生物技术及其应用

1、7-2生物技術及其應用7- 2.1 遺傳工程簡介、7- 2.2 離體培養生物技術是一門研究如何利用生物來製造產品，以增進人類生活品質的科學。傳統生物技術例子：利用酵母菌、黴菌、細菌等微生物來醱酵，製造酒、醋、麵包和乳酪等食品。利用微生物產製抗生素、維生素、酵素等醫學及工業製品。所使用的微生物，皆來自於自然界。現代生物技術由1970 年代出現重組 DNA(recombinant DNA)開始主要技術遺傳工程離體培養技術動物複製技術廣泛的應用於農業、畜牧、醫學、工業等。7-2生物技術及其應用7-2.1 遺傳工程簡介、7-2.2 離體培養7-2.1 遺傳工程簡介重組DNA、基因轉殖 回上一層遺傳工程

2、科學家將自然界的生物基因加以改造或操控，以創造出特殊的性狀，這種基因改造的技術稱為遺傳工程。關鍵技術：重組 DNA。1970 年代初期出現將兩段不同來源的DNA 組合成一段新的 DNA，稱為重組 DNA。重組DNA的關鍵酵素限制性核酸內切酶（restriction endonuclease，簡稱限制酶）能辨識 DNA 上特殊的核苷酸序列在此序列的特定位置切斷核苷酸之間的化學鍵接合酶（ligase）將兩段不同來源的 DNA 接合起來限制酶限制酶辨認序列限制酶切斷DNA連接酶連接酶連接DNA含氮鹼基配對黏合重組DNA技術（一）細菌染色體質體DNA由細菌分離出質體用相同的限制酶切割質體目標基因目標基

3、因用限制酶切割重組DNA用連接酶與目標基因接合重組DNA技術（二）重組DNA將載體送入宿主細胞內宿主細胞目標基因所製造之蛋白質目標基因在宿主細胞內表現重組DNA技術取得外源基因其他生物體的基因，即目標基因，如人類胰島素基因。取得載體（vector）裝載外源基因進入宿主細胞者如病毒的 DNA 或細菌的質體 DNA重組DNA將外源基因和載體接合用同一種限制酶切割後，用接合酶接合由載體將外源基因送入宿主細胞（如大腸桿菌）中外源基因利用宿主細胞的酵素大量複製，並可經由轉錄和轉譯，製造出大量的目標產物（蛋白質）。基因轉殖利用遺傳工程將外源基因植入某生物體的細胞內，如生殖細胞或胚胎細胞，產生基因重組以改造

4、生物體的遺傳訊息。1980 年初，可將外源基因轉移到真核細胞中。1981 年左右，美國科學家，將病毒基因植入老鼠的受精卵中，使新生的小鼠體內細胞皆帶有這段外來的基因，成功的製造出基因轉殖鼠。基因轉殖鼠兩隻老鼠同齡，右邊為加入生長激素基因的轉殖鼠基因轉殖生物（transgenic organisms）簡稱基改生物（genetically modified organisms，簡稱 GMOs）種類豬、牛、羊與雞等家畜、家禽玉米、大豆和番茄等農作物遺傳工程技術的應用利用基因轉殖使微生物、植物和動物的性狀，更能符合人類的需求。希望利用來解決遺傳疾病、過敏性疾病及癌症等許多醫學上的難題。 回上一層7-2

5、.2 離體培養細胞培養、組織培養、器官培養、試管嬰兒、複製動物 回上一層離體培養將生物體中的細胞、組織或器官分離出來，在體外以人工調配的特殊培養基及培養條件來維持其活性及生長。分成細胞培養組織培養器官培養細胞培養將組織碎片處理，使細胞相互分離成為單細胞狀態。再放入富含適當營養的培養基的特殊培養皿中，在無菌環境下培養。初級細胞培養（primary cell culture）由生物體取出的細胞，在適當培養環境下可持續分裂，稱為初級細胞培養。這類細胞，分裂 50 代至 100 代之後，即不再分裂或死亡。一些腫瘤細胞或突變細胞，則可代代繁殖下去，形成細胞株（cell line）。HeLa 細胞株1 9

6、 5 1 年的二月，美國約翰霍普金斯大學的蓋依（George Gey and Margaret Gey）等人，從一位罹患子宮頸癌的 31 歲婦女Henrietta Lacks 的腫瘤組織中，分離出癌細胞，並在離體培養下，發展成名為 HeLa 的細胞株。這是第一株可離體連續培養的人類細胞，由於 HeLa細胞很容易在離體培養下生長，故被科學家廣泛的用來從事有關細胞學的研究。細胞培養的應用用來大量產製多種病毒疫苗如初級細胞培養的猴子腎臟細胞，可用來培養小兒麻痺症疫苗。人類肺臟細胞的細胞株則可用來培養麻疹疫苗。利用羊膜穿刺取得的胎兒細胞，需經過短時間的細胞培養後，才可用來鑑定染色體是否正常。幹細胞（s

7、tem cell）能再分化出各類型的細胞形成組織，且本身也能繼續分裂衍生。幹細胞種類是根據其表現的結果來區分造血幹細胞間質幹細胞胚胎幹細胞幹細胞的功能造血幹細胞能夠分裂、分化形成各種血液細胞間質幹細胞能夠分裂形成中胚層的組織，分化為軟骨、脂肪和韌帶等組織的細胞；胚胎幹細胞屬於多才多藝的多能細胞。 幹細胞的研究是具有分化潛力的細胞，在適當刺激下，可分化成為多種不同的組織細胞。可取自早期胚胎，或成人的某些組織。廣泛的運用在疾病治療及藥物篩選上骨髓中的造血幹細胞，可用來治療與血液細胞相關的癌症，如白血病。組織培養早期的離體培養僅限於動物組織，將組織直接培養，故稱為組織培養。動物組織培養利用少量的人體

8、組織，經過離體培養後，增長成為新生的組織，這種技術稱為組織工程（tissue engineering）。目前可用以產生的表皮組織及軟骨用來修補燒傷皮膚的表皮，因組織是來自本身，因此不會發生排斥作用。修復心臟瓣膜、骨骼等組織。正在研究如何將幹細胞應用在組織工程上。組織工程以組織工程技術產生的表皮組織植物的組織培養植物的離體培養從細胞、組織到器官層級都可進行，通常皆稱為組織培養。組織培養技術：將一小塊葉片、頂芽，甚至是單一細胞，加入適量的植物激素，可培養出一整棵植株。菸草、玉米、水稻和番茄等，都有成功的例子。木瓜的組織培養懸浮細胞培養後，形成一團未分化的細胞。團塊細胞長出莖。長出莖和葉。在培養瓶中

9、長成幼苗。幼苗於田間種植，長成正常成株。植物的組織培養的應用蘭花我國最成功的農業產業之一，大部分植株是來自於組織培養。蘭花的根、葉、花梗及花芽等組織，皆能操作。蘭花的組織培養培養皿中的組織培養蘭花移植到培養瓶中培養室金線蓮高經濟價值的藥用植物野生種生長在海拔約 1,000 至 1,500 公尺的陰溼環境能以組織培養方式保存並繁殖優良品種，使其對環境的適應力及產量皆優於野生種。金線蓮的組織培養野生的金線蓮組織培養的金線蓮器官培養從生物體中取出某器官的全部或部分，培養在適當的培養基中，使其在離體狀態下，仍然保持原有的活性及功能。器官培養用途用來作器官移殖：如心臟、腎臟及肝臟。作藥理學及病理學研究：

10、研究整體器官對外在環境因子與藥物刺激所產生的反應。以某些發炎介質，刺激離體培養的小腸，觀察對蠕動現象產生的變化。其他如氣管、大動脈等，也能以器官培養的方式提供離體研究。離體培養的其他應用試管嬰兒複製動物試管嬰兒利用離體培養的技術，來培養受精卵或早期胚胎。發育為早期胚胎之後，需植回母體的子宮中，經正常的懷孕及分娩過程產下嬰兒。體外受精，母體內發育。由於精子與卵不一定皆來自於配偶，有時會引起道德與法律上的問題。試管嬰兒離體培養至早期胚胎早期胚胎移入子宮內卵和精子在試管內結合成受精卵由卵巢採卵卵精子卵巢子宮陰道人工受精技術小史1978 至 1980 年間，英國的醫生利用體外受精的技術，協助四位婦女懷

11、孕，但其中一位婦女順利產下了人類史上第一個試管嬰兒。精子銀行將精液冷凍儲存在-196 的液態氮中，準備進行體外人工受精時再解凍，與母體取出的卵結合。現在普遍用來解決許多夫妻的不孕症問題。動物複製技術1997 年，蘇格蘭的羅斯林（Roslin）研究所，成功的複製了一頭羊，取名為桃莉（Dolly）。應用技術離體培養細胞核移植胚胎移植複製羊桃莉羅斯林複製羊實驗步驟將取自六歲大母羊的乳房細胞離體培養。從另一隻母羊體內取出卵細胞，隨後將其細胞核去除。將此去核的卵細胞與乳房細胞融合為一個細胞，使卵細胞獲得了乳房細胞的細胞核。以電擊刺激此卵細胞，促使其開始分裂。離體培養 6 天形成早期胚胎後，再植入代孕母羊

12、的子宮中。經過一百多天後，小羊桃莉終於誕生了。複製羊 體細胞（乳房） 卵細胞去核 以電擊法融合細胞 胚胎 殖入黑面母羊子宮 分娩 白面小羊黑面母羊白面母羊桃莉！台灣的複製動物在本世紀初成功的複製了牛、豬、羊。複製牛於出生後不久即死亡。 2002 年 2 月誕生的酷比豬是基因轉殖豬的複製豬。同年 7 月，複製羊也由代孕母羊順利地產下。我國的複製動物利用成年荷蘭母牛的卵子周圍細胞為供核源的複製牛，但於出生後不久即死亡。我國的複製動物利用成年阿爾拜因乳羊的耳朵細胞為供核源的複製羊。雙基因轉殖的複製豬酷比1、2及3號。離體培養技術人造皮膚THE END下一單元7 - 3 生物技術的衝擊圖片來源P9編輯部P10編輯部P11編輯部P12編輯部P16Science Vol.6(9):4950, 198