生物技術

生 物 技 術● 1 生 物 技 術 定 義 與 範 疇● 2 基 因 操 作 與 基 因 體 學● 3 其 他 生 物 技 術● 4 未 來 發 展台 灣 大 學 生 化 科 技 學 系 莊 榮 輝 教 授

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 生 物 技 術 : 釀 造 醱 酵 配 育 新 種● 現 代 生 物 技 術 : 以 生 物 化 學 或 分 子 生 物 的 操 作方 法 , 來 改 變 生 物 或 其 分 子 的( 遺 傳 ) 形 質 , 以 達 上 述 目 的 。以 新 的 技 術 來 解 決 已 有 的 問 題新 工 具Juang RH (2005) BCbasics

古 埃 及 人 用 麥 粉 醱 酵 製 造 啤 酒現 代 科 技 防 止 啤 酒 氧 化 變 質Nature BiotechnologyDiscovering Enzyme

佛 來 明 發 現 青 黴 素FlemingChainFlorey(1945)牛 頓 (1985) no. 25 p. 122

現 代 生 物 技 術範 疇基 因 操 作細 胞 培 養單 株 抗 體酵 素 工 技把 外 來 基 因 經 重 組 後 導 入 宿 主 細 胞 中 ,則 可 表 現 並 生 產 此 基 因 的 有 用 產 物 。人 工 培 養 生 物 細 胞 , 可 大 量 生 產 所 代 謝的 有 用 物 質 , 或 經 再 生 成 為 新 個 體 。可 生 產 有 用 抗 體 的 淋 巴 細 胞 若 與 癌 細 胞融 合 , 則 形 成 穩 定 而 可 培 養 的 細 胞 株 。將 酵 素 固 定 化 或 修 飾 , 可 增 加 穩 定 性 或專 一 性 ; 也 有 人 造 酵 素 或 催 化 性 抗 體 。Juang RH (2004) BCbasics

ModernBiotechnology固 定 化 酵 素酵 素 電 極酵 素 抑 制 劑酵 素 工 程定 點 突 變生 物 資 訊 學蛋 白 體 學EnzAbzyme催 化 性 抗 體基 因 操 作 生 物 晶 片人 類 基 因 體 計 畫DNA細 胞 培 養AbPCR 聚 合 脢 連 鎖 反 應反 義 基 因 DNA/RNA基 因 轉 殖CellHybridoma融 合 瘤分 類基 因 治 療細 胞 融 合組 織 培 養幹 細 胞複 製 動 物診 斷 試 劑 抗 體 治 療Juang RH (2005) BCbasics

Central Dogma複 製Replication轉 錄TranscriptionDNA逆 轉 錄ReverseTranscriptionRNA轉 譯TranslationProteinJuang RH (2005) BCbasics

DNA 以 核 酸 小 單 位 連 結 成 長 條 巨 分 子TAWatson & Crick (1962)C G兩 股 DNA 間 的 密 碼 互 補牛 頓 (2000) no. 201 p. 36

基 因 重 組 及 相 關 應 用基 因 表 現Gene products基 因 序 列Gene sequence反 義 基 因Antisense● 有 用 蛋 白 質 ( 胰 島 素 ) 生 產● 基 因 轉 殖 → 基 因 治 療● 人 體 基 因 體 的 DNA 序 列● 由 genome 到 proteome● 生 物 晶 片 、 生 物 資 訊 學● PCR 基 因 放 大 技 術● 病 毒 防 禦 (HIV或 植 物 病 毒 )● 基 因 抑 制 ( 蕃 茄 保 鮮 )Juang RH (2005) BCbasics

目 標 基 因 剪 接人 類 胰 島 素Human InsulinKleismith & Kish (1995) Cell and Molecular Biology, p. 115基 因 接 入 載 體Stryer (1995) Biochemistry, p. 119送 入 宿 主 細 菌挑 出 所 要 群 落探 針 Probe互 補 DNA專 一 性 抗 體得 到 純 系 轉 殖 菌 株大 量 培 養 生 產

Nature Biotechnology螢 火 蟲 發 光 基 因 轉 殖 煙 草植 物基 因轉 殖抗 蟲 基 因 轉 殖David Ow香 蕉 殖 入病 原 菌 抗 原作 成 口 服 疫 苗

基 因 治 療Campbell (1990) Biology, p. 351血 友 病 為 遺 傳 缺 陷腺 病 毒adenovirus修 正 基 因插 入 修 正 基 因感 染 病 人 細 胞取 出 病 人 細 胞修 正 基 因轉 入 病 人細 胞 中注 射 修 正 細 胞Juang RH (2005) BCbasics

人 體 的 基 因 已 經 全 數 解 碼肺 炎 球 菌Science基因體序列幽 門 螺 旋 桿 菌

核 酸 晶 片 利 用 DNA 雜 合 反 應樣 本 核 酸相 同 的 DNA 會 互 相 雜 合生 物 晶 片每 一 點 上 塗 佈 有 已 知 DNASchena (2000) Microarray Biochip Technology, p. A31產 生訊 號Juang RH (200) BCbasics

由 化 石 所 得 DNA 來 複 製生 物 仍 然 還 只 是 科 幻 電 影株 羅 紀 公 園牛 頓

反 義 基 因番 茄 殖 入 反 義 基 因可 防 止 軟 化Nature Biotechnology抑 制 果 肉 軟 化 的 酵 素( 果 膠 脢 pectinase)

細 胞 培 養人 工 培 養 生 物 細 胞 , 可 大 量 生 產 所 代 謝的 有 用 物 質 , 或 經 再 生 成 為 新 個 體 。基 因 治 療Gene therapy複 製 生 物Animalcloning植 物組 織 培 養Tissue culture● 生 長 激 素 基 因 導 入 小 鼠 卵 子● 血 友 病 缺 凝 血 因 子 VIII 基 因● 複 製 生 物 個 体 (Dolly sheep)● 異 種 器 官 移 植● 幹 細 胞 stem cell 培 養 及 分 化● 抗 虫 抗 病 基 因 轉 殖 植 物● 人 蔘 紫 杉 蘭 花 組 織 培 養● 兩 品 種 融 合 產 生 新 種Juang RH (2005) BCbasics

受 精 胚 胎 第 一 次 分 裂 後 以 人 工 分 開複 製 生 物同卵雙胞桃 莉 的 誕 生 沒 有 經 過 授 精 過 程牛 頓 (1985) no. 23 p. 103Nature Biotechnology

複 製 生 物代 母桃 莉 母 親 的乳 腺 細 胞 核代 理 孕 母 的無 核 卵 母 細 胞單 性 生 殖 :胚 胎 的 遺 傳 信 息僅 來 自 單 一 細 胞沒 有 經 過 受 精 過 程↑ 台 大 畜 產 系 鄭 登 貴 教 授

異 種 器 官 移 植基 因 改 造 方 法 可 去 除 豬 細 胞 上 引 起 人 體 排 斥 的 標 誌人 類 抗 體表 面 抗 原X豬 細 胞豬 細 胞Juang RH (2005) BCbasics

體 細 胞 只 有 少 數 能 夠 進 行 分 化幹 細 胞 骨 髓 臍 帶 血

Scientific American溶 解 細 胞 壁植 物 細 胞 再 生紫 杉 醇Nature Biotechnology每 一 植 物 細 胞 都 有 極 強 的 再 生 能 力原 生 質 體Trends in Biotechnology癒 創 組 織再 生 植 株Life Processes of Plants固 定 化 細 胞

原 生 質 体 細 胞 融 合J.F. Shepard (1983) Science 219: 683-688Potato+TomatoPomato

牛 頓 (1985) no. 23 p.100細 胞 融 合融 合 瘤National Geographic

抗 原1 2 3 4單 株 抗 體 製 備 過 程免 疫BALB/c1 2 3 4B 細 胞x12 3 412 34m m mm取 出 脾 細 胞+癌 細 胞細 胞 融 合1 2 3 41 2 3 4傳 統 抗 血 清所 有 抗 體 混 合單 株 抗 體各 抗 體 分 開Adapted from Milstein (1980) Scientific American, Oct. p.58

迷 爾 使 呆 的 研 究 日 誌迷 爾 使 呆 的 研 究 日 誌Kohler & Milstein (1984)Juang RH (2005) BCbasics

單 株 抗 體 的 高 度 專 一 性 有 很 多 用 途單 株 抗 体 是 對 其 抗 原 有 極 強 專 一 性 的魔 彈 (magic bullet) 或 巡 弋 飛 彈研 究醫 療檢 驗以 免 疫 轉 印 法 偵 測 特 定 抗 原以 毒 素 連 結 抗 体 攻 擊 病 變 細 胞以 ELISA 偵 測 特 定 病 原 体Juang RH (2005) BCbasics

以單株抗體來清除體內癌細胞National Geographic

酵 素 工 技將 酵 素 固 定 化 或 修 飾 , 可 增 加 穩 定 性 或專 一 性 ; 也 有 人 造 酵 素 或 催 化 性 抗 體 。● 生 物 体 內 的 每 一 生 化 反 應都 有 酵 素 專 門 負 責 催 化 :AE專 一 性B● 酵 素 可 催 化 許 多 有 用 的 生 化 反 應 :( 麵 粉 ) 澱 粉 →→ 葡 萄 糖 →→→→→→→ 酒 精 ( 啤 酒 )● 由 genomics 到 proteomics:由 未 知 生 物 的 整 體 蛋 白 質 表 現 , 即 可 推 知 其 代 謝 及 生 理 。Juang RH (2005) BCbasics

酵 素 電 極 可 方 便 快 速 偵 測 各 種 物 質酵 素 電 極 膜牛 頓 (1985) no. 23 p.108

奈 米 科 技 – 蛋 白 質 是 自 然 界 現 成 的 奈 米 機 器Scientific American (2001) September; August, p. 46

Vision on Taiwan生 物 技 術電 子 資 訊台 灣 優 勢(1) 優 越 的 地 理 條 件(2) 豐 沛 的 人 才 資 源(3) 獨 特 的 華 文 世 界 條 件(4) 本 地 現 有 的 生 物 技 術產 業 環 境 與 科 技(5) 結 合 台 灣 強 大 的 電 子資 訊 產 業 力 量Juang RH (2005) BCbasics