【正文】 少，細(xì)胞內(nèi)的電壓相對於細(xì)胞外的是負(fù)值，此時細(xì)胞內(nèi)外不帄衡的離子會企圖去帄衡這內(nèi)外的電位差，但是由於細(xì)胞膜的阻隔使得只有具有特定離子通道的離子可以通透。在休息狀態(tài)下神經(jīng)細(xì)胞對鉀離子的通透性極高 (K+) 而相對的氯離子(Cl)及鈉離子 (Na+)通透率不高，且細(xì)胞內(nèi)帶負(fù)電的蛋白分子則因為體積太大，而無法自由的進(jìn)出細(xì)胞膜而被箝制於細(xì)胞內(nèi)。一般而言，休息電位是負(fù) 70100毫伏特 (mV)，也就是說細(xì)胞內(nèi)的電壓要比細(xì)胞外的低 70100毫伏特。 神經(jīng)細(xì)胞 27 當(dāng)細(xì)胞在傳遞訊息時，各離子游動的情形稱為動作電位 (action potential)。動作電位是由去極化電流 (depolarizing current)將原本細(xì)胞的休息電位提昇 (一般至 55 mV)而引發(fā)的膜電位改變。在任何一種神經(jīng)細(xì)胞中，其產(chǎn)生的動作電位大小是完全一樣的，因此神經(jīng)細(xì)胞不是不引發(fā)動作電位，就是產(chǎn)生一個大小固定的一個動作電位，這就是所謂的全有全無律 (all or none)。 動作電位因一連串離子通過細(xì)胞膜而造成離子重新分配及膜電位改變。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(xì)胞外的鈉離子濃度遠(yuǎn)高於細(xì)胞內(nèi)因此大量的鈉離子會向細(xì)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(xì)胞的細(xì)胞膜電位趨向於正值即所謂的去極化。鉀離子通道開啟的時間較鈉離子通道來的晚。當(dāng)鉀離子通道打開時鉀離子會流出細(xì)胞而使得細(xì)胞膜電位趨向於負(fù)值而將細(xì)胞再極化 (repolarization)。在此同時鈉離子開始關(guān)閉，這造成細(xì)胞膜電位回到神經(jīng)細(xì)胞的休息膜電位。 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(xì)胞所接收到的訊號未達(dá)及去極化電流，則訊號停止。這種單一細(xì)胞受多個神經(jīng)元訊號控制的現(xiàn)象不易分析，有待更進(jìn)一步的了解。此外，神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)與受體的關(guān)係十分密切，神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)不能產(chǎn)出或產(chǎn)出不正常或與受體間的互動有異狀，常帶來神經(jīng)上的疾病，例如巴金森氏癥 (Parkinson’ s disease)便是因為腦內(nèi)一種叫黑核 (Substantia Nigra)的腦細(xì)胞快速死去而無法製造足夠的多巴胺(Dopamine)而導(dǎo)致的一種慢性的中樞神經(jīng)系統(tǒng)失調(diào)癥狀。 29 奈米生物技術(shù)應(yīng)用範(fàn)疇 生物技術(shù)目前的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，舉凡微生物辨識、疾病防治、食品改良、能源開發(fā)、環(huán)境保育、及地球永續(xù)發(fā)展等都有密切關(guān)聯(lián)性。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。本節(jié)將就幾個共通性的生物技術(shù)做一說明。 1. 物種辨識 2. 生物感測 3. 基因操作 4. 基因治療 5. 藥物設(shè)計與藥物傳輸 30 1. 物種辨識 微生物辨識是純菌分離後必要的一種分析。菌種分離主要是藉由模擬自然界微生物的生長營養(yǎng)源及環(huán)境，而將存在於自然界的微生物獨立地培養(yǎng)及分離出。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(rèn)原理做說明。 利用 16S rRNA作菌種分類流程範(fàn)例 31 細(xì)胞內(nèi)核醣體是蛋白質(zhì)製造之處，它是由蛋白質(zhì)和 rRNA所組成的。一般上原核細(xì)胞的核醣體由兩個次單元所組成，分別是 50S和 30S次單元 (S = Svedberg unit。 即離心時的沉澱速率， S數(shù)值越大 ,則分子量也越大 )，它們包含多種蛋白質(zhì)和 rRNA分子。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。 16S rDNA就是在染色質(zhì)上能轉(zhuǎn)錄出 16S rRNA的基因。 不同的細(xì)菌擁有其獨特的 16S rDNA序列，通過資料庫的比對可以辨別出擁有某個特定 16S rDNA序列的細(xì)菌之種類。發(fā)展 DNA分子檢驗技術(shù)需要考慮的因素包括： (1)該基因要夠「保守」，即不同細(xì)菌之間的差異不能太大，否則就難找到能適用於極大多數(shù)細(xì)菌的 DNA引子， (2) DNA序列不宜太長或太短，如太長其序列偵測較困難 。 如太短其特異性太低，辨識不易。 32 2. 生物感測 生物感測器主要是以生物分子如抗體、抗原、酵素、蛋白質(zhì)、及核酸等來做為量測某化合物或離子的工具，一般而言，其量測化合物俱選擇性並常是一可逆反應(yīng)。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。而依照使用的生物元件不同可區(qū)分成酵素感測器 (enzyme sensor)、免疫感測器 (immunosensor)、受體感測器 (receptor sensor)、微生物感測器 (microbial sensor)、細(xì)胞及組織感測器 (cell and tissue sensor)、及核酸感測器 (nucleic acid sensor)等六類 ，其中 ， 如核酸感測器即是以 DNA雙股的互補性來做偵測的機制 。 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。而依照使用的生物元件不同可區(qū)分成酵素感測器 (enzyme sensor)、免疫感測器 (immunosensor)、受體感測器 (receptor sensor)、微生物感測器 (microbial sensor)、細(xì)胞及組織感測器 (cell and tissue sensor)、及核酸感測器 (nucleic acid sensor)等六類，其相對的反應(yīng)機制，可由前一節(jié) ( )的生物元件介紹中得知，如核酸感測器即是以 DNA雙股的互補性來做偵測的機制。 目前的生物感測器大都為體外偵測，且受限於對生物系統(tǒng)本身了解不夠、生物元件包埋 (embedding)技術(shù)不足，及生物元件本身的選擇性不夠?qū)Ｒ欢徊环磻?yīng)物質(zhì)所阻絕等因素的影響，故其實測應(yīng)用性及準(zhǔn)確度都有待加強。此外，無法作體內(nèi)檢測是否會導(dǎo)致檢體在前處理過程的變質(zhì)和測值不準(zhǔn)，這些都有待確認(rèn)。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。如果能把生物元件包圍在奈米顆粒中，減低非專一性的接觸並在體內(nèi)直接量測檢體，則生物感測器，將可有進(jìn)一步發(fā)展的空間。 34 3. 基因操作 生物技術(shù)主要的使命之一便是如何將一目標(biāo)基因在一特定生物體中表現(xiàn)。由於遺傳密碼的一體適用性，因此即便是真核生物的基因都可以在原核生物內(nèi)表現(xiàn)。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)。 表現(xiàn)系統(tǒng)建立要素包括 : (1)啟動子 (promoter)及終結(jié)子 (terminator)特性、 (2)核醣體結(jié)合區(qū)與核醣體結(jié)合的能力、 (3)表現(xiàn)質(zhì)體的數(shù)目(copy number)、 (4)利用質(zhì)體或以質(zhì)體併入染色體後表現(xiàn)、 (5)產(chǎn)出目標(biāo)蛋白在細(xì)胞的最終位置、 (6)轉(zhuǎn)錄出的 mRNA在核醣體的轉(zhuǎn)譯效率、及 (7)產(chǎn)出蛋白在宿主 (如大腸桿菌 )的穩(wěn)定性等。一般而言，穩(wěn)定、數(shù)量大的質(zhì)體、表現(xiàn)力強的啟動子及多點複製區(qū) (multiple cloning sites)，是建立表現(xiàn)系統(tǒng)基因架構(gòu)的三大要素。 35 4. 基因治療 基因治療的關(guān)鍵在於基因轉(zhuǎn)殖 (gene transfer)，有些基因轉(zhuǎn)殖必需採用體外培養(yǎng)、操作，再重新放入體內(nèi)，稱為 ex vivo。 有些則可直接應(yīng)用於體內(nèi)，稱為 in vivo。 常見的載體 包括 : (1)反轉(zhuǎn)錄病毒載體 (retroviral vector)是目前使用最多的型式，載體本身是一個被包膜 (envelope)覆蓋的 RNA病毒，會經(jīng)由反轉(zhuǎn)錄作用而形成雙股 DNA，再插入在宿主染色體中，達(dá)到基因轉(zhuǎn)殖及持續(xù)性表現(xiàn)的特性，惟此病毒只能感染分裂中的細(xì)胞，在體內(nèi)又脆弱易被摧毀，是其缺點。此外反轉(zhuǎn)錄病毒有一個安全上的顧慮，即是病毒野生型會複製有能力病毒 (replic