【正文】 但真正把生物體反應(yīng)系統(tǒng)在體外開發(fā)有其他的好處，以前面解釋的電子傳遞系統(tǒng)為例，所有耗氧生物會藉由消化有機物而在膜上產(chǎn)生電位差，接著再利用此一電位差經(jīng)由 ATP酵素來產(chǎn)生能量單元，即 ATP。但奈米生物技術(shù)的出現(xiàn)卻使生物零件製造 /修補，露出曙光，且因此技術(shù)具有事前疾病預(yù)防的效果，必將成醫(yī)療研發(fā)的熱門項目之一。 DNA外加物的存在增加基因突變的機會，亦即有較高致癌風(fēng)險。至於載體回收是希望能做到像人的免疫系統(tǒng)一般 — 當反應(yīng)完成時， T及 B細胞會自動被分解回收，成為下一個產(chǎn)品的原料。初期應(yīng)利用奈米微小化的特性及技術(shù)，發(fā)展具運送載體，載體如為包覆性，則戴體內(nèi)側(cè)應(yīng)以親生物分子為主，外側(cè)是非親生物分子。 39 在配合奈米技術(shù)開發(fā)的同時，我們應(yīng)可在下列五項領(lǐng)域中，尋求突破與機會，包括： (1)活體操作、 (2) 生物零件製造 /修補、 (3)生物體外微系統(tǒng)開發(fā)、 (4)新物種開發(fā)、及 (5)生命起源探索。要有定位功能，則其載體要小且要有選擇機制，如以受體、抗原等當成標定物 。所以對這些與病變俱關(guān)連性的蛋白質(zhì)或核酸愈清楚，則藥物開發(fā)時程會縮短、而設(shè)計出來的藥物也會愈有效力。 37 5. 藥物設(shè)計與藥物傳輸 生物技術(shù)的進步亦可減少在新藥研發(fā)時需投入的時間與金錢。 有些則可直接應(yīng)用於體內(nèi)，稱為 in vivo。原核生物中的大腸桿菌，因 (1)其表現(xiàn)系統(tǒng)已被解明、 (2)其菌株能在廉價的培養(yǎng)基中做高密度成長及(3)其無害於環(huán)境等因素而被廣泛利用為蛋白製造工廠並已成為世界各大藥廠爭相研究以生產(chǎn)高附加價值的蛋白質(zhì)。目前奈米技術(shù)已有所謂藥物載體 (drug carrier)設(shè)計，即將藥物傳送到特定身體位置再釋放，以避免藥物的擴散與浪費。 33 生物感測器的主要元件之一即是利用在感測器上加裝上生物元件來增加其偵測時的選擇性及靈敏度。 如太短其特異性太低，辨識不易。較小的 30S次單元包含16S rRNA，而較大的 50S次單元則包含 5S和 23S rRNA。利用不同微生物本身所含 DNA基因序列上的差異，做為其辨識的依據(jù)，在此僅以常用的 16S rDNA辨認原理做說明。這些課題中包含了利用核醣體的次單元 (subunit)做菌群區(qū)別、利用基因診治來防治先天性疾病，利用基因操作來增加糧食生產(chǎn)、利用生物產(chǎn)能系統(tǒng)來獲取生物能、利用改良菌種來去除廢棄物、及利用收集 /保存生物多樣性以求物種的永續(xù)發(fā)展。 28 神經(jīng)元上亦有數(shù)量及種類均多的受體 (receptor)，這些受體會同時或個別受到多個其它神經(jīng)元所產(chǎn)生的離子濃度及電位變化影響而產(chǎn)生去極化電流，將訊號持續(xù)傳下去，如果該細胞所接收到的訊號未達及去極化電流，則訊號停止。首先外來的刺激開啟了原本在休息狀態(tài)下不開啟的鈉離子通道，因為細胞外的鈉離子濃度遠高於細胞內(nèi)因此大量的鈉離子會向細胞內(nèi)流入，鈉離子本身帶一個正電荷，因此會使得神經(jīng)細胞的細胞膜電位趨向於正值即所謂的去極化。 神經(jīng)細胞 27 當細胞在傳遞訊息時，各離子游動的情形稱為動作電位 (action potential)。神經(jīng)細胞和一般細胞一樣都有細胞膜包覆，而細胞膜對離子的通透率極差，幾乎為零，因此這些離子要經(jīng)由細胞膜上特殊的離子通道 (ion channels)如前述 Na+K+ATPase才能流通。 26 神經(jīng)細胞 (nerve cell又稱為神經(jīng)元， neuron)是專門傳遞電訊號的細胞，當位於細胞表面的受體 (receptor)接收到神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)時，神經(jīng)細胞便會產(chǎn)生動作電位以傳遞訊息。而運動神經(jīng)纖維 則負責(zé)將中樞神經(jīng)系統(tǒng)所下達的命令傳到骨骼肌以產(chǎn)生所需的運動。中樞神經(jīng)系統(tǒng)又可分為兩個部份 :大腦 和脊椎。當抗原被消滅殆盡，少部分 TC、TH、及 B細胞會被留存下來，變成記憶細胞，記憶細胞在體內(nèi)巡迴，下次有同樣的病源侵入時可以閃電出擊，這也是當一個人已得過某種疾病後有免疫效果理由。 MHC第二類蛋白質(zhì)則只依附在少數(shù)抓抗原的細胞上，如巨噬細胞及 B細胞上，以供助手 T細胞來結(jié)合，進而刺激 B、 T及 TH細胞的增殖。基本上人體細胞靠兩類蛋白質(zhì)，即MHC第一及第二類蛋白質(zhì) (major histopatibility plexes class I and II)，依附在細胞上來做標示的工作。免疫系統(tǒng)主要是由骨髓中幹細胞所製造出的不同白血球細胞，包括巨噬細胞 (macrophage)與淋巴球細胞 (lymphocyte)，其中主要的淋巴球細胞又可分為 B細胞(B cell)及 TC細胞 (killer T cell)，前者是專門產(chǎn)生抗體來標示抗原，供巨噬細胞來辨識及消滅 。其他結(jié)果也顯示，這些離子通道會因應(yīng)不同的環(huán)境而改變其特性和形態(tài)，造成離子流量的變化。所謂「膜片箝制」技術(shù)係利用一隻管口直徑比細胞還小的毛細玻璃管，在顯微鏡底下將它輕輕壓住細胞的表面，再加點吸力，將細胞膜緊緊吸黏在管口上。此外也有所謂離子通道，只允許特定的離子以擴散的方式流通。 19 細胞膜對傳送物質(zhì)的選擇性強，大都利用特殊通道來做運送。 粒腺體的功能 18 4. 細胞膜 細胞膜的形成應(yīng)是第一個細胞生命開始的起點。目前的研究顯示，粒線 DNA缺陷可能導(dǎo)致許多人體功能衰退老化的疾病及現(xiàn)象。也因為粒線體與細胞核呈獨立狀態(tài)，許多有關(guān)粒線體 DNA/RNA操控、蛋白質(zhì)製造、核醣體特性等亦是研究的目標。 蛋白質(zhì)分析與其結(jié)構(gòu)研究的重要性 15 3. 粒 腺體 粒線體存在所有真核細胞中，負責(zé)提供給細胞活動的化學(xué)能，即製造 ATP，約 90%人體所需能量，都在此處產(chǎn)出。田中、芬恩及伍思瑞齊也因其在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)的創(chuàng)新，共同獲得了 2023年的諾貝爾化學(xué)獎。 13 分子分析方法 田中 (1987)發(fā)現(xiàn)將要分析的物質(zhì)以低能量的軟雷射 (soft laser)激發(fā)成帶一個電子的氣態(tài)，在電場中可以用「脫附方法」(desorption)進行質(zhì)譜測量 。有時蛋白質(zhì)變性後，當環(huán)境恢復(fù)時可重新形成俱有機能的形態(tài) 。 11 完整的蛋白質(zhì)俱四級結(jié)構(gòu)，分別是初級、次級、三級結(jié)構(gòu)及四級結(jié)構(gòu)。在微觀的製造方面，生物體利用轉(zhuǎn)錄 (transcription)機制將基因 DNA片段轉(zhuǎn)成 mRNA，再利用核醣體 (ribosome。最初所謂的基因重組是指科學(xué)家利用技術(shù)，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(nèi)複製並合成相對蛋白質(zhì)。這些不正常核甘酸重複序列有些是位於轉(zhuǎn)譯區(qū) (coding region)基因座內(nèi)有一段不穩(wěn)定的CAG核甘酸重複序列擴增突變 (expansion mutation)，所造成的神經(jīng)退化性疾病 (neurodegenerative disease)，如上述的 SBMA、 H D、 SCAs、DRPLA/HRS、 MJD等病癥 。由於 DNA特有的雙股螺旋結(jié)構(gòu)，使得其形變和彈性性質(zhì)與其生物功能有直接的關(guān)係，例如在 DNA複製的過程中，雙股螺旋必頇反轉(zhuǎn)並斷開鹼基對之間的氫鍵，以利DNA複製酵素 (polymerase)等分子連結(jié)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(zhì)的研究，是了解生物體遺傳物質(zhì)製造 /運送過程中，不可或缺的一環(huán)。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。 6 每一條 DNA或 RNA都是一個巨型分子，由數(shù)目不等的核甘酸(nucleotide)聚合而成。研究不同生物元件與其組合而成的生物反應(yīng)系統(tǒng) (bioreactive systems)，是了解生物運作機制的最佳方式之一。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(nèi)可複製二仟八佰個鹼基對，而奈米微小化技術(shù)可幫助我們了解 ： (1)這高效率的系統(tǒng)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。以尺度而言，一般細胞生物 (cellular life)單一細胞尺寸屬微米級 (micro scale)，如大腸桿菌，其直徑約在 2微米 。 長 5微米，故其內(nèi)部元件或基本建構(gòu)元件 (building blocks)尺度，大都在奈 /微米 (nano/micro)級之間，