生物技術的發(fā)展與未來

生物技術的發(fā)展與未來PAGE１PAGE１生物技術的發(fā)展與未來目錄：HYPERLINK基因操作HYPERLINK細胞培養(yǎng)HYPERLINK單株抗體HYPERLINK酵素工技HYPERLINK其他相關科技HYPERLINK美麗新世界？生物技術的發(fā)展與未來全文共生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第1頁。生物技術的範疇：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；通常可把『生物技術』的意義定義如下：利用生物(動物、植物或微生物)或其產(chǎn)物，來生產(chǎn)對人類醫(yī)學或農(nóng)業(yè)有用的物質或生物。 依此定義，則早在數(shù)千年前，埃及人就已經(jīng)知道用生物技術的方法來生產(chǎn)啤酒或其他酒類，我們所吃的醬油、泡菜、豆腐乳、紅糟肉、養(yǎng)樂多、味精等，也都是利用微生物幫我們加工過的食品。酒類所含的酒精與風味、醬油或泡菜的迷人香味、紅糟肉的抗血脂物質等，都是微生物的代謝產(chǎn)物；而赫赫有名的青黴素，則是青黴菌為了抵抗周遭環(huán)境各種細菌，所生產(chǎn)的『生化武器』，但被人類利用來消滅入侵人體的細菌。 因此，生物技術早就被人類所廣泛應用，這些產(chǎn)品也都符合上述定義，可稱為『傳統(tǒng)的生物技術』，但與現(xiàn)代的生物技術有點差別，而這點差異卻是所有問題的關鍵?！含F(xiàn)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(xiàn)代科技利器，來改變生物個體的遺傳形質；這是在根本上控制了生物的代謝或生理，以達到生產(chǎn)有用物質之目的。兩種生技領域的最大差異處，在於現(xiàn)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(tǒng)以『整體』動物、植物或微生物的飼養(yǎng)、交配或篩選方式(圖一)。生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第2生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第2頁。 生物技術產(chǎn)業(yè)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，各種操作或技術可謂琳瑯滿目，可主觀地歸納成數(shù)個範疇。主要有基因操作、細胞培養(yǎng)、單株抗體、酵素工技等四大領域(圖二)，以及其他生命科學相關的科技。把單株抗體獨立列成一項，乃因於單株抗體是我自己的主要科技專長，且在學術界或產(chǎn)業(yè)應用上，單株抗體的使用相當多且廣泛；同時，在後基因體時代的研究上，單株抗體對抗原蛋白質的高度專一性，將使得單株抗體的發(fā)展，進入另一個新的紀元。 生物技術有一個特點，就是所涉及的科技種類，非常複雜且多樣，是一門『跨領域』特性極強的綜合學問。以研究系統(tǒng)而言，幾乎農(nóng)林漁牧醫(yī)工各行業(yè)的動物、植物、微生物以及人體，都可成為生物技術的探討對象；其研究的深度與廣度，可以微觀至分子與細胞，甚至奈米級的原子層次，也可大到組織、個體、群落甚至整個生態(tài)系。最近，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，也把生物技術拖入法學與哲學的辯論中。因此，上面的四大領域分類只是供參考，其互相間有相當多的關聯(lián)，甚至有些是混合兩種以上之生技領域所衍生出來的新科技(圖三)；而這種跨領域精神，正是生物技術或生物產(chǎn)業(yè)不折不扣的創(chuàng)新表現(xiàn)?；虿僮鳎赫麄€生物技術的根本，都起源於描述生命基本原理的一條主流程『中心教條』，而其發(fā)揚光大則造就了今日生物技術的多采與繽紛。中心教條生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第3頁?；虿僮魇钦麄€現(xiàn)代生物技術中，最重要的主流科技。在發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋構造後不久，一個預期放諸四海皆準的生命公式出現(xiàn)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(jīng)由RNA所合成出來的，也就是說生命信息的流動是：DNA→生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第3頁。 若循著中心教條來看，改變DNA即有可能改變該生物的蛋白質表現(xiàn)，也就會改變該細胞的外在性狀。當科學家把外來基因的DNA放到大腸菌中，發(fā)現(xiàn)宿主大腸菌會『認養(yǎng)』此外來基因，並且遵循『中心教條』表現(xiàn)出此基因的蛋白質。但是，大腸菌認養(yǎng)外來基因須先經(jīng)過一『歸化』手續(xù)，即外來基因必須接在一種大腸菌所特有的環(huán)形核酸中，稱為質體(plasmid)；接入質體內的外來基因，才能被『夾帶』入細菌內，並在宿主菌內複製與表現(xiàn)■ 質體是一種獨立的環(huán)形核酸，通常都不大，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(guī)律。很多質體帶有抗藥性基因，會產(chǎn)生某些酵素類的蛋白質，而這些酵素可以水解抗生素，使抗生素失去藥效。質體另一特點是可以自由進出大腸菌，且能在新的大腸菌中複製自己，因此會把原來所含的基因轉移到新的大腸菌宿主中，是細菌取得抗藥性的方法之一(圖四)。分子群殖生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第4頁?！悍N瓜得瓜，種豆得豆』是大家都知道的事，但『種分子得分子』則是分子生物學家的絕活。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，每一隻大腸菌中通?？裳}製達百個之多；而且當大腸菌分裂時，質體也會跟著複製，該段基因的數(shù)目也如數(shù)增加(圖五)。因此，若每個菌落有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×生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第4頁。 回頭說明一個問題，就是如何取得目標基因？在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(shù)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(xiàn)，並且如上述地複製與增殖(圖六)。請?zhí)貏e注意，每一隻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(shù)目被放大很多，但都只含有單一種核酸片段。如是，重組質體的數(shù)目在宿主菌中放大，每個菌落中的核酸含有足夠的分子數(shù)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(圖五左下培養(yǎng)皿)?！?核酸的剪接與錄音帶剪接很像，但更為精確有效，這是利用酵素的專一性辨識能力，以及其催化能力所致。有一大群名為『限制脢』的酵素，可以在核酸長條分子上面的特定位置切開，每一種限制脢可辨認核酸上不同位置，因此使用適當?shù)南拗泼?，就可在指定的位置切開核酸；核酸連接是由一群叫做『接合脢』的酵素，把兩段核酸接在一起。基因轉殖與表現(xiàn)生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第5頁。 早期大部分研究工作所使用的表現(xiàn)宿主，都是人類最小的朋友-大腸菌；現(xiàn)在除了大腸菌，目標基因也可以有效地表現(xiàn)在動物或植物。例如，把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(xiàn)，則山羊的乳汁中就含有大量凝血因子，純化出來以供醫(yī)藥使用。在植物方面，最早是把螢火蟲的發(fā)光基因植入煙草中，結果轉殖之煙草可在暗處中隱隱發(fā)光；而一直都有爭議的是，把易受蟲害的棉花等植物植入抗蟲基因，但是為了商業(yè)利益也順便植入一自毀基因，一旦這種棉花受粉交配就可自動開啟，以免繁殖下一代?；蛑委熁蜣D殖也應用在人體上，稱為『基因治療』；雖然還不是十分成熟，但技術在穩(wěn)定地改善與進步中。例如，血友病人體內缺乏上述凝血第八因子的正確基因，血中因為沒有該因子而無法凝血；若能把正確的基因導入病人的細胞中，並且正常表現(xiàn)而產(chǎn)生凝血因子，則可使病人正常凝血。把正確基因導入人體的方法，與動植物之轉殖不同，是採用人類更小、更悠久的敵人與朋友-病毒。 病毒的構造非常簡單，通常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，使我們流鼻涕或頭痛。有一種腺病毒，也可以攻擊人體細胞，但若把其中所含的核酸修改及添加，使它不會產(chǎn)生太多不良癥狀，但又可以把我們所指定的基因注入人體細胞中，則可能修正人體的錯誤基因。反義基因生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第6頁。 但反義基因是什麼？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，有點像電腦磁片上由0與1所組合成的訊息。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，這一股DNA才是有意義的，暫稱『表現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，因此反義基因是以基因操作，硬是把本來不會表現(xiàn)的反義股表現(xiàn)出來，則其所轉錄的RNA序列剛好與表現(xiàn)股互補，互補的序列便會接合在一起，因而抑制了表現(xiàn)股的表現(xiàn)，也就抑制了該基因?！?上面說兩股DNA只有一股會表現(xiàn)，到底是那一股？答案是『不一定』，兩股都有可能，但只能選其中之一為表現(xiàn)股(圖七)。細胞如何知道要表現(xiàn)那一股DNA的那一段？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(xiàn)基因的上游；負責表現(xiàn)工作的蛋白質看到這些記號，就知道要不要表現(xiàn)其下游的DNA了。這些負責控制的區(qū)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。生物技術的發(fā)展與未來全文共23生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第7頁。基因被選殖出來之後，除了可以進行轉殖或表現(xiàn)之外，另一件更重要的工作，就是解讀這個基因本身鹼基序列的排列資訊，也就是通稱的基因序列?；蛐蛄兄灾匾且驗檫@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?；蛐蛄兄灾匾牧硪粋€原因，在你念完本文最後一節(jié)美麗新世界就會知道。 基因定序方法有二，其中之一在1977年由F.Sanger提出，定出一種病毒五千多個鹼基序列，也因此共同獲得諾貝爾獎。再來的定序工作則越來越快，所定的生物基因也越來越大；起先是粒線體的DNA序列，接著就有細菌、酵母菌等微生物基因序列，再來就是動植物的基因序列，乃至於人體基因序列。 人體基因序列是一浩大工程，共有三億多個鹼基序列，在二○○一年已經(jīng)完成初稿，是一部蘊藏著人類生命奧祕的『有字天書』，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(圖八)。 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，我們身體上每個細胞，都攜帶有上述的完整遺傳資訊，理論上都可以重新建構一個新的個體。但只有完整的遺傳訊息，可能還不足以啟動發(fā)育成完整的生物體，染色體上的基因需要有種種調控系統(tǒng)，以協(xié)調並組織生物體的正常發(fā)育過程。有點像你擁有一片光碟，裡面有46首音樂的資訊，但必須放在光碟機中播放，才會產(chǎn)生音樂；光碟機可以啟動光碟，並有解讀資訊以轉換成聲波的功能。生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第8生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第8頁?！?當科學家得到某一種生物的整體基因序列之後，『基因體學』的面貌就自然呈現(xiàn)。想像你有一片光碟，裡面含有某種未知病菌的全部基因序列，你將如何利用這片光碟？首先，把所有可能表現(xiàn)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，可說是此病菌的『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，以得知這隻病菌含有那些酵素、活性因子或調節(jié)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，就有如突擊隊員得到目標建築物的平面圖，可以擬定攻擊的切入點，以便有效攻克目標；同樣的，科學家就可找出此病菌的弱點，設計或開發(fā)新藥物以攻擊此病菌。生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第9頁。生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第9頁。■ 那麼，如何『真正地』去看到一個蛋白質的形狀呢？因為蛋白質太小，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。X-線繞射分析是相當困難的工作，也是目前蛋白體學的技術瓶頸之一。生物晶片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(jīng)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。用這樣的方法，若我們有一小段核酸，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(jīng)過加熱解開的目標DNA混合，兩者便發(fā)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我們觀察到(圖九)。生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第10頁。 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』，以檢定兩種蛋白質之間的交互作用關係？這的確是下一波生技產(chǎn)業(yè)所爭取的目標，尤其在蛋白體學開始發(fā)展之後，蛋白質之間的作用關係變得很重要。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』的觀念，但目前全世界都還在開發(fā)的階段。 另外，利用這種微小化的觀念，也開發(fā)出『微流體microfluidics』的裝置，以達上述『高產(chǎn)能』的目標；有人微流體說是把『整個實驗室』搬到一片晶片上去，此種說法是有點誇張，但若改成『實驗桌』倒也相去不遠。其基本原理與目前所有的生化技術並無不同，但若要賦予微小化及自動化的高產(chǎn)能特性，就需要相當?shù)募夹g；因為日常的任何物品或操作，若要縮小一萬倍或者更小，是非常困難的工作。例如平常可以用試管或燒杯，進行A加B變成C，接著C再加D反應成E，最後以光度計測量E的濃度。若要在大約一公分見方的小面積中，進行這個簡單的反應，就要以微導管方式，把A與B吸入一混合管中反應成C，此混合管再會合另一導管中的D，所反應得到的E則引入一可測量的小室中，再以光學儀器偵測定量之。臺灣也許可以利用現(xiàn)有的晶片製作經(jīng)驗，在這些微小化的生物晶片製作技術中，找出具有自身特色的未來產(chǎn)業(yè)。聚合脢連鎖反應PCR生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第11頁。 PCR的應用極廣，尤其在檢定微量的DNA上，更是不可或缺。例如，只要在犯罪現(xiàn)場找到一小滴血液，抽取其中的微量DNA，就可以利用PCR放大任何指定的核酸片段，以便與嫌疑犯血液的DNA比較，是刑事案件的重要證據(jù)。PCR技術剛被K.B.Mullis發(fā)展出來的時候，居然不受重視，後來發(fā)現(xiàn)越來越多的重要應用；不但在研究上有貢獻，在分子診斷與法醫(yī)學上更是大放異彩，Mullis也得到1993諾貝爾化學獎。細胞培養(yǎng)：生物體都由細胞組成，若把細胞分離出來在試管中培養(yǎng)，則可大量生產(chǎn)該細胞所合成的有用物質，例如植物細胞的某些二次代謝物是具有生理療效的藥物，動物的抗體則是由一群白血球所分泌製造。但是，並非所有細胞都可以離開生物體生長；植物細胞比較容易以分離的形式培養(yǎng)在試管中，甚至再生成整個植株，而動物細胞通常並不容易，癌細胞與幹細胞(stemcell)是例外，後者是存在於骨髓或胚胎的低度分化細胞，有潛力發(fā)育成各種不同的組織或器官。胚胎複製生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第12頁?！?其實桃莉細胞內的核酸，還是與其母親有一點不同，雖然它的細胞核確實是由其母親來的，但此細胞核是植入另一隻羊的無核卵細胞中，此無核細胞藏有粒線體核酸，並非桃莉母親所有。另外，桃莉的出生是無數(shù)次嘗試的結果，總共移植了將近三百次才有桃莉的成功，失敗率極高。後來也發(fā)現(xiàn)，桃莉羊的染色體『端?！惠^短，故其身上細胞所能分裂的次數(shù)較少，桃莉會較早出現(xiàn)衰老現(xiàn)象。因為桃莉是由成年個體的細胞核所直接再生，而這些成年細胞染色體的端粒已經(jīng)『用到一半』；因為細胞每分裂一次，端粒序列就會變縮短一截，縮短到某一程度後，細胞就不會再分裂，個體就開始衰老。 像桃莉羊的無性複製方式已經(jīng)引起各方爭論，尤其若是應用在人類，可能會產(chǎn)生倫理與法律上種種無法預期的問題。複製人將只有父親或母親，而且與其親代極為相似，外觀上幾乎無法分辨；雖然如此，其生長背景與歷程不同，最後成人的個性或品格實難以預料。因此，想把複製人變成為自己的『重生』，是不切實際的想法。另外，上述的技術問題若未完全解決，就貿然應用在人體上，可能會產(chǎn)生如『科學怪人Frankenstein』般的悲??；因此，目前世界上的先進國家都已立法禁止複製人體。生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第13頁?！錾锛夹g的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第13頁。幹細胞幹細胞是分化程度很低的細胞，可以說是『還沒賦予任務』的細胞，因此具有分化成各種組織與器官的潛力。成人體內幹細胞的大本營是骨髓，幹細胞自我增生並分化成各種血球細胞；嬰兒的幹細胞則聚集在肝臟與脾臟，並且也在血液中流動，因此臍帶血中也含有幹細胞。近來流行的臍帶血銀行，就是把自己出生時的臍帶血以超低溫保存，等到長大有需要時，可以解凍回來使用；因為是自己的血液，因此沒有排斥的問題。 幹細胞因為具有分化潛力，因此是各種人造組織或人造器官的重要起始材料。例如，幹細胞若能分化成腦神經(jīng)細胞，植入巴金森病人的腦中生長，將可誘導分泌多巴胺來控制病情。但目前最大的困難，還是在於如何正確控制幹細胞的分化，以便生成所要的組織或功能細胞，這仍有待深入的基礎研究來支持。而要由幹細胞獨立發(fā)展成一個生物器官，則是更遙遠的事；目前僅嘗試於簡單的器官，也只能以人造材料先塑成器官的構形，再於此一架構上生長細胞。生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第14生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第14頁。植物組織培養(yǎng)以上對動物細胞的分化與控制技術，的確都還很困難；但對植物細胞而言，早就是家常便飯。這是因為植物的每一個體細胞，都具有分化成整株植物的能力，稱為『全能分化力totipotency』；目前科學家還不完全明白此一神奇能力的原因，但他們早就利用在植物組織培養(yǎng)。大部分植物都可誘出『癒創(chuàng)組織』，例如切一小塊葉片培養(yǎng)數(shù)日，就會長出形狀不規(guī)則的癒創(chuàng)組織，有些人把癒創(chuàng)組織看作是動物的癌細胞。但不同的是，癌細胞會繼續(xù)不斷地分裂下去，而癒創(chuàng)組織在某些荷爾蒙的控制下，卻可以開始分化成根、莖、葉，最後成為完整殖株。 由癒創(chuàng)組織所在生出來的植株，與原來的植物一模一樣，因此可以保留優(yōu)良品種的純系。臺灣早就利用組織培養(yǎng)的方法，大量群植蘭花，所以很多餐廳的餐盤中經(jīng)常擺了一朵蘭花。另外，若能夠把有藥用效果的植物，誘生其癒創(chuàng)組織並大量培養(yǎng)，則可以用培養(yǎng)的方式來生產(chǎn)有效成份，不必花費時間種植；像需長時間培養(yǎng)的人蔘，以及要長時間生長又屬稀有植物的紫杉，都是最佳目標。生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第15頁。單株抗體：細胞融合抗體是極為有用的分子工具，可以專一性地與其抗原結合，是分子或奈米層次的『探針』。生物體內是由一群叫做B細胞的白血球，來負責生產(chǎn)各種抗體，但每一種B細胞只能產(chǎn)生一種抗體，可對抗其特定抗原。因此，當有十種外來抗原，體內就至少會生成十種B細胞，每種B細胞分泌一種抗體，來對付這十種抗原。若能夠把其中某一種B細胞分離出來培養(yǎng)，則我們就能夠在培養(yǎng)液中，生產(chǎn)其所分泌的抗體；若此種抗體能夠對抗某種癌癥，將會是極有用的試劑。然而，B細胞無法在培養(yǎng)液中生長很久，因此無法達成上述目的。生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第16頁。 雖然如此，單株抗體的專一性辨識能力，仍然在研究與診斷上發(fā)揮很大的功能。在研究上，單株抗體可準確地追蹤目標蛋白質，是所有蛋白質研究的必備工具；在醫(yī)學診斷上，一大部份的醫(yī)療檢驗都是以單株抗體為辨識探針；在疾病治療上，單株抗體也被修飾為專一性的攻擊武器。因此，在目前的生物技術產(chǎn)業(yè)上，單株抗體相關的投資與產(chǎn)值，都有相當?shù)谋戎亍？贵w工程由於上述的單株抗體是用小白鼠系統(tǒng)製備出來的，若要把此種抗體用在人體內，則會引起人體的免疫反應，導致病人休克死亡。因此科學家便著手修改小白鼠抗體分子，把其中會引起免疫反應的部份，改成人類抗體分子上的對應部份，或者乾脆去除掉，則得以適用於人體。 另外，在獲得可以生產(chǎn)所要抗體的融合細胞後，先以分子群殖的方式取得生產(chǎn)抗體分子的基因片段，此基因經(jīng)過修改以及大規(guī)模突變後，插入噬菌體的核酸當中，再放回噬菌體去表現(xiàn)，則可能得到極大規(guī)模的噬菌體群落，其中可能含有專一性更強的新型抗體，或經(jīng)修改基因避免過敏反應；此過程稱『噬菌體表現(xiàn)phagedisplay』，是以噬菌體表現(xiàn)大量的抗體基因，以得到不同變化的抗體?？贵w晶片生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第17頁。催化性抗體酵素與其基質間有非常專一的吸引力，抗體與酵素在這一點上很像，與其抗原之間有專一性結合關係。然而，酵素可繼續(xù)進行催化反應，把基質變成生成物，但抗體僅止於結合，無法繼續(xù)催化。反之，抗體有一點乃酵素所不及，就是抗體可以用其抗原以人工誘導製造，而酵素卻無法量身定做。因此，一直有人嘗試以酵素的基質作為抗原誘生抗體，希望所得到的抗體除了能專一性地與基質結合外，也能繼續(xù)把此基質催化成生成物，稱為『催化性抗體catalyticantibody』或abzyme?！?事實上，催化性抗體的誘生，並不是採用所預計催化反應的基質，而是用此反應的『中間過渡狀態(tài)transitionstate』物質來進行免疫。如果只是用基質來免疫，則只能得到一般的專一性抗體，與基質有很強的結合能力而已。但若以過渡狀態(tài)免疫，則因為其外形與基質也很像，所得到的抗體不但可以與基質結合，也容易把基質轉變成過渡狀態(tài)，則更有機會變成生成物，如此達到催化反應的目的。酵素工技：酵素可以催化其作用基質，經(jīng)反應後產(chǎn)生生成物，可以說是最小型的工作機器。酵素發(fā)現(xiàn)得很早，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)無數(shù)的酵素，共同組成了細胞內大部分的重要活動，也就是細胞的代謝系統(tǒng)，以維持生物的生命活動。蛋白質工程生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第18頁。代謝工程自從蛋白體概念引入之後，科學家開始面對細胞的全體蛋白質，以及細胞全體酵素，用電腦可以很快把相關的酵素串連在一起，找到已知或未知的代謝路徑。如上所述，知道了目標生物的總體代謝圖後，就可以對病原菌設計一套攻擊計畫，開發(fā)出可以致命打擊其重要代謝路徑的藥物。反之，對有用的細菌或生物，則可以參考其代謝圖去修改關鍵酵素或者調控因子，以誘使該生物產(chǎn)生更多有用物質，或增加有利的生存能力，以達成我們所預期的改進。 酵素抑制劑是用來控制細胞或病毒生長，最有用的工具，很多都是極有效的藥物。例如，愛滋病毒的生活史中，需要一種蛋白脢，以便切開它所合成的蛋白質長鏈，放出各種酵素以供病毒增生使用。治療愛滋病的雞尾酒藥劑中，有一項蛋白脢抑制劑，可阻害此蛋白脢的活性，使病毒無法得到正確的酵素。另外有許多酵素的抑制劑，因為也可以抑制人體中的重要酵素，因此成為毒藥；例如日本真理教所用的沙林毒氣，是人體內重要蛋白脢的化學抑制劑。固定化酵素生物技術的發(fā)展與未來全文共23生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第19頁。 若把酵素固定化在薄膜上，則還可有一個重要應用，就是做成以酵素反應為基礎的檢驗電極，得以快速檢驗大量樣本。另外，酵素的固定化，也是將來蛋白質或酵素晶片的第一步，預期會有無窮的應用潛力。人造酵素在研究酵素的催化機制之後，發(fā)現(xiàn)酵素最重要的區(qū)域為其『活性區(qū)』，活性區(qū)是酵素與基質結合並且催化成產(chǎn)物的部份，通常都是一個凹陷的口袋形構造，以便吸入基質。科學家嘗試在一人造骨架上，選取其中的適當區(qū)域的周圍，接上酵素活性區(qū)的重要胺基酸，模擬酵素活性區(qū)以做成人造酵素。 如同上述有關催化性抗體的嘗試，數(shù)十年來人造酵素的進展並不是很令人興奮；因為酵素是一個相當複雜的巨分子，其催化機制也暗藏著許多未知因素，很難以簡單的模擬，就得以達到一般酵素的強大作用。 雖然如此，人造酵素或相關的人造催化模具一直有人努力著，尤其配合最近奈米科技的進步，在奈米的微觀基礎上，可能更容易有所進展。其他相關科技：奈米生物技術生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第20頁。生物技術的發(fā)展與未來全文共23頁，當前為第20頁。 把奈米應用到生物技術的例子目前還不多，但都相當有趣。例如，貝爾實驗室的科學家利用雙股DNA的互補性質，設計了可以打開與關閉的核酸開關，其實，生物化學中早已有很