生物技術 教師:林維莉

課程給分方式： 上課點名會應學校要求執行 本課程期中、期末考試各佔30% 課程中有兩週是分組討論的上台報告，此部分會佔平 分的30% 改為科技新知更新 剩餘10%則是出勤及平時其他表現

第01週：緒論 第02週：生物技術範疇與發展 第03週：生物科產業常用微生物種介紹 第04週：分子生物技術原理與基本應用(一) 第05週：分子生物技術原理與基本應用(二) 第06週：生物科技於刑事科學上的應用：DNA鑑定與微量物證鑑定 第07週：生物科技於醫學上的應用：疫苗開發與製程 第08週：生物科技於醫學上的應用：病原微生物快速檢驗試劑開發與應用 第09週：期中考 第10週：生物科技於醫學上的應用：生物製劑與基因重組藥品開發與應用 第11週：生物科技於醫學上的應用：癌症及藥物治療發展 第12週：生物科技於生殖醫學上的應用：不孕症治療、臍帶血與幹細胞 第13週：生物科技於醫學美容上的應用 第14週：基因轉殖動物發展與應用 第15週：基因改造食品發展與應用 第16週：生物科技新知 第17週：生物科技新知 第18週：期末考

第一章 生物技術緒論 生物技術的意義 傳統生物技術 現代生物技術

生物技術的意義 定義：利用動物、植物或微生物的特性、生物的分子及細胞機能或特有成分以製造產品，用以改善人類生活的技術。 生乳微生物檢測晶片 包含醬油、啤酒發酵、抗生素、疫苗、水果、花卉、農作物改良育種 生乳微生物檢測晶片 微生物製品類

應用：運用生命科學方法（如基因重組、細胞融合、 細胞培養、發酵工程、酵素轉化等）為基礎，進行研 發、製造產品或提昇產品品質，改善人類生活素質之 科學技術。 應用實例: 冬蟲夏草

應用實例:牛樟芝

例如:盤尼西林是從黴菌的分泌物質純化萃取出來 現代生技產品是利用生物（動、植物或微生物）或其產物，來生產供應醫學工業、食品工業、化學工業、污染防治、能源及農業等有用的物質。 例如:盤尼西林是從黴菌的分泌物質純化萃取出來 人體胰島素，rDNA (在Saccharomyces cerevisiae菌種中 經重組DNA技術製成) 肉毒桿菌，經無菌分離而純化萃取出的蛋白質，可佔據神 經肌肉交接處而取代神經傳導物質Acetylcholine位置以阻 斷神經和肌肉的傳導，讓肌肉收縮減少放鬆，進而減少皮膚 的皺紋，對抬頭紋、魚尾紋、皺眉紋等動態紋效果良好。

傳統生物技術 19世紀生物技術以發酵為多，產品以乳酸、檸檬酸、麵包酵母、酒精等食用產品為主力。 微生物發酵生產流程，分為三步驟 上游加工過程：對材料進行加工，做為微生物營養能量來源 發酵與轉化：發酵-使微生物大量繁殖。轉化-促進微生物生理特性改變。連續大量生產特定產物。 下游產物過程：產物的純化過程 改善幅度有限-侷限於化學、微生物工程 改以DNA重組技術

產量不理想的處置方式，以改良菌種（誘導突變：化 學藥劑、紫外線照射）為主，並驅動微生物工程及 DNA重組技術的研發方向。

現代生物技術 定義：針對不同生物的遺傳基因，進行基因的切割、剪接、重新組合，再轉入生物體內 表 生物技術發展史 應用範圍廣闊：醫學工業、食品工業、化學工業、污染防治、能源、環保、及農業等。 DNA重組技術 定義：針對不同生物的遺傳基因，進行基因的切割、剪接、重新組合，再轉入生物體內 1973 Cohen，利用限制酶剪切DNA，再與細菌的質體DNA接合，轉形重組DNA到大腸桿菌中， 以選殖特定基因 優點：短時間可進行分離、鑑定、複製基因 提高微生物表現產物量、簡化生產過程、以植物或動物做為生產工具、縮短生產及開發的時間

生物技術發展史 孟德爾遺傳法則 年代 科學家 重大貢獻 諾貝爾獎 1889 阿特曼 分離了細胞核中的蛋白質，得到了“核酸”。 1903 薩頓（美國細胞學家） 發現遺傳因子與染色體之間的平行關係，提出染色體遺傳學說。 1905 Nettie Stevens 發現性染色體。 1906 貝特森和龐尼特 在甜豌豆中發現了生物性狀的聯鎖遺傳現象。 1909 約翰遜 丹麥植物學家用基因取代了孟德爾的遺傳因子。 1910 Thomas hunt morgan摩根（美國生物學家） 發現性聯遺傳，並透過實驗證明：果蠅的白眼、黃身和小翅基因聯鎖於性染色體上，確認了遺傳基因位於染色體上。 於1933年，因發現染色體的遺傳機制，創立染色體遺傳理論，獲頒生醫獎。 1913 Alfred Sturtevant 以置換值作為染色體上基因相對距離的想法，發表了第一份染色體上基因之間位置關係及其距離的“基因聯鎖圖”。 1915 創立現代遺傳學的基因學說。 年代 科學家 重大貢獻 諾貝爾獎 1844 Herr Carl Nageli 發現細胞分裂現象。 1865 Friedrich Miescher米歇爾（瑞士化學家） 他從手術繃帶上膿細胞的核中得到一種物質，他稱之為核酸。 1866 Mendel Gregor（ 奧地利修士） 孟德爾發表論文「植物雜交試驗」，提出分離律、自由配合律等遺傳定律。 1869 發現核蛋白質。 1870 Theodor Schwann 經由顯微鏡發現染色體。 1879 弗來明（德國生物學家） 發現細胞核內的染色體。 孟德爾遺傳法則

來源不明的青霉菌孢子落入葡萄球菌培养基中 年代 科學家 重大貢獻 諾貝爾獎 1924 福爾根（德國細胞學家） 發現核酸中的五碳糖有兩種：核糖與脫氧核糖。根據含糖的不同，核酸就分為核糖核酸（RNA）與去氧核糖核酸（DNA）。 1927 Hermann Joseph Muller穆勒（美國遺傳學家） 發現利用X射線可以人工誘使遺傳基因發生突變。 於1946年，因發現利用X射線，可以人工誘使基因發生突變而獲獎。 1928 Frederick Griffith格里夫茲（英國的生物學家） 英國的生物學家利用兩種不同品系（Strain）的細菌來感染老鼠，觀察受感染的老鼠生存的情形，並由這個實驗證明遺傳物質為DNA而不是之前學者所認為的蛋白質。 1929 列文（俄裔美國生物化學家） 發現核酸鹼基的主要成份是腺膘呤、鳥膘呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶。並證明核酸是由更簡單的核苷酸組成的，而核苷酸則是依鹼基、核糖、磷酸等成分鍵結而成。 Alexander fleming弗來明（英國細菌學家） 發現某種青黴可以產生特殊物質，可用來抑制葡萄球菌的生長。 於1945年因發現青黴素而獲獎。 1938 比爾德（美國生物遺傳學家）、塔特姆（美國生物化學家） 提出遺傳基因是經過一定的化學反應而起作用的理論。 年代 科學家 重大貢獻 諾貝爾獎 1943 Max Delbruck德爾布呂克（德裔美國生物學家）、Alfred Hershey赫希（美國遺傳學家）、Salvador Luria盧瑞亞（美國生物學家） 合作發現了病毒的複製機制。 1944 Oswald Avery艾弗里（美國細菌學家） 提出基因由DNA構成。 1945 George Beadle（美國生物遺傳學家）和Edward Tatum（美國生物化學家） 驗證了一個基因會產生一種蛋白質。 1958年美國生物遺傳學家George Beadle，因在生化遺傳領域作出的貢獻獲獎。美國生物化學家Edward Tatum因發現基因控制特定的化學過程，獲頒生醫獎。 1946 Edward Tatum塔特姆（美國生物化學家）、Joshua lederberg萊德伯格（美國遺傳學家） 兩人合作發現兩種細菌在混合培養之下發生了雜交的現象，即證明了基因重組。 1958年Joshua lederberg因細菌基因重組以及遺傳物質結構方面的發現，而獲頒生醫獎。 來源不明的青霉菌孢子落入葡萄球菌培养基中 兩種細菌在混合培養之下發生了雜交的現象 ，交換遺傳物質，即證明了基因重組。

年代 科學家 重大貢獻 諾貝爾獎 年代 科學家 重大貢獻 諾貝爾獎 1948 弗伯格（挪威科學家） 提出DNA是螺旋結構的理論。 1950 Francis Crick克里克（英國生物物理學家） 發現RNA是DNA變成Protein的中間物質，提出生命中心法則（Central Dogma）。 Erwin Chargaff查伽夫 發現來自不同種動物的DNA中，4種核苷酸的比例雖然不同，但是它們之間卻存在一個特殊的關係：%G = %C、%A = %T。 Barbara McClintock麥克林托克（美國遺傳學家） 發現某些DNA片段會從一個位置跳躍到另外一個位置。 1983年，Barbara McClintock發現跳躍基因，而獲得諾貝爾生醫獎。 1952 Joshua lederberg萊德伯格（美國遺傳學家） 發現在噬菌體的「轉導」下讓不同的細菌間發生基因傳遞的現象。 1958年Joshua lederberg因細菌基因重組以及遺傳物質結構方面的發現，而獲頒生醫獎。 Max Delbruck德爾布呂克（德裔美國生物學家）、Alfred Hershey赫希（美國遺傳學家）、Salvador Luria盧瑞亞（美國生物學家） 利用病毒DNA來產生新的病毒，進一步證明DNA是遺傳物質。 1969年Max Delbruck、Alfred Hershey及Salvador Luria，因發現病毒的複製機制和基因結構而獲得諾貝爾生醫獎。 年代 科學家 重大貢獻 諾貝爾獎 1952 富蘭克林 進行DNA的X光繞射研究，獲得一張清晰的DNA的X光繞射照片。 1953 James Watson華生（美國生物學家）和Francis Crick克里克（英國物理學家）、Maurice Wilkins威爾金斯、Rosalind Franklin富蘭克林 依據富蘭克林得到的DNA的X光繞射照片，建立了DNA分子的雙螺旋模型。 1962年，James Watson與Francis Crick因提出去氧核糖核酸雙螺旋結構模型及其遺傳機制而獲諾貝獎。 1957 Francis Crick克里克（英國生物物理學家） 提出了蛋白質合成的「中心法則」。 1958 Matthew Meselon和Frank Shahl 發現DNA的半保留複製。

單株抗體技術 年代 科學家 重大貢獻 諾貝爾獎 年代 科學家 重大貢獻 諾貝爾獎 1970 Hamilton Smith（美國分子生物學家）和Werner Arber（瑞士生物遺傳學家）和Daniel Nathans（美國微生物遺傳學家）等人 DNA限制酵素之發現。 1978年，Werner Arber、Hamilton Smith及Daniel Nathans因發現限制酶及在分子遺傳方面的研究成果而獲獎。 特明（美國病毒學家）、霍維茨（美國病毒學家） 發現了反轉錄酶，解釋了部分生物由RNA形成DNA的現象，進一步完善闡釋「中心法則」。 Mandel and Higa 將質體送進大腸桿菌內。 Jacques Monod莫諾（法國生物學家）和Francois Jacob雅各布（法國分子生物學家） 發現基因可以彼此調控，並提出DNA上有Binding Site，稱之為操作子（Operator）。 1965年，Jacques Monod及Francois Jacob因提出mRNA及操縱子的理論，而獲得諾貝爾生醫獎。 1973 Cohen 科恩（美國分子生物學家）、博耶（美國生物化學家） 成功地做出將兩種不同基因連接的複合基因送入細菌的實驗，並且申請了第一個基因重組技術的專利。亦完成基因之選殖（cloning）。 1975 Southern 南方墨點分析法之建立。 年代 科學家 重大貢獻 諾貝爾獎 1975 Kohler柯勒（德國免疫學家）及Milstein麥爾斯坦（英國生物化學家） 完成單株抗體備製。 1984年，Kohler及Milstein因建立單株抗體技術，為遺傳工程出的開拓性貢獻，而獲諾貝爾生醫獎。 Sanger（英國生物化學家） DNA核苷酸定序法（sequencing）之建立。 1980年，Sanger與Walter Gilbert（美國）因建立核苷酸的定序方法，一同獲得諾貝爾化學獎 1977 Sharp夏普（美國生物化學家）及Roberts羅伯特（英國生物化學家） 發現插入序列（intron）。 1993年，Sharp及Roberts因發現不連續基因，獲諾貝爾生醫獎。 1978 美國哈佛大學科學家 利用DNA重組技術製造出胰島素。 奧爾特（美國分子生物學家）、切赫（美國化學家） 發現了RNA有生物酵素的催化功能。 單株抗體技術

桃莉因嚴重肺病，已於2003年2月14日向世人說再見，由培育牠的蘇格蘭羅斯林研究所執行安樂死，存活六歲又七個多月。 年代 科學家 重大貢獻 諾貝爾獎 1980 Gordon等人 用顯微注射法（microinjection）完成導入外來基因之老鼠（transgenic mice）。 1982 Stanley Prusiner普魯西納（美國神經學家） 發現比病毒還小，不具核酸，但卻具有遺傳特性的感染性蛋白質顆粒prion。 1997年，Stanley Prusiner因發現新的病原體「感染性蛋白質顆粒prion」，而獲生醫獎。 1983 Kary B. Mullis穆利斯（美國生物化學家） 發明聚合酵素鏈鎖反應法，此技術可將極微量的DNA分子放大，以便於實驗。 1993年獲得諾貝爾化學獎。 1984 Schwartz and Cantor 脈衝電場膠體電泳法（pulse-field gel electrophoresis）之建立。 1986 Roberstson等人 由胚胎幹細胞 （embryonal stem cell）殖入外來基因之老鼠。 1987 Lawrence等人 酵母菌人造染色體（yeast artificial chromosomes）選殖法之建立。 1992 NIH/CEPH合作 人類染色體之基因圖譜（genetic map）建立。 Chumakov 等人 人類第21對及Y染色體之中性狀圖譜 （physical maps）之完成。 年代 科學家 重大貢獻 諾貝爾獎 1992 Oliver等人 酵母菌第Ⅲ對染色體之定序。 1993 Cohen等人 建立人類基因性狀圖譜。 1996 英國科學家 成功培育出第一隻複製羊桃莉。 2000 各國科學家 宣布成功繪製出人類基因組草圖。 2003 複製羊桃莉走了。 桃莉因嚴重肺病，已於2003年2月14日向世人說再見，由培育牠的蘇格蘭羅斯林研究所執行安樂死，存活六歲又七個多月。

現代生物技術 蛋白質工程 細胞工程：組織與細胞培養技術 胺基酸組成蛋白質 蛋白質的分離與純化 序列分析、結構與功能分析 應用，如:尋找疾病基因 細胞工程：組織與細胞培養技術 體細胞融合：融合兩種不同種細胞 細胞核移植：應用於複製動物 染色體片段重組：改變生物遺傳特性，獲得新染色體組合

酵素工程 複製技術 生物體內具催化作用的特殊蛋白質 增快反應速率，本身不參與反應 反應效率高、產物污染小、低耗能、易控制 食品工業、醫藥工業 如:生產醫用胰島素 複製技術 無性繁殖：以體細胞取代生殖細胞。 遺傳基因與原生物完全一樣 如:1996 桃麗羊

現代生物技術的發展趨勢(基本原理) 細胞培養 (cell culture) 生物資訊學 (bioinformatics) 結構生物學 (structural biology) 基因體學 ( genomics) 蛋白質體學 (proteomics- protein genomics) 功能性基因體學 (functional genomics)

現代生物技術的發展趨勢(應用研究方向) 試管內授精 (in vitro fertilization- in vivo- de novo) 基因序列分析技術 (gene sequence analysis technique) 幹細胞研究 (stem cell) 基因轉殖生物 (transgenic organisms) 組織工程 (tissue engineering) 複製動物 (cloning animals) 基因治療 (gene therapy)

農業生技產品:蘭花 資料來源：農委會

漁業生技-觀賞用螢光魚 資料來源：邰港生技研發產品

生技動物模型-轉殖基因螢光鼠 參考資料：國家衛生研究院電子報 第 169 期

醫藥生技動物模型 資料來源：麻省理工學院Dr. Jay Vacanti, 1997

現代生物技術的優點 基因操作技術不斷精進，加速應用性及商業化 基因工程藥物與疫苗研發製程加快 應用於基因轉殖動植物的研發漸趨成熟，促進各種傳統產業迎向新的經營方向 分析生物基因體的結構與功能，了解與人類急病相關微生物的資訊及促進生產農漁作物的產量 基因治療的發展 網際網路網路技術蓬勃發展，加速分析資訊流通促使生技研究進入蛋白質體學的領域， 即結合蛋白質功能基因體學、結構生物學、生物資訊學之新境地