Transcript 生物技術-1 緒論.ppt

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
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
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

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
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
年代
科學家
重大貢獻
184
4
186
5
Herr Carl
Nageli
Friedrich
Miescher米
歇爾（瑞士
化學家）
諾貝爾獎
發現細胞分裂現象。
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。
孟德爾遺傳法則
孟德爾發表論文「植物
186 Mendel
雜交試驗」，提出分離
Gregor（
奧
6
地利修士） 律、自由配合律等遺傳
定律。
發現核蛋白質。
186 Friedrich
Miescher米
9
歇爾（瑞士
化學家）
經由顯微鏡發現染色體。
187 Theodor
0
Schwann
187 弗來明（德 發現細胞核內的染色體。
國生物學家）
9
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 發現遺傳因子與染色體之間
的平行關係，提出染色體遺
胞學家）
傳學說。
發現性染色體。
1905 Nettie
Stevens
1906 貝特森和龐尼 在甜豌豆中發現了生物性狀
特
的聯鎖遺傳現象。
丹麥植物學家用基因取代了
1909 約翰遜
孟德爾的遺傳因子。
1910 Thomas hunt 發現性聯遺傳，並透過實驗 於1933年，
morgan摩根 證明：果蠅的白眼、黃身和 因發現染色
（美國生物學 小翅基因聯鎖於性染色體上，
體的遺傳機
確認了遺傳基因位於染色體 制，創立染
家）
色體遺傳理
上。
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 Thomas hunt 創立現代遺傳學的基因學說。
morgan摩根
（美國生物學
家）
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
1924 福爾根（德國細 發現核酸中的五碳糖有兩種：
1943 Max Delbruck 合作發現了病毒的複製機制。
核糖與脫氧核糖。根據含糖的
德爾布呂克（德
胞學家）
不同，核酸就分為核糖核酸
裔美國生物學
（RNA）與去氧核糖核酸
家）、Alfred
（DNA）。
Hershey赫希
（美國遺傳學
發現利用X射線可以人工誘使 於1946年，
1927
Hermann
家）、Salvador
遺傳基因發生突變。
因發現利用X
Joseph Muller
Luria盧瑞亞
穆勒（美國遺傳
射線，可以
（美國生物學家）
人工誘使基
學家）
因發生突變 1944 Oswald Avery
提出基因由DNA構成。
艾弗里（美國細
而獲獎。
菌學家）
英國的生物學家利用兩種不同
1928
Frederick
Griffith格里夫 品系（Strain）的細菌來感染
1945 George Beadle 驗證了一個基因會產生一種蛋 1958年美國
茲（英國的生物 老鼠，觀察受感染的老鼠生存
（美國生物遺傳
生物遺傳學
白質。
的情形，並由這個實驗證明遺
學家）
學家）和
家George
傳物質為DNA而不是之前學
Beadle，因
Edward Tatum
者所認為的蛋白質。
（美國生物化學
在生化遺傳
1929 列文（俄裔美國 發現核酸鹼基的主要成份是腺
領域作出的
家）
生物化學家） 膘呤、鳥膘呤、胸腺嘧啶、胞
貢獻獲獎。
來源不明的青霉菌孢子落入葡萄球菌培养基中
嘧啶。並證明核酸是由更簡單
美國生物化
的核苷酸組成的，而核苷酸則
學家Edward
是依鹼基、核糖、磷酸等成分
Tatum因發
鍵結而成。
現基因控制
發現某種青黴可以產生特殊物 於1945年因
1929 Alexander
特定的化學
fleming弗來明 質，可用來抑制葡萄球菌的生 發現青黴素
過程，獲頒
（英國細菌學家）
長。
而獲獎。 兩種細菌在混合培養之下發生了雜交的現象
生醫獎。
1938 比爾德（美國生 提出遺傳基因是經過一定的化
1946 Edward Tatum 兩人合作發現兩種細菌在混合 1958年
，交換遺傳物質，即證明了基因重組。
物遺傳學家）、 學反應而起作用的理論。
塔特姆（美國生 培養之下發生了雜交的現象， Joshua
塔特姆（美國生
物化學家）、
即證明了基因重組。
lederberg因
物化學家）
細菌基因重
Joshua
組以及遺傳
lederberg萊德
伯格（美國遺傳
物質結構方
面的發現，
學家）
而獲頒生醫
年代
科學家
重大貢獻
諾貝爾獎
1948 弗伯格（挪威科 提出DNA是螺旋結構的理論。
學家）
1950 Francis Crick克 發現RNA是DNA變成Protein
里克（英國生物 的中間物質，提出生命中心法
物理學家）
則（Central Dogma）。
1950 Erwin Chargaff 發現來自不同種動物的DNA
查伽夫
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。
發現某些DNA片段會從一個
1983年，
1950
Barbara
McClintock麥克 位置跳躍到另外一個位置。
Barbara
林托克（美國遺
McClintock
發現跳躍基
傳學家）
因，而獲得
諾貝爾生醫
獎。
發現在噬菌體的「轉導」下讓 1958年
1952
Joshua
lederberg萊德 不同的細菌間發生基因傳遞的 Joshua
伯格（美國遺傳
現象。
lederberg因
細菌基因重
學家）
組以及遺傳
物質結構方
面的發現，
而獲頒生醫
獎。
1952 Max Delbruck 利用病毒DNA來產生新的病 1969年Max
德爾布呂克（德 毒，進一步證明DNA是遺傳 Delbruck、
裔美國生物學
物質。
Alfred
家）、Alfred
Hershey及
Hershey赫希
Salvador
（美國遺傳學
Luria，因發
現病毒的複
家）、Salvador
年代
科學家
1952
富蘭克林
重大貢獻
諾貝爾獎
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 依據富蘭克林得到的DNA的X 1962年，
華生（美國生物 光繞射照片，建立了DNA分
James
學家）和
子的雙螺旋模型。
Watson與
Francis Crick克
Francis
里克（英國物理
Crick因提出
學家）、
去氧核糖核
酸雙螺旋結
Maurice
構模型及其
Wilkins威爾金
遺傳機制而
斯、Rosalind
Franklin富蘭克
獲諾貝獎。
林
1957 Francis Crick克 提出了蛋白質合成的「中心法
里克（英國生物
則」。
物理學家）
發現DNA的半保留複製。
1958
Matthew
Meselon和
Frank Shahl
年代
科學家
重大貢獻
DNA限制酵素之發現。
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
諾貝爾獎
年代
科學家
重大貢獻
1978年，
1975 Kohler柯勒（德 完成單株抗體備製。
國免疫學家）及
Werner
Arber、
Milstein麥爾斯
坦（英國生物化
Hamilton
Smith及
學家）
Daniel
Nathans因
發現限制酶
及在分子遺
傳方面的研 1975 Sanger（英國生 DNA核苷酸定序法
究成果而獲
物化學家）
（sequencing）之建立。
獎。
單株抗體技術
1970 特明（美國病毒 發現了反轉錄酶，解釋了部分
學家）、霍維茨 生物由RNA形成DNA的現象，
（美國病毒學家）
進一步完善闡釋「中心法則」。
將質體送進大腸桿菌內。
1970 Mandel and
Higa
1970 Jacques Monod 發現基因可以彼此調控，並提 1965年，
1977
莫諾（法國生物 出DNA上有Binding Site，稱 Jacques
學家）和
之為操作子（Operator）。 Monod及
Francois Jacob
Francois
雅各布（法國分
Jacob因提出
子生物學家）
mRNA及操
縱子的理論，
而獲得諾貝 1978
爾生醫獎。
成功地做出將兩種不同基因連
1973 Cohen 科恩（美
1978
國分子生物學 接的複合基因送入細菌的實驗，
家）、博耶（美 並且申請了第一個基因重組技
國生物化學家） 術的專利。亦完成基因之選殖
（cloning）。
南方墨點分析法之建立。
1975 Southern
Sharp夏普（美 發現插入序列（intron）。
國生物化學家）
及Roberts羅伯
特（英國生物化
學家）
美國哈佛大學科
學家
奧爾特（美國分
子生物學家）、
切赫（美國化學
家）
利用DNA重組技術製造出胰
島素。
發現了RNA有生物酵素的催化
功能。
諾貝爾獎
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。
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
1993年，
Sharp及
Roberts因發
現不連續基
因，獲諾貝
爾生醫獎。
年代
科學家
重大貢獻
1980 Gordon等人
1982
1983
1984
1986
1987
諾貝爾獎
用顯微注射法
（microinjection）完成導入
外來基因之老鼠（transgenic
mice）。
發現比病毒還小，不具核酸， 1997年，
Stanley
Prusiner普魯西 但卻具有遺傳特性的感染性蛋 Stanley
納（美國神經學 白質顆粒prion。
Prusiner因
發現新的病
家）
原體「感染
性蛋白質顆
粒prion」，
而獲生醫獎。
Kary B. Mullis 發明聚合酵素鏈鎖反應法，此 1993年獲得
穆利斯（美國生 技術可將極微量的DNA分子 諾貝爾化學
物化學家）
放大，以便於實驗。
獎。
Schwartz and 脈衝電場膠體電泳法（pulsefield gel electrophoresis）之
Cantor
建立。
Roberstson等人 由胚胎幹細胞 （embryonal
stem cell）殖入外來基因之老
鼠。
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。
1992 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
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
2000 各國科學家
成功培育出第一隻複製羊桃莉。
宣布成功繪製出人類基因組草
圖。
複製羊桃莉走了。
2003
諾貝爾獎
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


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


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