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生物技術 教師:林維莉 第03週：生物科產業常用微生物種介紹 原核生物 細菌 (大腸桿菌) 真核生物 真菌 (酵母菌) 病毒 細胞 萌菌物語 MAYASHIMO 米麴菌 乳酸菌 米麴菌 乳酸菌 釀酒酵母 乳鏈球菌 米曲霉 醋酸桿菌 納豆芽苞桿菌 酵母菌 青霉 髮癬菌 黑曲霉 霉白霉菌 爪哇根霉 地霉菌 冬蟲夏草菌 食物中毒菌: 表皮葡萄球菌 腋臭菌 卡通片段 大腸桿菌（學名： ESCHERICHIA COLI ，簡寫爲E. COLI） 是人和動物腸道中最著 名的一種細菌，主要寄 生於大腸內，約占腸道 菌中的1%。是一種兩端 鈍圓、能運動、無芽孢 的革蘭氏陰性短桿菌。 除某些菌型能引起腹瀉 外，一般不致病，能合 成維生素B和K，對人體 有益。 其屬名埃希氏菌（Escherichia）來源於1885年其發 現者Theodor Escherich。大腸桿菌是腸桿菌科的一 員，經常作爲細菌的原核生物廣泛用於科學研究。 平均每天由人類體內經過糞便中排出1011~1013個大 腸桿菌。 「大腸菌群」是由各種糞便細菌和類似的生活在土壤 或植物降解物中的細菌(最常見的是產氣腸桿菌，學 名Enterobacter aerogenes）一起被歸爲 (coliform) 。大腸菌群爲好氧或兼性厭氧，不形成內孢子，能發 酵乳糖產生酸及氣體的一群微生物。 是Escherich在1885年發現的，在相當長的一段時間 内，一直被當作正常腸道菌群的組成部分，認爲是非 致病菌。直到20世紀中葉，才認識到一些特殊血清 型的大腸杆菌對人和動物有病原性，尤其對嬰兒和幼 畜（禽），常引起嚴重腹瀉和敗血症， 不同血清型的大腸杆菌可引起不同症狀的腹瀉，根據 不同的生物學特性區分致病性大腸杆菌五種：致病性 大腸杆菌(EPEC)、腸產毒性大腸杆菌(ETEC)、腸 侵襲性大腸杆菌(EIEC)、腸出血性大腸杆菌(EHEC) 、腸黏附性大腸杆菌(EAEC)。 在污水處理與水質淨化的領域中，因大腸桿菌在糞便 中數量極多，故常以大腸菌群指數為檢查水源是否被 糞便污染的標誌之一。大腸菌群指數（coli-index） 指1升水中含有的大腸菌群數 然而一般無害的大腸桿菌在以下三種情況下也會導致 疾病： A.細菌離開腸道進入泌尿 道可以導致感染引起膀胱 炎 B.細菌經由潰瘍區域造成 穿孔進入腹腔，會導致致 命性的腹膜炎感染。由於 ，大腸桿菌對鏈黴素非常 敏感，一般情況抗生素能 夠有效治療。 C.大腸桿菌的某些株具有 毒性（類似導致痢疾的毒 素），可以導致食物中毒 。因食用被污染的肉類（ 通常是屠宰過程或儲藏販 賣過程中的污染所致，加 上食物未完全煮熟無法殺 死細菌）。 美國牛與出血性大腸桿菌 集中式動物飼養經營 CAFO (Concentrated Animal FeedingOperations) 龐大的市場需求量，很早就刺激了美國畜牧業的集約 化與工業化生產。美國集中式飼養牛隻的牧場中，牛 群被餵養玉米飼料而成長、宰殺的景象而感到震撼。 雖然其飼養效率奇佳，但也衍生出不少對人類健康的 負面衝擊，如：出血性大腸桿菌、狂牛症...，看來又 是人類自以為聰明，欲速則不達，最後卻自食惡果的 例子。 美國牛與出血性大腸桿菌 原文出處 商業週刊 揭開美國牛飼養秘辛 撰文者：楊少強 2011年十月初，《紐約時報》（New York Times）所披露的真實故事： 二十二歲的史蒂芬妮（Stephanie Smith）是位美國的兒童舞蹈老師，正值荳蔻年華的 她，有天突然覺得胃痛，一開始這股疼痛和痙攣還能忍受，她不以為意。 然而沒多久，她開始出現「出血性腹瀉」，之後，腎臟失去功能。身體無時無刻的抽搐 ，使得醫生在接下來九週不得不讓她昏迷。史蒂芬妮醒來後，發現她再也不能走路，她 的神經系統已受損，下半身癱瘓。 美國明尼蘇達州官員追查史蒂芬妮的病源，發現是來自一種學名叫O157:H7的「出血 性大腸桿菌」，而這種大腸桿菌，則是來自史蒂芬妮某次晚餐，吃的漢堡裡的牛絞肉。 史蒂芬妮吃的牛絞肉，是美國四大肉品商之一的「嘉吉」（Cargill）所製造的，這份 牛絞肉還被選為「美國 廚師牛肉餐首選」，據《紐約時報》調查發現，「嘉吉」只仰賴供應商做細菌檢測，自 己並未進行檢驗。 2011年11月2日，美國疾病預防暨管制中心（CDC）證實，已有兩人可能因食用「帶 有大腸桿菌的牛絞肉」死亡，美國肉商宣布回收五十四萬磅的牛絞肉。從一九九○年代 至今，美國也出現過好幾次因民眾吃下牛絞肉，感染O157:H7（出血性大腸桿菌）而 致病、甚至送命的案例。 一九五○年代中期起，美國在堪薩斯州的西部，建立起第 一座大型養殖場，此後，這些大規模動物 養殖場不斷在美國中西部蔓延。這種養殖場被稱為-集中式 動物飼養經營CAFO(Concentrated Animal Feeding Operations) 玉米，則是自然界裡，將陽光、化學肥料轉化成碳水 化合物效率最高的轉換器，密集的熱量來源。因為供 過於求，玉米價格始終低於生產成本，這些過剩玉米 就是牛最主要的食物。 美國養殖場剛出生的牛要兩到三年才能宰殺，吃玉米 只要花十四到十六個月迅速成長到五百多公斤。 也會讓肉質上的油花分布更佳、更有風味。這種牛 肉含有太多的飽和脂肪（心血管疾病的原凶)，及太 少的非飽和脂肪（omega-3，這是人體健康必需的） 。牛的胃，由中性酸鹼值改變成酸性，牛隻也會出現 心絞痛，或是免疫系統減弱等徵兆，牛群也很容易受 到各種疾病侵襲。 長時間，這種酸性會腐蝕牛的胃壁，細菌會因此進入 牛的血液中，這些細菌最後會囤積在牛的肝臟，造成 膿腫，肝臟的功能也因此被破壞。根據波倫所引述的 數據：要怎麼讓這些病懨懨的牛增加對疾病的抵抗力 呢？很簡單──餵牠們吃抗生素！ 這些隨著玉米吃下牛肚的抗生素，如果有些細菌沒被 殺死，就會演化出具抗藥性的細菌，它們會在牛的腸 道就包括了史蒂芬妮故事裡的主角──出血性大腸桿 菌O157:H7，如今美國養殖場的牛隻裡，其腸道中 有這種細菌。只要十隻細菌進入人體內，就會造成致 命感染。它們製造出的毒素，可以破壞人的腎臟。 美國養殖場餵食牛隻，還大量餵食動物性蛋白質，以 期讓牛快速成長，過去甚至還把從別的牛身上萃取出 的蛋白質，再用來餵養牛。直到科學家發現這種餵養 方式會傳染「牛海綿狀腦病」（BSE），也就是一 般人所知的「狂牛病」，而人們在吃下這些牛後，很 有可能會出現和牛一樣的大腦病變─俗稱「新型庫賈 氏病」（vCJD）後，才發覺這種餵食方式事態嚴重 。改從雞萃取出的羽毛粉（feather meal），就可以 避開官方規定，用來餵食牛。而牛骨粉，可以用來養 雞、豬或魚， 又去餵牛，最後還是「牛吃牛」。 最後，屠宰場的清潔是相當重要的。屠宰器具應該用 蒸氣或高壓水柱清除掉切割飛見的肉品殘渣，以降低 肉品感染的風險，但是因為生產速度過快，技術不純 熟的工人可能會讓有大量細菌的胃液噴到肉品上，加 上消毒不完全，導致肉品汙染。 1982年，美國發生一起由未煮熟之牛肉漢堡引起相 當嚴重的急性出血性腸胃炎大流行，事後經微生物學 家之追蹤研究，發現是由一種少見之細菌所造成，並 命名為大腸桿菌O157:H7。從此之後，許多國家亦 陸續發生相當多次由此菌株引起之急性腸胃炎大流行 ，因此引起科學家的廣泛注意與深入研究，而對此菌 有了相當之認識。 一家大型的美國現代化絞肉工廠，一天可生產四十五 萬公斤以上的牛絞肉， 西洛瑟形容：「只要一頭牛感染出血性大腸桿菌 O157:H7，就可能污染幾百萬公斤的牛肉。」 狂牛病 病原 Prion 為一種變性蛋 白具有物種障壁，最初是 從英國羊屍體羊做成的骨 粉送去了很多家禽畜飼養 場，只有牛受到 prion 感 染，可能因為具有一定程 度的跨物種傳染力，但還 是有其限制存在。若 prion傳播給各種物種， 可能會造成地球上大多數 的食肉動物的絕種。目前 研究人員仍在努力進行 prion傳染途徑的研究以 了解如何控制 prion 傳播 。 農業、食品用細菌 在農業方面，台灣早在民國四十年代即開始研究大豆 根瘤菌來利用於 大豆栽培上，以減少氮肥的施用。 由於研究人員發現了一些微生物對作物 的生長、幫 助作物吸收土壤中養分以及對作物病蟲害產生的抵抗 力等等有 莫大的助益，同時應用在堆肥之製造可加 速有機質的分解等，於是陸陸續 續的研發了許多的 有益微生物，如溶磷菌、內生菌根菌、木黴菌、枯草 桿菌、螢光細菌等。自國外引入的微生物亦不在少數 ，如蘇力菌、乳酸菌、 光合成菌及放線菌等等。 在食品方面，使用乳酸菌在泡菜加工及乳品加工，如 養樂多、優沛乳 等等皆是。在醫藥方面將乳酸菌及 其產生之酵素做成胃藥如表飛鳴。在環 保方面利用 乳酸菌及光合成菌等做為除臭劑及水質淨化劑等等。 根瘤菌 蘇力菌/放射線菌 蘇力菌是昆蟲病原菌，當昆蟲吃下蘇力菌後，經過昆 蟲的鹼性腸道時，會被分解而產生毒素，使昆蟲的腸 被穿過，而停止攝食，達到殺蟲的效果。蘇力菌，用 來防治鱗翅目的害蟲。不同的菌株對不同的害蟲有高 度的專一性，但因為人類及哺乳動物的消化道具有強 烈的胃酸，足以破壞它的結構，所以蘇力菌不會對人 或哺乳動物產生有害的影響。 放射線菌: 大部分的植物病原真菌的細胞壁，線蟲的 卵殼，都是由幾丁質與醣脂類化合物所構成成分。由 於主成分是聚乙醯葡萄糖胺不溶於水，被分解後產生 的葡萄糖、氨氣，以供給植物利用自然界使用。分解 幾丁質的菌有真菌類、細菌類、放射線菌等微生物， 其中又以放射線菌最普遍。 枯草桿菌 枯草桿菌，學名為枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)，屬 於芽孢桿菌屬(Bacillus)為革蘭氏陽性菌，普遍存在於 土壤及植物體表，在人體亦可發現在腸道內共生的枯 草桿菌。型態上的主要特徵是菌體表面生有鞭毛，體 內形成的內生孢子可抵抗惡劣的外在環境而存活。 枯草桿菌在食品和飼料添加劑上廣範使用，近年來使 用在種子保護及生物防治上，也經常被拿來應用。臨 床醫學上是屬於安全性的有益微生物。 工業用於生產哺乳動物來源的蛋白酶 有機農產品的目標，微生物將扮演非常重要 的角色 各種不同的微生物及其產生的酵素均有其不同的作用及功 能，包括有 1.促進土壤中有機質的分解，並使土壤疏鬆。 2.淨化土壤水分，有助於根部吸收 土壤養分。 3.抵抗地上及土壤病蟲害。 4.可以與作物根部形成共生菌根或 根瘤增加作物根部對磷 的吸收，或固定空氣中氮供作物吸收利用。 5.降低土壤重金屬之危害，增加抗旱能力。 6.延長根系及提高種苗移植成活率。 7.延長葉片壽命及促進光合作用。基於上述的功能，利用 微生物於有機農業生產，並配合一些生物防治法及有機肥 料之施用，在水稻及一些園藝作 物是可以促進生長，改 進品質及達到減少或不用化學肥料及農藥之目的。 酵母菌YEAST 是單細胞真菌，廣泛生長在營養豐富且潮溼的環境中 ，比如葡萄果皮的表面，常呈卵圓形或者圓柱形。酵 母菌通過出芽的方式進行無性生殖，也可以形成孢子 而進行有性生殖。目前已知有1000多種酵母，仍陸 續增加中。經常被用於酒精釀造或者麵包烘培行業。 4000年前，古埃及人已經開始利用酵母釀酒與製作 麵包了；中國的殷商時期(約3500年前)，古人利用酵 母釀造白酒，而酵母饅頭、餅等開始於漢朝時期。 1680年，荷蘭科學家列文虎克 (Anton van Leeuwenhoek) 首次利用顯微鏡觀察到酵母，但當時 並沒有將其當作一個生物體看待。 19世紀歐洲與美國開始酵母的工業化生產與商業化 依賴於乾燥與壓濾技術的發展。 1857年，法國科學家路易． 巴斯德首次發現酵母是經由 發酵作用進行釀造酒精，並 非簡單的化學催化。 巴斯德 曾經將空氣通進釀酒液中， 發現酵母的細胞量增加了， 但是酒精的生成量減少後來 人們將次現象稱為「 巴斯德 效應 」 一般都具有細胞壁、細胞膜 、線粒體、核糖體、液泡等 細胞器 酵母菌應用 部份酵母菌甚可生產一些高價產物如泛素Q10、麩胱 胺酸(glutathione)、超氧歧化脢 (superoxide dismutase)及工業上各式有用的酵素、蛋白質及各 式代謝產物等，除此之外，一種類似啤酒酵母菌 (Saccharomyces cerevisiae)的食用酵母菌 (Sacchaaromyces boulardii)已獲多個國家認可作為 益生菌 (probiotic)，這種腸道益生菌可以拮抗腸道中 的病原菌和治療慢性腹瀉症。 酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）和裂殖酵母菌 （Schizosaccharomysces pombe），亦常作為學術 基因遺傳、細胞生理、細胞分化等學術研究之主要模 式。具有高等真核表達系統的許多優點：如 糖基化 、信號肽追加等後轉譯能力，且實驗操作簡單。更快 捷、簡單、廉價，且表達能力更高。 Proposed model for the accumulation of unusual xyloglucan subunits in bgal10 mutants. Sampedro J et al. Plant Physiol. 2012;158:1146-1157 ©2012 by American Society of Plant Biologists 酵母菌感染疾病 一般酵母菌被指認為特別容易對免疫力低下的病人造 成感染；其感染屬於真菌感染中的一種形式。 白色念珠菌 Candida albicans 能夠引起鵝口瘡以及尿 道炎等感染疾病。白色念珠菌在人類身上主要出現在 口腔、腸道、尿道等部位的粘膜上，小部分生活在皮 膚表面。正常情況下呈現酵母細胞形式存在，沒有致 病性；於一些因素的誘導下，如免疫力缺陷、過量使 用抗生素等，白色念珠菌大量轉化為菌絲生長型，並 大量繁殖，入侵患者粘膜系統，引起炎症而發病。 白色隱球菌 Cryptococcus albidus 是一種一般對人類 無害的出芽型酵母菌。但在免疫系統缺陷者身上，可 能感染病人引起一種名為隱球菌病(cryptococcosis)的 疾病。嚴重可導致器官衰竭死亡 。 桿狀病毒(BACULOVIRUS) 桿狀病毒為昆蟲的病原體，主要為感染鱗翅目昆蟲。 目前應用於生物農藥、醫學及工業上以生產重要外源 蛋白的載體系統。 桿狀病毒科是無脊椎動物病毒中的最大科，僅會感染 無脊椎動物，尚未發現感染脊椎動物的病例。本科包 含 2 屬：核多角體病毒和顆粒體病毒。桿狀病毒的 最大特徵，是在被感染的細胞核內會形成數目不等的 結晶狀體，即封埋體。封埋體內包埋著由一層被膜包 裹著一個或多個核蛋白質鞘的病毒粒子，稱為封埋性 病毒。 其分類上可分成A、B、C 三群，其中核多角體病毒 (nucleopolyhedrovirus； NPV)即為A 群。 自 1983 年核多角體病毒被開發成真核細胞表現載體 (eukaryotic expressing vector)，並成功的製造出具 有生物活性的人類β-干擾素(β-interferon) (Smith et al., 1983)後，即被廣泛的探討與研究。 核多角體病毒可發展成為表現 載體乃是因為核多角體病毒的 基因組中所含的多角體蛋白基 因(polh gene)及p10 基因，皆 為非必要的結構性基因，都具 有很強的啟動子(promoter)， 故當選殖出該結構性基因(如多 角體蛋白基因及p10 基因)，接 入目標外來基因(foreign gene) ，其目標外來基因即可在該強 勢啟動子的驅動下大量表現。 桿狀病毒表現載體系統已成功 的表現出上百種具生物活性的 蛋白，如干擾素(α或βinterferon)和疫苗(雞華氏囊病 毒結構蛋白抗原、E 型肝炎表 面抗原)等。 王重雄、葉斯佳 臺灣大學動物學研究所 動物細胞 利用動物細胞培養技術來生產具商業價值的生技產品 ，包括：醫藥用蛋白質、治療藥物、快速檢驗試劑、 病毒疫苗及單株抗體等。 動物細胞培養技術創始於1907年Harrison將青蛙的 胚胎組織，培養於顯微鏡的載玻片上，以觀察細胞的 生長。初期常因微生物的污染受困擾，至1913年 carrel將外科醫生的無菌操作技術應用在動物細胞培 養上，細胞始能長期培養而不受污染。 1916年Rous及Jones利用胰蛋白酶（trypsin）由組 織中分解細胞，隨後發展出附著性細胞的繼代培養法 （subculture）。 1960年代開始添加抗生素在細胞培養液中，降低污 染的機率，並使細胞培養技術日漸普及，而且被廣泛 應用。在1948~1952期間，Mouse L和HeLa兩種細 胞株先後被建立。1955年Eagle開發生化學配方培養 液，使得細胞培養不必再依賴體液培養。 1975年Kohler和Milstein研發出融合瘤 (hybridoma) 技術，之後被廣用於單株抗體的製備。 動物細胞可依其性質、形態及培養特質來分類，以其 性質來分有初代細胞細胞株 (conscious cell line) 三 種。初代細胞是直接以胰蛋白將動物組織或器官分解 而得；正常細胞是指具成對染色體，培養時須附著面 ，單層長滿後即不再增生，可用胰蛋白讓他們脫離附 著面來進行繼代培養，但無法永續的培養。相反地， 細胞株則可持續的培養。細胞依其形態則可分類為纖 維狀 (fibroblast-like )及表皮狀(epithelial-like )兩 種不同的細胞。細胞若以培養時是否需要附著面，又 可分為懸浮性 (suspension) 及附著性(adherent) 兩 種細胞。 細胞型態 細菌汙染 真菌汙染 黴漿菌汙染 細胞培養 癌化的細胞 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：小組討論 第17週：小組討論 第18週：期末考 細胞生長影片