奈米生物技術(shù)ppt課件

1、第六章 奈米生物技術(shù)6.1 前言6.2 奈米元件與生物反應(yīng)系統(tǒng)6.3 奈米生物技術(shù)應(yīng)用範疇6.4 奈米生物技術(shù)未來研討及發(fā)展.6.1 前言研討生物體元件(bio-elements)的奈米級工具及檢測技術(shù)統(tǒng)稱為奈米生物技術(shù)(nano-biotechnology)。以尺度而言，普通細胞生物(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)部元件或根本建構(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)期進一步了研討生物體微小元件及生物反應(yīng)系統(tǒng)運作方式的可行性。目

2、前奈米技術(shù)已可操控原子級粒子並研討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，重要研討課題之一。 .把奈米技術(shù)引入生物學(xué)研討的目的在於微小化奈米技術(shù)可幫我們(1)精準辨識反應(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(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

3、：(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。總之，奈米研討可進一步回答生物系統(tǒng)對其元件掌控的專一及精準特性，而因為奈米技術(shù)的發(fā)展，未來這些特性的研討也能夠在活體中完成。更重要的一點是這些研討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。 .6.2 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。研討不同生物元件與其組合而成的生物反應(yīng)系統(tǒng)(bio-reactive systems)，是了解生物運作機制的最正確方式之一。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： 核酸 (nucleic ac

4、id)蛋白質(zhì) (protein)粒腺體 (mitochondrion)細胞膜 (cell membrane)電子傳遞系統(tǒng) (electron transferring system)免疫系統(tǒng) (immune system)神經(jīng)傳遞系統(tǒng) (nervous transferring system).核酸 核酸(nucleic acid)廣泛存在一切動、植物細胞及微生物體內(nèi)，並可分為核糖核酸(ribonucleic acid簡稱RNA)，和去氧核糖核酸(deoxy-ribonucleic acid簡稱DNA)。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

5、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);核糖體的核糖核酸(ribosomal RNA或rRNA)，則是細胞合成蛋白質(zhì)的主要工廠。 .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

6、醣及磷酸根構(gòu)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，而含氮鹽基才是呵斥每個核甘酸特性不同的緣由。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。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

7、與T(或U)以二個氫鍵相互配對連結(jié); G與C則以三個氫鍵結(jié)合，所以一樣長度的DNA中假設(shè)含較多GC配對時，其所需求將雙股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(zhì)和性能的影響、相互作用力對DNA性質(zhì)的影響、及現(xiàn)有的理論和模型能否足以解釋DNA分子的性質(zhì)等，都是目前研討甚多的課題。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，雙股螺旋必須反轉(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

8、彈性性質(zhì)的研討，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)。 力場對DNA之影響.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。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(Huntingtons 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(Dentator

9、ubral pallidolusyian atrophy/Haw River Syndrome，DRPLA/HRS)、Machado-Joseph disease(MJD)、以及肌強直型肌肉萎縮癥(Myotonic Dystrophy; DM)等。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)，所呵斥的神經(jīng)退化性疾病(neurodegenerative disease)，如上述的SBMA、H D、SCAs、DRPLA/HRS、MJD等病癥; 有些則是位於不轉(zhuǎn)譯區(qū)(non-codin

10、g region)內(nèi)，由不穩(wěn)定的CTG或CGG核甘酸重複序列倍增突變所呵斥的肌肉萎縮、智障等遺傳疾病，如：DM。基因突變.在1972年，美國史丹福大學(xué)的研討人員正式發(fā)展出基因重組(gene recombination)的技術(shù)。這項本來為了分析各基因的作用而發(fā)展出來的技術(shù)。最初所謂的基因重組是指科學(xué)家利用技術(shù)，將選取的目標基因(DNA)與另一段不同生物的DNA相互接合，構(gòu)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)。故此技術(shù)可用來判斷目標基因的產(chǎn)物及其功用並了解各基因的作用。基因重組的技術(shù)包括四個步驟：(1)基因的選取，(2)目標DNA與載體DNA的結(jié)

11、合(所謂載體是指可以攜帶基因進入菌體的物質(zhì)，普通常用的有細菌的質(zhì)體(Plasmid)及噬菌體(microphage)，(3)將重組DNA放入菌體內(nèi)，進行複製和表現(xiàn)其性狀(4)分析目標基因合成的產(chǎn)物。 基因重組.2. 蛋白質(zhì)假設(shè)針對人類而言，蛋白質(zhì)是細胞膜、細胞質(zhì)、肌肉、皮膚和許多身體構(gòu)造的主要成分，也是構(gòu)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。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; 內(nèi)含rRNA)將mRNA資訊經(jīng)轉(zhuǎn)譯(translation)及tRNA運送來

12、對應(yīng)胺基酸製成蛋白質(zhì)。氨基酸(amino acid)是構(gòu)成蛋白質(zhì)的根本單元，自然界每個氨基酸的氨基(amino group)和羧基(carboxyl group)都與同一個碳原子以共價鍵結(jié)合，稱為-胺基酸，不同的氨基酸各有一個不同的側(cè)鏈(side chain)而不同數(shù)量和種類的氨基酸可以相互連接成一條鏈狀的構(gòu)造，稱為polypeptide; 而不同數(shù)量的polypeptide經(jīng)化學(xué)作用如氫鍵、雙硫鍵等，連結(jié)成各種不同的蛋白質(zhì)。 .完好的蛋白質(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)。初級結(jié)構(gòu)指的是蛋白質(zhì)的胺基酸序列，序列上些微變化，會影響蛋白質(zhì)折疊和其功能；次級結(jié)構(gòu)主要是以氫鍵做部分重

13、複的折疊或盤繞，常見的折疊形狀有螺旋(alpha helix)及-摺板(- sheet)二種; 三級結(jié)構(gòu)主要是由雙硫鍵(disulfide bridges,-S-S-)連結(jié)二個胱胺酸(cystine)單體而將二級結(jié)構(gòu)扭曲重疊，四級結(jié)構(gòu)主要是由二個以上的三維結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組成，也代表具功能性蛋白質(zhì)的完好結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)常因pH值、鹽濃度、溫度等的影響，瓦解安定結(jié)構(gòu)的恐水性結(jié)合，包括氫鍵、離子鍵和雙硫鍵等結(jié)構(gòu)後，失去維持形狀的力量並呵斥變性(denaturation)。有時蛋白質(zhì)變性後，當環(huán)境恢復(fù)時可重新構(gòu)成俱有機能的形態(tài); 但某些蛋白質(zhì)是無法還原的。蛋白質(zhì)折疊規(guī)則及其變性後還原與否，目前常以固定/結(jié)

14、晶(fixation/crystallization)的方式再配合電腦模擬來完成，因固定及結(jié)晶皆需在體外完成，對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)有一定的誤差，而蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)與基質(zhì)固定和該蛋白質(zhì)的活性有關(guān)，所以儘能夠防止誤差有其重要性。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu).固定化技術(shù)固定化技術(shù)主要目的就是在尋求一種有效且安定的固定方法以確保蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)不受外在環(huán)境影響，通常蛋白質(zhì)藉著分子本身的胺基(amino groups, -NH2)、羧基(carboxyl groups, -COOH)、或羥基(hydroxyl groups, -OH)來與擔(dān)體(carrier)鍵結(jié)，其結(jié)合方式可分為： (1)物理吸附(physical absorpti

15、on)-此法利用分子間的凡得瓦力、靜電力、親和性的物理性質(zhì)吸附蛋白質(zhì)分子，優(yōu)點是方法廉價、簡單；缺點是容易因外在環(huán)境溫度、酸鹼值、溶液中離子強度之改變，而導(dǎo)致蛋白質(zhì)脫落，(2)離子鍵結(jié)(ionic bonding)-係利用蛋白質(zhì)具有被離子化性質(zhì)，將蛋白質(zhì)以離子鍵方式結(jié)合於離子交換體，比物理吸附有較強的結(jié)合力，但一樣的蛋白質(zhì)反應(yīng)中緩衝溶液的種類、酸鹼值、離子強度、溫度等，都會對固定化的效率或蛋白質(zhì)的脫離有很大的影響，(3)共價鍵結(jié)(covalent bonding)-蛋白質(zhì)中含有與活性無直接關(guān)係的反應(yīng)性游離基，尤其是羥基、羧基、氨基之含量很高，可用來與基材外表具有的官能基發(fā)生共價鍵結(jié)，此種鍵結(jié)方

16、式具有結(jié)合力強的特性，故被固定之蛋白質(zhì)不易受外在環(huán)境影響而脫離基材。.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; 芬恩(1988)以高電壓噴射離子化方法(electrospray ionization)使要分析的物質(zhì)經(jīng)過高電壓噴射方法而得離子化，再進行質(zhì)譜測量，用這二種方法，主要在使高分子蛋白質(zhì)帶電並藉以分析該類的蛋白質(zhì)。此外，有關(guān)蛋白質(zhì)量測的另一個問題是，以往的分子結(jié)構(gòu)都是依賴結(jié)晶固體的光撓射法，但高分子量的蛋白質(zhì)很難變成晶體。伍思瑞齊(wuthrich，1985)

17、利用核磁共振儀(NMR)方法測定溶液中的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，他以蛋白質(zhì)中的氫原子間的距離及擺動狀態(tài)為測量基準，訂出溶液中蛋白質(zhì)的三度空間結(jié)構(gòu)。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2002年的諾貝爾化學(xué)獎。 .蛋白質(zhì)分析與其結(jié)構(gòu)研討的重要性在於：蛋白質(zhì)是由一連串的胺基酸組成，蛋白質(zhì)有它的特定摺疊形態(tài)(protein folding)，假設(shè)摺疊形態(tài)發(fā)生變化，那蛋白質(zhì)就會變質(zhì)並引起許多疾病。普席納(Prusiner，1997)率先提出蛋白質(zhì)摺疊錯誤會引起腦組織海綿化(spongiform)疾病，即狂牛病並獲得1997年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎，他解釋說：哺乳類腦中有一種叫普立昂(prion)蛋白

18、質(zhì)(PrP；Mr= 28,000)，在正常情況下，有一個很穩(wěn)定的摺疊結(jié)構(gòu)形態(tài)，是無害的，但假設(shè)與羊搔癥(scrapie)處得來褶疊錯誤的普立昂(PrPsc)接觸，則本來正常PrP會轉(zhuǎn)變成PrPsc，病變後的PrPsc俱感染才干，並會擴散感染呵斥腦組織空洞化。普席納的發(fā)現(xiàn)給了我們一個全新的病理觀念，即傳統(tǒng)所謂只需黴菌、細菌及病毒才有能夠致病是不完好的，蛋白質(zhì)本身亦有傳染疾病的能夠(Nelson and Cox 2000)。蛋白質(zhì)分析與其結(jié)構(gòu)研討的重要性.3. 粒腺體粒線體存在一切真核細胞中，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。ATP是細胞能量的攜帶者，它

19、是經(jīng)由一連串複雜電子傳遞反應(yīng)後，以氧為最終電子接受者而產(chǎn)生的。粒線體約1至10 m長，活的粒線體會在細胞裡移來移去，還會改變形狀、分裂成兩個，和電子顯微鏡所見到的有很大的差異，粒線體越多，通常細胞的代謝活性也越高。 菌體內(nèi)ATP產(chǎn)生的機制 .粒線體有許多特性與菌體類似，(1)粒線體內(nèi)含一環(huán)狀DNA，獨立於核胞核DNA，故核醣體能自行製造其所需蛋白質(zhì)，(2)粒線體複製類似菌體二次元分裂(binary fission)，是由原有粒線體分裂而來，(3) 粒線體尺寸與普通菌體類似，基於以上理由，已有學(xué)理指出，粒線體有能夠是在生物進化過程中，由細菌進入真核細胞而構(gòu)成的共生現(xiàn)象。也因為粒線體與細胞核呈獨立

20、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討的目標。對人類而言，粒線體由母體而來，有突變能夠且其突變也會遺傳，所以比對全球不同人種的粒線體DNA的含氮鹽基排序，也能夠得到一些全球人種遷移上的線索。粒腺體與菌體比較.在1963年科學(xué)家知道動物體身上的粒線體擁有它本人的DNA，但卻還不了解這些基因終究有無功能，更不了解這些基因與人類某些疾病有關(guān)。直到1988年有些研討者才知道粒線體DNA的小瑕疵會引起或促發(fā)一些廣泛的衰退現(xiàn)象。目前的研討顯示，粒線DNA缺陷能夠?qū)е略S多人體功能衰退老化的疾病及現(xiàn)象。即當粒線體中合成ATP的DNA突變或異常都會影響到細胞去穫得足夠的能量，這

21、能夠傷害細胞或甚至殺死細胞，更進一地便會引起組織或器官的機能不全。粒線體DNA突變牽涉了許多不知緣由的衰退及老化現(xiàn)象和各式各樣的慢性退化疾病。雖然在此方面的研討已提供許多疾病構(gòu)成的線索，甚至設(shè)法治療及阻止疾病構(gòu)成，但現(xiàn)今在此仍有許多這類疾病無法治療。粒腺體的功能.4. 細胞膜細胞膜的構(gòu)成應(yīng)是第一個細胞生命開始的起點。細菌膜在面對外在環(huán)境的變化時，必須要能維持細菌內(nèi)在環(huán)境的穩(wěn)定、並要有掌控養(yǎng)份攝取及廢物排除的才干，如此才干使細菌執(zhí)行其所需生理功能並維持生存，故其對細胞的重要性，不言可諭。細胞膜是由兩層不透水的磷脂(phosphate lipid)組成，厚約5 nm，其親水層向內(nèi)外，分別與胞液與外

22、界環(huán)境接觸，其恐水層相連夾在中間，如此結(jié)構(gòu)可以阻細胞內(nèi)外物質(zhì)的交流，並透過細胞膜上一些由蛋白質(zhì)通道，來接納外界訊號，並與外界交換物質(zhì)，其表示圖如下。 細胞膜結(jié)構(gòu)，其中A=雙磷脂層，B=膜上蛋白質(zhì)，C=蛋白質(zhì)通道。 .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。多數(shù)細胞膜上都有葡萄糖的通道(glucose transporter)，藉以送入外界的葡萄糖，作為細胞內(nèi)的養(yǎng)分之用，該通道是由整合型蛋白質(zhì)(integral protein)組成，分子量大約是45,000，但其詳細構(gòu)造並不清楚，該通道每次運送葡萄糖時會伴隨著Na+是屬於同向通道(symport)。此外，細胞內(nèi)外離子的分布，對細胞

23、運作也有艱苦的影響，例如經(jīng)由Na+K+ATPase的運作，每個ATP的耗費將三個鈉離子移出細胞內(nèi)而將兩個鉀離子移入稱逆向通道(antiport)，呵斥大部分細胞內(nèi)鉀離子的濃度是細胞外的30-50倍，而鈉離子濃度只需外面的非常之一。由於細胞膜內(nèi)外離子分布的濃度不一，所以在細胞膜上就產(chǎn)生了一個膜電位差(membrane potential)；裡面為負，外面為正，大小約為50到70毫伏特(mV)。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。物質(zhì)傳送.早期研討細胞離子通道時，須將一根電極插入到細胞內(nèi)，然後連通另外一個在細胞外的電極，來記錄不同生理情況細胞膜電位差變化。但是這種傳統(tǒng)電生理的技

24、術(shù)解析度不夠，而且沒有辦法恣意改變細胞內(nèi)的各種成分，再觀察這些改變到細胞膜上離子通道的影響。奈爾和沙克曼(1976)發(fā)展出膜片箝制的技術(shù)來研討細胞膜上離子通道的研討。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外表，再加點吸力，將細胞膜緊緊吸黏在管口上。假設(shè)細胞膜上有一個離子通道的分子，經(jīng)過電流的記錄儀器，就可以記錄在這個離子通道進出的離子流。他們應(yīng)用這套技術(shù)，順利地記錄出青蛙肌肉細胞上單一離子通道流過電流的大小。其結(jié)果顯示，肌肉細胞的細胞膜上一個離子通道可通過的電流約為二十悄然安培(10-12安培)，換成離子數(shù)目大約是每秒通過一億個離子。其他結(jié)果也

25、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)，呵斥離子流量的變化。 細胞離子通道研討.5. 電子傳遞系統(tǒng)電子傳遞系統(tǒng)(electron transferring system)常見於生物反應(yīng)系統(tǒng)中，譬如人的呼吸過程是將電子一步一步傳遞，最後傳給氧氣，另外生物產(chǎn)氫亦是類似情形，最後則是透過產(chǎn)氫酵素(hydrogenase)與氫離子產(chǎn)生氫氣。厭氧產(chǎn)氫電子傳遞路徑路 .6. 免疫系統(tǒng)免疫系統(tǒng)(immune system)是人體為抵禦外來不明病原或物質(zhì)所構(gòu)成的防禦體系，這個防禦系統(tǒng)大致可分為三個部份: (1)自我/非自我個體的辨識，(2)系統(tǒng)對抗原(antigen)的捕殺，及(3)記憶細胞(m

26、emory cells)的製造及運用?？乖侵敢磺心苁姑庖呦到y(tǒng)起反應(yīng)的物質(zhì)。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; 後者是專門來殺死已被感染的細胞及其內(nèi)所含的抗原。此外還有助手T細胞 (helper T cell，簡稱為TH cell)能與B細胞互動產(chǎn)生介白質(zhì)(interleukin)來刺激B、T及TH等細胞的增殖。 .在人體的整個免疫防護過程中，首先免疫系統(tǒng)要

27、能辨別那一個是本人的細胞，那一個是必須被消滅的抗原。根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 histocompatibility complexes class I and II)，依靠在細胞上來做標示的任務(wù)。MHC第一類蛋白質(zhì)存在一切知脊椎動物細胞上，但每個人可產(chǎn)生多達6種不同的MHC第一類蛋白質(zhì)，所以幾乎很少有MHC第一類蛋白質(zhì)組合一樣的人。為了正確辨認本身的MHC蛋白質(zhì)，當TC細胞製造時要經(jīng)過嚴格篩選，約95%被製造的TC細胞因其有呵斥錯誤辨識能夠而被消滅，只需能正確抓住與外來抗原結(jié)合的MHC第一類蛋白質(zhì)的TC細胞才會被留存下來。之後TC細胞會到處尋找這種有抗

28、原的細胞並將之摧毀，這也是為什麼當器官移植時，外來器官上的MHC第一類蛋白質(zhì)亦被視為抗原並受本體TC細胞攻擊，而呵斥所謂組織排斥性(tissue reject)現(xiàn)象。MHC第二類蛋白質(zhì)則只依靠在少數(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。 免疫防護過程.所以整個抗原捕殺的過程可分成兩部分，其一由B細胞產(chǎn)生抗體來標示抗原，而此抗體/抗原結(jié)合體會被隨時來回巡邏中的巨噬細胞所吞噬; 而受抗原感染的細胞則由TC細胞透過已感染抗原的MHC第一類蛋白質(zhì)進行結(jié)合並將整個細胞連抗原一同消滅之。如有需求助手T細胞將會透過MHC第二類蛋白質(zhì)與B細胞互動，產(chǎn)生介白

29、質(zhì)來刺激B、T及TH細胞的增殖。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。免疫系統(tǒng)中所謂抗原/抗體的獨特/單一的結(jié)合特性，已被拿來發(fā)展蛋白質(zhì)晶片，做為檢測抗原或抗體存在的明確指標。雖然如此，但吾人對免疫系統(tǒng)的了解，仍是缺乏，免疫系統(tǒng)的高度辨識性、TC及TH在製造時的嚴格篩選機制，和記憶細胞的留存而不被摧毀回收等都是有待更多探討的。 .7. 神經(jīng)傳遞系統(tǒng)神經(jīng)系統(tǒng)可以分為中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周邊神經(jīng)系統(tǒng)兩大類。中樞神經(jīng)系統(tǒng)又可分為兩個部份:大腦 和脊椎。一個正常成人的大腦約

30、有1.3到1.4公斤重, 其中約包含了上千億的神經(jīng)細胞以及數(shù)以兆計的神經(jīng)膠質(zhì)細胞。脊髓外圍有著堅硬的脊椎骨 作為保護以及支撐脊髓之用，其長度約有70公分。周邊神經(jīng)系統(tǒng)也可以分為兩個主要的部份：軀體神經(jīng)系統(tǒng)以及自主神經(jīng)系統(tǒng) 軀體神經(jīng)系統(tǒng)中的感覺神經(jīng)纖維 可將身體各部份的感覺器官所搜集到的視覺、嗅覺、味覺、觸覺等資訊傳送到大腦或脊髓。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。自主神經(jīng)系統(tǒng)包含了交感神經(jīng)系統(tǒng)以及副交感神經(jīng)系統(tǒng) 。其功能主要在於調(diào)控內(nèi)臟的平滑肌運動以及內(nèi)分泌腺體產(chǎn)生內(nèi)分泌激素。藉由這些複雜的神經(jīng)連結(jié)互動, 我們才干夠因應(yīng)外界的環(huán)境變化而產(chǎn)生適當?shù)纳眢w反

31、應(yīng), 並產(chǎn)生了思索、記憶、和情緒變化的才干。 .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，當位於細胞外表的受體(receptor)接納到神經(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。神經(jīng)細胞會從本體處長出觸手狀的組織，稱為軸突(axons)和樹突(dendrites)，樹突負責(zé)將資訊帶回細胞，而軸突則是負責(zé)將訊息傳遞出去。在神經(jīng)系統(tǒng)中幾個重要的離子分別為鈉(Na+)、鉀(K+)、鈣(Ca2+)及氯(Cl-)離子。此外還有一些帶負電荷的蛋白分子。神經(jīng)細胞和普通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

32、的離子通道(ion channels)如前述Na+K+ATPase才干流通。當神經(jīng)細胞在休憩狀態(tài)(不傳送訊息時)，細胞外的鈉離子相較於細胞內(nèi)的鈉離子來的多，而細胞外的鉀離子則相較於細胞內(nèi)的鉀離子來的少，細胞內(nèi)的電壓相對於細胞外的是負值，此時細胞內(nèi)外不平衡的離子會企圖去平衡這內(nèi)外的電位差，但是由於細胞膜的阻隔使得只需具有特定離子通道的離子可以通透。在休憩狀態(tài)下神經(jīng)細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，且細胞內(nèi)帶負電的蛋白分子則因為體積太大，而無法自在的進出細胞膜而被箝制於細胞內(nèi)。普通而言，休憩電位是負70-100毫伏特(mV)，也就是說細胞內(nèi)的

33、電壓要比細胞外的低70-100毫伏特。 神經(jīng)細胞.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)。動作電位是由去極化電流(depolarizing current)將本來細胞的休憩電位提昇(普通至-55 mV)而引發(fā)的膜電位改變。在任何一種神經(jīng)細胞中，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胞膜而呵斥離子重新分配及膜電位改變。首先外來的刺激開啟了本來在休憩狀態(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

34、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。鉀離子通道開啟的時間較鈉離子通道來的晚。當鉀離子通道打開時鉀離子會流出細胞而使得細胞膜電位趨向於負值而將細胞再極化(repolarization)。在此同時鈉離子開始關(guān)閉，這呵斥細胞膜電位回到神經(jīng)細胞的休憩膜電位。 .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遭到多個其它神經(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，假設(shè)該細胞所接納到的訊號未達及去極化電流，則訊號停頓。這種單一細胞受多個神經(jīng)元訊號控制的現(xiàn)象不易分析，有待更進一步的了

35、解。此外，神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)與受體的關(guān)係非常親密，神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)不能產(chǎn)出或產(chǎn)出不正?；蚺c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(Parkinsons disease)便是因為腦內(nèi)一種叫黑核 (Substantia Nigra)的腦細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。 .6.3 奈米生物技術(shù)應(yīng)用範疇生物技術(shù)目前的應(yīng)用相當廣泛，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)展等都有親密關(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，利用基因操作來添加糧食生產(chǎn)

36、、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、及利用搜集/保管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。 物種辨識生物感測基因操作基因治療藥物設(shè)計與藥物傳輸.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辨認原理做說明。 利用16S rRNA作菌種分類流程範例 .細胞內(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。普通上原核細胞的核醣體由兩個次單元所組成，分

37、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序列的細菌之種類。發(fā)展DNA分子檢驗技術(shù)需求考慮的要素包括：(1)該基因要夠保守，即不同細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)細菌的DNA引子，(2) DNA序列不宜太長或太短，如太長其序

38、列偵測較困難; 如太短其特異性太低，辨識不易。.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，普通而言，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添加其偵測時的選擇性及靈敏度。而按照運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(immuno-sensor)、受體感測器(receptor sensor)、微生物感測器(microbial sensor)、細胞及組織感測器(cell and tissue sensor)、及核酸感測器(nucleic

39、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 。 .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添加其偵測時的選擇性及靈敏度。而按照運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)(6.2節(jié))的生物元件介紹中得知，如核酸感測器即

40、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)缺乏，及生物元件本身的選擇性不夠?qū)Ｒ欢徊环磻?yīng)物質(zhì)所阻絕等要素的影響，故其實測應(yīng)用性及準確度都有待加強。此外，無法作體內(nèi)檢測能否會導(dǎo)致檢體在前處理過程的變質(zhì)和測值不準，這些都有待確認。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，以防止藥物的擴散與浪費。假設(shè)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，將可有進一步發(fā)展的空間。 .3. 基因操作生物技術(shù)主要的使命之一便是

41、如何將一目標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，因此即使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)境等要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討以生產(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)合的才干、(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)出目標蛋白在細胞的最終位置、(6)轉(zhuǎn)錄出的mRNA在核醣體的

42、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。普通而言，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。 .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)是目前運用最多的型式，載體本身是一個被包膜(envelope)覆蓋的RNA病毒，會經(jīng)由反轉(zhuǎn)錄作用而構(gòu)成雙股DNA，再插入在宿主染色

43、體中，達到基因轉(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)錄病毒有一個平安上的顧慮，即是病毒野生型會複製有才干病毒(replication competent virus)，會導(dǎo)致細胞突變，故運用上不得不慎 (2)腺病毒載體(adenoviral vector)有35 Kb，是大尺度的病毒，此一病毒顆粒穩(wěn)定，可直接做體內(nèi)(in vivo)轉(zhuǎn)殖，且不要細胞進行分裂，是其優(yōu)點，但腺病毒不在細胞染色體中插入基因，不會在細胞內(nèi)複製，故其表現(xiàn)是屬於短暫性的，(3)腺衛(wèi)星病毒載體(adeno-associated viral vector)是有5 Kb單股

44、DNA的病毒，此載體能持續(xù)表現(xiàn)，且感染時不要求細胞分裂，缺點是它的DNA太小不能攜帶太大的外來基因，以上三種是屬於病毒載體的部分。 .有關(guān)非病毒載體的部分，包括(1)微脂?；蜣D(zhuǎn)殖(liposome-mediated gene transfer)是指利用微脂粒包覆欲轉(zhuǎn)殖DNA於其中，並利用細胞膜會與磷脂質(zhì)熔合(fusion)的方法，進行DNA運送，惟此法之表現(xiàn)屬短期且效率不高，並未普遍被採用，(2)受體引導(dǎo)之基因轉(zhuǎn)殖(receptor-mediated transfer)是利用細胞上特有的受體來接受已連上DNA之配體(ligand)並利用胞飲作用(endocytosis)將DNA送入細胞體內(nèi)，

45、惟此一方法之DNA在囊胞(endosome)易被分解，故其轉(zhuǎn)殖效率亦差，(3)DNA直接注射至肌肉細胞是比較獨特的方法，結(jié)果顯示肌肉及心臟細胞在DNA注射後可持續(xù)表現(xiàn)，其它組織則否，因為此法甚為方便，是目前大家所樂於嚐試的方法，(4)基因槍(gene gun)射入法是利用高壓加速將塗滿慾被表現(xiàn)DNA的粒子打入細胞內(nèi)，以進行表現(xiàn)，此法所用的DNA量少，且可運用到多種不同的細胞、組織，甚至器官，並可以體內(nèi)方式來作DNA表現(xiàn)。.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。普通藥廠開發(fā)新藥時會先大量篩選出對某種疾病有初步療效的先導(dǎo)藥物(lead compound)，再

46、進一步將其修飾，使該化合物更有活性與低毒性，此法耗時甚久，所開發(fā)新藥勝利上市比率也只需萬分之一。目前，藉由了解微生物或病毒等侵入人體後所導(dǎo)致體內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的失衡或細胞不正常增生現(xiàn)象，不同蛋白質(zhì)及核酸在疾病中所扮演的角色也逐漸被發(fā)掘。這些生物化學(xué)或分子生物技術(shù)的運用，讓我們有機會利用相關(guān)的蛋白質(zhì)或核酸為標的來做合理化的藥物設(shè)計(rational drug design)。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能。目前藥劑運用觀念已漸漸由藥效為先轉(zhuǎn)變到平安及有效性為中心。簡單的說，手指頭並沒有心律不整的問題，為什麼要把心律不整的藥傳送到全身呢?

47、這樣的觀念導(dǎo)致適時、適位、適量的藥物療法，也就是所謂的藥物傳遞系統(tǒng)(drug delivery system)的概念，逐漸成為藥劑設(shè)計主流，其最終的目的在於，把藥物依需求量劑送到特定治療部位。.一個理想的藥物傳遞系統(tǒng)應(yīng)包括: 定位(positioning)、藥物釋放(release)、惰性覆膜(inert cover)、及回饋控制。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; 藥物釋放的速率及方式(由孔或外表)要有效、不過量、表層物質(zhì)必需不會與生物分子起反應(yīng)、且最好有回饋機制來做藥量控制，以達到生理需求的理想濃度。目前已有的藥物載體包括: 仿生物性的微脂粒(liposome)、微小球(microsphere)、微乳劑(microemulsion)等，及利用奈米技術(shù)合成的聚合微膠囊(polymeric microcapsule)、鎳鋅鐵氧體之奈米磁性顆粒等。不過，目前的效果皆僅在測試階段，要達到上述理想藥物傳遞系統(tǒng)，顯然還得在微小化上有所突破。 .6.4奈米生物技術(shù)未來研討及發(fā)展在配合奈米技術(shù)開發(fā)的同時，我們應(yīng)可