奈米生物技术

第六章奈米生物技術6.1前言6.2奈米元件與生物反應系統6.3奈米生物技術應用範疇6.4奈米生物技術未來研究及發展6.1前言研究生物體元件(bio-elements)的奈米級工具及檢測技術統稱為奈米生物技術(nano-biotechnology)。以尺度而言，一般細胞生物(cellularlife)單一細胞尺寸屬微米級(microscale)，如大腸桿菌，其直徑約在2微米;長5微米，故其內部元件或基本建構元件(buildingblocks)尺度，大都在奈/微米(nano/micro)級之間，所以奈米技術發展，預期進一步了研究生物體微小元件及生物反應系統運作方式的可行性。目前奈米技術已可操控原子級粒子並研究其微小化下的物化特性，如何利用此一技術並配合目前分子生物學發展，來進一步了解活體中生物活動(甚至生命)現象，將是未來數十年間，重要研究課題之一。把奈米技術引入生物學研究的目的在於微小化奈米技術可幫我們(1)精準辨識反應中的微小生物分子(如特定酵素)的存在、(2)控制特定生物分子的移動，及(3)運送特定微小粒子至某定點等，而這些結果都將有助於進一步了解各生物分子特性，其相互間的作用情形，及生物系統本身的效率及精準特性。以前述大腸桿菌生長為例，一隻大腸桿菌在30分鐘完成便完成伍佰萬個鹼基對複製，亦即一秒鐘內可複製二仟八佰個鹼基對，而奈米微小化技術可幫助我們了解：(1)這高效率的系統是如何達成的，及(2)在如此快速的製程中，微小元件的位移控制又是如何完成的。總之，奈米研究可進一步回答生物系統對其元件掌控的專一及精準特性，而因為奈米技術的發展，未來這些特性的研究也可能在活體中完成。更重要的一點是—這些研究成果都與身為生物之一的人類息息相關，故其重要程度不言可諭。6.2生物元件與生物反應系統生物元件種類甚多，也常因物種不同而有所差異。研究不同生物元件與其組合而成的生物反應系統(bio-reactivesystems)，是了解生物運作機制的最佳方式之一。有鑑於此，本節就常見且重要的生物元件與生物反應系統及其功能作說明：

核酸(nucleicacid)蛋白質(protein)粒腺體(mitochondrion)細胞膜(cellmembrane)電子傳遞系統(electrontransferringsystem)免疫系統(immunesystem)神經傳遞系統(nervoustransferringsystem)核酸

核酸(nucleicacid)廣泛存在所有動、植物細胞及微生物體內，並可分為核糖核酸(ribonucleicacid簡稱RNA)，和去氧核糖核酸(deoxy-ribonucleicacid簡稱DNA)。DNA是儲存、複製和傳遞遺傳信息的主要物質，而RNA有三種，分別在蛋白質合成過程中扮演重要角色，其中轉移核糖核酸(transferRNA或tRNA)，有運送和轉移活化氨基酸(aminoacids)的功能﹔信使核糖核酸(messengerRNA或mRNA)，是合成蛋白質的模板(template);核糖體的核糖核酸(ribosomalRNA或rRNA)，則是細胞合成蛋白質的主要工廠。每一條DNA或RNA都是一個巨型分子，由數目不等的核甘酸(nucleotide)聚合而成。核甘酸是由三大部份組成，即核醣(ribose；RNA用)/去氧核醣(deoxyribose；DNA用)、磷酸根(phosphate)及包含嘧啶(pyrimidines)和嘌呤(purines)的含氮鹽基。核醣及磷酸根形成核酸的骨幹(backbone)，其中每一個核甘酸的磷酸根會接在上一個核甘酸核醣第3個碳的位置上，而含氮鹽基才是造成每個核甘酸特性不同的原因。含氮鹽基中嘧啶又有三種：胞嘧啶(cytosine)存在於DNA和RNA中，胸腺嘧啶(thymine)僅存在於DNA中，尿嘧啶(uracil)僅存在於RNA中，嘧啶是由碳原子和氮原子組成的六邊環，不同嘧啶的差別在於連接在環上的官能基不同；嘌呤有二種：腺嘌呤(adenine)和鳥糞嘌呤(guanine)，是由一個六邊環及五邊環的組合體，在DNA和RNA中都有。各種核甘酸，以含氮鹽基第一個英文字母簡稱之，即C、T、U、A、G等。在正常情形下，A與T(或U)以二個氫鍵相互配對連結;G與C則以三個氫鍵結合，所以相同長度的DNA中若含較多GC配對時，其所需要將雙股DNA分離的能量也愈大。DNA的組成因子從物理的角度來看，各種力場對DNA性質和性能的影響、相互作用力對DNA性質的影響、及現有的理論和模型是否足以解釋DNA分子的性質等，都是目前研究甚多的課題。由於DNA特有的雙股螺旋結構，使得其形變和彈性性質與其生物功能有直接的關係，例如在DNA複製的過程中，雙股螺旋必須反轉並斷開鹼基對之間的氫鍵，以利DNA複製酵素(polymerase)等分子連結並利用被分開的兩股核甘酸作為複製的模版(template)，而針對這些力場的作用及DNA彈性性質的研究，是了解生物體遺傳物質製造/運送過程中，不可或缺的一環。力場對DNA之影響此外，近年來陸續發現包括癌症、精神病、及遺傳病等，許多人類疾病是因為染色體內不穩定的核酸重複序列發生突變所致。其中由三個核甘酸重複序列倍增突變所導致的遺傳疾病有:易脆X染色體症候群(FragileXsyndrome)、延髓肌萎縮症(Spinalandbulbarmuscularatrophy，SBMA)、亨丁頓氏舞蹈症(Huntington’sdisease，HD)、小腦脊髓幹運動失調症候群(spinocerebellarataxias，SCAs)、齒狀紅核蒼白球肌萎縮症(Dentatorubralpallidolusyianatrophy/HawRiverSyndrome，DRPLA/HRS)、Machado-Josephdisease(MJD)、以及肌強直型肌肉萎縮症(MyotonicDystrophy;DM)等。這些不正常核甘酸重複序列有些是位於轉譯區(codingregion)基因座內有一段不穩定的CAG核甘酸重複序列擴增突變(expansionmutation)，所造成的神經退化性疾病(neurodegenerativedisease)，如上述的SBMA、HD、SCAs、DRPLA/HRS、MJD等病症;有些則是位於不轉譯區(non-codingregion)內，由不穩定的CTG或CGG核甘酸重複序列倍增突變所造成的肌肉萎縮、智障等遺傳疾病，如：DM。基因突變在1972年，美國史丹福大學的研究人員正式發展出基因重組(generecombination)的技術。這項原本為了分析各基因的作用而發展出來的技術。最初所謂的基因重組是指科學家利用技術，將選取的目標基因(DNA)與另一段不同生物的DNA互相接合，形成重組DNA，再將重組DNA放入菌體中，於是重組的DNA便能在菌體內複製並合成相對蛋白質。故此技術可用來判斷目標基因的產物及其功用並了解各基因的作用。基因重組的技術包括四個步驟：(1)基因的選取，(2)目標DNA與載體DNA的結合(所謂載體是指可以攜帶基因進入菌體的物質，一般常用的有細菌的質體(Plasmid)及噬菌體(microphage)，(3)將重組DNA放入菌體內，進行複製和表現其性狀(4)分析目標基因合成的產物。

基因重組2.蛋白質若針對人類而言，蛋白質是細胞膜、細胞質、肌肉、皮膚和許多身體構造的主要成分，也是形成酵素、血液中的血紅蛋白質及抗體的主要物質，對身體成長及自我修補受傷組織的功能非常重要。在微觀的製造方面，生物體利用轉錄(transcription)機制將基因DNA片段轉成mRNA，再利用核醣體(ribosome;內含rRNA)將mRNA資訊經轉譯(translation)及tRNA運送來對應胺基酸製成蛋白質。氨基酸(aminoacid)是構成蛋白質的基本單元，自然界每個氨基酸的氨基(aminogroup)和羧基(carboxylgroup)都與同一個碳原子以共價鍵結合，稱為-胺基酸，不同的氨基酸各有一個不同的「側鏈」(sidechain)而不同數量和種類的氨基酸可以相互連接成一條鏈狀的構造，稱為polypeptide;而不同數量的polypeptide經化學作用如氫鍵、雙硫鍵等，連結成各種不同的蛋白質。完整的蛋白白質俱四級級結構，分分別是初級級、次級、、三級結構構及四級結結構。初級級結構指的的是蛋白質質的胺基酸酸序列，序序列上些微微變化，會會影響蛋白白質折疊和和其功能；次級結構主主要是以氫氫鍵做局部部重複的折折疊或盤繞繞，常見的的折疊形狀狀有α螺旋旋(alphahelix)及β-摺板(ββ-sheet)二種;三三級結構構主要是由由雙硫鍵(disulfidebridges,-S-S-)連結二個個胱胺酸(cystine)單體而將將二級結構構扭曲重疊疊，四級結結構主要是是由二個以以上的三維維結構蛋白白質組成，，也代表具具功能性蛋蛋白質的完完整結構。。蛋白質結結構常因pH值、鹽鹽濃度、溫溫度等的影影響，瓦解解安定結構構的恐水性性結合，包包括氫鍵、、離子鍵和和雙硫鍵等等結構後，，失去維持持形狀的力力量並造成成變性(denaturation)。有時蛋蛋白質變性性後，當環環境恢復時時可重新形形成俱有機機能的形態態;但某某些蛋白質質是無法還還原的。蛋蛋白質折疊疊規則及其其變性後還還原與否，，目前常以以固定/結結晶(fixation/crystallization)的的方式再配配合電腦模模擬來完成成，因固定定及結晶皆皆需在體外外完成，對對蛋白質結結構有一定定的誤差，，而蛋白質質的立體結結構與基質質固定和該該蛋白質的的活性有關關，所以儘儘可能避免免誤差有其其重要性。。蛋白質結構構固定化技術術固定化技術術主要目的的就是在尋尋求一種「「有效且安安定」的固固定方法以以確保蛋白白質結構不不受外在環環境影響，，通常蛋白白質藉著分分子本身的的胺基(aminogroups,-NH2)、羧羧基(carboxylgroups,-COOH)、或羥羥基(hydroxylgroups,-OH)來來與擔體(carrier)鍵結，其其結合方式式可分為：(1)物理吸附(physicalabsorption)-此法利利用分子間間的凡得瓦瓦力、靜電電力、親和和性的物理理性質吸附附蛋白質分分子，優點點是方法便便宜、簡單單；缺點是是容易因外外在環境溫溫度、酸鹼鹼值、溶液液中離子強強度之改變變，而導致致蛋白質脫脫落，(2)離子鍵結(ionicbonding)-係係利用蛋白白質具有被被離子化性性質，將蛋蛋白質以離離子鍵形式式結合於離離子交換體體，比物理理吸附有較較強的結合合力，但相相同的蛋白白質反應中中緩衝溶液液的種類、、酸鹼值、、離子強度度、溫度等等，都會對對固定化的的效率或蛋蛋白質的脫脫離有很大大的影響，，(3)共價鍵結(covalentbonding)-蛋白白質中含有有與活性無無直接關係係的反應性性游離基，，尤其是羥羥基、羧基基、氨基之之含量很高高，可用來來與基材表表面具有的的官能基發發生共價鍵鍵結，此種種鍵結形式式具有結合合力強的特特性，故被被固定之蛋蛋白質不易易受外在環環境影響而而脫離基材材。分子分析方方法田中(1987)發發現將要分分析的物質質以低能量量的軟雷射射(softlaser)激發成帶帶一個電子子的氣態，，在電場中中可以用「「脫附方法法」(desorption)進行質質譜測量;芬恩(1988)以以「高電壓壓噴射離子子化方法」」(electrosprayionization)使要分分析的物質質經過高電電壓噴射方方法而得離離子化，再再進行質譜譜測量，用用這二種方方法，主要要在使高分分子蛋白質質帶電並藉藉以分析該該類的蛋白白質。此外外，有關蛋蛋白質量測測的另一個個問題是，，以往的分分子結構都都是依賴結結晶固體的的Ｘ光撓射射法，但高高分子量的的蛋白質很很難變成晶晶體。伍思瑞齊(wuthrich，1985)利用用核磁共振振儀(NMR)方法法測定溶液液中的蛋白白質結構，，他以蛋白白質中的氫氫原子間的的距離及擺擺動狀態為為測量基準準，訂出溶溶液中蛋白白質的三度度空間結構構。田中、、芬恩及伍伍思瑞齊也也因其在蛋蛋白質結構構技術的創創新，共同同獲得了2002年年的諾貝爾爾化學獎。。蛋白質分析析與其結構構研究的重重要性在於於：蛋白質是由由一連串的的胺基酸組組成，蛋白白質有它的的特定摺疊疊形態(proteinfolding)，，如果摺疊疊形態發生生變化，那那蛋白質就就會「變質質」並引起起許多疾病病。普席納納(Prusiner，1997)率率先提出蛋蛋白質摺疊疊錯誤會引引起腦組織織海綿化(spongiform)疾疾病，即狂狂牛病並獲獲得1997年諾貝貝爾醫學獎獎，他解釋釋說：「哺乳類腦腦中有一種種叫普立昂昂(prion)蛋蛋白質(PrP；Mr=28,000)，在在正常情況況下，有一一個很穩定定的摺疊結結構形態，，是無害的的，但若與與羊搔症(scrapie)處得來褶褶疊錯誤的的普立昂(PrPsc)接觸觸，則原本本正常PrP會轉變變成PrPsc，病病變後的PrPsc俱感染能能力，並會會擴散感染染造成腦組組織空洞化化。普席納納的發現給給了我們一一個全新的的病理觀念念，即傳統統所謂只有有黴菌、細細菌及病毒毒才有可能能致病是不不完整的，，蛋白質本本身亦有傳傳染疾病的的可能(NelsonandCox2000)。。蛋白質分析析與其結構構研究的重重要性3.粒腺體粒線體存在在所有真核核細胞中，，負責提供供給細胞活活動的化學學能，即製製造ATP，約90%人體所所需能量，，都在此處處產出。ATP是細細胞能量的的攜帶者，，它是經由由一連串複複雜電子傳傳遞反應後後，以氧為為最終電子子接受者而而產生的。。粒線體約約1至10μm長長，活的粒粒線體會在在細胞裡移移來移去，，還會改變變形狀、分分裂成兩個個，和電子子顯微鏡所所見到的有有很大的差差異，粒線線體越多，，通常細胞胞的代謝活活性也越高高。菌體內ATP產生的的機制粒線體有許許多特性與與菌體類似似，(1)粒線體內內含一環狀狀DNA，，獨立於核核胞核DNA，故核核醣體能自自行製造其其所需蛋白白質，(2)粒線體體複製類似似菌體二次次元分裂(binaryfission)，，是由原有有粒線體分分裂而來，，(3)粒粒線體尺尺寸與一般般菌體類似似，基於以以上理由，，已有學理理指出，粒粒線體有可可能是在生生物進化過過程中，由由細菌進入入真核細胞胞而形成的的共生現象象。也因為為粒線體與與細胞核呈呈獨立狀態態，許多有有關粒線體體DNA/RNA操操控、蛋白白質製造、、核醣體特特性等亦是是研究的目目標。對人人類而言，，粒線體由由母體而來來，有突變變可能且其其突變也會會遺傳，所所以比對全全球不同人人種的粒線線體DNA的含氮鹽鹽基排序，，也可能得得到一些全全球人種遷遷移上的線線索。粒腺腺體體與與菌菌體體比比較較在1963年年科科學學家家已已知知道道動動物物體體身身上上的的粒粒線線體體擁擁有有它它自自己己的的DNA，，但但卻卻還還不不了了解解這這些些基基因因究究竟竟有有無無功功能能，，更更不不了了解解這這些些基基因因與與人人類類某某些些疾疾病病有有關關。。直直到到1988年年有有些些研研究究者者才才知知道道粒粒線線體體DNA的的小小瑕瑕疵疵會會引引起起或或促促發發一一些些廣廣泛泛的的衰衰退退現現象象。。目目前前的的研研究究顯顯示示，，粒粒線線DNA缺缺陷陷可可能能導導致致許許多多人人體體功功能能衰衰退退老老化化的的疾疾病病及及現現象象。。即即當當粒粒線線體體中中合合成成ATP的的DNA突突變變或或異異常常都都會會影影響響到到細細胞胞去去穫穫得得足足夠夠的的能能量量，，這這可可能能傷傷害害細細胞胞或或甚甚至至殺殺死死細細胞胞，，更更進進一一地地便便會會引引起起組組織織或或器器官官的的機機能能不不全全。。粒粒線線體體DNA突突變變牽牽涉涉了了許許多多不不知知原原因因的的衰衰退退及及老老化化現現象象和和各各式式各各樣樣的的慢慢性性退退化化疾疾病病。。雖雖然然在在此此方方面面的的研研究究已已提提供供許許多多疾疾病病形形成成的的線線索索，，甚甚至至設設法法治治療療及及阻阻止止疾疾病病形形成成，，但但現現今今在在此此仍仍有有許許多多這這類類疾疾病病無無法法治治療療。。粒腺腺體體的的功功能能4.細細胞胞膜膜細胞胞膜膜的的形形成成應應是是第第一一個個細細胞胞生生命命開開始始的的起起點點。。細細菌菌膜膜在在面面對對外外在在環環境境的的變變化化時時，，必必須須要要能能維維持持細細菌菌內內在在環環境境的的穩穩定定、、並並要要有有掌掌控控養養份份攝攝取取及及廢廢物物排排除除的的能能力力，，如如此此才才能能使使細細菌菌執執行行其其所所需需生生理理功功能能並並維維持持生生存存，，故故其其對對細細胞胞的的重重要要性性，，不不言言可可諭諭。。細細胞胞膜膜是是由由兩兩層層不不透透水水的的磷磷脂脂(phosphatelipid)組組成成，，厚厚約約5nm，，其其親親水水層層向向內內外外，，分分別別與與胞胞液液與與外外界界環環境境接接觸觸，，其其恐恐水水層層相相連連夾夾在在中中間間，，如如此此結結構構可可以以阻阻細細胞胞內內外外物物質質的的交交流流，，並並透透過過細細胞胞膜膜上上一一些些由由蛋蛋白白質質通通道道，，來來接接收收外外界界訊訊號號，，並並與與外外界界交交換換物物質質，，其其示示意意圖圖如如下下。。細胞胞膜膜結結構構，，其其中中A=雙雙磷磷脂脂層層，，B=膜膜上上蛋蛋白白質質，，C=蛋蛋白白質質通通道道。。細胞胞膜膜對對傳傳送送物物質質的的選選擇擇性性強強，，大大都都利利用用特特殊殊通通道道來來做做運運送送。。多多數數細細胞胞膜膜上上都都有有葡葡萄萄糖糖的的通通道道(glucosetransporter)，，藉藉以以送送入入外外界界的的葡葡萄萄糖糖，，作作為為細細胞胞內內的的養養分分之之用用，，該該通通道道是是由由整整合合型型蛋蛋白白質質(integralprotein)組組成成，，分分子子量量大大約約是是45,000，，但但其其詳詳細細構構造造並並不不清清楚楚，，該該通通道道每每次次運運送送葡葡萄萄糖糖時時會會伴伴隨隨著著Na+是是屬屬於於同同向向通通道道(symport)。。此此外外，，細細胞胞內內外外離離子子的的分分布布，，對對細細胞胞運運作作也也有有重重大大的的影影響響，，例例如如經經由由Na+K+ATPase的的運運作作，，每每個個ATP的的消消耗耗將將三三個個鈉鈉離離子子移移出出細細胞胞內內而而將將兩兩個個鉀鉀離離子子移移入入稱稱逆逆向向通通道道(antiport)，，造造成成大大部部分分細細胞胞內內鉀鉀離離子子的的濃濃度度是是細細胞胞外外的的30-50倍倍，，而而鈉鈉離離子子濃濃度度只只有有外外面面的的十十分分之之一一。。由由於於細細胞胞膜膜內內外外離離子子分分布布的的濃濃度度不不一一，，所所以以在在細細胞胞膜膜上上就就產產生生了了一一個個「「膜膜電電位位差差」」(membranepotential)；；裡裡面面為為負負，，外外面面為為正正，，大大小小約約為為50到到70毫毫伏伏特特(mV)。。此此外外也也有有所所謂謂離離子子通通道道，，只只允允許許特特定定的的離離子子以以擴擴散散的的方方式式流流通通。。物質傳傳送早期研研究細細胞離離子通通道時時，須須將一一根電電極插插入到到細胞胞內，，然後後連通通另外外一個個在細細胞外外的電電極，，來記記錄不不同生生理情情況細細胞膜膜電位位差變變化。。但是是這種種傳統統電生生理的的技術術解析析度不不夠，，而且且沒有有辦法法任意意改變變細胞胞內的的各種種成分分，再再觀察察這些些改變變到細細胞膜膜上離離子通通道的的影響響。奈奈爾和和沙克克曼(1976)發發展出出「膜膜片箝箝制」」的技技術來來研究究細胞胞膜上上離子子通道道的研研究。。所謂謂「膜膜片箝箝制」」技術術係利利用一一隻管管口直直徑比比細胞胞還小小的毛毛細玻玻璃管管，在在顯微微鏡底底下將將它輕輕輕壓壓住細細胞的的表面面，再再加點點吸力力，將將細胞胞膜緊緊緊吸吸黏在在管口口上。。如果果細胞胞膜上上有一一個離離子通通道的的分子子，經經過電電流的的記錄錄儀器器，就就可以以記錄錄在這這個離離子通通道進進出的的離子子流。。他們們應用用這套套技術術，順順利地地記錄錄出青青蛙肌肌肉細細胞上上單一一離子子通道道流過過電流流的大大小。。其結結果顯顯示，，肌肉肉細胞胞的細細胞膜膜上一一個離離子通通道可可通過過的電電流約約為二二十微微微安安培(10-12安安培)，換換成離離子數數目大大約是是每秒秒通過過一億億個離離子。。其他他結果果也顯顯示，，這些些離子子通道道會因因應不不同的的環境境而改改變其其特性性和形形態，，造成成離子子流量量的變變化。。細胞離子通通道研究5.電子子傳遞系統統電子傳遞系系統(electrontransferringsystem)常常見於生物物反應系統統中，譬如如人的呼吸吸過程是將將電子一步步一步傳遞遞，最後傳傳給氧氣，，另外生物物產氫亦是是類似情形形，最後則則是透過產產氫酵素(hydrogenase)與氫離子子產生氫氣氣。厭氧產氫電電子傳遞路路徑路6.免疫疫系統免疫系統(immunesystem)是人人體為抵禦禦外來不明明病原或物物質所構成成的防禦體體系，這個個防禦系統統大致可分分為三個部部份:(1)自我我/非自我我個體的辨辨識，(2)系統對對抗原(antigen)的的捕殺，及及(3)記記憶細胞(memorycells)的製造造及運用。。抗原是指指一切能使使免疫系統統起反應的的物質。免免疫系統主主要是由骨骨髓中幹細細胞所製造造出的不同同白血球細細胞，包括括巨噬細胞胞(macrophage)與淋巴球球細胞(lymphocyte)，其其中主要的的淋巴球細細胞又可分分為B細胞胞(Bcell)及TC細細胞(killerTcell)，前者是是專門產生生抗體來標標示抗原，，供巨噬細細胞來辨識識及消滅;後者是是專門來殺殺死已被感感染的細胞胞及其內所所含的抗原原。此外還還有助手T細胞(helperTcell，簡稱稱為THcell)能與B細胞互動動產生介白白質(interleukin)來刺刺激B、T及TH等等細胞的增增殖。在人體的整整個免疫防防護過程中中，首先免免疫系統要要能辨別那那一個是自自己的細胞胞，那一個個是必須被被消滅的抗抗原。基本本上人體細細胞靠兩類類蛋白質，，即MHC第一及第第二類蛋白白質(majorhistocompatibilitycomplexesclassIandII)，依附在在細胞上來來做標示的的工作。MHC第一一類蛋白質質存在所有有已知脊椎椎動物細胞胞上，但每每個人可產產生多達6種不同的的MHC第第一類蛋白白質，所以以幾乎很少少有MHC第一類蛋蛋白質組合合相同的人人。為了正正確辨認自自身的MHC蛋白質質，當TC細胞製造造時要經過過嚴格篩選選，約95%被製造造的TC細細胞因其有有造成錯誤誤辨識可能能而被消滅滅，只有能能正確抓住住與外來抗抗原結合的的MHC第第一類蛋白白質的TC細胞才會會被留存下下來。之後後TC細胞胞會到處尋尋找這種有有抗原的細細胞並將之之摧毀，這這也是為什什麼當器官官移植時，，外來器官官上的MHC第一類類蛋白質亦亦被視為抗抗原並受本本體TC細細胞攻擊，，而造成所所謂組織排排斥性(tissuereject)現象。。MHC第第二類蛋白白質則只依依附在少數數抓抗原的的細胞上，，如巨噬細細胞及B細細胞上，以以供助手T細胞來結結合，進而而刺激B、、T及TH細胞的增增殖。免疫防護過過程所以整個抗抗原捕殺的的過程可分分成兩部分分，其一由由B細胞產產生抗體來來標示抗原原，而此抗抗體/抗原原結合體會會被隨時來來回巡邏中中的巨噬細細胞所吞噬噬;而受受抗原感染染的細胞則則由TC細細胞透過已已感染抗原原的MHC第一類蛋蛋白質進行行結合並將將整個細胞胞連抗原一一起消滅之之。如有需需要助手T細胞將會會透過MHC第二類類蛋白質與與B細胞互互動，產生生介白質來來刺激B、、T及TH細胞的增增殖。當抗抗原被消滅滅殆盡，少少部分TC、TH、、及B細胞胞會被留存存下來，變變成記憶細細胞，記憶憶細胞在體體內巡迴，，下次有同同樣的病源源侵入時可可以閃電出出擊，這也也是當一個個人已得過過某種疾病病後有免疫疫效果理由由。免疫系統中中所謂抗原原/抗體的的獨特/單單一的結合合特性，已已被拿來發發展蛋白質質晶片，做做為檢測抗抗原或抗體體存在的明明確指標。。雖然如此此，但吾人人對免疫系系統的了解解，仍是不不足，免疫疫系統的高高度辨識性性、TC及及TH在製製造時的嚴嚴格篩選機機制，和記記憶細胞的的留存而不不被摧毀回回收等都是是有待更多多探討的。。7.神經經傳遞系統統神經系統可可以分為中樞神經系系統和周邊神經系系統兩大類。中中樞神經系系統又可分分為兩個部部份:大腦腦和脊椎椎。一個正正常成人的的大腦約有有1.3到到1.4公公斤重,其其中約包包含了上千千億的神經經細胞以及及數以兆計計的神經膠膠質細胞。。脊髓外圍圍有著堅硬硬的脊椎骨骨作為保保護以及支支撐脊髓之之用，其長長度約有70公分。。周邊神經經系統也可可以分為兩兩個主要的的部份：軀軀體神經系系統以及自自主神經系系統軀體體神經系統統中的感覺覺神經纖維維可將身身體各部份份的感覺器器官所搜集集到的視覺覺、嗅覺、、味覺、觸觸覺等資訊訊傳送到大大腦或脊髓髓。而運動動神經纖維維則負責責將中樞神神經系統所所下達的命命令傳到骨骨骼肌以產產生所需的的運動。自自主神經系系統包含了了交感神經經系統以及及副交感神神經系統。。其功能能主要在於於調控內臟臟的平滑肌肌運動以及及內分泌腺腺體產生內內分泌激素素。藉由這這些複雜的的神經連結結互動,我我們才能能夠因應外外界的環境境變化而產產生適當的的身體反應應,並產產生了思考考、記憶、、和情緒變變化的能力力。神經細胞(nervecell又稱稱為神經元元，neuron)是專門傳傳遞電訊號號的細胞，，當位於細細胞表面的的受體(receptor)接收到神神經傳導物物質時，神神經細胞便便會產生動動作電位以以傳遞訊息息。神經細細胞會從本本體處長出出觸手狀的的組織，稱稱為軸突(axons)和樹樹突(dendrites)，樹突負負責將資訊訊帶回細胞胞，而軸突突則是負責責將訊息傳傳遞出去。。在神經系系統中幾個個重要的離離子分別為為鈉(Na+)、鉀鉀(K+)、鈣(Ca2+)及氯(Cl-)離離子。此外外還有一些些帶負電荷荷的蛋白分分子。神經經細胞和一一般細胞一一樣都有細細胞膜包覆覆，而細胞胞膜對離子子的通透率率極差，幾幾乎為零，，因此這些些離子要經經由細胞膜膜上特殊的的離子通道道(ionchannels)如前前述Na+K+ATPase才能流通通。當神經細胞胞在休息狀狀態(不傳傳送訊息時時)，細胞胞外的鈉離離子相較於於細胞內的的鈉離子來來的多，而而細胞外的的鉀離子則則相較於細細胞內的鉀鉀離子來的的少，細胞胞內的電壓壓相對於細細胞外的是是負值，此此時細胞內內外不平衡衡的離子會會企圖去平平衡這內外外的電位差差，但是由由於細胞膜膜的阻隔使使得只有具具有特定離離子通道的的離子可以以通透。在在休息狀態態下神經細細胞對鉀離離子的通透透性極高(K+)而相對對的氯離子子(Cl-)及鈉離離子(Na+)通透透率不高，，且細胞內內帶負電的的蛋白分子子則因為體體積太大，，而無法自自由的進出出細胞膜而而被箝制於於細胞內。。一般而言言，休息電電位是負70-100毫伏特特(mV)，也就是是說細胞內內的電壓要要比細胞外外的低70-100毫伏特。。神經經細細胞胞當細細胞胞在在傳傳遞遞訊訊息息時時，，各各離離子子游游動動的的情情形形稱稱為為動動作作電電位位(actionpotential)。。動動作作電電位位是是由由去去極極化化電電流流(depolarizingcurrent)將將原原本本細細胞胞的的休休息息電電位位提提昇昇(一一般般至至-55mV)而而引引發發的的膜膜電電位位改改變變。。在在任任何何一一種種神神經經細細胞胞中中，，其其產產生生的的動動作作電電位位大大小小是是完完全全一一樣樣的的，，因因此此神神經經細細胞胞不不是是不不引引發發動動作作電電位位，，就就是是產產生生一一個個大大小小固固定定的的一一個個動動作作電電位位，，這這就就是是所所謂謂的的全全有有全全無無律律(allornone)。。動作作電電位位因因一一連連串串離離子子通通過過細細胞胞膜膜而而造造成成離離子子重重新新分分配配及及膜膜電電位位改改變變。。首首先先外外來來的的刺刺激激開開啟啟了了原原本本在在休休息息狀狀態態下下不不開開啟啟的的鈉鈉離離子子通通道道，，因因為為細細胞胞外外的的鈉鈉離離子子濃濃度度遠遠高高於於細細胞胞內內因因此此大大量量的的鈉鈉離離子子會會向向細細胞胞內內流流入入，，鈉鈉離離子子本本身身帶帶一一個個正正電電荷荷，，因因此此會會使使得得神神經經細細胞胞的的細細胞胞膜膜電電位位趨趨向向於於正正值值即即所所謂謂的的去去極極化化。。鉀鉀離離子子通通道道開開啟啟的的時時間間較較鈉鈉離離子子通通道道來來的的晚晚。。當當鉀鉀離離子子通通道道打打開開時時鉀鉀離離子子會會流流出出細細胞胞而而使使得得細細胞胞膜膜電電位位趨趨向向於於負負值值而而將將細細胞胞再再極極化化(repolarization)。。在在此此同同時時鈉鈉離離子子開開始始關關閉閉，，這這造造成成細細胞胞膜膜電電位位回回到到神神經經細細胞胞的的休休息息膜膜電電位位。。神經經元元上上亦亦有有數數量量及及種種類類均均多多的的受受體體(receptor)，，這這些些受受體體會會同同時時或或個個別別受受到到多多個個其其它它神神經經元元所所產產生生的的離離子子濃濃度度及及電電位位變變化化影影響響而而產產生生去去極極化化電電流流，，將將訊訊號號持持續續傳傳下下去去，，如如果果該該細細胞胞所所接接收收到到的的訊訊號號未未達達及及去去極極化化電電流流，，則則訊訊號號停停止止。。這這種種單單一一細細胞胞受受多多個個神神經經元元訊訊號號控控制制的的現現象象不不易易分分析析，，有有待待更更進進一一步步的的了了解解。。此此外外，，神神經經傳傳導導物物質質與與受受體體的的關關係係十十分分密密切切，，神神經經傳傳導導物物質質不不能能產產出出或或產產出出不不正正常常或或與與受受體體間間的的互互動動有有異異狀狀，，常常帶帶來來神神經經上上的的疾疾病病，，例例如如巴巴金金森森氏氏症症(Parkinson’’sdisease)便便是是因因為為腦腦內內一一種種叫叫黑黑核核(SubstantiaNigra)的的腦腦細細胞胞快快速速死死去去而而無無法法製製造造足足夠夠的的多多巴巴胺胺(Dopamine)而而導導致致的的一一種種慢慢性性的的中中樞樞神神經經系系統統失失調調症症狀狀。。6.3奈奈米生生物技技術應應用範範疇生物技技術目目前的的應用用相當當廣泛泛，舉舉凡微微生物物辨識識、疾疾病防防治、、食品品改良良、能能源開開發、、環境境保育育、及及地球球永續續發展展等都都有密密切關關聯性性。這這些課課題中中包含含了利利用核核醣體體的次次單元元(subunit)做做菌群群區別別、利利用基基因診診治來來防治治先天天性疾疾病，，利用用基因因操作作來增增加糧糧食生生產、、利用用生物物產能能系統統來獲獲取生生物能能、利利用改改良菌菌種來來去除除廢棄棄物、、及利利用收收集/保存存生物物多樣樣性以以求物物種的的永續續發展展。本本節將將就幾幾個共共通性性的生生物技技術做做一說說明。。物種辨辨識生物感感測基因操操作基因治治療藥物設設計與與藥物物傳輸輸物種辨辨識微生物物辨識識是純純菌分分離後後必要要的一一種分分析。。菌種種分離離主要要是藉藉由模模擬自自然界界微生生物的的生長長營養養源及及環境境，而而將存存在於於自然然界的的微生生物獨獨立地地培養養及分分離出出。利利用不不同微微生物物本身身所含含DNA基基因序序列上上的差差異，，做為為其辨辨識的的依據據，在在此僅僅以常常用的的16SrDNA辨認認原理理做說說明。。利用16SrRNA作菌種種分類流流程範例例細胞內核核醣體是是蛋白質質製造之之處，它它是由蛋蛋白質和和rRNA所組組成的。。一般上上原核細細胞的核核醣體由由兩個次次單元所所組成，，分別是是50S和30S次單單元(S=Svedbergunit;即即離心心時的沉沉澱速率率，S數數值越大大,則分分子量也也越大)，它們們包含多多種蛋白白質和rRNA分子。。較小的的30S次單元元包含16SrRNA，而而較大的的50S次單元元則包含含5S和和23SrRNA。。16SrDNA就就是在染染色質上上能轉錄錄出16SrRNA的基因因。不同的細細菌擁有有其獨特特的16SrDNA序列，，通過資資料庫的的比對可可以辨別別出擁有有某個特特定16SrDNA序列的的細菌之之種類。。發展DNA分分子檢驗驗技術需需要考慮慮的因素素包括：：(1)該基因因要夠「「保守」」，即不不同細菌菌之間的的差異不不能太大大，否則則就難找找到能適適用於極極大多數數細菌的的DNA引子，，(2)DNA序列列不宜太太長或太太短，如如太長其其序列偵偵測較困困難;如如太短短其特異異性太低低，辨識識不易。。2.生物物感測生物感測器器主要是以以生物分子子如抗體、、抗原、酵酵素、蛋白白質、及核核酸等來做做為量測某某化合物或或離子的工工具，一般般而言，其其量測化合合物俱選擇擇性並常是是一可逆反反應。生物物感測器的的主要元件件之一即是是利用在感感測器上加加裝上生物物元件來增增加其偵測測時的選擇擇性及靈敏敏度。而依依照使用的的生物元件件不同可區區分成酵素素感測器(enzymesensor)、免免疫感測器器(immuno-sensor)、、受體感測測器(receptorsensor)、微微生物感測測器(microbialsensor)、、細胞及組組織感測器器(cellandtissuesensor)、及核酸酸感測器(nucleicacidsensor)等六類，，其中，如核酸感測測器即是以以DNA雙雙股的互補補性來做偵偵測的機制制。生物感測器器的主要元元件之一即即是利用在在感測器上上加裝上生生物元件來來增加其偵偵測時的選選擇性及靈靈敏度。而而依照使用用的生物元元件不同可可區分成酵酵素感測器器(enzymesensor)、、免疫感測測器(immunosensor)、、受體感測測器(receptorsensor)、微微生物感測測器(microbialsensor)、、細胞及組組織感測器器(cellandtissuesensor)、及核酸酸感測器(nucleicacidsensor)等六類，，其相對的的反應機制制，可由前前一節(6.2節)的生物元元件介紹中中得知，如如核酸感測測器即是以以DNA雙雙股的互補補性來做偵偵測的機制制。目前的生物物感測器大大都為體外外偵測，且且受限於對對生物系統統本身了解解不夠、生生物元件包包埋(embedding)技術不足足，及生物物元件本身身的選擇性性不夠專一一而被不反反應物質所所阻絕等因因素的影響響，故其實實測應用性性及準確度度都有待加加強。此外外，無法作作體內檢測測是否會導導致檢體在在前處理過過程的變質質和測值不不準，這些些都有待確確認。目前前奈米技術術已有所謂謂藥物載體體(drugcarrier)設計計，即將藥藥物傳送到到特定身體體位置再釋釋放，以避避免藥物的的擴散與浪浪費。如果果能把生物物元件包圍圍在奈米顆顆粒中，減減低非專一一性的接觸觸並在體內內直接量測測檢體，則則生物感測測器，將可可有進一步步發展的空空間。3.基因因操作生物技術主主要的使命命之一便是是如何將一一目標基因因在一特定定生物體中中表現。由由於遺傳密密碼的一體體適用性，，因此即便便是真核生生物的基因因都可以在在原核生物物內表現。。原核生物物中的大腸腸桿菌，因因(1)其其表現系統統已被解明明、(2)其菌株能能在廉價的的培養基中中做高密度度成長及(3)其無無害於環境境等因素而而被廣泛利利用為蛋白白製造工廠廠並已成為為世界各大大藥廠爭相相研究以生生產高附加加價值的蛋蛋白質。表現系統建建立要素包包括:(1)啟動動子(promoter)及及終結子(terminator)特特性、(2)核醣體體結合區與與核醣體結結合的能力力、(3)表現質體體的數目(copynumber)、(4)利用質體體或以質體體併入染色色體後表現現、(5)產出目標標蛋白在細細胞的最終終位置、(6)轉錄錄出的mRNA在核核醣體的轉轉譯效率、、及(7)產出蛋白白在宿主(如大腸桿桿菌)的穩穩定性等。。一般而言言，穩定、、數量大的的質體、表表現力強的的啟動子及及多點複製製區(multiplecloningsites)，是建建立表現系系統基因架架構的三大大要素。4.基因因治療基因治療的的關鍵在於於基因轉殖殖(genetransfer)，，有些基因因轉殖必需需採用體外外培養、操操作，再重重新放入體體內，稱為為exvivo;有些則則可直接應應用於體內內，稱為invivo。常見的載体体包括:(1)反轉轉錄病毒載載體(retroviralvector)是目前使使用最多的的型式，載載體本身是是一個被包包膜(envelope)覆覆蓋的RNA病毒，，會經由反反轉錄作用用而形成雙雙股DNA，再插入入在宿主染染色體中，，達到基因因轉殖及持持續性表現現的特性，，惟此病毒毒只能感染染分裂中的的細胞，在在體內又脆脆弱易被摧摧毀，是其其缺點。此此外反轉錄錄病毒有一一個安全上上的顧慮，，即是病毒毒野生型會會複製有能能力病毒(replicationcompetentvirus)，會導致致細胞突變變，故使用用上不得不不慎(2)腺病毒毒載體(adenoviralvector)有35Kb，，是大尺度度的病毒，，此一病毒毒顆粒穩定定，可直接接做體內(invivo)轉殖，且且不要細胞胞進行分裂裂，是其優優點，但腺腺病毒不在在細胞染色色體中插入入基因，不不會在細胞胞內複製，，故其表現現是屬於短短暫性的，，(3)腺腺衛星病毒毒載體(adeno-associatedviralvector)是有5Kb單單股DNA的病毒，，此載體能能持續表現現，且感染染時不要求求細胞分裂裂，缺點是是它的DNA太小不不能攜帶太太大的外來來基因，以以上三種是是屬於病毒毒載體的部部分。有關非病毒載體體的部分，包包括(1)微脂粒基基因轉殖(liposome-mediatedgenetransfer)是指利用用微脂粒包包覆欲轉殖殖DNA於於其中，並並利用細胞胞膜會與磷磷脂質熔合合(fusion)的方法，，進行DNA運送，，惟此法之之表現屬短短期且效率率不高，並並未普遍被被採用，(2)受體體引導之基基因轉殖(receptor-mediatedtransfer)是是利用細胞胞上特有的的受體來接接受已連上上DNA之之配體(ligand)並利利用胞飲作作用(endocytosis)將DNA送入入細胞體內內，惟此一一方法之DNA在囊囊胞(endosome)易易被分解，，故其轉殖殖效率亦差差，(3)DNA直直接注射至至肌肉細胞胞是比較獨獨特的方法法，結果顯顯示肌肉及及心臟細胞胞在DNA注射後可可持續表現現，其它組組織則否，，因為此法法甚為方便便，是目前前大家所樂樂於嚐試的的方法，(4)基因因槍(genegun)射射入法是利利用高壓加加速將塗滿滿慾被表現現DNA的的粒子打入入細胞內，，以進行表表現，此法法所用的DNA量少少，且可運運用到多種種不同的細細胞、組織織，甚至器器官，並可可以體內方方式來作DNA表現現。5.藥物物設計與藥藥物傳輸生物技術的的進步亦可可減少在新新藥研發時時需投入的的時間與金金錢。一般般藥廠開發發新藥時會會先大量篩篩選出對某某種疾病有有初步療效效的先導藥藥物(leadcompound)，再進一一步將其修修飾，使該該化合物更更有活性與與低毒性，，此法耗時時甚久，所所開發新藥藥成功上市市比率也只只有萬分之之一。目前前，藉由了了解微生物物或病毒等等侵入人體體後所導致致體內化學學物質的失失衡或細胞胞不正常增增生現象，，不同蛋白白質及核酸酸在疾病中中所扮演的的角色也逐逐漸被發掘掘。這些生生物化學或或分子生物物技術的使使用，讓我我們有機會會利用相關關的蛋白質質或核酸為為標的來做做合理化的的藥物設計計(rationaldrugdesign)。所所以對這些些與病變俱俱關連性的的蛋白質或或核酸愈清清楚，則藥藥物開發時時程會縮短短、而設計計出來的藥藥物也會愈愈有效力。。目前藥劑劑使用觀念念已漸漸由由「藥效為為先」轉變變到「安全全及有效性性為中心」」。簡單的的說，手指指頭並沒有有心律不整整的問題，，為什麼要要把心律不不整的藥傳傳送到全身身呢?這樣樣的觀念導導致「適時時、適位、、適量」的的藥物療法法，也就是是所謂的藥藥物傳遞系系統(drugdeliverysystem)的的概念，逐逐漸成為藥藥劑設計主主流，其最最終的目的的在於，把把藥物依需需要量劑送送到特定治治療部位。。一個個理理想想的的藥藥物物傳傳遞遞系系統統應應包包括括:定定位位(positioning)、、藥藥物物釋釋放放(release)、、惰惰性性覆覆膜膜(inertcover)、、及及回回饋饋控控制制。。要要有有定定位位功功能能，，則則其其載載體體要要小小且且要要有有選選擇擇機機制制，，如如以以受受體體、、抗抗原原等等當當成成標標定定物物;藥藥物物釋釋放放的的速速率率及及方方式式(由由孔孔或或表表面面)要要有有效效、、不不過過量量、、表表層層物物質質必必需需不不會會與與生生物物分分子子起起反反應應、、且且最最好好有有回回饋饋機機制制來來做做藥藥量量控控制制，，以以達達到到生生理理需需要要的的理理想想濃濃度度。。目前前已已有有的的藥藥物物載載體體包包括括:仿仿生生物物性性的的微微脂脂粒粒(liposome)、、微微小小球球(microsphere)、、微微乳乳劑劑(microemulsion)等等，，及及利利用用奈奈米米技技術術合合成成的的聚聚合合微微膠膠囊囊(polymericmicrocapsule)、、鎳鎳鋅鋅鐵鐵氧氧體體之之奈奈米米磁磁性性顆顆粒粒等等。。不不過過，，目目前前的的成成效效皆皆僅僅在在測測試試階階段段，，要要達達到到上上述述理理想想藥藥物物傳傳遞遞系系統統，，顯顯然然還還得得在在微微小小化化上上有有所所突突破破。。6.4奈奈米米生生物物技技術術未未來來研研究究及及發發展展在配配合合奈奈米米技技術術開開發發的的同同時時，，我我們們應應可可在在下下列列五五項項領領域域中中，，尋尋求求突突破破與與機機會會，，包包括括：：(1)活活體體操操作作、、(2)生生物物零零件件製製造造/修修補補、、(3)生生物物體體外外微微系系統統開開發發、、(4)新新物物種種開開發發、、及及(5)生生命命起起源源探探索索。。