。1952年赫西與傑斯利用噬菌體作實(shí)驗(yàn)，證實(shí)遺傳物質(zhì)就是DNA。註5DNADNA為去氧核糖核酸，是構(gòu)成基因的物質(zhì)，也是一種核酸。核酸為在細(xì)胞核中發(fā)現(xiàn)的酸性物質(zhì)，因此得名。DNA分子由去氧核糖deoxyribo

43、se、磷酸、鹼基base組成的核苷酸單位長(zhǎng)長(zhǎng)相連成股，以同一軸為中心捲成螺旋狀的雙螺旋構(gòu)造。糖與磷酸構(gòu)成外側(cè)的鏈chain部分，鹼基則朝向內(nèi)側(cè)。DNA的鹼基有腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、鳥(niǎo)嘌呤G、胞嘧啶C種。華生和克里克根據(jù)鹼基的存在比發(fā)現(xiàn)，A與T為對(duì)、G與C 為對(duì)，另外根據(jù)X光拍攝的DNA晶體結(jié)構(gòu)照片，於1953年發(fā)表DNA的雙螺旋構(gòu)造模型華生克里克模型。2股DNA的鹼基以A與T、G與C的方式結(jié)合【稱作鹼基對(duì)base pair】，呈扭轉(zhuǎn)的梯子形狀，這個(gè)構(gòu)造可妥善說(shuō)明基因的特微。註6DNA的複製遺傳物質(zhì)genetic materialDNA於細(xì)胞分裂時(shí)必須正確複製，分配到子細(xì)胞。複製時(shí)，DNA雙股間

44、的鹼基鍵被切斷，成為2條單股的DNA。細(xì)胞內(nèi)有許多分別擁有A、T、G、C鹽基的核苷酸，這些核苷酸好像零件，對(duì)應(yīng)單股DNA的鹼基陳列方式【鹽基序列base sequence】連接成新股DNA。DNA 2股的鹼基序列並不一樣，1股的鹼基序列為另1股鹼基序列的模板template。例如原股的鹼基序列為ATCTGA，複製股的鹼基序列是TAGACT。 這種構(gòu)造彼此互補(bǔ)complementary。如此構(gòu)成2條雙股DNA，每條雙股DNA由原來(lái)的1股DNA與新合成的1股DNA構(gòu)成，新構(gòu)成的2條雙股DNA與原來(lái)的雙股DNA一模一樣。這種複製方法，稱作半保管複製semi-conservative replicat

45、ion。註7染色體位於真核細(xì)胞細(xì)胞核中的DNA，與名為組織蛋白histone的蛋白質(zhì)結(jié)合，構(gòu)成細(xì)絲狀的染色質(zhì)chromatin，染色質(zhì)無(wú)法以顯微鏡觀察。細(xì)胞分裂時(shí)，染色質(zhì)縮合condensation成粗繩狀，才可用顯微鏡觀察；這種繩狀構(gòu)造稱作染色體chromosome，因容易被顯微鏡觀察用色素染上顏色，而得染色體之名。細(xì)胞分裂時(shí)能夠觀察到的染色體數(shù)，依生物種類而異，果蠅有8條，人類有46條。 每條染色體由1條DNA分子構(gòu)成，人類的遺傳情報(bào)分布在46條染色體46條DNA分子上。 將人類1個(gè)體細(xì)胞中的46條DNA全部連在一同，長(zhǎng)可達(dá)2公尺。DNA與蛋白質(zhì)構(gòu)成名為染色質(zhì)的複合體後，整齊摺疊，收納在直

46、徑10微米左右的細(xì)胞核中。註8DNA的轉(zhuǎn)錄、翻譯根據(jù)DNA的遺傳情報(bào)亦即鹼基序列製造蛋白質(zhì)時(shí)，首先須將DNA的鹽基序列轉(zhuǎn)寫(xiě)成mRNA，再根據(jù)mRNA的鹼基序列實(shí)際合成蛋白質(zhì)。將DNA的情報(bào)轉(zhuǎn)寫(xiě)成mRNA的過(guò)程稱作轉(zhuǎn)錄，由mRNA合成蛋白質(zhì)稱作翻譯。轉(zhuǎn)錄時(shí)，DNA鹼基序列會(huì)用來(lái)合成互補(bǔ)的mRNA?；パa(bǔ)的序列指鹼基與鹼基鍵結(jié)的序列，A與TRNA為U、G與C。假設(shè)DNA的序列為CAT，與DNA序列互補(bǔ)的mRNA序列為GUA。在轉(zhuǎn)譯的過(guò)程中，mRNA會(huì)與細(xì)胞內(nèi)名為核糖體的粒子結(jié)合，tRNA則會(huì)運(yùn)來(lái)與mRNA密碼子對(duì)應(yīng)的胺基酸。胺基酸在核糖上逐漸連接，直到出現(xiàn)代表終止的密碼子。連接的胺基酸離開(kāi)核糖體，摺

47、疊成蛋白質(zhì)。註9RNARNA為核糖核酸，是核酸的一種，雖與DNA同樣以糖、磷酸、鹼基所構(gòu)成的核苷酸為構(gòu)成單位，但RNA中的糖為核糖，4種鹼基中的A、G、C與DNA共通，T則被U【尿嘧啶uracil】取代。RNA是協(xié)助基因DNA製造蛋白質(zhì)的物質(zhì)，依角色不同，分為mRNA【信使RNAmessenger RNA】、tRNA【轉(zhuǎn)移RNAmessenger RNA】rRNA【核糖體RNAribosomal RNA】種。mRNA在根據(jù)的DNA基因情報(bào)合成蛋白質(zhì)時(shí)，扮演著傳遞胺基酸種類、順序等情報(bào)的角色，以股DNA為模板而構(gòu)成。指定蛋白質(zhì)情報(bào)的那股DNA，稱作有意義鏈sense strand。tRNA 於蛋

48、白質(zhì)合成時(shí)，將胺基酸運(yùn)到核糖體。構(gòu)成蛋白質(zhì)的胺基酸有種，不同的tRNA分別對(duì)應(yīng)不同的胺基酸。rRNA則是蛋白質(zhì)的合成場(chǎng)所核糖體粒子。註10遺傳密碼遺傳密碼genetic code為決定蛋白質(zhì)胺基酸序列amino acid sequence的DNA鹼基陳列。雖然基因的主體為DNA，但實(shí)際構(gòu)成生物體組織、進(jìn)行體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的，卻幾乎全是蛋白質(zhì)。假設(shè)說(shuō)DNA為生物體的設(shè)計(jì)圖，蛋白質(zhì)就是實(shí)戰(zhàn)部隊(duì)，DNA的情報(bào)未轉(zhuǎn)換成蛋白質(zhì)即不具意義。也就是說(shuō)，DNA的遺傳情報(bào)遺傳密碼為製造蛋白質(zhì)的情報(bào)。蛋白質(zhì)為20種胺基酸以各種順序長(zhǎng)長(zhǎng)相連的物質(zhì)。製造蛋白質(zhì)時(shí)，哪個(gè)胺基酸以哪種順序陳列，都由DNA的鹼基序列base s

49、equence指定。也就是說(shuō)，遺傳密碼為鹼基序列。密碼以字表示時(shí)，採(cǎi)用鹽基的縮寫(xiě)-A、T、G、C。鹽基以3個(gè)為一組，指定1個(gè)胺基酸。3個(gè)1組的鹼基序列，稱作密碼子coden。註11密碼子遺傳密碼以3個(gè)1組鹽基指定1個(gè)胺基酸，3個(gè)1組的鹽基序列稱作密碼子。顯示哪個(gè)密碼子對(duì)應(yīng)哪個(gè)胺基酸的表，稱作遺傳密碼表。雖然蛋白質(zhì)按照DNA的情報(bào)製造，但在製造前須先轉(zhuǎn)錄DNA鹽基為mRNA，蛋白質(zhì)實(shí)際上是按照mRNA的鹽基序列合成。註12基因重組技術(shù)基因重組技術(shù)為將某DNA片段插入其他DNA分子的技術(shù)，又稱作DNA重組技術(shù)。利用這種技術(shù)，可讓大腸桿菌專門(mén)製造人類細(xì)胞才干製造的蛋白質(zhì)?；蛑亟M技術(shù)的根本步驟如下：

50、1溶掉具目標(biāo)蛋白質(zhì)基因的人類細(xì)胞，取出DNA；2以限制酶切斷DNA，製作目標(biāo)基因斷片；3將DNA斷片連接於載體DNA分子上；4將載有人類DNA的載體轉(zhuǎn)殖到大腸桿菌；5培養(yǎng)具備人類功能基因的大腸桿菌，該基因會(huì)製造目標(biāo)蛋白質(zhì)。大腸桿菌能夠簡(jiǎn)單地大量培養(yǎng)，因此可以用基因重組技術(shù)有效生產(chǎn)胰島素等治療上有用的蛋白質(zhì)。利用基因重組技術(shù)，不僅可將基因轉(zhuǎn)殖到細(xì)菌，也可轉(zhuǎn)殖到動(dòng)植物等真核生物的培養(yǎng)細(xì)胞。目前已培育出具備導(dǎo)入基因，而能使乳汁中帶有人類蛋白質(zhì)的基因轉(zhuǎn)殖動(dòng)物transgenic animal註13限制酶限制酶為細(xì)菌用來(lái)切斷DNA的酵素，因在設(shè)限處切斷DNA而得限制酶之名；原是大腸桿菌等細(xì)菌用來(lái)切斷感染

51、本人的噬菌體DNA，以自我防衛(wèi)的酵素。我們已在各種細(xì)菌找到各種限制酶?；蛑亟M技術(shù)則利用限制酶，於目標(biāo)位置切斷DNA。像EcoRI、BamHI限制酶的切斷位置，即如下所示：EcoRI 切斷位置 GAATTC CTTAAGBamHI 切斷位置 GGATCC CCTAGG限制酶切斷的DNA由DNA連接酶連接。扮演剪刀角色的限制酶與扮演漿糊角色的DNA連接酶，為基因重組上不可或缺的工具。註14載體載體指在基因重組技術(shù)上扮演搬運(yùn)基因角色的DNA分子，主要載體有質(zhì)體plasmid、噬菌體phage、反轉(zhuǎn)錄病毒retrovirus。細(xì)菌除了染色體DNA以外，還擁有假設(shè)干小型環(huán)狀DNA，這些小型環(huán)狀DNA就是質(zhì)體。噬菌體又稱為bacteri