【正文】 基因重組 10 2. 蛋白質(zhì) 若針對人類而言，蛋白質(zhì)是細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、肌肉、皮膚和許多身體構(gòu)造的主要成分，也是形成酵素、血液中的血紅蛋白質(zhì)及抗體的主要物質(zhì)，對身體成長及自我修補受傷組織的功能非常重要。故此技術(shù)可用來判斷目標(biāo)基因的產(chǎn)物及其功用並了解各基因的作用。這項原本為了分析各基因的作用而發(fā)展出來的技術(shù)。 有些則是位於不轉(zhuǎn)譯區(qū) (noncoding region)內(nèi)，由不穩(wěn)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。 DM)等。 力場對 DNA之影響 8 此外，近年來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)包括癌癥、精神病、及遺傳病等，許多人類疾病是因為染色體內(nèi)不穩(wěn)定的核酸重複序列發(fā)生突變所致。 DNA的組成因子 7 從物理的角度來看，各種力場對 DNA性質(zhì)和性能的影響、相互作用力對 DNA性質(zhì)的影響、及現(xiàn)有的理論和模型是否足以解釋 DNA分子的性質(zhì)等，都是目前研究甚多的課題。在正常情形下， A與 T(或 U)以二個氫鍵相互配對連結(jié) 。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(huán)，不同嘧啶的差別在於連接在環(huán)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(huán)及五邊環(huán)的組合體，在 DNA和 RNA中都有。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。核糖體的核糖核酸 (ribosomal RNA或 rRNA)，則是細(xì)胞合成蛋白質(zhì)的主要工廠。有鑑於此，本節(jié)就常見且重要的生物元件與生物反應(yīng)系統(tǒng)及其功能作說明 ： 1. 核酸 (nucleic acid) 2. 蛋白質(zhì) (protein) 3. 粒腺體 (mitochondrion) 4. 細(xì)胞膜 (cell membrane) 5. 電子傳遞系統(tǒng) (electron transferring system) 6. 免疫系統(tǒng) (immune system) 7. 神經(jīng)傳遞系統(tǒng) (nervous transferring system) 5 1. 核酸 核酸 (nucleic acid)廣泛存在所有動、植物細(xì)胞及微生物體內(nèi)，並可分為核糖核酸 (ribonucleic acid簡稱 RNA)，和去氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid簡稱 DNA)。 4 生物元件與生物反應(yīng)系統(tǒng) 生物元件種類甚多，也常因物種不同而有所差異?？傊蚊籽芯靠蛇M(jìn)一步回答生物系統(tǒng)對其元件掌控的專一及精準(zhǔn)特性，而因為奈米技術(shù)的發(fā)展，未來這些特性的研究也可能在活體中完成。 3 把奈米技術(shù)引入生物學(xué)研究的目的在於微小化奈米技術(shù)可幫我們 (1)精準(zhǔn)辨識反應(yīng)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(jié)果都將有助於進(jìn)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(tǒng)本身的效率及精準(zhǔn)特性。 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，所以奈米技術(shù)發(fā)展，預(yù)期進(jìn)一步了研究生物體微小元件及生物反應(yīng)系統(tǒng)運作方式的可行性。1 第六章 奈米生物技術(shù) 前言 奈米元件與生物反應(yīng)系統(tǒng) 奈米生物技術(shù)應(yīng)用範(fàn)疇 奈米生物技術(shù)未來研究及發(fā)展 2 前言 研究生物體元件 (bioelements)的奈米級工具及檢測技術(shù)統(tǒng)稱為奈米生物技術(shù) (nanobiotechnology)。以尺度而言，一般細(xì)胞生物 (cellular life)單一細(xì)胞尺寸屬微米級 (micro scale)，如大腸桿菌，其直徑約在 2微米 。目前奈米技術(shù)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(shù)並配合目前分子生物學(xué)發(fā)展，來進(jìn)一步了解活體中生物活動 (甚至生命 )現(xiàn)象，將是未來數(shù)十年間，重要研究課題之一。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(dá)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。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(guān)，故其重要程度不言可諭。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。 DNA是儲存、複製和傳遞遺傳信息的主要物質(zhì)，而 RNA有三種，分別在蛋白質(zhì)合成過程中扮演重要角色，其中轉(zhuǎn)移核糖核酸 (transfer RNA或 tRNA)，有運送和轉(zhuǎn)移活化氨基酸(amino acids)的功能 ﹔ 信使核糖核酸 (messenger RNA或mRNA)，是合成蛋白質(zhì)的模板 (template)。 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。核醣及磷酸根形成核酸的骨幹 (back bone)，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。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。 G與 C則以三個氫鍵結(jié)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。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)。其中由三個核甘酸重複序列倍增突變所導(dǎo)致的遺傳疾病有 :易脆 X染色體癥候群(Fragile X syndrome)、延髓肌萎縮癥 (Spinal and bulbar muscular atrophy， SBMA)、亨丁頓氏舞蹈癥 (Huntington’ s disease， HD)、小腦脊髓幹運動失調(diào)癥候群 (spinocerebellar ataxias， SCAs)、齒狀紅核蒼白球肌萎縮癥 (Dentatorubral pallidolusyian atrophy/Haw River Syndrome， DRPLA/HRS)、 MachadoJoseph disease(MJD)、以及肌強直型肌肉萎縮癥 (Myotonic Dystrophy。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 。 基因突變 9 在 1972年，美國史丹福大學(xué)的研究人員正式發(fā)展出基因重組 (gene rebination)的技術(shù)。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(biāo)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)。 基因重組的技術(shù)包括四個步驟： (1)基因的選取， (2)目標(biāo) DNA與載體 DNA的結(jié)合 (所謂載體是指可以攜帶基因進(jìn)入菌體的物質(zhì)，一般常用的有細(xì)菌的質(zhì)體 (Plasmid)及噬菌體 (microphage)， (3)將重組 DNA放入菌體內(nèi)，進(jìn)行複製和表現(xiàn)其性狀 (4)分析目標(biāo)基因合成的產(chǎn)物。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 (ribos