2020年(生物科技行业)生物科技与生活

（生物科技行业）生物科技

与生活

生物科技與生活

大仁科技大學生物科技系何婉清教授

壹、前言

生物科技的發展已經繼資訊產業，成為全球工業國家產業發展的主流。在這個時代，人類食、衣、住、行以及醫藥保健的任何產品可能都和生物科技脫不了關係，它將和各種產業結合，在各種生活層面上影響著我們。此外和生物技術有關的議題，也會一直成為人們注意的焦點，例如，無論我們在哪裡，一定不會不注意有關桃莉羊出生及死亡的頭條新聞；不會不注意到人類器官移植需求的願望。此外，我們是否思考過下列的議題：人類的複製是否該被禁止？

具有醫療價值的幹細胞是否可被複製？我們是否有權力複製動物來取用牠們的器官？我們對基因改造食品是否有足夠的風險評估？我們是否有權力改變人類的基因，使人類變得更健康、更聰明？是否一個人具有所謂的〝好〞基因，就會成為一個比較〝好〞的人？本課程的教學目標就是要幫助學生了解有關生物技術、生物科技、複製的基礎知識、技能，它對人類的貢獻以及可應用的範圍，更重要的是要以人文、社會及道德的觀點來討論圍繞在這新技術的一些具爭論性的問題。

貳、生物技術的定義及範疇

生物技術（biotechnology）是應用微生物、植物或動物的細胞及其成分，經工業化的生物生產程序，用以改進人類生活素質的科學技術，是一門新近崛起的尖端科技，被列為我國現階段八大重點科技之一。

回溯世界科技史，生物技術可說是一項古老的科技，我們日常生活中常吃的釀造和醱酵食品如：酒類、醬油、醋，以及味精等，都是早年應用生物技術製造的產品。

晚近興起的遺傳工程（基因重組技術）、細胞融合技術、生體反應利用技術、細胞培養技術、組織培養技術、胚移植技術及細胞核移植技術等生物技術，為傳統的生物技術開拓了更為精緻、深奧廣闊的領域，因而促成了革命性的發展，形成了一門嶄新的科技-“新生物技術”。

二十世紀是科技的世紀，尤其在中葉以後，生物科學以及其後的分子生物學的發展及其應用，可謂一日千里。自從一九二八年英國的醫生佛來明爵士（Sir Alexander Fleming）發現盤尼西林（青黴素，penicillin）以來，生物技術的發展逐漸進入工業化。一九五三年華特森（J.D Watson）與柯立克（F. Crick）發現去氧核糖核酸的雙螺旋體結構（DNA double helix）為遺傳基因的基本構造以

後，生物科學的研究立即進入一個新的紀元。分子遺傳學的崛起，生物化學的起飛，導致微生物學應用領域的擴大。

參、生物技術的應用範疇

基本上，生物技術是由很多不同學門所組成的綜合體，由於各種學門都有其不同的特性及其研究領域，因此，生物技術的定義與範疇是非常廣的。很多人以為生物技術就是遺傳工程（genetic engineering），其實從美國數百家「生物技術公司」的名單中，不難看出其中約有三分之二的公司，其產品是靠遺傳工程技術來開發新產品。但是日本的生物技術公司及其生物工業的研究發展重點，卻被放在醱酵技術（fermentation technology）及酵素技術（enzyme technology）上。近年來，許多歐美及日本的生物技術公司，正積極地應用組織培養技術（tissue culture technique）及動、植物的細胞培養技術（cell culture technique）來開發新產品。

在畜牧業上，胚移植（embryo transplantation）及細胞核移植（nucleus transplantation）等技術也逐漸成為生物技術研究發展的對象。

目前比較能被一般人所接受的生物技術定義是「利用微生物、動物細胞或植物細胞的培養及改良來製造產品的技術，稱之為生物

技術」。從另外一個角度來看，生物技術是應用微生物程序的擴大，包括了動物細胞與植物細胞的應用。因此，由生命科學的進步而產生的生物技術，包括六種主要的關鍵性技術（key technology）：即（1）遺傳工程；（2）細胞融合（cell fusion technology）；（3）生體反應利用技術一包括醱酵技術、酵素技術及生物反應器（bioreactor）等；（4）細胞培養技術；（5）組織培養技術；（6）胚移植技術及細胞核移植技術。

新發展的關鍵性技術與傳統性的生物技術相結合，形成了新的生物工業，其應用的範疇亦也因此擴大到農業、醫藥工業、醱酵及食品工業、特用化學工業、能源工業、礦業、環境淨化等領域（圖一）。茲將各產業所應用的技術分述如下：

一、農業

主要應用遺傳工程，細胞融合，植物組織培養等技術來進行抗逆境，抗病蟲草害及高產量、高品質作物品種之育種，以及作物病害之偵測等工作。

二、醱酵及食品工業

利用醱酵等生體反應技術及酵素技術等來進行微生物（如酵母菌）及其代謝產品的生產；也利用遺傳工程技術及微生物篩選法進行微生物的育種。

三、醫藥工業

利用遺傳工程，細胞融合及微生物篩選等技術並結合生物反應器或酵素技術的生產流程來達到生產荷爾蒙，干擾素、抗生素、維他命、單源抗體的目的或研發生物感測器的製造。

四、化學工業

利用微生物篩選技術、及遺傳工程技術來篩選或研發基因轉殖微生物並利用生體反應技術達到脂肪酸、殺蟲劑及其他化學產品高效能的生產目的。

五、能源工業

利用遺傳工程及細胞融合技術以及細胞篩選或選殖生物質量（biomass）合成效能高的微生物，並利用生物反應器達到生

質能源生產的目的。

六、環境及礦業工業

以遺傳工程、細胞融合技術以及微生物篩選法來篩選或選殖具

備分解或淨化功能的微生物，並以醱酵法在大型的生物反應器

中進行廢水處理或改善金屬的浸濾過程。

圖一、生物技術的範疇及其主要的應用對象

肆、生物技術的關鍵技術（key technology）

一、遺傳工程（genetic engineering）技術

遺傳工程技術即所謂的DNA重組技術（recombinant DNA technology），此技術賦予生物新的重組基因（recombinant

DNA），因此該生物就具備了新的物質合成能力或表現新的特性及

功能。

（一）遺傳工程技術的基礎

不論是原核生物（註1）或具備細胞核（註2）的真核生物（註3），基因（註4）都是決定生物遺傳的基本單位。

基因通常是以「去氧核醣核酸」（DNA）（註5）的形式存

在，它基本上由磷酸、去氧核醣和鹼基組成，其中鹼基由A、

T、C、G組成。DNA是雙股的螺旋結構，兩股互補，如果

其中一股的鹼基是A，則另一股對應的一定是T；若是C，則對應配對的一定是G。當DNA複製（圖二）時，兩股間的鹼基鍵便會被切斷，變成兩條單股的DNA。每條DNA 各成為模板與對應的鹼基結合，形成兩條完成相同的DNA。由於DNA複製（註6），主要的原理是構造的「互補」，因此才能很忠實的將遺傳訊息一代代地傳下去。

圖二、DNA的複製

真核生物的DNA主要存在於細胞核，還有小部分存在細胞質的粒線體。DNA並非單獨存在，它必須跟組織蛋白結合，外觀看起來有點像珍珠項鍊，而且鍊子還會纏繞在一起形成一種絲狀的結構。當細胞分裂時，這個絲狀結構會更進一步緊密地纏繞在一起，成為顯微鏡下所看到的染色體（註7）。

基因若要發揮作用，得經過一連串的轉換。首先，DNA 必須經過轉錄（transcription）作用（註8），產生核醣核酸（RNA）（註9），核醣核酸再經轉譯（translation）作

用產生蛋白質（圖三）。通常遺傳密碼（註10）可決定蛋白質的胺基酸序列，而蛋白質是讓基因發揮作用的實際物質。

在轉譯的過程中，每三個鹼基是一個密碼稱密碼子（註11），譬如說「CAT」，第一個鹼基是C，第二個是A，第三個是T，這三個鹼基代表「HIS」這個胺基酸。所以每一個訊息會翻譯成什麼樣的蛋白質，是有一定的依據，這樣才不會製造出錯誤的訊息。

遺傳訊息雖由DNA傳達，但蛋白質才是使生命現象能表達的物質。蛋白質分結構蛋白質及功能蛋白。蛋白質都知道自己的去處和功能。有的蛋白質要被分泌到細胞外面

去，

如擔

任生

理調

整功

能的

賀爾

蒙；

有些蛋白質則又必須回到細胞核裡面，去擔任基因表達調控的工作。

圖三、DNA的轉錄（transcription）及轉譯（translation）作用（二）DNA重組技術（recombinant DNA technology）

基因重組技術（註12）的第一步是先以分子生物化學的方法，將能控制某種功能或能表達某種特性的基因從動

物，人體或植物細胞中分離出來。換句話就是先找到這段

功能基因，並將它剪下來。目前擔任剪刀角色的是核酸內

切限制酶（restriction endonuclease）（註13），能將染

色體剪斷。下一個步驟就是要將這段基因運送到欲表現功

能生物的細胞內，這個能擔任司機角色的構造就稱為載體

（vector）（註14）常用的載體有質體（plasmid）及反轉

錄病毒（註15）等；而能將選殖基因連接在載體上的酵素

則為DNA連接酶（ligase）（圖四）。

圖四、DNA的切割及重組

以人體胰島素基因，移植於大腸桿菌細胞的基因重組為例，首先將人體的胰島素基因切下，再連接在大腸桿菌

細胞的質體（plasmid）上，質體是環狀DNA，性質活潑，

可以做為運送基因的載體。其方法為將質體找出來，接著

使用限制酶這把剪刀，將質體切開，將能製造胰島素的基

因嵌進去，再使用連接酶（ligase）將切斷的兩頭連接起來，

又回復成為環狀。這種帶有外來基因的質體，不但可以魚目混珠地混進大腸桿菌的細胞裏去，而且還能在大腸桿菌的細胞裏自行繁殖（圖五）。

圖五、DNA重組技術

二、細胞融合技術

以人為的操作，將兩個不同生物細胞的染色體及細胞質互相融合，使成為一個新雜種細胞（hybrid cell）的技術，稱為細胞融合技術。這種技術已在農業及醫用藥物的生產上，開拓了多方面的發展途徑。細胞融合技術發展的另一趨勢是合成融合瘤（hybridoma），在應用上將為診斷劑及醫藥品的生產開創一個新境界。

融合瘤（hybridoma）為兩個細胞融合成的雜種細胞，優點是擁有兩個細胞的持微。一般分化後的細胞經培養也不分裂，將這種細胞與能夠無限增殖的腫瘤細胞融合，可形成既保有分化細胞的性狀，又能增殖的融合瘤。融合瘤最常用來製造抗體，抗體是異物從外部侵入體內時，淋巴球B細胞製造的攻擊用蛋白質。

體內製造的抗體種類繁多，製造抗體的B細胞，種類也和抗體一樣多（圖六）。

我們大量需要1種抗體時，取出1個B細胞培養，B細胞也會因為壽命的緣故而無法增殖。若將B細胞與骨髓腫瘤細胞融合成融合瘤，該融合瘤除保有B細胞製造抗體的性質，又能增殖，則可大量生成1種抗體。生成的均質抗體，稱作「單株抗體」（monoclonl antibody）（圖六）。如果以人類腫瘤癌細胞當做抗

原，所產生的融合瘤單株抗體若與藥物結合，使可直奔癌細胞，進行專一性的治療。

圖六、利用融合瘤生產單源抗體

A.淋巴球（lymphocytes）會對抗原決定基（antigenic determinant）各別產生特異

的抗體。因此，白老鼠血液中所得抗血清（antiserum）含有抗體的混合物（mixed antibodies）。

B.白老鼠胰臟取出淋巴球細胞與骨髓腫瘤細胞（myeloma cells）融合，將所得雜交腫

瘤細胞（hybrid-myeloma cells）純化繁殖（clone）後，可得純粹的單源抗體（monoclonal antibodies）。

三、生體反應利用技術

生體反應利用技術，包括酵素技術、醱酵技術及生物反應器等關鍵性技術。目前酵素已經在遺傳工程上顯現威力，為遺傳工程中不可缺少的一項「利器」；而醱酵技術，可說是最古老的生物技術，目前的重點在於如何改進，提高產能。生物反應器是將過去屬於理化學的工業，改變為以微生物或酵素作觸媒的醱酵化學工業。這種技術極適合於節省能源與資源，且為具有環保功能的現代化學工業。

（一）酵素技術

酵素可說是研究生命科學上最重要的工具。近幾十年來在分子生物學及遺傳工程學上的蓬勃發展及其豐碩的成

果，主要是歸功於酵素的應用。

酵素在食品工業的應用興起最早，並且佔有最重要的地位。例如，利用凝乳酶（rennin）於牛酪的製造；麥芽

糖酶（maltase）在麥芽糖的製造；微生物澱粉酶

（ -amylase）及葡萄糖糖化酶（glucoamylase）在葡萄

糖的製造；果膠水解酶（pectinase）在果汁製造上應用於

澄清助濾作用；以木瓜蛋白酶（papain）處理啤酒以防止

冷藏中的混濁；以蔗糖酶（invertase）處理蔗糖液，使蔗

糖轉化，以提高甜度並改善糖漿的物理特性；以葡萄糖氧化酶（glucose oxidase）處理乾燥蛋粉以防止變色變味等，不勝枚舉。近年來，進一步將澱粉酶和葡萄糖異構酶（glucose isomerase）配合使用，並將酵素加以固定製成所謂固定化酵素反應器（enzyme reactor）（圖七），不但可以在小體積的反應器內，以最短的時間完成大量物質的反應，並可將酵素反覆使用，而建立自動化反應系統。如此，利用低廉價格的澱粉為原料，已可製成品質與蔗糖轉化物相同的異構化糖產品或高果糖漿（high fructose syrup），威脅蔗糖工業的存在。目前更可將異構化糖液中的葡萄糖和果糖分離後，將葡萄糖循環於反應器內，而獲得高純度的果糖，可供特殊用途。

在醫藥上，一些消化酵素製劑除用於幫助消化的醫療外，酵素直接應用於其他疾病的治療，則是近年才興起的新用途。例如，由人尿分離得到的尿激酶（urokinase）及取自微生物的類似酵素鏈激酶（streptokinase），均被使用於血栓`症的治療；由鳳梨莖分離得到的鳳梨蛋白酶（bromelin）可作為消炎劑及肉品嫩化劑；得自大腸菌的天冬醢胺酶（asparaginase）可用以治療小兒性白血症病

患。此外，尚有許多臨床檢驗用的酵素被開發應用。

在尖端科技的遺傳工程研究發展中，酵素也扮演著不可缺少的角色，目前已知可用於基因操作的酵素已有數十種之多。其中比較常用的酵素是核酸內切限制酶（restriction endonuclease），它擔任剪刀的角色，在遺傳工程中，核酸內切限制酶就是負責將DNA切開，將所需要的那一段DNA切下來。下一步操作則需要將此段DNA 「膠合」在適當的細胞的DNA中，使其具備這段DNA的特性，而扮演膠合劑角色的酵素稱為連接酶（ligase）。

在酵素的應用方面，固定化酵素（immobilized enzymes）（圖七）將是未來酵素工業的主流。目前酵素工業受到的限制，部分是由於酵素的供應量不足所引起，固定化酵素技術的引進，使工業界能發展出一套新流程，其特色為酵素穩定性的增加，以及能夠將酵素轉化效率作最有效的控制。

此外，將細菌、酵母菌、真菌、植物與動物細胞固定，可以成為固定化複合酵素系統（immobilized multi -enzyme systems），其優點可以彌補以往極昂貴，費時且低效率的化學轉化程序。因此，現有產品以及新產品皆可

應用酵素技術來生產。