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 的條文,『』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。

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生物技術 可以貫穿古今。幾千年前及壁畫顯示,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

本網頁最近修訂日期: 2008/02/08