生物科技与生活

1、.PAGE ：.；PAGE 24生物科技與生活大仁科技大學生物科技系 何婉清教授壹、前言生物科技的發展已經繼資訊產業，成為全球工業國家產業發展的主流。在這個時代，人類食、衣、住、行以及醫藥保健的任何產品能够都和生物科技脫不了關係，它將和各種產業結合，在各種生活層面上影響著我們。此外和生物技術有關的議題，也會不断成為人們留意的焦點，例如，無論我們在哪裡，一定不會不留意有關桃莉羊出生及死亡的頭條新聞；不會不留意到人類器官移植需求的願望。此外，我們能否思索過以下的議題：人類的複製能否該被制止？具有醫療價值的幹細胞能否可被複製？我們能否有權力複製動物來取用牠們的器官？我們對基因改造食品能否有足夠的風險

2、評估？我們能否有權力改變人類的基因，使人類變得更安康、更聰明？能否一個人具有所謂的好基因，就會成為一個比較好的人？本課程的教學目標就是要幫助學生了解有關生物技術、生物科技、複製的基礎知識、技艺，它對人類的貢獻以及可應用的範圍，更重要的是要以人文、社會及品德的觀點來討論圍繞在這新技術的一些具爭論性的問題。貳、生物技術的定義及範疇生物技術biotechnology是應用微生物、植物或動物的細胞及其成分，經工業化的生物生產程序，用以改進人類生活素質的科學技術，是一門新近崛起的尖端科技，被列為我國現階段八大重點科技之一。回溯世界科技史，生物技術可說是一項古老的科技，我們日常生活中常吃的釀造和醱酵食品如

3、：酒類、醬油、醋，以及味精等，都是早年應用生物技術製造的產品。晚近興起的遺傳工程基因重組技術、細胞交融技術、生體反應利用技術、細胞培養技術、組織培養技術、胚移植技術及細胞核移植技術等生物技術，為傳統的生物技術開拓了更為精緻、深奧廣闊的領域，因此促成了革命性的發展，构成了一門嶄新的科技-“新生物技術。二十世紀是科技的世紀，尤其在中葉以後，生物科學以及其後的分子生物學的發展及其應用，可謂一日千里。自從一九二八年英國的醫生佛來明爵士Sir Alexander Fleming發現盤尼西林青黴素，penicillin以來，生物技術的發展逐漸進入工業化。一九五三年華特森J.D Watson與柯立克F. C

4、rick發現去氧核糖核酸的雙螺旋體結構DNA double helix為遺傳基因的根本構造以後，生物科學的研讨立刻進入一個新的紀元。分子遺傳學的崛起，生物化學的起飛，導致微生物學應用領域的擴大。參、生物技術的應用範疇根本上，生物技術是由很多不同學門所組成的綜合體，由於各種學門都有其不同的特性及其研讨領域，因此，生物技術的定義與範疇是非常廣的。很多人以為生物技術就是遺傳工程genetic engineering，其實從美國數百家生物技術公司的名單中，不難看出其中約有三分之二的公司，其產品是靠遺傳工程技術來開發新產品。但是日本的生物技術公司及其生物工業的研讨發展重點，卻被放在醱酵技術ferment

5、ation technology及酵素技術enzyme technology上。近年來，許多歐美及日本的生物技術公司，正積極地應用組織培養技術tissue culture technique及動、植物的細胞培養技術cell culture technique來開發新產品。在畜牧業上，胚移植embryo transplantation及細胞核移植nucleus transplantation等技術也逐漸成為生物技術研讨發展的對象。目前比較能被普通人所接受的生物技術定義是利用微生物、動物細胞或植物細胞的培養及改良來製造產品的技術，稱之為生物技術。從另外一個角度來看，生物技術是應用微生物程序的擴大，

6、包括了動物細胞與植物細胞的應用。因此，由生命科學的進步而產生的生物技術，包括六種主要的關鍵性技術key technology：即1遺傳工程；2細胞交融cell fusion technology；3生體反應利用技術一包括醱酵技術、酵素技術及生物反應器bioreactor等；4細胞培養技術；5組織培養技術；6胚移植技術及細胞核移植技術。新發展的關鍵性技術與傳統性的生物技術相結合，构成了新的生物工業，其應用的範疇亦也因此擴大到農業、醫藥工業、醱酵及食品工業、特用化學工業、能源工業、礦業、環境淨化等領域圖一。茲將各產業所應用的技術分述如下：一、農業主要應用遺傳工程，細胞交融，植物組織培養等技術來進行

7、抗逆境，抗病蟲草害及高產量、高品質作物品種之育種，以及作物病害之偵測等任务。二、醱酵及食品工業利用醱酵等生體反應技術及酵素技術等來進行微生物如酵母菌及其代謝產品的生產；也利用遺傳工程技術及微生物篩選法進行微生物的育種。三、醫藥工業利用遺傳工程，細胞交融及微生物篩選等技術並結合生物反應器或酵素技術的生產流程來達到生產荷爾蒙，干擾素、抗生素、維他命、單源抗體的目的或研發生物感測器的製造。四、化學工業利用微生物篩選技術、及遺傳工程技術來篩選或研發基因轉殖微生物並利用生體反應技術達到脂肪酸、殺蟲劑及其他化學產品高效能的生產目的。五、能源工業利用遺傳工程及細胞交融技術以及細胞篩選或選殖生物質量bioma

8、ss合效果能高的微生物，並利用生物反應器達到生質能源生產的目的。六、環境及礦業工業以遺傳工程、細胞交融技術以及微生物篩選法來篩選或選殖具備分解或淨化功能的微生物，並以醱酵法在大型的生物反應器中進行廢水處理或改善金屬的浸濾過程。生物技術基因重組技術作物栽培品種改良食品加工能源環境保護製藥化學工業作物栽培品種改良食品加工能源製藥食品加工製藥化學工業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境保護製藥化學工業家畜飼養品種改良食品加工病毒鑑定藥物開發疾病診斷胚移植及核移植技術DNA微陣列技術細胞大量培養技術組織培養技術生體反應利用技術細胞交融技術關鍵性技術 主 要 應 用 對 象圖一、生物技術

9、的範疇及其主要的應用對象肆、生物技術的關鍵技術key technology一、遺傳工程genetic engineering技術遺傳工程技術即所謂的DNA重組技術recombinant DNA technology，此技術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合成才干或表現新的特性及功能。一遺傳工程技術的基礎不論是原核生物註1或具備細胞核註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。基因通常是以去氧核醣核酸DNA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是雙股的螺旋結構，兩股互補，假设其中一股的鹼基

10、是A，則另一股對應的一定是T；假设是C，則對應配對的一定是G。當DNA複製圖二時，兩股間的鹼基鍵便會被切斷，變成兩條單股的DNA。每條DNA各成為模板與對應的鹼基結合，构成兩條完成一样的DNA。由於DNA複製註6，主要的原理是構造的互補，因此才干很忠實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主要存在於細胞核，還有小部分存在細胞質的粒線體。DNA並非單獨存在，它必須跟組織蛋白結合，外觀看起來有點像珍珠項鍊，而且鍊子還會纏繞在一同 构成一種絲狀的結構。當細胞分裂時，這個絲狀結構會更進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。基因假设要發揮作用，得經過一連串的轉換。

11、首先，DNA必須經過轉錄transcription作用註8，產生核醣核酸RNA註9，核醣核酸再經轉譯translation作用產生蛋白質圖三。通常遺傳密碼註10可決定蛋白質的胺基酸序列，而蛋白質是讓基因發揮作用的實際物質。在轉譯的過程中，每三個鹼基是一個密碼稱密碼子註11，譬如說CAT，第一個鹼基是C，第二個是A，第三個是T，這三個鹼基代表HIS這個胺基酸。所以每一個訊息會翻譯成什麼樣的蛋白質，是有一定的依據，這樣才不會製造出錯誤的訊息。遺傳訊息雖由DNA傳達，但蛋白質才是使生命現象能表達的物質。蛋白質分結構蛋白質及功能蛋白。蛋白質都知道本人的去處和功能。有的蛋白質要被分泌到細胞外面去，如擔任

12、生理調整功能的賀爾蒙；有些蛋白質則又必須回到細胞核裡面，去擔任基因表達調控的任务。圖三、DNA的轉錄transcription及轉譯translation作用二DNA重組技術recombinant DNA technology基因重組技術註12的第一步是先以分子生物化學的方法，將能控制某種功能或能表達某種特性的基因從動物，人體或植物細胞中分離出來。換句話就是先找到這段功能基因，並將它剪下來。目前擔任剪刀角色的是核酸內切限制酶restriction endonuclease註13，能將染色體剪斷。下一個步驟就是要將這段基因運送到欲表現功能生物的細胞內，這個能擔任司機角色的構培育稱為載體vecto

13、r註14常用的載體有質體plasmid及反轉錄病毒註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胞的質體plasmid上，質體是環狀DNA，性質活潑，可以做為運送基因的載體。其方法為將質體找出來，接著运用限制酶這把剪刀，將質體切開，將能製造胰島素的基因嵌進去，再运用連接酶ligase將切斷的兩頭連接起來，又回復成為環狀。這種帶有外來基因的質體，不但可以魚目混珠地混進大腸桿菌的細胞裏去，而且還能在大腸桿菌的細胞裏自行繁衍圖五。圖五、DNA重組技術

14、二、細胞交融技術以人為的操作，將兩個不同生物細胞的染色體及細胞質相互交融，使成為一個新雜種細胞hybrid cell的技術，稱為細胞交融技術。這種技術已在農業及醫用藥物的生產上，開拓了多方面的發展途徑。細胞交融技術發展的另一趨勢是合成交融瘤hybridoma，在應用上將為診斷劑及醫藥品的生產開創一個新境界。交融瘤hybridoma為兩個細胞交融成的雜種細胞，優點是擁有兩個細胞的持微。普通分化後的細胞經培養也不分裂，將這種細胞與能夠無限增殖的腫瘤細胞交融，可构成既保有分化細胞的性狀，又能增殖的交融瘤。交融瘤最常用來製造抗體，抗體是異物從外部侵入體內時，淋巴球B細胞製造的攻擊用蛋白質。體內製造的抗

15、體種類繁多，製造抗體的B細胞，種類也和抗體一樣多圖六。我們大量需求1種抗體時，取出1個B細胞培養，B細胞也會因為壽命的緣故而無法增殖。假设將B細胞與骨髓腫瘤細胞交融成交融瘤，該交融瘤除保有B細胞製造抗體的性質，又能增殖，則可大量生成1種抗體。生成的均質抗體，稱作單株抗體monoclonl antibody圖六。假设以人類腫瘤癌細胞當做抗原，所產生的交融瘤單株抗體假设與藥物結合，使可直奔癌細胞，進行專一性的治療。圖六、利用交融瘤生產單源抗體淋巴球lymphocytes會對抗原決定基antigenic determinant各別產生特異的抗體。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胞與骨髓腫瘤細胞myeloma cells交融，將所得雜交腫瘤細胞hybrid-myeloma cells純化繁衍clone後，可得純粹的單源抗體monoclonal antibodies。三、生體反應利用技術生體反應利用技術，包括酵素技術、醱酵技術及生物反應器等關鍵性技術。目前酵素已經在遺傳工程上顯現威力，為遺傳工程中不可短少的一項利器；而醱酵技術，可說是最古老的生物技術，目前的重點在於如何改進，提高產能。生物反應器是將過去屬於理化學的工業，改變為以微生物或酵素作觸媒的醱酵化學工業。這種技術極適合於節省能源與資源，且為具有環保功

17、能的現代化學工業。一酵素技術酵素可說是研讨生命科學上最重要的工具。近幾十年來在分子生物學及遺傳工程學上的蓬勃發展及其豐碩的成果，主要是歸功於酵素的應用。酵素在食品工業的應用興起最早，並且佔有最重要的位置。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，進一步將澱粉酶和葡萄糖異構酶glucose isomerase配合运用，並將酵素加以固定製成所謂固定化酵素反應器enzyme reactor圖七，不但可以在小體積的反應器內，以最短的時間完成大量物質的反應，並可將酵素反覆运用，而建立自動化反應系統。如此，利用低廉價格的澱粉為原料，已可製废品質與蔗糖轉化物一样的異構化糖產品或高果糖漿high fructose syrup，威脅蔗糖工業的存在。目前更可將異構化糖液中的葡萄糖和果糖分離後，將葡萄糖循環於反應器內，而獲得高純度的果糖，可供特殊用途。在醫藥上，一些消化酵素製劑除用於幫助消化的醫療外，酵素

19、直接應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，均被运用於血栓症的治療；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症病患。此外，尚有許多臨床檢驗用的酵素被開發應用。在尖端科技的遺傳工程研讨發展中，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十種之多。其中比較常用的酵素是核酸內切限制酶restriction endonuclease，它擔任剪刀的角色，在遺傳工程中，核酸內切限制酶就是負

20、責將DNA切開，將所需求的那一段DNA切下來。下一步操作則需求將此段DNA膠合在適當的細胞的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。在酵素的應用方面，固定化酵素immobilized enzymes圖七將是未來酵素工業的主流。目前酵素工業遭到的限制，部分是由於酵素的供應量缺乏所引起，固定化酵素技術的引進，使工業界能發展出一套新流程，其特征為酵素穩定性的添加，以及能夠將酵素轉化效率作最有效的控制。此外，將細菌、酵母菌、真菌、植物與動物細胞固定，可以成為固定化複合酵素系統immobilized multi -enzyme systems，其優點可以彌補以往

21、極昂貴，費時且低效率的化學轉化程序。因此，現有產品以及新產品皆可應用酵素技術來生產。圖七、酵素的固定化方法及各種反應器的方式圖S：基質 P：生成物 E：固定化酵素或酵素液ACSTR連續攪拌槽型反應器B中空系膜型反應器C三相流動層反應器D回轉圓板型反應器E流動層型反應器F中空系膜型反應器GPER充填層反應器二醱酵技術所謂醱酵工業就是以微生物的細胞機能處理大量物質，使之轉換為高價值產品的工業。其中微生物扮演關鍵性角色。例如前述牛奶會變酸，是乳酸菌的作用；酒類會成為醋酸，就是醋酸菌活動的結果；而飯菜會變酸，也是由於空氣中黴菌和細菌的作用。因此，利用微生物這種轉化物質的才干，以最經濟的方法生產符合人類

22、生活所需求的產品，這就是醱酵工業技術。第二次世界大戰末期，由於青黴素panicillin的大量生產，使醱酵工業的實質及技術發生了宏大的改變。戰後，微生物反應的應用技術益加進展，抗生素、酵素、胺基酸、單細胞蛋白質等複雜化合物的生產，或對類固醇、生物鹼等複雜分子加以特異反應的技術開發，致使舊有的醱酵工業完全改觀。以大型的通氣攪拌醱酵槽作大量培養的方法，在今日已成為很普遍的手法，而在此發展中累積的學術研讨成果甚為可觀。圖八、各種型式的生物反應器氣泡型bubble type，2空氣升液型airlift type槳葉輪翼氣泡型paddle-impeller-bubble type渦輪式攪動型turbin

23、e-impeller type渦輪式覺動通風管型turbine-impeller-draft tube type三生物反應器生物反應器是將過去屬於理化學的工業，改變以微生物或酵素作為觸媒的發酵化學工業的生體反應利用技術上頁圖八。這種技術能夠節省大量能源，資源得以充分利用，不致浪費，是既環保又先進的一種化學工業。有關微生物或酵素的操作、生物產品的生產技術需求有特殊的處理程序及特殊的管理與控制方法。因此，程序與系統工程process and system engineering在生物技術的應用與工業化過程中，扮演著重要的角色。普通用生物反應器進行生物轉化的程序可用圖九表示如下：圖九、生物轉化程序的

24、流程四、細胞培養技術一微生物細胞培養技術利用基因重組技術或細胞交融技術育成能生產有用物質例如，胰島素、干擾素、生長激素等醫藥品或能進行高效率酒精醱酵的微生物，在進入工業化量產前都需求確立能迅速且廉價的細胞大量培養技術。這種技術為生物工業成立的必須條件。尤其是以基因重組技術培育胜利的微生物例如，大腸桿菌，在細胞內移植的質體，通常在培養過程中，容易自宿主細胞脫離出來。因此，如何防止質體的脫落，是在細胞大量培養上必須解決的問題。二植物細胞培養技術。三動物細胞培養技術。五、植物組織培養技術植物的細胞或組織可在培養基上构成癒傷組織callus註16。植物的細胞具有全能性totipotency，因此癒傷組

25、織可分化成具備根、莖、葉的完好植物體。植物組織培養技術包括莖頂培養技術，花藥培養技術、體細胞培養技術及胚培養技術。圖十、十一、十二分別為植物組織培養室的平面設計圖，以及可做示範的豆苗莖頂培養的簡易步驟及工具。圖十、植物組織培養室的平面設計圖圖十一、簡易的莖頂培養技術豆苗的莖頂培養圖十二、豆苗莖頂培養的器皿及工具六、胚移植技術及細胞核移植技術一胚移植技術有關家畜受精卵的移植技術，在1960年代後期已開始研讨，如今已進入實用化的階段。但在1975年以後，又另外開發了受精卵分割胚的移植技術，這種新生物技術在家畜生產領域的應用，遂更加遭到矚目。1978年，英國的魏拉遜Willadsen在顯微鏡下操作手

26、術，分切兩細胞期的受精卵胚成為兩個分切胚，並將此分切胚移植於母羊的子宮，而胜利地生產了一卵雙胞胎。從此，胚移植的研讨開發大為盛行，目前在羊、老鼠及牛的胚移植技術上，也有很大的進展，已證實了一卵多胎生產的可行性。二細胞核移植技術從優良家畜的體細胞取出細胞核，另自非優良母畜的子宮內取出受精卵，並取出其胚細胞的細胞核後，移植上述體細胞核，再將此具有優良細胞核的受精卵移植於非優良母畜的子宮內所謂借腹生產，使其發育生長，使可生產優良的子畜。1996年，英國洛斯林研讨室發表的純系複製綿羊桃莉註17，使是第一個胜利的體細胞核移植家畜。伍、生物技術在醫學上的應用生物技術應用於醫學上，如藥物及疫苗製造、基因診斷

27、、基因治療等，已為醫療事業帶來革命性發展。一、藥物的製造遺傳工程能將各種生物包括人類的基因轉殖到可大量繁衍的細胞，如細菌、酵母菌、動物及植物細胞，以製造藥物。尤其是細菌已成為生物工廠，可以大量生產藥物，最先應用遺傳工程技術生產的藥物是胰島素。含血纖維蛋白溶酶基因的轉殖山羊，可生產血纖維蛋白溶酶，用於治療心臟病及動脈阻塞，一頭含此基因的羊每天可生產7萬美圆的藥物。市場上遺傳工程藥物及疫苗已相當多。已經在运用的遺傳工程藥物藥物名稱治療病症胰島素糖尿病生長激素腦垂體分泌不良、侏儒症血纖維蛋白溶酶心臟病、血管阻塞干擾素癌症紅血球生成素刺激紅血球构成的激素貧血症白血球介素2協助T淋巴球构成癌症腫瘤壞死因

28、子癌症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殖到酵母菌內，酵母菌就可產生B型肝炎外表抗原，將這種外表抗原做成疫苗，可以有效的預防B型肝炎感染。研發中的還有食品疫苗，例如將B型肝炎病毒的外表抗原基因轉殖於香蕉，使香蕉果實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生抗體，而達成免疫作用。三、單株抗體monoclonal antibody由單一B淋巴球與骨髓瘤細胞交融的交融瘤細胞，產生的單一抗體稱為單株抗體，用於治療或檢驗特定蛋白質。四、基因治療遺傳疾病能够由一個或多個基因的功能受損害而引起。治療遺傳疾病可以設法以安康的基因

29、替換缺陷的基因，或者改變受精卵的基因組成。基因治療被認為是二十一世紀的醫療希望，特別是遺傳疾病。五、檢驗利器DNA指紋DNA指紋亦稱DNA鑑定圖十三，已廣泛應用在親子和刑事醫學的鑑定。DNA指紋是利用限制酶將DNA分子切成許多長短不一的片段。各種片段在電場中移動時，片段短者移動較快，片段長者移動較慢。移動後的DNA經過特別處理，會顯現不同的帶狀分布。在親子鑑定時，由於子代繼承父母各一半的基因，所以DNA指紋中有一半環帶的分布與父親一样，而另一半則與母親一样。經過仔細比對後，親子關係就可以鑑定。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療過程，但器官移殖有器官來源缺乏、排斥等問題

30、。利用組織工程培養器官是解決問題方法之一，目前已有培養的皮膚、血管、肝臟、膀胱等器官正在运用或研發中。七、試管嬰兒利用體外受精技術，將卵在體外受精，培養成為初期胚胎，然後殖入子宮中發育成嬰兒。自1978年技術胜利後，現在普遍用來解決不能生育的問題。陸、生物技術在工業上的應用利用微生物大量生產商品，尤其是藉基因工程改變微生物的基因組成，大量生產工業酵素、化學原料、食品原料。一、食品工業：人工甜味劑阿斯巴甜、果寡糖、甲殼素等。二、化妝品工業：如含紫草紅色素的口紅，取代人工色素。三、能源工業：生質能源如醱酵產生酒精、甲烷等。四、清潔工業：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：蛋白酶、脂肪酶除去毛髮、油脂。六、生產化學原料：如胺基酸、乙醇、丙酮、乳酸、醋酸、澱粉等。柒、生物技術在農業上的應用一、傳統育種與基因工程改造植物之差別傳統育種基因工程改造植物1.耗時1.省時2.有遺傳學上的限制2.可自任何生物获得選殖基因3.不可有效的控制育種結果3.確實的殖入所需求的遺傳基因PAGE PAGE 36二、植物生物技術在農業上的應用一抗殺草劑基因轉殖作物。二利用生物技術添加作物之固氮才干。三抗蟲基因轉殖作物。四抗寒作物。五抗逆境作物。六改進作物品質。1.添加蛋白質含量2.添加植物組織中人體必需氨基酸的含量3.添加作物之營養價值4.添加飼料的消化性能5.藥用植物之發展七植物

32、成熟期調整及添加收獲後之耐貯性等，如1994年美國加州基因公司calgene所開發的生技番茄Bio-tomato註18，使具有耐儲藏的特性。三、動物生物技術在農業上的應用一添加牛乳、肉、蛋及飼料作物的產量。二禽、畜牧的預防及治療。三改進畜產品的品質1.如利用遺傳工程生產低膽固醇的蛋。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特殊蛋白質1.利用動物轉殖基因技術，培育基因轉移動物註19，如使牛能在牛乳中生產胰島素或荷爾蒙。2.利用羊奶生產人類之凝血因子。五利用動物胚胎技術加速純系動物之繁衍效率。六利用生技產品來添加禽畜之生產效能。四、微生物生物技術在農業上的應用一醱酵技術1.醱酵的目

33、的1食品保管2添加食物之營養價值3改進食物之風味4生產微生物細胞、酵素、代謝產物等2.醱酵的種類1傳統的醱酵2生物反應器二微生物生物技術在農業生產上的應用1.生物防治微生物之生產2.固氮菌之生產3.反芻動物有益腸內菌的生產4.動物荷爾蒙或胰島素之生產5.乳酸菌的生產三微生物生物技術在食品工業上的應用1.改進醱酵食品的品質2.發展新的加工食品3.改進食品的平安4.食品平安檢驗技術的應用四微生物生物技術在環境保護上的應用1.生物分解作用2.有毒物質之分解捌、與生物技術相關的行業一、與農業相關的行業酵素、食品添加、飼料、動植物育種、農藥、疫苗、植物荷爾蒙、肥料、病害診斷等。二、其他相關行業品質控制、

34、動植物檢疫、製造業、生產業、資訊系統業、市場行銷、行政管理。玖、生物技術與人文生物科技的進步，帶給人類美麗的遠景，也帶來潛在的和未知的危險。所謂水可載舟，亦可覆舟，生物科技對生態和社會能够呵斥的好處與風險都需求仔細評估。有關社會、法律、生態、倫理品德等方面的問題都需求未雨綢繆。一、潛在危險一操作過程的潛在危險在微生物遺傳工程的操作過程，能够會製造出危險的有毒生物、廢棄物，或者發生微生物逸出事件。為了防止事件的發生，需制定嚴格的平安規則和缜密的隔離措施。二遺傳工程產物的潛在危險遺傳工程產物具有潛在的危險性和副作用，長期运用能否會有後遺症？又如用來生產胰島素和生長激素的大腸菌，假设回到人體。將是禍

35、害無窮，因為過多的胰島素及生長激素對人體是有害的。基因轉殖食物能够引起生病、過敏等。二、社會觀點看生物技術醫療技術、新品種生物的專利，能否會呵斥壟斷？貧富不均呵斥資源享用的不公平有錢人可做基因轉殖；生物科技艺否對傳統產業產生排擠作用？這些都是整個社會的問題。當1970年，美國展開鐮刀型細胞貧血症篩檢任务，協助人民發現本人潛在的疾病。但是有些美國的非洲後裔青年因帶有此病基因，被保險公司拒絕投保，有的無法進入空軍官校或航空公司任务等，顯現能够呵斥無意的傷害或基因歧視。三、倫理觀與法律觀看生物技術一切基因工程發展的產物，實際上都伴隨著倫理和法律問題。諸如：一衝擊倫理關係人假设可以複製，人類社會的倫理

36、關係，例如親子、夫妻關係將遭到嚴重影響。試管嬰兒技術為許多無法生育的夫婦帶來希望。但父親、代理孕母、母親等關係複雜，會帶來不少倫理和法律的問題。二誰有權利人類基因體的完成，將開啟基因診斷與治療發展的大門，同時它也產生了倫理與法律問題，譬如誰有權利檢視他人的基因體隱私權？如何运用這些遺傳資訊？個人的基因體能否影響到職業選擇的公平性？保險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、生物技術的生態風險和對生物演化的影響轉殖生物其實是人類創新的新生物，能够會加速生物的演化，影響原有的生態系。轉殖生物能够發生以下變化：一轉殖生物能够發生突變，產生超出人類預期的影響。二轉殖生物能够產生基因的

37、擴散抗殺草劑植物在自然界可藉傳粉作用，將基因四處散播，野草能够會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。三轉殖生物能够產生超級植物抗病蟲害植物可抗病蟲害，將在自然界成為超級植物，大量繁衍构成生態的大災難。能够降低生物歧異度，不利生態的平衡。四人成為生物演化的力量之一，是相當危險的人類的科技固然進步很多，但對生命現象的了解依然有限，對演化與自然平衡的機制仍未能全盤掌握，冒然的改造生物基因，對未來生命世界的影響，仍是個未知數。假设是不好的影響該怎麼辦？！五、人類對生物技術應有的態度總之，就目前的基因工程發展而言，一切尚在人類的掌握中，未曾有嚴重危險事件發生，人類對生物技術應

38、有的根本態度應該是：一生物技術是以服務人類為原則。二必須尊重人權、平等和隱私。三誡慎小心，未雨綢繆。四應與自然界的生物共存共榮，不應過度干預自然法則。註1原核細胞原核細胞為不具細胞核構造的細胞，這是相對於真核細胞的名詞。原核細胞攜帶遺傳情報的DNA呈環狀，以裸露狀態存於細胞質cytoplasm中。相對地，真核細胞的DNA則包在細胞核中。此外，原核細胞沒有粒線體、葉綠體、高爾基氏體Golgi body等真核細胞可見的各種胞器organelle，即使以電子顯微鏡觀察，細胞質部分也看不到清楚的構造。生命演化過程中出現的原始細胞能够是原核細胞，現存於地球上的一切生物，能够均源自30億年以前誕生的原核細

39、胞。由原核細胞構成的生物稱為原核生物，可大分為細菌真細菌與原始細菌archaebacteria兩群。原核生物主要包含由一個細胞構成一個個體的單細胞生物，細胞通常為110微米大，最近則發現由一個100微米以上細胞所構成的宏大原核生物。註2細胞核細胞核為由雙重膜构成的胞器，真核細胞即因具有細胞核而得真核之名。細胞核為細胞中最顯著的構造，通常一個真核細胞擁有一個細胞核。細胞核將攜帶遺傳情報的DNA包住。雙重膜的內側膜稱為內膜；外側膜稱為外膜，外膜和內質網相連。核膜上開有許多小孔核孔，細胞核與細胞質間的連絡，即透過核孔進行。真核細胞DNA的轉錄transcription，DNA情報轉寫成mRNA，在核

40、中進行。mRNA經核孔來到細胞質，在細胞質中進行轉譯translation，根據mRNA的情報，進行蛋白質的合成。不具細胞核的原核生物，不論轉錄或轉譯都在細胞質中進行。真核細胞如何獲得細胞核仍不清楚。真核細胞的祖先能够因原核細胞的細胞膜向內側縊縮，包住DNA，而构成細胞核。註3真核細胞真核細胞內含有具雙重膜所包圍的細胞核，因此而得真核之名。真核細胞除了細胞核之外，還擁有高爾基氏體、葉綠體假设為植物、內質網endoplasmic reticulum等胞器，以及細胞骨架cytoskeleton。真核細胞的大小普通為5100微米，比原核細胞大，有攜帶大量遺傳情報的DNA。原核細胞的RNA、蛋白質與D

41、NA同樣在細胞質內合成；真核細胞攜帶遺傳情報的DNA則包在細胞核中，因此其RNA在細胞核中合成，蛋白質則在細胞質中合成。地球上廣見的動物、植物、真菌等均由真核細胞構成。真核細胞在原核細胞出現20億年以後，大約15億年前出現，因攜帶遠比原核細胞多的遺傳情報，任務並由胞器分擔，因此而可發展出複雜的功能。我們可以說，由於真核細胞這種優秀細胞的誕生，地球上的生物遂得以多樣性的演化。註4基因基因是指細胞內決定生物遺傳性狀的單位，這是孟德爾於1865年所提倡的概念。我們可以觀察到，細胞核中的染色體如孟德爾所提倡的基因般，分配到配子。摩根於1926年發表基因學說gene theory，闡明基因陈列在染色體上

42、。細胞核中有核酸、蛋白質等種種物質；核酸是由核糖、磷酸、4種鹼基所构成的單純物質，蛋白質則是種類非常多的複雜分子，因此當初預測基因的主體物質能够是蛋白質。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，發現R型菌會轉變成S型菌的性狀轉換transform現象；1944年，歐茲華德艾佛里發表，引起這種性狀轉換的物質遺傳物質為DNA。1952年赫西與傑斯利用噬菌體作實驗，證實遺傳物質就是DNA。註5DNADNA為去氧核糖核酸，是構成基因的物質，也是一種核酸。核酸為在細胞核中發現的酸性物質，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長相連成股，以同一軸為中心捲成螺旋狀的雙螺旋構造。糖與磷酸构成外側的鏈chain部分，鹼基則朝向內側。DNA的鹼基有腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、鳥嘌呤G、胞嘧啶C種。華生和克里克根據鹼基的存在比發現，A與T為對、G與C 為對，另外根據X光拍攝的DNA晶體結構照片，於1953年發表DNA的雙螺旋構造模型華生克里克模型。2股DNA的鹼基以A與T、G與C的方式結合【稱作鹼基對base pair】，呈扭轉的梯子形狀，這個構造可妥善說明基因的特微。註6DNA的複製遺傳物質genetic materialDNA於細胞分裂時必須正確複製，分配到子細胞。複製時，DNA雙股間

44、的鹼基鍵被切斷，成為2條單股的DNA。細胞內有許多分別擁有A、T、G、C鹽基的核苷酸，這些核苷酸好像零件，對應單股DNA的鹼基陈列方式【鹽基序列base sequence】連接成新股DNA。DNA 2股的鹼基序列並不一样，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。 這種構造彼此互補complementary。如此构成2條雙股DNA，每條雙股DNA由原來的1股DNA與新合成的1股DNA構成，新构成的2條雙股DNA與原來的雙股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染色體位於真核細胞細胞核中的DNA，與名為組織蛋白histone的蛋白質結合，构成細絲狀的染色質chromatin，染色質無法以顯微鏡觀察。細胞分裂時，染色質縮合condensation成粗繩狀，才可用顯微鏡觀察；這種繩狀構造稱作染色體chromosome，因容易被顯微鏡觀察用色素染上顏色，而得染色體之名。細胞分裂時能夠觀察到的染色體數，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分子構成，人類的遺傳情報分布在46條染色體46條DNA分子上。 將人類1個體細胞中的46條DNA全部連在一同，長可達2公尺。DNA與蛋白質构成名為染色質的複合體後，整齊摺疊，收納在直

46、徑10微米左右的細胞核中。註8DNA的轉錄、翻譯根據DNA的遺傳情報亦即鹼基序列製造蛋白質時，首先須將DNA的鹽基序列轉寫成mRNA，再根據mRNA的鹼基序列實際合成蛋白質。將DNA的情報轉寫成mRNA的過程稱作轉錄，由mRNA合成蛋白質稱作翻譯。轉錄時，DNA鹼基序列會用來合成互補的mRNA。互補的序列指鹼基與鹼基鍵結的序列，A與TRNA為U、G與C。假設DNA的序列為CAT，與DNA序列互補的mRNA序列為GUA。在轉譯的過程中，mRNA會與細胞內名為核糖體的粒子結合，tRNA則會運來與mRNA密碼子對應的胺基酸。胺基酸在核糖上逐漸連接，直到出現代表終止的密碼子。連接的胺基酸離開核糖體，摺

47、疊成蛋白質。註9RNARNA為核糖核酸，是核酸的一種，雖與DNA同樣以糖、磷酸、鹼基所构成的核苷酸為構成單位，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是協助基因DNA製造蛋白質的物質，依角色不同，分為mRNA【信使RNAmessenger RNA】、tRNA【轉移RNAmessenger RNA】rRNA【核糖體RNAribosomal RNA】種。mRNA在根據的DNA基因情報合成蛋白質時，扮演著傳遞胺基酸種類、順序等情報的角色，以股DNA為模板而构成。指定蛋白質情報的那股DNA，稱作有意義鏈sense strand。tRNA 於蛋

48、白質合成時，將胺基酸運到核糖體。構成蛋白質的胺基酸有種，不同的tRNA分別對應不同的胺基酸。rRNA則是蛋白質的合成場所核糖體粒子。註10遺傳密碼遺傳密碼genetic code為決定蛋白質胺基酸序列amino acid sequence的DNA鹼基陈列。雖然基因的主體為DNA，但實際构成生物體組織、進行體內化學反應的，卻幾乎全是蛋白質。假设說DNA為生物體的設計圖，蛋白質就是實戰部隊，DNA的情報未轉換成蛋白質即不具意義。也就是說，DNA的遺傳情報遺傳密碼為製造蛋白質的情報。蛋白質為20種胺基酸以各種順序長長相連的物質。製造蛋白質時，哪個胺基酸以哪種順序陈列，都由DNA的鹼基序列base s

49、equence指定。也就是說，遺傳密碼為鹼基序列。密碼以字表示時，採用鹽基的縮寫-A、T、G、C。鹽基以3個為一組，指定1個胺基酸。3個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1組鹽基指定1個胺基酸，3個1組的鹽基序列稱作密碼子。顯示哪個密碼子對應哪個胺基酸的表，稱作遺傳密碼表。雖然蛋白質按照DNA的情報製造，但在製造前須先轉錄DNA鹽基為mRNA，蛋白質實際上是按照mRNA的鹽基序列合成。註12基因重組技術基因重組技術為將某DNA片段插入其他DNA分子的技術，又稱作DNA重組技術。利用這種技術，可讓大腸桿菌專門製造人類細胞才干製造的蛋白質。基因重組技術的根本步驟如下：

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

51、本人的噬菌體DNA，以自我防衛的酵素。我們已在各種細菌找到各種限制酶。基因重組技術則利用限制酶，於目標位置切斷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上扮演搬運基因角色的DNA分子，主要載體有質體plasmid、噬菌體phage、反轉錄病毒retrovirus。細菌除了染色體DNA以外，還擁有假设干小型環狀DNA，這些小型環狀DNA就是質體。噬菌體又稱為bacteri