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生 物技術的概論

The Secret of How Life Works. 生 物技術的概論. 什麼是生物技術？. 利用生物體本身或其產物來製造或生產對人類醫學、農業或工業有用的物質 Biotechnology （生物科技） Bioindustry （生物技術產業）. 傳統生物技術. 育種（動物 / 植物） 演化論的基礎 微生物利用 發酵技術 釀酒 醬油、醋、味噌 乳酪、優格 泡菜 生產抗生素、胺基酸等 生物性農藥：蘇力菌  個體與細胞層次的應用. 現代生物技術. 基因重組 (p.9) 細胞融合  兩種細胞的基因可能同時表現

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生 物技術的概論

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Presentation Transcript

  1. The Secret of How Life Works 生物技術的概論

  2. 什麼是生物技術？ • 利用生物體本身或其產物來製造或生產對人類醫學、農業或工業有用的物質 • Biotechnology（生物科技） • Bioindustry（生物技術產業）

  3. 傳統生物技術 • 育種（動物/植物） 演化論的基礎 • 微生物利用 • 發酵技術 • 釀酒 • 醬油、醋、味噌 • 乳酪、優格 • 泡菜 • 生產抗生素、胺基酸等 • 生物性農藥：蘇力菌 個體與細胞層次的應用

  4. 現代生物技術 • 基因重組(p.9) • 細胞融合兩種細胞的基因可能同時表現 • 生體反應：把生物個體當作工廠 • 酵素技術 將酵素固定成固態 • 增加酵素穩定性 • 延長使用期限 • 工業使用：觸媒；民生使用：酵素洗衣粉 • 組織培養與細胞培養 • 胚與細胞核移轉複製生物 分子層次的應用

  5. 生物技術發展史 1855Mendel豌豆實驗古典遺傳 1882Fleming觀察到染色體 1910 Morgan果蠅實驗性聯遺傳 1926 MullerX-ray可誘發突變

  6. 生物技術發展史 1944 Avery, MacLeod&McCarthy肺炎雙球菌（鏈球菌）證明DNA為遺傳物質，發現細菌有性狀轉變(transform)的現象 1946 Delbruck & Hershey不同病毒結合能產生新型病毒DNA是有可能重組的

  7. 生物技術發展史 1953 Watson & Crick (Rosalind Franklin) DNA雙股螺旋結構DNA複製機制的推論 1964 Yanofsky證實DNA序列與蛋白質之胺基酸序列的對應關係

  8. 生物技術發展史 1969 Beckwith 分離出第一個基因：細菌中負責醣類代謝的DNA片段 1970 Temin & Baltimore發現病毒的反轉錄酶(1975 Nobel Prize) 1970 Cohen & Boyer 將非洲蟾蜍基因插入細菌DNA並表現遺傳工程的起始 1978 美國Genetech公司及Duarte醫學中心選殖出人類胰島素基因1982FDA核准藉由細菌製造的人類胰島素上市

  9. 生物技術發展史 1983 Mary-Dell Chilton第一株成功的基因轉殖作物 1983 Huntington在人類第四對染色體上找到Huntingtons’ disease的遺傳標誌

  10. 生物技術發展史 1983 Mullis發明PCR 可大量複製DNA 1984 Jefferys 發展 DNA Fingerprints的技術

  11. 生物技術發展史 1989-2003 人類基因體計畫人類DNA序列的解碼 1990 Anderson第一次基因治療（先天免疫性疾病） 1991 Mary-Claire King發現乳癌之致癌基因(17th chromosome) 1993 Lanza複製第一個人類胚胎，引起極大爭議 1997 Roslin複製羊

  12. 生物技術發展史 • 1998 Gearhart & Thomson人類胚胎幹細胞 • 2007 日美團隊同時研發皮膚細胞培養幹細胞 Cell, Nov. 20 • Induction of Pluripotent Stem Cells from Adult Human Fibroblasts by Defined Factors • Kazutoshi Takahashi, Koji Tanabe, Mari Ohnuki, Megumi Narita, Tomoko Ichisaka, Kiichiro Tomoda,and Shinya Yamanaka Science online, Nov.20 • Induced Pluripotent Stem Cell Lines Derived from Human Somatic Cells • Junying Yu , Maxim A. Vodyanik , Kim Smuga-Otto , Jessica Antosiewicz-Bourget , Jennifer L Frane , Shulan Tian , Jeff Nie , Gudrun A. Jonsdottir , Victor Ruotti , Ron Stewart , Igor I. Slukvin , James A. Thomson

  13. 幹細胞培養方式的新突破

  14. Yamanaka: OCT3/4, SOX2, KLF4, c-MYC Yu: OCT3/4, SOX2, NANOG, LIN28

  15. Induction of Pluripotent Stem Cells from Adult Human Fibroblasts by Defined Factors Takahashi, Tanabe, Ohnuki, Narita, Tomoda, & Yamanaka Cell, Nov.20.

  16. 生物技術發展重點

  17. 國際水稻基因組定序計劃(International Rice Genome Sequencing Project, IRGSP) 目標是完成水稻全基因組之定序工作(@2002) 水稻為世界極為重要的糧食作物 水稻的基因組總共有430MB，12對染色體，在所有作物是最小的 水稻的遺傳、細胞遺傳研究已有成果，基因轉殖技術也已建立，其結果可進一步應用 水稻和其他禾本科作物染色體之排列極為相似，水稻基因組分析之結果可應用於其他禾本科作物。 中央研究院植物基因組中心參與此計畫

  18. 蛋白質體學 Proteomics 「短時間內大規模探討眾多蛋白質的功能」又稱功能性基因體學, Functional genomics 基因只是四種鹼基分子的特定排列組合，之所以對生物體有決定性的影響，乃是透過細胞內的轉錄(DNA→ mRNA)及轉譯(mRMA → Protein)作用所製造出一個個功能不一的蛋白質來執行的 蛋白質體學的焦點，放在「系統」的行為表現，而不是「單一組成」的結構

  19. 生物資訊學 Bioinformatics 嚴謹定義 應用電腦工具貯存、採用、分析核酸和胺基酸序列數據和蛋白質結構數據 廣義定義: 應用電腦工具貯存、採用、分析所有的生物數據，包含文字數據、血緣分類樹、代謝圖等 多應用在生物學的研究、藥物的設計和醫學上。　　

  20. 生物技術未來趨勢 • 新的基因操作技術的產生生物晶片 • 基因工程藥物與疫苗 • 基因轉殖動植物食品安全？ • 生物基因體的研究（人類、水稻、阿拉伯芥） • 人類重大疾病相關基因 • 農作物產量、質量、抗蟲、抗病相關基因 • 基因治療：癌症

  21. 組成生物體最小的單位 ── 細胞 (cell) • 原核細胞直徑大小約為0.2~5 微米(10^-6)：細菌 (bacteria) 則屬於原核生物 • 真核細胞則稍大，介於10~20 微米範圍：真菌 (fungi)、植物 (plants) 和動物 (animals) • 目前已知能獨立生活 最小的生命體，為黴漿菌 (Mycoplasma)，其大小只有0.3 微米。

  22. 探索細胞內的奈米世界 • 細胞核：去氧核醣核酸 (deoxyribonucleic acid)，簡稱DNA； • 細胞質：細胞結構 (cytoskeleton)、內質網 (endoplasmic reticulum)、核糖體 (ribosome)、高基氏體 (Golgi apparatus)、粒線體 (mitochondrion)、微粒體 (microbody, peroxisome) 及溶小體 (lysosome) 等。

  23. 細胞核 具有雙層膜的胞器，細胞核是橾控整個細胞的控掣站，主要攜帶遺傳物質(DNA)，包括染色體（脫氧核糖核酸加上一些特殊的蛋白質）、核糖核酸等，

  24. 染色體 • 染色體存在細胞核內，由DNA與蛋白質所組成，如果我們在電子顯微鏡下觀察，會發現絲狀的DNA分子，盤旋纏繞在一顆顆的染色體的組織蛋白上；只有當細胞要進行分裂時，細胞核內疏鬆的染色質，才會捲曲濃縮成棒狀的染色體。 • 　　基因存在染色體上，而基因特別是指在DNA序列上，能夠表現出功能的部分；在人類的所有染色體上，約存在著30000個基因，而且每對染色體上，存在的基因種類及數量並不相同。有時單一個基因便能控制一種性狀的表現，然而，大部分的生理性狀，都是由一系列相關的基因一同調控而表現的。

  25. 最基本的遺傳物質 • 俗話說「種瓜得瓜，種豆得豆」，這說明生物的性狀可從上一代傳到下一代，也就是遺傳現象，而決定這些遺傳特性的物質是去氧核醣核酸，簡稱DNA。

  26. 染色體與遺傳物質 • 1865年瑞士化學家米歇爾從病人的膿細胞中分離出核酸的成份。 • 1879年，德國生物學家弗來明在細胞核內發現了染色質。 • 1903年，美國細胞學家薩頓則發現，細胞染色體的活動方式，與孟德爾所描述的遺傳因子極為類似。因此，是否染色體就是遺傳因子呢？一般來說，生物的染色體數目總是少於性狀表現的數目，所以科學家推測，遺傳因子應該存在於染色體上，也就是說在一條染色體上，會帶有許多不同的遺傳因子！

  27. DNA與遺傳物質 • 1909年，丹麥的植物遺傳學家約翰遜開始以「基因」取代「遺傳因子」一詞。 • 1910年，美國遺傳學家摩根藉由果蠅的研究，終於證明了基因的確是存在染色體上。然而，其真正確立DNA是遺傳物質的，是兩組科學家的重要貢獻。 • 一位是英國生物學家格里夫茲所進行細菌轉型實驗 您的瀏覽器，不支援script語法，請按此連結細菌轉型實驗；另外是赫希與蔡斯兩位科學家進行的噬菌體實驗 ，他們相繼地證實了DNA才是真正的遺傳物質，而不是蛋白質。

  28. 細菌的轉型作用(Transformation)－DNA為遺傳物質的直接證據：1928年，英國的生物學家Griffith格里夫茲，他利用兩種不同品系(Strain)的細菌來感染老鼠，並觀察受感染的老鼠之生存情形，而這個實驗的結果証明了遺傳物質是DNA而不是蛋白質。

  29. 赫希(Hershey)與蔡斯(chase)，利用放射性同位素追蹤法，證明噬菌體的遺傳物質亦為DNA。

  30. 生命操控機制 • DNA轉錄 transcription及本身的複製 replication → RNA 轉譯 translation →蛋白質→ 控制生理生化現象 • 不含DNA之RNA病毒，可由RNA控制。 • 有些經由反轉錄酶reverse transcriptase將RNA形成DNA（反轉錄病毒、B型肝炎病毒） • RNA又分為 • 傳訊者messenger RNA (mRNA) • 傳遞者trasfer RNA (tRNA) • 核糖體ribosome RNA (rRNA)

  31. 轉錄作用與轉譯作用 • 轉錄作用： • 原核生物：細胞質 • 真核生物：細胞核 • 經過剪切才成熟 • 轉譯作用：細胞質中的核醣體 • 根據mRNA指令合成胜肰 • 核醣體：多種蛋白質+核醣體RNA 轉錄作用 核醣體RNA 轉譯作用 轉運RNA 蛋白質

  32. 生命的最小分子：核酸 • 核酸是以核酸為單元體所聚成的巨分子，乃細胞內分子量最巨大的功能性分子，包括DNA 及RNA ( 核醣核酸，ribonucleic acid)；其主要功能為遺傳訊息的貯存、傳遞與表現。 • 透過X 射線照射原子時所產生的繞射去了解DNA 的結構。從這些X 射線影像推測這可能是一個螺旋狀結構，進而解開了DNA 的化學結構。

  33. DNA與RNA的結構 遺傳物質：核酸(nucleic acid) 核酸：DNA（去氧核醣核酸）、RNA（核醣核酸） 核酸基本單位：核苷酸(nucleotide) 核苷酸：鹼基(base)、五碳醣(pentose sugar)、磷酸(phosphate)

  34. 3、DNA的高级結構 1）定義：指DNA双螺旋進一步扭曲盤繞所形成的特定空間结構。是一種比双螺旋更高陳次次的空間構象。 2）主要形式：超螺旋结構（正超螺旋和負超螺旋）

  35. DNA的複製方式 複製叉口 聚合酶 接合酶 岡崎片段 前導股 延遲股

  36. DNA的複製

  37. DNA 轉 錄 RNA 圖示

  38. 生命過渡分子：核醣核酸 • RNA ( 核醣核酸，ribonucleic acid) • RNA 是DNA 變成蛋白質的中間物質。 • 核醣體 主要由RNA (ribosomal RNA, rRNA) 以及蛋白質所組成，大小約為30 nm 。 • 移轉RNA (transfer RNA,tRNA)：攜帶漂浮在細胞質中的特殊胺基酸至核醣體上，而參與蛋白質合成反應。 • 信使RNA (messenger RNA, mRNA)：參與蛋白質合成反應。 • RNA 分為三種，mRNA、rRNA、tRNA。當mRNA 由DNA所轉錄出來後，rRNA 與tRNA 便會依據遺傳密碼合成所要的蛋白質。

  39. 蛋白質 • 蛋白質亦是維持生命最重要的分子，說它是生物性奈米最為恰當。透過DNA 的轉錄及轉譯，蛋白質於是被製造出來 。 • 蛋白質在具備自己本身的生物活性之前最重要的一件事就是摺疊成特殊的結構。 • 一條300個胺基酸的蛋白質因為摺疊的不同而產生不同的形狀。 • 為了執行特殊的任務，蛋白質便有自己特殊的結構，依據其複雜性而有二級至四級結構的分別。

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