1、 生物科技與生活 微生物在生物科技發展重大的歷史時程 遺傳工程學之最終目的 微生物對社會之貢獻篇1.生產工業化學藥品的微生物2.經微生物醱酵產品的分類生技舞台上的微生物生技舞台上的微生物 藥物學之新領域1.在酵母菌中產生的藥物2.在微生物中合成的化學物質及其功能的類別3.從微生物中所產的抗生素4.以微生物為生物反應器而產生的異源蛋白 細菌與環境篇1.微生物為防治昆蟲的製劑2.能代謝鹵素化合物的微生物 細菌基因轉植入植物以改良植物的品種微生物與生物科技微生物與生物科技什麼是生物科技什麼是生物科技(Biotechnology)?是籍由活細胞是籍由活細胞(living cells)所產生的所產生的分
2、子分子(molecules)而開發成商業產品而開發成商業產品(products)的技術稱生物科技。的技術稱生物科技。生物科技與生活生物科技如何生物科技如何 改善我們的生活品質？改善我們的生活品質？細菌(bacteria)與霉菌(fungi)應用在食品上的 加工如：起士(cheeses)，麵飽(breads)，優酪 乳(yogurts)等。提供研究疾病之新治療法(new treatments for disease)。提供更具安全性的食品(safer food products)。裝配危險性較低之化學產品(less-damaging chemicals)微生物在生物科技發展重大的歷史時程微生物在
3、生物科技發展重大的歷史時程(I)1750 B.C.文明古國 Sumerians 以酵母菌釀啤酒 (brew beer)500 B.C.中國人以發霉的豆腐(moldy soybean curds)為抗生素（antibiotic)以處理 疔、瘡 (boils)等皮膚發炎疾病100 A.D.中國已懂得以菊花粉 (Powdered chrysanthemum)做為殺蟲劑 (insecticide)1797 Jenner 在小孩身上接種病毒疾苗 (inoculates viral vaccine)以預防牛痘 1855 發現大腸桿菌(E.coli)，這是日後有關生物 科技研究、發展、及工業生產的主要工具；
4、法人巴斯德(Pasteur)的研究工作証明酵母 菌(yeast)為一具生命的生物體(living organism)1883 法人巴斯德(Pasteur)首次發明生產狂犬 病疫苗(rabies vaccine)1914 在英國孟城(Manchester,England)首先 利用細菌作污水處理(sewage treatment)歷史時程歷史時程(II)Frederick Griffith 利用肺炎球菌証明DNA為 病原的主要原因1944 Avery 以病毒為研究材料証明DNA為遺傳物質1928 英人佛來明(Fleming)在霉菌中發現世上第一種 抗生素(antibiotic)-)-青黴素(pe
5、nicillin)；歷史時程歷史時程(III)1953英劍橋大學的沃森和克里克(Watson and Crick)同共發表DNA的三維結構(three-dimensional structure)，因而奠定了遺傳工程的基礎歷史時程歷史時程(VI)1956科恩伯格(Kornberg)在微生物中發現在細胞內合成DNA的合成酵素(DNA polymerase I)，因而導至了解DNA 複製的原理及機制 歷史時程歷史時程(V)在細菌中發現能切割DNA的內切酵素-(restriction enzymes)，因而開始了基因選殖的方向 Cohen and Boyer 利用細菌成功的進行基因重新 組合的實驗(
6、recombinant DNA experiment)，因而建立了DNA重組的技術(recombinant DNA technology)Humulin 是由美國 Genentech 公司第一次在大腸桿 菌中，利用遺工程的技術(genetically engineered bacteria)，生產能治療糖尿病(diabetes)的人類胰島 素（human insulin）1970-1982歷史時程歷史時程(VI)基因選殖及重組基因選殖及重組DNA技術操作的一般流程技術操作的一般流程A General Plan for Gene Cloning and DNA Recombinant Techn
7、ology專一性 DNA 內切酵素（Restriction Enzymes）DNA 片段連接酵素（T4 DNA Ligase）DNA 片段轉接質/載體（DNA fragment carrier-Plasmids/Vectors)將選殖基因轉化入微生物中（Transformation of cloned gene into Microorganisms）選殖基因的表現（Gene Expression）歷史時程歷史時程(VII)Paul Berg:Joined genes from the E.coli with DNA from Simian Virus 40(SV40)將外來基因導入細菌體的流
8、程內切酵素處理Endonuclease restriction enzyme連接酵素處理DNA ligase將重組 DNA 轉化入細菌細胞中表現Transformation of recombinant DNA歷史時程歷史時程(VIII)反應過程:1.將DNA模版，聚合酵及其他緩衝劑混合2.DNA 變性反應、使雙股DNA分離成單股模版 Denature at 92-95oC.3.DNA引子緩冷反應 Annealing of Template and primer at 45-55oC.4.以耐高溫的DNA聚合酵素合成新的DNA股 Extension of newly synthesized D
9、NA by Taq polymerase at 72oC.19831983 熱循環基因片段合成儀熱循環基因片段合成儀 DNA 聚合酵素鏈鎖反應、聚合酵素鏈鎖反應、可無限合成所需的可無限合成所需的DNA DNA 片段片段 Polymerase Chain Reaction(PCR)歷史時程歷史時程(IX)遺傳工程學之最終目的遺傳工程學之最終目的(I)以修復人類基因上的缺陷(genetic defect)基因治療(gene therapy)以增進生物體正常功能，如增加生長的速度等 以創造能抗不良環境之物種 如抗病、抗寒、抗旱及其他植物病蟲害等(crops blight,cold or drough
10、t)。以完成一種自然界不可能完成的任務：-以細菌生產附加價值高的藥物：如治療 糖尿病的胰素-以牛的乳腺生產附加價值高的藥物：如 人類凝血蛋白及其他附加價值高的產品等。-以複製動物來提供可供移殖用之器官 (duplication of human organs for transplantation)遺傳工程學之最終目的遺傳工程學之最終目的(II)微生物對社會之貢獻篇微生物對社會之貢獻篇Worldwide contribution of Microorganisms常用以生產工業化學藥品的微生物常用以生產工業化學藥品的微生物(I)Aspergillus Glycolic acid Textile
11、 processing（紡織程序）,曲霉屬曲霉屬 甘醇酸 adhesives（黏著劑）Oxalic acid Dyeing（漂染）,bleaching agent,草酸 (漂白劑),reducing agent(還原劑)Formic acid Leather treatment（皮革處理）,甲酸 electroplating(電鍍）Malic acid Acidulant（酸劑）蘋果酸 Itaconic acid Paper manufacture（紙製造）,衣康酸 intermediate for plastics（塑膠）Acetobacter Acetic acid Solvents(溶劑
12、）,food acidulant醋桿菌醋桿菌 醋酸 （酸劑）Tartaric acid Esters for lacquies（漆）,acidulant 酒石酸Aerobacter 2,3-Butanediol Intermediates for plastics 需氧菌屬需氧菌屬 丁炔二醇 and antifreeze（抗凍劑）YM062003Clostridium Butanoic acid Manufacture of esters（脂）梭狀芽孢桿菌梭狀芽孢桿菌 正丁酸 Butanol Intermediate for organic chemicals 正丁醇 （有機化合物）Isopr
13、opanol Cosmetic preparations（化裝品）異丙醇 Acetone Intermediate for organic chemicals 丙酮Chlamydomonas Methylethyl ketone Explosives（炸藥）,衣藻衣藻 甲基乙基酮 synthetic resins（合成樹脂）Bacillus Propylene glycol Antifreeze（防凍劑）,synthetic 芽孢桿菌屬芽孢桿菌屬 丙二醇 resin（樹脂）manufacture Acrylic acid Intermediate for plastics（塑膠）丙烯酸常用以生
14、產工業化學藥品的微生物常用以生產工業化學藥品的微生物(II)Saccharomyces Glycerol Sweetener,explosives,cosmetics 酵母菌屬酵母菌屬 甘油 （化裝品）Ethanol Manufacture vinegar（醋）,酒精 esters（酯）and ethers（乙醚）,beverages（飲料）Penicillium Malonic acid Manufacture of barbiturates 青霉屬青霉屬 丙二酸 （巴比妥鹽）Rhizopus Fumaric acid Intermediate for synthetic resins根廇菌
15、屬根廇菌屬 延胡索酸 （樹脂）antioxidant（抗氧化劑）Succinic acid Manufacture of lacquers（漆）,琥珀酸 perfumes（香水）Lactobacillus Lactic acid Food acidulant（酸劑）,乳桿菌屬乳桿菌屬 乳酸 intermediate for lactates,leather treatment（皮革處理）常用以生產工業化學藥品的微生物常用以生產工業化學藥品的微生物(III)經微生物醱酵產品的分類經微生物醱酵產品的分類類別類別範例範例1.能量代謝產品 酒精，正丁醇，醋酸，乳酸，丙酸等。2.能量儲備化合物甘油，肝糖
16、，其他多糖體類等。3.蛋白質：胞外酵素胞內酵素外源蛋白澱粉酵素，纖維酵素，蛋白酵素，果膠酵素。葡萄糖異構酵素，連接酵素，轉化酵。胰島素，人類生物激素，牛的生長激素等。4.全細胞構造麵飽酵母菌，生物性殺蟲劑，抗原等。5.代謝中間產物胺基酸，檸檬酸，維生素，蘋果酸6.二次代謝物抗生素，赤霉素等。7.化學修飾物質類固醇，山梨糖葡萄糖等。在酵母菌中產生的藥物在酵母菌中產生的藥物Heterologous proteins producedFrom Yeast for Pharmaceutical use.藥物學之新領域藥物學之新領域從酵母菌中產生藥用性的異源蛋白將人類基因轉化入酵母菌在酵母菌中產生的藥物
17、在酵母菌中產生的藥物(I)Interferon（IFN）干擾素Human atrial natriuretic peptide (HANP)心鈉素 Somatostatin（SRIH）促生長素抑制素Human salivary amylase 人類澱粉酵素Interleukin 1b 白細胞介素1b，淋巴細胞激活因子Granulocyte macrophage stimulating factors 粒細胞巨噬細胞刺激因子Human tissue plasminogen activator 纖溶酵素活化子Human a-1 antitrysin 人類 a-1抗胰蛋白酵素Procine prop
18、hospholipase A2 豬前磷脂酵素 Phaseolin 菜豆異類黃酮（抗毒）靈Epstein-Barr envelope glycoprotein EB病毒外膜糖蛋白Human insulin-like growth factor I 人類胰島素類生長因子Hirudin 水蛭素Fibroblast growth factors，FGF 纖維細胞生長因子Echistatin 抑血小板凝集素Procrine urokinase 尿激酵素Human secretory leukocyte protease inhibitor 白細胞蛋白酵素抑制劑 HIV1 protease 愛滋病毒蛋白酵
19、素Human serum albumin 人類血清蛋白Human urinary plasminogen activator 人類尿纖溶酵素原活化子在酵母菌中產生的藥物在酵母菌中產生的藥物(II)在微生物中合成的化學物質及其功能的類別在微生物中合成的化學物質及其功能的類別化學類別化學類別功能類別功能類別生物鹼Alkaloids 抗生素Antibiotics碳水化合物 Carbohydrates抗生素以外的藥物 Drugs other than antibiotics核酸Nucleic acids調味料Flavour脂質Lipids酵素抑制子Enzyme inhibitors有機酸/酒精 Org
20、anic acids/alcohols調味料加強劑 Flavour enhancers生太 Peptide激素Hormones蛋白質Protein殺蟲劑Pesticides,色素Pigments,表面活性劑Surfactants,維生素Vitamins從微生物中所產的抗生素從微生物中所產的抗生素抗生素抗生素antibiotics微生物微生物 Microorganisms頭孢菌素 Cephalosporin C氨霉素 Chloramphenicol紅霉素 Erythromycin健大霉素 Gentamicin C短桿菌素 Gramicidins康霉素 Kanamycin A林可霉素 Lincom
21、ycin新霉素 Neomycins 青黴素 Penicillins利福黴素 Rifamycins鏈黴素 Streptomycin四環素 Tetracycline頭孢霉屬 Cephalosporium acrimonium鏈霉菌屬 Streptomyces venezuelae鏈霉菌屬 Streptomyces erythreus小單孢菌屬 Micromonospora purpurea芽孢桿菌屬 Bacillus brevis鏈霉菌屬 Streptomycin kanamyceticus鏈霉菌屬 Streptomyces lincolnensis鏈霉菌屬 Streptomyces fradia
22、e青黴菌屬 Penicillium chrysogenum諾卡菌屬 Nocardia mediterranei鏈黴菌屬 Streptomyces griseus鏈黴菌屬 Streptomyces aureofaciens以微生物為生物反應器而產生的異源蛋白以微生物為生物反應器而產生的異源蛋白胰島素原 Proinsulin 牛生長激素 Bovine growth hormone凝乳酵素原Calf prochymosin生長激素釋放因子 Growth hormone releasing factorB型肝炎表面抗原 Hepatitis B surface antigen表皮生長因子Epiderma
23、l growth factor生長激素 Growth hormone免疾球蛋白 Immunoglobulin干擾素 Interferon白細胞介素 Interleukin-2腫瘤壞死因子 Tumour necrosis factor胰島素類生長因子 Insulin-like growth factorEscherichia coliEscherichia coliSaccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiaeEscherichia coliEscherichia coliEscherichia c
24、oliEscherichia coli/SaccharomycesBacillus subtilisEscherichia coliSaccharomyces cerevisiae注：大腸桿菌=Escherichia coli 酵母菌=Saccharomyces枯草桿菌=Bacillus subtilis細菌與環境篇細菌與環境篇BacteriaBacteria and the Environment1.可防治作物昆蟲的微生物制劑 Agents for microbial pest control2.微生物誘導碳循環（Carbon-cycling）a.微生物代謝鹵素化合物（Halogenated
25、 compounds）b.基因改良微生物以降解（Degradation）鹵素有毒污染物 微生物為防治昆蟲的製劑微生物為防治昆蟲的製劑蘇力菌產生的殺蟲晶體蛋白可防治作物昆蟲蘇力菌產生的殺蟲晶體蛋白可防治作物昆蟲Cry1 Lepidoptera 鱗翅目Cry2 LepidopteraCry3 Coleoptera 鞘翅目Cry4 Diptera 雙翅目Cry5 Nematodes 線蟲 Liver fluke 肝吸蟲Cry6 Nematodes Cry7 ColeopteraCry 8 Coleoptera:晶體蛋白標的昆蟲蘇力菌蘇力菌Bacillus thuringiensis芽孢Spore能代
26、謝能代謝鹵素化合物鹵素化合物（Halogenated compounds）的微生物的微生物1.含鹵素化合物如 DDT,Polychlorinated biphenyls(PCBs),有機溶劑等有機溶劑等是有毒的污染物2.假單胞桿菌屬(Pseudomonas strain)等微生物 可降解降解該等化合物以供其生長所需細菌完全降解鹵素化合物的過程鹵素化合物由TOL質體產生酵素以轉化鹵素化合物再經假單胞桿素分泌的酵素將化合物分解成水和二氧化碳等無害的化合物細菌基因轉植入植物以改良植物的品種新品種可抗拒不良的環境，如抗蟲害，病害，乾旱 嚴寒等。在細胞內的外來基因可併入宿主的染色體中以完成基因轉植的過程基因改良植物的基因改良植物的範例：產生抗病毒、範例：產生抗病毒、蟲害等新品種蟲害等新品種Agrobacterium tumefaciens 的細胞內有 Ti plasmid，其可將外來基因引導入植物細胞中農桿菌屬農桿菌屬農桿菌（Agrobacterium tumefaciens）基因轉植植物(Transgenic plant)的過程1.農桿菌3.Ti 質體2.標的基因體4.標的基因5.標的基因選殖入 Ti質體6.重組質體轉 化入農桿菌7.標的基因併合 進宿主細胞基 因體中8.含異源基因 的植物轉植株
