生物技術(shù)及其應(yīng)用

1、7-2生物技術(shù)及其應(yīng)用7- 2.1 遺傳工程簡介、7- 2.2 離體培養(yǎng)生物技術(shù)是一門研究如何利用生物來製造產(chǎn)品，以增進(jìn)人類生活品質(zhì)的科學(xué)。傳統(tǒng)生物技術(shù)例子：利用酵母菌、黴菌、細(xì)菌等微生物來醱酵，製造酒、醋、麵包和乳酪等食品。利用微生物產(chǎn)製抗生素、維生素、酵素等醫(yī)學(xué)及工業(yè)製品。所使用的微生物，皆來自於自然界?，F(xiàn)代生物技術(shù)由1970 年代出現(xiàn)重組 DNA(recombinant DNA)開始主要技術(shù)遺傳工程離體培養(yǎng)技術(shù)動物複製技術(shù)廣泛的應(yīng)用於農(nóng)業(yè)、畜牧、醫(yī)學(xué)、工業(yè)等。7-2生物技術(shù)及其應(yīng)用7-2.1 遺傳工程簡介、7-2.2 離體培養(yǎng)7-2.1 遺傳工程簡介重組DNA、基因轉(zhuǎn)殖 回上一層遺傳工程

2、科學(xué)家將自然界的生物基因加以改造或操控，以創(chuàng)造出特殊的性狀，這種基因改造的技術(shù)稱為遺傳工程。關(guān)鍵技術(shù)：重組 DNA。1970 年代初期出現(xiàn)將兩段不同來源的DNA 組合成一段新的 DNA，稱為重組 DNA。重組DNA的關(guān)鍵酵素限制性核酸內(nèi)切酶（restriction endonuclease，簡稱限制酶）能辨識 DNA 上特殊的核苷酸序列在此序列的特定位置切斷核苷酸之間的化學(xué)鍵接合酶（ligase）將兩段不同來源的 DNA 接合起來限制酶限制酶辨認(rèn)序列限制酶切斷DNA連接酶連接酶連接DNA含氮鹼基配對黏合重組DNA技術(shù)（一）細(xì)菌染色體質(zhì)體DNA由細(xì)菌分離出質(zhì)體用相同的限制酶切割質(zhì)體目標(biāo)基因目標(biāo)基

3、因用限制酶切割重組DNA用連接酶與目標(biāo)基因接合重組DNA技術(shù)（二）重組DNA將載體送入宿主細(xì)胞內(nèi)宿主細(xì)胞目標(biāo)基因所製造之蛋白質(zhì)目標(biāo)基因在宿主細(xì)胞內(nèi)表現(xiàn)重組DNA技術(shù)取得外源基因其他生物體的基因，即目標(biāo)基因，如人類胰島素基因。取得載體（vector）裝載外源基因進(jìn)入宿主細(xì)胞者如病毒的 DNA 或細(xì)菌的質(zhì)體 DNA重組DNA將外源基因和載體接合用同一種限制酶切割後，用接合酶接合由載體將外源基因送入宿主細(xì)胞（如大腸桿菌）中外源基因利用宿主細(xì)胞的酵素大量複製，並可經(jīng)由轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯，製造出大量的目標(biāo)產(chǎn)物（蛋白質(zhì)）?；蜣D(zhuǎn)殖利用遺傳工程將外源基因植入某生物體的細(xì)胞內(nèi)，如生殖細(xì)胞或胚胎細(xì)胞，產(chǎn)生基因重組以改造

4、生物體的遺傳訊息。1980 年初，可將外源基因轉(zhuǎn)移到真核細(xì)胞中。1981 年左右，美國科學(xué)家，將病毒基因植入老鼠的受精卵中，使新生的小鼠體內(nèi)細(xì)胞皆帶有這段外來的基因，成功的製造出基因轉(zhuǎn)殖鼠。基因轉(zhuǎn)殖鼠兩隻老鼠同齡，右邊為加入生長激素基因的轉(zhuǎn)殖鼠基因轉(zhuǎn)殖生物（transgenic organisms）簡稱基改生物（genetically modified organisms，簡稱 GMOs）種類豬、牛、羊與雞等家畜、家禽玉米、大豆和番茄等農(nóng)作物遺傳工程技術(shù)的應(yīng)用利用基因轉(zhuǎn)殖使微生物、植物和動物的性狀，更能符合人類的需求。希望利用來解決遺傳疾病、過敏性疾病及癌癥等許多醫(yī)學(xué)上的難題。 回上一層7-2

5、.2 離體培養(yǎng)細(xì)胞培養(yǎng)、組織培養(yǎng)、器官培養(yǎng)、試管嬰兒、複製動物 回上一層離體培養(yǎng)將生物體中的細(xì)胞、組織或器官分離出來，在體外以人工調(diào)配的特殊培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件來維持其活性及生長。分成細(xì)胞培養(yǎng)組織培養(yǎng)器官培養(yǎng)細(xì)胞培養(yǎng)將組織碎片處理，使細(xì)胞相互分離成為單細(xì)胞狀態(tài)。再放入富含適當(dāng)營養(yǎng)的培養(yǎng)基的特殊培養(yǎng)皿中，在無菌環(huán)境下培養(yǎng)。初級細(xì)胞培養(yǎng)（primary cell culture）由生物體取出的細(xì)胞，在適當(dāng)培養(yǎng)環(huán)境下可持續(xù)分裂，稱為初級細(xì)胞培養(yǎng)。這類細(xì)胞，分裂 50 代至 100 代之後，即不再分裂或死亡。一些腫瘤細(xì)胞或突變細(xì)胞，則可代代繁殖下去，形成細(xì)胞株（cell line）。HeLa 細(xì)胞株1 9

6、 5 1 年的二月，美國約翰霍普金斯大學(xué)的蓋依（George Gey and Margaret Gey）等人，從一位罹患子宮頸癌的 31 歲婦女Henrietta Lacks 的腫瘤組織中，分離出癌細(xì)胞，並在離體培養(yǎng)下，發(fā)展成名為 HeLa 的細(xì)胞株。這是第一株可離體連續(xù)培養(yǎng)的人類細(xì)胞，由於 HeLa細(xì)胞很容易在離體培養(yǎng)下生長，故被科學(xué)家廣泛的用來從事有關(guān)細(xì)胞學(xué)的研究。細(xì)胞培養(yǎng)的應(yīng)用用來大量產(chǎn)製多種病毒疫苗如初級細(xì)胞培養(yǎng)的猴子腎臟細(xì)胞，可用來培養(yǎng)小兒麻痺癥疫苗。人類肺臟細(xì)胞的細(xì)胞株則可用來培養(yǎng)麻疹疫苗。利用羊膜穿刺取得的胎兒細(xì)胞，需經(jīng)過短時間的細(xì)胞培養(yǎng)後，才可用來鑑定染色體是否正常。幹細(xì)胞（s

7、tem cell）能再分化出各類型的細(xì)胞形成組織，且本身也能繼續(xù)分裂衍生。幹細(xì)胞種類是根據(jù)其表現(xiàn)的結(jié)果來區(qū)分造血幹細(xì)胞間質(zhì)幹細(xì)胞胚胎幹細(xì)胞幹細(xì)胞的功能造血幹細(xì)胞能夠分裂、分化形成各種血液細(xì)胞間質(zhì)幹細(xì)胞能夠分裂形成中胚層的組織，分化為軟骨、脂肪和韌帶等組織的細(xì)胞；胚胎幹細(xì)胞屬於多才多藝的多能細(xì)胞。 幹細(xì)胞的研究是具有分化潛力的細(xì)胞，在適當(dāng)刺激下，可分化成為多種不同的組織細(xì)胞?？扇∽栽缙谂咛?，或成人的某些組織。廣泛的運(yùn)用在疾病治療及藥物篩選上骨髓中的造血幹細(xì)胞，可用來治療與血液細(xì)胞相關(guān)的癌癥，如白血病。組織培養(yǎng)早期的離體培養(yǎng)僅限於動物組織，將組織直接培養(yǎng)，故稱為組織培養(yǎng)。動物組織培養(yǎng)利用少量的人體

8、組織，經(jīng)過離體培養(yǎng)後，增長成為新生的組織，這種技術(shù)稱為組織工程（tissue engineering）。目前可用以產(chǎn)生的表皮組織及軟骨用來修補(bǔ)燒傷皮膚的表皮，因組織是來自本身，因此不會發(fā)生排斥作用。修復(fù)心臟瓣膜、骨骼等組織。正在研究如何將幹細(xì)胞應(yīng)用在組織工程上。組織工程以組織工程技術(shù)產(chǎn)生的表皮組織植物的組織培養(yǎng)植物的離體培養(yǎng)從細(xì)胞、組織到器官層級都可進(jìn)行，通常皆稱為組織培養(yǎng)。組織培養(yǎng)技術(shù)：將一小塊葉片、頂芽，甚至是單一細(xì)胞，加入適量的植物激素，可培養(yǎng)出一整棵植株。菸草、玉米、水稻和番茄等，都有成功的例子。木瓜的組織培養(yǎng)懸浮細(xì)胞培養(yǎng)後，形成一團(tuán)未分化的細(xì)胞。團(tuán)塊細(xì)胞長出莖。長出莖和葉。在培養(yǎng)瓶中

9、長成幼苗。幼苗於田間種植，長成正常成株。植物的組織培養(yǎng)的應(yīng)用蘭花我國最成功的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)之一，大部分植株是來自於組織培養(yǎng)。蘭花的根、葉、花梗及花芽等組織，皆能操作。蘭花的組織培養(yǎng)培養(yǎng)皿中的組織培養(yǎng)蘭花移植到培養(yǎng)瓶中培養(yǎng)室金線蓮高經(jīng)濟(jì)價值的藥用植物野生種生長在海拔約 1,000 至 1,500 公尺的陰溼環(huán)境能以組織培養(yǎng)方式保存並繁殖優(yōu)良品種，使其對環(huán)境的適應(yīng)力及產(chǎn)量皆優(yōu)於野生種。金線蓮的組織培養(yǎng)野生的金線蓮組織培養(yǎng)的金線蓮器官培養(yǎng)從生物體中取出某器官的全部或部分，培養(yǎng)在適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基中，使其在離體狀態(tài)下，仍然保持原有的活性及功能。器官培養(yǎng)用途用來作器官移殖：如心臟、腎臟及肝臟。作藥理學(xué)及病理學(xué)研究：

10、研究整體器官對外在環(huán)境因子與藥物刺激所產(chǎn)生的反應(yīng)。以某些發(fā)炎介質(zhì)，刺激離體培養(yǎng)的小腸，觀察對蠕動現(xiàn)象產(chǎn)生的變化。其他如氣管、大動脈等，也能以器官培養(yǎng)的方式提供離體研究。離體培養(yǎng)的其他應(yīng)用試管嬰兒複製動物試管嬰兒利用離體培養(yǎng)的技術(shù)，來培養(yǎng)受精卵或早期胚胎。發(fā)育為早期胚胎之後，需植回母體的子宮中，經(jīng)正常的懷孕及分娩過程產(chǎn)下嬰兒。體外受精，母體內(nèi)發(fā)育。由於精子與卵不一定皆來自於配偶，有時會引起道德與法律上的問題。試管嬰兒離體培養(yǎng)至早期胚胎早期胚胎移入子宮內(nèi)卵和精子在試管內(nèi)結(jié)合成受精卵由卵巢採卵卵精子卵巢子宮陰道人工受精技術(shù)小史1978 至 1980 年間，英國的醫(yī)生利用體外受精的技術(shù)，協(xié)助四位婦女懷

11、孕，但其中一位婦女順利產(chǎn)下了人類史上第一個試管嬰兒。精子銀行將精液冷凍儲存在-196 的液態(tài)氮中，準(zhǔn)備進(jìn)行體外人工受精時再解凍，與母體取出的卵結(jié)合?，F(xiàn)在普遍用來解決許多夫妻的不孕癥問題。動物複製技術(shù)1997 年，蘇格蘭的羅斯林（Roslin）研究所，成功的複製了一頭羊，取名為桃莉（Dolly）。應(yīng)用技術(shù)離體培養(yǎng)細(xì)胞核移植胚胎移植複製羊桃莉羅斯林複製羊?qū)嶒?yàn)步驟將取自六歲大母羊的乳房細(xì)胞離體培養(yǎng)。從另一隻母羊體內(nèi)取出卵細(xì)胞，隨後將其細(xì)胞核去除。將此去核的卵細(xì)胞與乳房細(xì)胞融合為一個細(xì)胞，使卵細(xì)胞獲得了乳房細(xì)胞的細(xì)胞核。以電擊刺激此卵細(xì)胞，促使其開始分裂。離體培養(yǎng) 6 天形成早期胚胎後，再植入代孕母羊

12、的子宮中。經(jīng)過一百多天後，小羊桃莉終於誕生了。複製羊 體細(xì)胞（乳房） 卵細(xì)胞去核 以電擊法融合細(xì)胞 胚胎 殖入黑面母羊子宮 分娩 白面小羊黑面母羊白面母羊桃莉！臺灣的複製動物在本世紀(jì)初成功的複製了牛、豬、羊。複製牛於出生後不久即死亡。 2002 年 2 月誕生的酷比豬是基因轉(zhuǎn)殖豬的複製豬。同年 7 月，複製羊也由代孕母羊順利地產(chǎn)下。我國的複製動物利用成年荷蘭母牛的卵子周圍細(xì)胞為供核源的複製牛，但於出生後不久即死亡。我國的複製動物利用成年阿爾拜因乳羊的耳朵細(xì)胞為供核源的複製羊。雙基因轉(zhuǎn)殖的複製豬酷比1、2及3號。離體培養(yǎng)技術(shù)人造皮膚THE END下一單元7 - 3 生物技術(shù)的衝擊圖片來源P9編輯部P10編輯部P11編輯部P12編輯部P16Science Vol.6(9):4950, 198