生命與生物科技的發(fā)展與人物.ppt

第十二章生命與生物科技的發(fā)展與人物,1,12-1,前言,生命與生物科技並非新興技術(shù)，長期以來人類已仰賴其作為食品及醫(yī)療之用，從早期利用微生物對有機物進行代謝分解，到醫(yī)療用的抗生素、疫苗、以及水果、花卉、農(nóng)作物的改良育種等。近年來，由於遺傳科學(xué)的突破，遺傳密碼逐漸為人所知，生命與生物科技的潛力得以完全發(fā)揮所謂生命與生物科技即是利用生物（動物、植物、或微生物）或其產(chǎn)物來生產(chǎn)對人類醫(yī)學(xué)或農(nóng)業(yè)有用的物質(zhì)或產(chǎn)品。,12-2,12.1何謂生命科技,生命科學(xué)解釋什麼是生命、生命的起源、人類演化的過程即設(shè)法解釋生命存在的意義和生命的目的，尤其是人類生命在地球上的意義和目的。生命科技是科學(xué)家運用科學(xué)程序來探討、了解、解釋生命現(xiàn)象的學(xué)問。地球之外是否有其他生命存在？地球與人類在浩瀚的宇宙是否是唯一的？這類的問題，數(shù)千年來一直困擾著哲學(xué)家與科學(xué)家。但直到最近，人類才有足夠的生命科技能力，試著去回答這些問題。,12-3,12.2生命科技的發(fā)展,由於近年種種基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，生命科學(xué)的應(yīng)用已產(chǎn)生革命性的轉(zhuǎn)變，極可能改變將來產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)。生命科技發(fā)展包括三大方向：(1)遺傳工程(2)細(xì)胞融合與培養(yǎng)技術(shù)(3)蛋白質(zhì)工程技術(shù),12-4,12.2.1遺傳工程,將合成或來自生物的不同DNA片段連接上，再轉(zhuǎn)至另一細(xì)胞內(nèi)的技術(shù)稱為遺傳工程或基因重組技術(shù)（recombinantDNAtechnology）?；蚩梢酝高^複製的過程，將遺傳信息傳遞給下一代，從而控制生物的個體性狀表現(xiàn)。由於遺傳工程具有改變生物特性的能力，為善為惡全在一念之間，故此先進國家都訂有研究準(zhǔn)則，例如基因接合菌株的限定，使其不至於在自然狀態(tài)或人的體內(nèi)環(huán)境存活。,12-5,由於經(jīng)由遺傳工程可以改變原來的遺傳特性，一些原本經(jīng)動物製造的物質(zhì)，可轉(zhuǎn)至微生物體內(nèi)高速生產(chǎn)。目前在醫(yī)藥品方面，如胰島素、干擾素、人體生長激素、B型肝炎疫苗等。在其他工業(yè)上，如各種酶、胺基酸、維生素、有機物質(zhì)、單細(xì)胞蛋白質(zhì)等都可經(jīng)改良後大量生產(chǎn)。在人類遺傳疾病的防治上，可在預(yù)先測知的情況下實施基因治療（genetherapy）。,12-6,12.2.2細(xì)胞融合與培養(yǎng)技術(shù),改變生物的遺傳特性上，除了遺傳工程方法外，細(xì)胞融合技術(shù)亦是有效方法之一。生物體皆是由細(xì)胞所組成，而組織培養(yǎng)的目的，便是試著將細(xì)胞分離出來，然後在試管裡進行人工培養(yǎng)，讓細(xì)胞大量地合成有用的物質(zhì)，而組織培養(yǎng)大抵可分為動物細(xì)胞培養(yǎng)與植物細(xì)胞培養(yǎng)兩類。植物本身可提供很多有用的物質(zhì)，如香料、酵素、激素等，經(jīng)由植物的組織培養(yǎng)，亦可以達到生產(chǎn)這些產(chǎn)物的目的，而不需寒暑經(jīng)年地去栽種作物了。,12-7,在動物細(xì)胞上，將腫瘤細(xì)胞與其他具有製造生物活性物質(zhì)的細(xì)胞融合，而達到快速增殖大量生產(chǎn)的目的。如在抗體的生產(chǎn)上，從動物體內(nèi)所分離到的抗血清（antiserum），是混合各種抗體的混合物。但是當(dāng)我們將產(chǎn)生抗體的淋巴球細(xì)胞與骨髓癌細(xì)胞融合後，經(jīng)純化後便可以得到快速生產(chǎn)同一種抗體了。這些單源抗體可以很快地成為純疫苗，和高度特異性的診斷劑，因為抗體本身只與特異的抗原結(jié)合。,12-8,12.2.3蛋白質(zhì)工程技術(shù),不管在動、植物體內(nèi)，蛋白質(zhì)是維持身體正常功能、消化食物及修復(fù)組織等必要物質(zhì)。它們到處參與身體內(nèi)的活動，儘管有足夠維他命、礦物質(zhì)及水分，如果少了蛋白質(zhì)，仍是無法維持正常的生命現(xiàn)象。右圖為胺基酸的結(jié)構(gòu)。以蛋白質(zhì)工程技術(shù)，配合分子結(jié)構(gòu)模擬，能精確地決定出蛋白質(zhì)分子中直接參與反應(yīng)，或影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要胺基酸，如能加以改造，必能增加其應(yīng)用的層次。,12-9,許多自然存在的蛋白質(zhì)很難直接地運用於工業(yè)、食品、及醫(yī)藥等領(lǐng)域上，最主要的原因乃是大部份的蛋白質(zhì)，都有其最適宜的作用條件，若這些條件與工業(yè)製程差距太多，很可能會嚴(yán)重地影響到蛋白質(zhì)分子的利用價值。因此，若以蛋白質(zhì)工程技術(shù)，配合分子結(jié)構(gòu)模擬，能精確地決定出蛋白質(zhì)分子中直接參與反應(yīng)，或影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要胺基酸，如能加以改造，必能增加其應(yīng)用的層次。,12-10,12.3何謂生物科技,生物科技是今日世界的新發(fā)明，其實我們的老祖先早就知道利用微生物來提升生活品質(zhì)了。西元前6000年時就有釀製啤酒的記載；西元前4000年，埃及人已經(jīng)會用發(fā)酵的方法來製作麵包。生物科技之父巴斯德,12-11,生物科技的產(chǎn)品應(yīng)用可包含醫(yī)藥、特用化學(xué)品、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)保和能源等領(lǐng)域，是人類追求健康與提昇生活品質(zhì)的現(xiàn)代化捷徑。在近廿年的積極開發(fā)，美、法、德、英、日等國家已經(jīng)證明生物科技是繼石化、航空、核能、電腦、微電子與資訊科技後，人類最新一波的技術(shù)革命，開發(fā)國家無不將生物科技列為國家重點發(fā)展科技項目。無庸置疑的生物科技相關(guān)產(chǎn)業(yè)將成為廿一世紀(jì)最具影響力的新興產(chǎn)業(yè)。,12-12,12.4生命科技與生物科技的關(guān)係,生命科技（Lifetechnology）是把生物的現(xiàn)象作各種層次的分析直到我們瞭解這個現(xiàn)象的原理，再從這個原理透過邏輯的推理解釋或預(yù)言生命的各種現(xiàn)象。生命科技領(lǐng)域的包含範(fàn)圍相當(dāng)廣，所涉及的學(xué)門包括自然科學(xué)的動物學(xué)、植物學(xué)、微生物學(xué)、生理學(xué)、生化學(xué)、分類學(xué)、生態(tài)學(xué)、遺傳學(xué)、生物地理學(xué)，甚至當(dāng)今最熱門的基因體學(xué)與蛋白體學(xué)等，是一門整合性的綜合科學(xué)。,12-13,12.5生物科技的發(fā)展,現(xiàn)在生物科技領(lǐng)域有很重大的發(fā)展，它帶給醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)以及社會的深遠(yuǎn)影響是在以前科學(xué)史中所無法想像的。生物科技發(fā)展包括三大方向：(1)人類基因體計畫(2)基因晶片與生物醫(yī)學(xué)(3)奈米生物科技,12-14,12.5.1人類基因體計畫,若要探索生命的奧秘，就必須解讀出人體的DNA密碼。美國政府隨後在1990年正式地推行，預(yù)計耗資30億美元，透過國際實驗室的合作，以15年的時間，描繪出人類基因體的遺傳圖和物理圖，並且定出人類DNA的全部核苷酸序列，以及替10萬個左右的基因定位，並對其它的生物進行類似的研究?；蝮w計畫完成之後，人類便邁入後基因時代。,12-15,12.5.2基因晶片與生物醫(yī)學(xué),基因晶片是基因體計畫衍生出來的產(chǎn)品，成本相當(dāng)?shù)?，但效用無窮，是目前所有生物晶片中應(yīng)用最廣的，也是最有成效的生物科技。自從分子生物學(xué)注入醫(yī)學(xué)研究以後，對於疾病的研究，大致又分成診斷與治療兩個發(fā)展方向。診斷之外，倘若能整理出眾多表現(xiàn)差異的基因，就能預(yù)知細(xì)胞中哪些功能正因為疾病的發(fā)生而產(chǎn)生變化。,12-16,大部分重大疾病，如癌癥，若能在早期癌細(xì)胞剛成形，且尚未轉(zhuǎn)移前即診斷出來的話，單純的手術(shù)移除，簡單的化學(xué)或放射線治療，加上適當(dāng)?shù)淖粉欀委煟陀锌赡苤伟K這個令人聞之色變的病痛。透過基因晶片，可在短時間內(nèi)比較出哪些基因受到影響，作為早期診斷的目標(biāo)。所以說，基因晶片可用來發(fā)展早期診斷的測試。,12-17,12.5.3奈米生物科技,奈米(nanometer)是尺度(10-9m)的概念，奈米生物科技結(jié)合了奈米材料科學(xué)、物理學(xué)與生物科技。奈米生技研究領(lǐng)域主要方向，包括奈米載體材料與藥物傳輸技術(shù)、奈米醫(yī)療診斷和監(jiān)測(例如奈米醫(yī)學(xué)診斷、奈米影像技術(shù)、奈米生物感測器、生物晶片等)、以及生醫(yī)材料等(例如再生醫(yī)學(xué)、生物相容材料、仿生材料、人工器官等)，另外包含奈米微粒的化粧保養(yǎng)品也是產(chǎn)業(yè)界投入的重點。,12-18,奈米生醫(yī)材料的發(fā)展，目前奈米技術(shù)在組織工程的領(lǐng)域，主要是在人造骨骼(boneimplant)方面研究?？茖W(xué)家將奈米材料與現(xiàn)有的材料合成加工後，初步實驗顯示其合成品的物理性質(zhì)包括耐壓性、耐震性、強度及韌性都有所改變。而其他研究例如肝臟、心血管、軟骨(cartilage)等，奈米合成物(nano-composites)的角色主要在培養(yǎng)使其細(xì)胞生成的生長支架(tissueengineeringscafford)的設(shè)計與製造。,12-19,我國的國家奈米元件實驗室(NDL)利用其矽基、電子元件、微機電系統(tǒng)等設(shè)計及製程能力，未來將發(fā)展生物型電(光)子元件製程技術(shù)。另外例如分子生物機械學(xué)(molecularbiomechanics)，美國康乃爾大學(xué)(CornellUniversity)的奈米生物科技學(xué)家成功的將有機和無機分子合成，研發(fā)出號稱全世界最小的功能機械(hybridalfunctionalunit)。,12-20,12.6生物科技的研究方法,生物科技的研究方法主要是生物資訊學(xué)、蛋白質(zhì)體學(xué)、和基因體學(xué)方面的研究方法。這些方法是生物科技的研究人員所不可或缺的主要方法。包括:(1)基因體學(xué)(2)蛋白質(zhì)體學(xué)(3)生物資訊學(xué),12-21,12.6.1基因體學(xué),基因體的研究將促進生命科學(xué)領(lǐng)域一系列基礎(chǔ)研究的發(fā)展，闡明基因的階組與功能關(guān)係、生命的起源和進化、細(xì)胞發(fā)育、生產(chǎn)、分化的分子機制，疾病發(fā)生的機制等?？蔀獒t(yī)藥產(chǎn)業(yè)帶來巨大的變化。此外，更可促進生命科學(xué)與訊息科學(xué)、材料科學(xué)與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，刺激相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，帶動新興的高科技產(chǎn)業(yè)。,12-22,12.6.2蛋白質(zhì)體學(xué),蛋白質(zhì)體學(xué)不但掀起了整個生命科學(xué)界對於蛋白質(zhì)研究的新風(fēng)潮，也成為了目前生物科技最主要的發(fā)展趨勢。蛋白質(zhì)體學(xué)是非常新的學(xué)門，且其研究範(fàn)疇又相當(dāng)廣泛，其應(yīng)用價值在於利用此技術(shù)平臺，直接且全面性篩選出具有高度潛在價值的新穎蛋白質(zhì)標(biāo)的物，此新發(fā)現(xiàn)標(biāo)的物將可能成為未來學(xué)術(shù)研究的主流。,12-23,12.6.3生物資訊學(xué),生物資訊學(xué)是一門整合了生命科學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計及資訊科學(xué)的跨領(lǐng)域應(yīng)用科學(xué)。今日伴隨大量的生物資訊湧現(xiàn)，如何應(yīng)用電腦科技去搜尋統(tǒng)整出有用的生物訊息，以加速人類基因研究的腳步，便成為生物資訊學(xué)所應(yīng)擔(dān)負(fù)的任務(wù)。生物資訊技術(shù)對基因序列作快速精確的分析，在短時間內(nèi)處理大量資料，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)實驗方法，而生物資訊所能提供的整體性探索方式，也是過去分子生物學(xué)家難以達成的夢想。,12-24,生物資訊可謂一門跨領(lǐng)域且具整合性之新興領(lǐng)域，其跨越的學(xué)科包括有遺傳學(xué)、細(xì)胞分子生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、微晶片、生物晶片原理與應(yīng)用、分子演化料結(jié)構(gòu)、程式設(shè)計、網(wǎng)路程式規(guī)劃、生物資訊、生物分子模擬、演算法、影像處理、機器學(xué)習(xí)等。因此，對從事生物資訊的研究人員來說，各方面的領(lǐng)域知識缺一不可，甚至必需集結(jié)各領(lǐng)域的專業(yè)人才能共同開發(fā)。,12-25,12.7生命與生物科技的應(yīng)用,生命與生物科技是除資訊科技之外，研究發(fā)展進步最快的一個領(lǐng)域。生命與生物科技的用途包含下列幾項：(1)健康醫(yī)療用途(2)農(nóng)漁牧業(yè)方面(3)環(huán)境保護方面(4)一些特別產(chǎn)品的生活應(yīng)用方面,12-26,12.7.1複製動物上的應(yīng)用,1997年，利用改良的體細(xì)胞核移植術(shù)(somaticcellnucleartransfer,SCNT)所得到的桃莉羊(Dolly,2003年2月14日已安樂死)將此幻想變成事實；隨後並引起全世界廣泛性的注意與討論，因為人造複製人似乎呼之欲出。目前世界許多國家，基於一些倫理道德的考量，已明文禁止複製人的各種實驗。,12-27,複製動物除了動物保護法等間接法令，全世界目前普遍可以接受並核準(zhǔn)專利。迄今，利用桃莉羊相類似的技術(shù)，不同種複製動物陸續(xù)被成功製造出來，這些包括牛(1998)、小鼠(1998)、山羊(1999)、豬(2000)、貓(2002)、兔(2002)、魚(2002)、騾(2003)、馬(2003)、大鼠(2003)等。馬及驢雜交可得到兼俱兩者優(yōu)點的騾，騾因此自古即被大量役用，不過騾不具生殖能力，利用複製技術(shù)可以製造冠軍騾。,12-28,12.7.2水產(chǎn)養(yǎng)殖上的應(yīng)用,配合生技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，許多傳統(tǒng)的養(yǎng)殖場，已把產(chǎn)業(yè)的型態(tài)從原本的養(yǎng)殖和捕撈，轉(zhuǎn)變成為種苗生產(chǎn)、養(yǎng)殖管理改進、品種改良的技術(shù)提供者。在水產(chǎn)養(yǎng)殖生物科技上，有幾種關(guān)鍵技術(shù)是值得開發(fā)的，包括繁殖力的改進、生長的促進、環(huán)境適應(yīng)性的改良以及水產(chǎn)疫苗的研發(fā)。臺灣目前利用傳統(tǒng)生物科技在種魚飼養(yǎng)及魚苗取得方面，已具有相當(dāng)成熟的技術(shù)及產(chǎn)能。至於在生長促進、環(huán)境適應(yīng)及疾病預(yù)防方面，也經(jīng)由先進生物科技的突破，運用到產(chǎn)業(yè)上了。,12-29,12.7.3基因轉(zhuǎn)殖上的應(yīng)用,對於基因改造產(chǎn)品，人們最大的疑慮在於其食用的安全性和對環(huán)境的損害，然而這些基因改造產(chǎn)品，在完整且安全的檢查標(biāo)準(zhǔn)下，是可以管控而不至於造成損害的。對於基因改造產(chǎn)品的管控，一樣也可以利用生物科技的方法，例如利用染色體三倍化技術(shù)，使基因改造生物形成不孕，來避免和其他野生魚種雜交，就可以有效地管制基因的流動，而不會對環(huán)境造成傷害。把相關(guān)研究成果移轉(zhuǎn)至各產(chǎn)業(yè)機構(gòu)，得到最直接的經(jīng)濟效益。,12-30,12.7.4環(huán)境上的應(yīng)用,復(fù)育(Remediation)屬污染防治技術(shù)之一，兼具回復(fù)大地原貌的特色，生物復(fù)育則是一利用天然微生物其分解者的角色降解或打斷有害物使其形成低毒性或無毒產(chǎn)物的處理方法。微生物的作用就如人類吃食物消化有機物為營養(yǎng)及能量。某些微生物可消化對人類有害的有機物，如石化燃料及有機溶劑。這些微生物有能力將有機污染物分解產(chǎn)生無害的二氧化碳和水。一旦污染物大部分分解完，受到食物來源的限制，微生物族群數(shù)就減低。,12-31,12.7.5DNA鑑定上的應(yīng)用,例如困擾人們幾千年孩子父親究竟是誰？的問題，現(xiàn)在透過DNA鑑定即可真相大白，甚至過世者的非婚生子女跑出來要求確認(rèn)親子關(guān)係時，司法單位也有能力查明真相。到底這當(dāng)中所具有的科學(xué)依據(jù)和方法又是些什麼呢？一般常用的DNA鑑定法有兩種，即是口腔黏膜鑑定法和血液鑑定法。,12-32,12.7.6基因改造食品上的應(yīng)用,食品工業(yè)為世界最大之工業(yè)，其牽涉之範(fàn)圍廣泛，從農(nóng)業(yè)原料之生產(chǎn)、加工、成品之儲存運輪、銷售、加工過程所產(chǎn)生之廢棄物處理等皆屬於食品工業(yè)之範(fàn)疇。生物科技可用以改良食品之營養(yǎng)價值、風(fēng)味、去除食品之不良特性、延長食品儲存期限、節(jié)省能源、降低食品加工過程對環(huán)境的影響，其中最主要的關(guān)鍵技術(shù)是基因工程技術(shù)。然而基因工程技術(shù)在食品工業(yè)之應(yīng)用可謂僅處於萌芽期，最近幾年才有基因改造食品問市。,12-33,12.7.6.1基因改造食品的定義,根據(jù)聯(lián)合國農(nóng)糧組織/世界衛(wèi)生組織(FAO/WHO)食品標(biāo)準(zhǔn)委員會(Codex)及歐盟法規(guī)之定義，基因改造生物體係指：遺傳物質(zhì)被改變的生物，其改變的方式是透過基因技術(shù)，而不是以自然增殖及/或自然重組的方式產(chǎn)生?；蚋脑焓称房蓞^(qū)分為基因改造微生物與其產(chǎn)物、基因改造作物與基因改造動物。,12-34,基因改造食品與基因改造醫(yī)藥產(chǎn)品一個很大的差異在於基因改造食品大部分是基因改造生物體本身，而基因改造醫(yī)藥產(chǎn)品則是利用基因改造生物體所生產(chǎn)的成分，其最終產(chǎn)品不含基因改造生物體。由於人類從前沒有種植、養(yǎng)殖或食用基因改造生物體的經(jīng)驗，因此目前國際間對基因改造生物體之食用安全性及其對環(huán)境生態(tài)之影響仍有相當(dāng)大的爭議。,12-35,12.7.6.2基因改造食品的安全性,目前基因改造生物本身作為食用者爭議頗大，作為食品佐劑用者爭議性低。利用基因工程技術(shù)導(dǎo)入作物的基因則無物種界限，可以是微生物、植物或動物來源的基因，這可能是造成大眾對基因改造作物之安全性多所