1、生生物技術的概論物技術的概論 The Secret of How Life Works什麼是生物技術？n利用生物體本身或其產物來製造或生產對人類醫學、農業或工業有用的物質nBiotechnology（生物科技）nBioindustry（生物技術產業）傳統生物技術n育種（動物/植物）演化論的基礎n微生物利用n發酵技術n釀酒n醬油、醋、味噌n乳酪、優格n泡菜n生產抗生素、胺基酸等n生物性農藥：蘇力菌個體與細胞層次的應用個體與細胞層次的應用現代生物技術n基因重組(p.9)n細胞融合兩種細胞的基因可能同時表現n生體反應：把生物個體當作工廠n酵素技術將酵素固定成固態n增加酵素穩定性n延長使用期限n工業使
2、用：觸媒；民生使用：酵素洗衣粉n組織培養與細胞培養n胚與細胞核移轉複製生物分子層次的應用分子層次的應用生物技術發展史n1855 Mendel豌豆實驗古典遺傳n1882 Fleming觀察到染色體n1910 Morgan果蠅實驗性聯遺傳n1926 MullerX-ray可誘發突變生物技術發展史n1944 Avery,MacLeod&McCarthy肺炎雙球菌（鏈球菌）證明DNA為遺傳物質，發現細菌有性狀轉變(transform)的現象n1946 Delbruck&Hershey不同病毒結合能產生新型病毒DNA是有可能重組的生物技術發展史n1953 Watson&Crick(Rosalind Fr
3、anklin)DNA雙股螺旋結構DNA複製機制的推論n1964 Yanofsky證實DNA序列與蛋白質之胺基酸序列的對應關係生物技術發展史n1969 Beckwith 分離出第一個基因：細菌中負責醣類代謝的DNA片段n1970 Temin&Baltimore發現病毒的反轉錄酶(1975 Nobel Prize)n1970 Cohen&Boyer 將非洲蟾蜍基因插入細菌DNA並表現遺傳工程的起始n1978 美國Genetech公司及Duarte醫學中心選殖出人類胰島素基因1982FDA核准藉由細菌製造的人類胰島素上市生物技術發展史n1983 Mary-Dell Chilton第一株成功的基因轉殖
4、作物n1983 Huntington在人類第四對染色體上找到Huntingtons disease的遺傳標誌生物技術發展史n1983 Mullis發明PCR 可大量複製DNAn1984 Jefferys 發展 DNA Fingerprints的技術生物技術發展史n1989-2003 人類基因體計畫人類DNA序列的解碼n1990 Anderson第一次基因治療（先天免疫性疾病）n1991 Mary-Claire King發現乳癌之致癌基因(17th chromosome)n1993 Lanza複製第一個人類胚胎，引起極大爭議n1997 Roslin複製羊生物技術發展史n1998 Gearhart
5、&Thomson人類胚胎幹細胞n2007 日美團隊同時研發皮膚細胞培養幹細胞Cell,Nov.20Induction of Pluripotent Stem Cells from Adult Human Fibroblasts by Defined FactorsKazutoshi Takahashi,Koji Tanabe,Mari Ohnuki,Megumi Narita,Tomoko Ichisaka,Kiichiro Tomoda,and Shinya YamanakaScience online,Nov.20Induced Pluripotent Stem Cell Lines De
6、rived from Human Somatic CellsJunying Yu,Maxim A.Vodyanik,Kim Smuga-Otto,Jessica Antosiewicz-Bourget,Jennifer L Frane,Shulan Tian,Jeff Nie,Gudrun A.Jonsdottir,Victor Ruotti,Ron Stewart,Igor I.Slukvin,James A.Thomson 幹細胞培養方式的新突破Yamanaka:OCT3/4,SOX2,KLF4,c-MYCYu:OCT3/4,SOX2,NANOG,LIN28Induction of Plu
7、ripotent Stem Cells from Adult Human Fibroblasts by Defined FactorsTakahashi,Tanabe,Ohnuki,Narita,Tomoda,&YamanakaCell,Nov.20.生物技術發展重點 傳統生技 重組DNA時期 基因轉殖時期 基因體學:定序 後基因體時代:蛋白質體學，生物資訊學國際水稻基因組定序計劃(International Rice Genome Sequencing Project,IRGSP)n目標是完成水稻全基因組之定序工作(2002)1.水稻為世界極為重要的糧食作物2.水稻的基因組總共有430MB，
8、12對染色體，在所有作物是最小的3.水稻的遺傳、細胞遺傳研究已有成果，基因轉殖技術也已建立，其結果可進一步應用4.水稻和其他禾本科作物染色體之排列極為相似，水稻基因組分析之結果可應用於其他禾本科作物。n中央研究院植物基因組中心參與此計畫蛋白質體學 Proteomicsn短時間內大規模探討眾多蛋白質的功能短時間內大規模探討眾多蛋白質的功能又稱功能性基因體學,Functional genomicsn基因只是四種鹼基分子的特定排列組合，之所以對生物體有決定性的影響，乃是透過細胞內的轉錄(DNA mRNA)及轉譯(mRMA Protein)作用所製造出一個個功能不一的蛋白質來執行的n蛋白質體學的焦點，
9、放在系統的行為表現，而不是單一組成的結構生物資訊學 Bioinformatics嚴謹定義嚴謹定義n應用電腦工具貯存、採用、分析核酸和胺基酸序列數據和蛋白質結構數據 廣義定義廣義定義:n應用電腦工具貯存、採用、分析所有的生物數據，包含文字數據、血緣分類樹、代謝圖等 多應用在生物學的研究、藥物的設計和醫學上。生物技術未來趨勢n新的基因操作技術的產生生物晶片n基因工程藥物與疫苗n基因轉殖動植物食品安全？n生物基因體的研究（人類、水稻、阿拉伯芥）n人類重大疾病相關基因n農作物產量、質量、抗蟲、抗病相關基因n基因治療：癌症組成生物體最小的單位 細胞(cell)n原核細胞直徑大小約為0.25 微米微米(1
10、0-6)：細菌(bacteria)則屬於原核生物n真核細胞則稍大，介於1020 微米微米範圍：真菌(fungi)、植物(plants)和動物(animals)n目前已知能獨立生活 最小的生命體，為黴漿菌(Mycoplasma)，其大小只有0.3 微米。探索細胞內的奈米世界 n細胞核：去氧核醣核酸(deoxyribonucleic acid)，簡稱DNA；n細胞質：細胞結構(cytoskeleton)、內質網(endoplasmic reticulum)、核糖體(ribosome)、高基氏體(Golgi apparatus)、粒線體(mitochondrion)、微粒體(microbody,pe
11、roxisome)及溶小體(lysosome)等。細胞核細胞核 具有雙層膜的胞器，細胞核是橾控整個細胞的控掣站，主要攜帶遺傳物質(DNA)，包括染色體染色體（脫氧核糖核酸加上一些特殊的蛋白質）、核糖核酸等，染色體n染色體存在細胞核內，由DNA與蛋白質所組成，如果我們在電子顯微鏡下觀察，會發現絲狀的DNA分子，盤旋纏繞在一顆顆的染色體的組織蛋白上；只有當細胞要進行分裂時，細胞核內疏鬆的染色質，才會捲曲濃縮成棒狀的染色體。n基因存在染色體上，而基因特別是指在DNA序列上，能夠表現出功能的部分；在人類的所有染色體上，約存在著30000個基因，而且每對染色體上，存在的基因種類及數量並不相同。有時單一個
12、基因便能控制一種性狀的表現，然而，大部分的生理性狀，都是由一系列相關的基因一同調控而表現的。最基本的遺傳物質n俗話說種瓜得瓜，種豆得豆，這說明生物的性狀可從上一代傳到下一代，也就是遺傳現象，而決定這些遺傳特性的物質是去氧核醣核酸，簡稱DNA。染色體與遺傳物質n1865年瑞士化學家米歇爾從病人的膿細胞中分離出核酸的成份。n1879年，德國生物學家弗來明在細胞核內發現了染色質。n1903年，美國細胞學家薩頓則發現，細胞染色體的活動方式，與孟德爾所描述的遺傳因子極為類似。因此，是否染色體就是遺傳因子呢？一般來說，生物的染色體數目總是少於性狀表現的數目，所以科學家推測，遺傳因子應該存在於染色體上，也就
13、是說在一條染色體上，會帶有許多不同的遺傳因子！nDNA與遺傳物質n1909年，丹麥的植物遺傳學家約翰遜開始以基因取代遺傳因子一詞。n1910年，美國遺傳學家摩根藉由果蠅的研究，終於證明了基因的確是存在染色體上。然而，其真正確立DNA是遺傳物質的，是兩組科學家的重要貢獻。n一位是英國生物學家格里夫茲所進行細菌轉型實驗 您的瀏覽器，不支援script語法，請按此連結細菌轉型實驗；另外是赫希與蔡斯兩位科學家進行的噬菌體實驗，他們相繼地證實了DNA才是真正的遺傳物質，而不是蛋白質。細菌的轉型作用(Transformation)DNA為遺傳物質的直接證據：1928年，英國的生物學家Griffith格里夫
14、茲，他利用兩種不同品系(Strain)的細菌來感染老鼠，並觀察受感染的老鼠之生存情形，而這個實驗的結果証明了遺傳物質是DNA而不是蛋白質。赫希(Hershey)與蔡斯(chase)，利用放射性同位素追蹤法，證明噬菌體的遺傳物質亦為DNA。n生命操控機制nDNA轉錄 transcription及本身的複製 replication RNA 轉譯 translation 蛋白質 控制生理生化現象n不含DNA之RNA病毒，可由RNA控制。n有些經由反轉錄酶reverse transcriptase將RNA形成DNA（反轉錄病毒、B型肝炎病毒）nRNA又分為n傳訊者messenger RNA(mRNA)
15、n傳遞者trasfer RNA(tRNA)n核糖體ribosome RNA(rRNA)轉錄作用轉錄作用轉譯作用轉譯作用核醣體核醣體RNARNA轉運轉運RNARNA蛋白質蛋白質轉錄作用與轉譯作用n轉錄作用：n原核生物：細胞質n真核生物：細胞核n經過剪切才成熟n轉譯作用：細胞質中的核醣體n根據mRNA指令合成胜肰n核醣體：多種蛋白質+核醣體RNA生命的最小分子：核酸n核酸是以核酸為單元體所聚成的巨分子，乃細胞內分子最巨大的功能性分子，包括DNA 及RNA(核醣核酸，ribonucleic acid)；其主要功能為遺傳訊息的貯存、傳遞與表現。n透過X 射線照射原子時所產生的繞射去解DNA 的結構。從
16、這些X 射線影像推測這可能是一個旋結構，進而解開DNA 的化學結構。nDNA與RNA的結構遺傳物質：核酸遺傳物質：核酸(nucleic acid)核酸：核酸：DNA（去氧核醣核酸）、（去氧核醣核酸）、RNA（核醣核酸）（核醣核酸）核酸基本單位：核苷酸核酸基本單位：核苷酸(nucleotide)核苷酸：鹼基核苷酸：鹼基(base)、五碳醣、五碳醣(pentose sugar)、磷酸、磷酸(phosphate)3、DNA的高级結構1）定義：指DNA双螺旋進一步扭曲盤繞所形成的特定空間结構。是一種比双螺旋更高陳次次的空間構象。2）主要形式：超螺旋结構（正超螺旋和負超螺旋）DNA的複製方式岡崎片段岡崎
17、片段聚合酶聚合酶接合酶接合酶延遲股延遲股前導股前導股複製叉口複製叉口DNA的複製 DNA轉轉錄錄RNA圖示圖示生命過渡分子：核醣核酸 nRNA(核醣核酸，ribonucleic acid)nRNA 是DNA 變成蛋白質的中間物質。n核醣體 主要由RNA(ribosomal RNA,rRNA)以及蛋白質所組成，大小約為30 nm。n移轉RNA(transfer RNA,tRNA)：攜帶漂浮在細胞質中的特殊胺基酸至核醣體上，而與蛋白質合成反應。n信使RNA(messenger RNA,mRNA)：與蛋白質合成反應。nRNA 分為三種，mRNA、rRNA、tRNA。當mRNA 由DNA所轉出後，rRNA 與tRNA 會依據遺傳密碼合成所要的蛋白質。蛋白質n蛋白質亦是維持生命最重要的分子，它是生物性米最為恰當。透過DNA 的轉及轉譯，蛋白質於是被製造出。n蛋白質在具備自己本身的生物活性之前最重要的一件事就是摺疊成特殊的結構。n一條300個胺基酸的蛋白質因為摺疊的同而產生同的形。n為執特殊的任務，蛋白質有自己特殊的結構，依據其複雜性而有二級至四級結構的分別。
