生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008

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生物技術 將在二十一世紀成為全球經濟與產業的主力，同時也在日常生活的各方面深刻地影響我們。由於生物技術在遺傳操作上的超強能力，衍生了在社會、倫理及法律上的許多問題，使得大多數人對生物技術產生疑慮與恐懼，甚至排斥。

對於一門具有強大力量的新型態科技，這種無法駕馭的不安感正是人類的正常反應；想像遠古人類對火的恐懼，乃至控制火、使用火的歷程，以及近代工業發現電、利用電力的傳奇性過程，都是類似的情境。如今面對同樣的挑戰，是否也應該正面地去瞭解與探索，才能有效控制可能帶來的科學災難，同時享受新科技對人類所創造的進步與滿足。

本章將簡要說明生物技術的定義與內容，希望能把各個重要領域的操作技術原理說明清楚，以便建立基本的科學背景，獨立判斷生物技術所衍生的種種問題；尤其是對於人類社會、文明或倫理上的可能衝擊，則是更需要關心與討論。

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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) 或其產物，來生產對人類醫學或農業有用的物質或生物。依此定義，則早在數千年前，埃及人就已經知道用生物技術的方法來生產啤酒或其他酒類，我們所吃的醬油、泡菜、豆腐乳、紅糟肉、養樂多、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物；而赫赫有名的青黴素，則是青黴菌為了抵抗周遭環境各種細菌，所生產的『生化武器』，但被人類利用來消滅入侵人體的細菌。

因此，生物技術很早就被人類廣泛應用，這些產品也都符合上述定義，可稱為『傳統的生物技術』，但與現代的生物技術有基本上的差別。『現代生物技術』乃運用生物化學、分子生物學以及分子遺傳學等現代科技利器，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，以達到生產有用物質之目的。兩種生技領域的最大差異處，在於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。

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廣義 的生物技術包含日常生活的許多重要事物，本圖只是自娛之作。你一定用過以上很多製品，也可想出更多生物技術產品。

■ 根據 Wikipedia 條文「蠱」是一種人工畜養的毒蟲。將不同種類的多隻毒蟲 (俗稱百毒) 放在瓦罐或罎中，使其互相咬殺，最後存活下來的毒蟲就叫蠱。放蠱的人通常會將蠱蟲或蠱藥研磨成粉末狀，放入飲食或飲水中，或用指甲彈在衣物上。看看就好。

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生物技術 可以貫穿古今。幾千年前埃及壁畫顯示，埃及人已經知道用麥粉製造啤酒，此一技術至今仍應用相同原理，使用酒麴菌進行醱酵產生酒精。但現代生物技術還要更上層樓，利用改良菌種產生抗氧化劑，以降低啤酒中的氧化變質現象。

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佛來明 由黴菌堆中找到了可以殺死細菌的抗生素，是不折不扣的生物技術先驅，除了帶給人類醫學極大的進步與福祉外，他自己也獲得諾貝爾獎。

■ 請複習酵素部份 (E4-18)，看青黴素如何抑制細菌細胞壁的合成。

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生物技術產業 經過數十年的發展，各種操作或技術可謂琳琅滿目，可主觀地歸納成數個範疇。科學期刊 Science 對生物技術的分類，主要有 基因操作、細胞培養、單株抗體、酵素工技 等四大領域，以及相互的跨領域科技。

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，且在學術界或產業應用上，其應用相當廣泛；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，也將使單株抗體的發展，進入另一個新的紀元。

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生物技術 有一個特點，就是所涉及的科技範疇，非常複雜多樣，是一門『跨領域』特性極強的綜合學問。以研究系統而言，幾乎農林漁牧醫工各行業的動物、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律與哲學的辯論中。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，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；而這種跨領域精神，正是生物技術或生物產業不折不扣的創新表現。

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基因操作 是整個現代生物技術中，最重要的主流科技。其中最直接的應用，就是把基因表現出蛋白質，或者對於細胞中缺陷基因的修正。另外，基因本身的核酸序列也是重要資訊，是建構生物體的藍圖，基因體計畫就是要解讀某一生物細胞內的全體基因序列。反義基因是一種逆向思考，以人工方式反而去抑制某個基因，以便達到某種目的。

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循著 中心教條來看，改變染色體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。當科學家把外來基因的 DNA 放到大腸菌中，發現宿主大腸菌會『收養』此外來基因，並且遵循『中心教條』表現出此基因的蛋白質。但是，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)；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。一旦進入，就可以大量表現此一基因，得到有用蛋白質產物。

例如，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。

■ 請複習核酸部份 (N1-26)，如何把外來基因植入細菌，並挑出含有此基因的細菌群落。

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早期 大部分研究工作所使用的表現宿主，都是人類最小的朋友 - 大腸菌；現在除了大腸菌，目標基因也可以有效地表現在動物或植物。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，則山羊的乳汁中就含有大量凝血因子，純化出來以供醫藥使用。在植物方面，最早是把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。

一直受到爭議的是，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自殺程式，以免繁殖下一代，這樣種子公司就可以年年賣種子給農民。問題是，這種自毀基因在一般農地中表現，可能會跑出原來的植物，到處散播而危害整個生物環境。

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基因轉殖 也可應用在人體上，稱為『基因治療』；雖然還不是十分成熟，但技術在穩定地改善與進步中。例如，血友病人體內的凝血第八因子基因有缺陷，血中因為沒有有效的第八因子而無法凝血；若能把正確的基因導入病人的細胞中，並且表現產生第八因子，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，而是採用人類更小、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，某些病毒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，使它不會產生太多不良症狀，但又可把指定的基因注入人體細胞，則可能修正細胞內的錯誤基因。

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基因 被選殖出來之後，除了可以進行轉殖或表現之外，另一件更重要的工作，就是解讀基因上面鹼基序列的排列資訊，也就是通稱的基因序列。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，及如何進行正常細胞功能的根本原因。

目前已經有數百種生物的基因體被解碼，其中有些是對人類極重要的一些微生物，以便釐清它們對人類致病的機制。

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基因 的操作與改造，引起人類極大的嚮往，同時帶來恐懼。『侏罹記公園』以此為主題，幾個主角在盛嘆科學力量的強大之餘，也譴責蓄意干涉生命長河的野心份子。這些新科技有點像遠古人類發現『火』，以及近代電力引入，人類面對其強大威力而顯得興奮與不安。盲目向前衝固然不對，一昧否定與禁止，也同樣糟糕；對於科學這隻可怕的怪獸，我們只能面對它，多瞭解其本質，慢慢摸清其可能造成的危害，才是正確的態度。

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番茄 成熟後容易軟化而腐爛，是因為番茄的一個基因被啟動，產生一種酵素可把番茄的果膠質 (pectin) 水解而造成軟化。若植入此酵素基因的反義基因 (antisense sequence)，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。 此種番茄早已上市，的確相當堅實，不易腐爛。

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以上 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；反之，是否能反其道而行，抑制掉我們不想表現的基因？ 像本圖的例子，把生合成乙烯的基因 (ACC oxidase) 抑制掉，植物的果實就不會因為成熟而造成軟化。

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。反義股在自然界中並不會表現，因此反義基因是以人為的基因操作手法，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。

■ 請複習核酸部份 (核酸 RNA)，看反義基因如何誘發『RNA 干擾』而導致該基因的靜默。

下接 E8-16

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