奈米生物技术

1第六章奈米生物技術6.1前言6.2奈米元件與生物反應系統6.3奈米生物技術應用範疇6.4奈米生物技術未來研究及發展26.1前言研究生物體元件(bio-elements)的奈米級工具及檢測技術統稱為奈米生物技術(nano-biotechnology)。以尺度而言，一般細胞生物(cellularlife)單一細胞尺寸屬微米級(microscale)，如大腸桿菌，其直徑約在2微米;長5微米，故其內部元件或基本建構元件(buildingblocks)尺度，大都在奈/微米(nano/micro)級之間，所以奈米技術發展，預期進一步了研究生物體微小元件及生物反應系統運作方式的可行性。目前奈米技術已可操控原子級粒子並研究其微小化下的物化特性，如何利用此一技術並配合目前分子生物學發展，來進一步了解活體中生物活動(甚至生命)現象，將是未來數十年間，重要研究課題之一。3把奈米技術引入生物學研究的目的在於微小化奈米技術可幫我們(1)精準辨識反應中的微小生物分子(如特定酵素)的存在、(2)控制特定生物分子的移動，及(3)運送特定微小粒子至某定點等，而這些結果都將有助於進一步了解各生物分子特性，其相互間的作用情形，及生物系統本身的效率及精準特性。以前述大腸桿菌生長為例，一隻大腸桿菌在30分鐘完成便完成伍佰萬個鹼基對複製，亦即一秒鐘內可複製二仟八佰個鹼基對，而奈米微小化技術可幫助我們了解：(1)這高效率的系統是如何達成的，及(2)在如此快速的製程中，微小元件的位移控制又是如何完成的。總之，奈米研究可進一步回答生物系統對其元件掌控的專一及精準特性，而因為奈米技術的發展，未來這些特性的研究也可能在活體中完成。更重要的一點是—這些研究成果都與身為生物之一的人類息息相關，故其重要程度不言可諭。46.2生物元件與生物反應系統生物元件種類甚多，也常因物種不同而有所差異。研究不同生物元件與其組合而成的生物反應系統(bio-reactivesystems)，是了解生物運作機制的最佳方式之一。有鑑於此，本節就常見且重要的生物元件與生物反應系統及其功能作說明：1.核酸(nucleicacid)2.蛋白質(protein)3.粒腺體(mitochondrion)4.細胞膜(cellmembrane)5.電子傳遞系統(electrontransferringsystem)6.免疫系統(immunesystem)7.神經傳遞系統(nervoustransferringsystem)51.核酸核酸(nucleicacid)廣泛存在所有動、植物細胞及微生物體內，並可分為核糖核酸(ribonucleicacid簡稱RNA)，和去氧核糖核酸(deoxy-ribonucleicacid簡稱DNA)。DNA是儲存、複製和傳遞遺傳信息的主要物質，而RNA有三種，分別在蛋白質合成過程中扮演重要角色，其中轉移核糖核酸(transferRNA或tRNA)，有運送和轉移活化氨基酸(aminoacids)的功能﹔信使核糖核酸(messengerRNA或mRNA)，是合成蛋白質的模板(template);核糖體的核糖核酸(ribosomalRNA或rRNA)，則是細胞合成蛋白質的主要工廠。6每一條DNA或RNA都是一個巨型分子，由數目不等的核甘酸(nucleotide)聚合而成。核甘酸是由三大部份組成，即核醣(ribose；RNA用)/去氧核醣(deoxyribose；DNA用)、磷酸根(phosphate)及包含嘧啶(pyrimidines)和嘌呤(purines)的含氮鹽基。核醣及磷酸根形成核酸的骨幹(backbone)，其中每一個核甘酸的磷酸根會接在上一個核甘酸核醣第3個碳的位置上，而含氮鹽基才是造成每個核甘酸特性不同的原因。含氮鹽基中嘧啶又有三種：胞嘧啶(cytosine)存在於DNA和RNA中，胸腺嘧啶(thymine)僅存在於DNA中，尿嘧啶(uracil)僅存在於RNA中，嘧啶是由碳原子和氮原子組成的六邊環，不同嘧啶的差別在於連接在環上的官能基不同；嘌呤有二種：腺嘌呤(adenine)和鳥糞嘌呤(guanine)，是由一個六邊環及五邊環的組合體，在DNA和RNA中都有。各種核甘酸，以含氮鹽基第一個英文字母簡稱之，即C、T、U、A、G等。在正常情形下，A與T(或U)以二個氫鍵相互配對連結;G與C則以三個氫鍵結合，所以相同長度的DNA中若含較多GC配對時，其所需要將雙股DNA分離的能量也愈大。DNA的組成因子7從物理的角度來看，各種力場對DNA性質和性能的影響、相互作用力對DNA性質的影響、及現有的理論和模型是否足以解釋DNA分子的性質等，都是目前研究甚多的課題。由於DNA特有的雙股螺旋結構，使得其形變和彈性性質與其生物功能有直接的關係，例如在DNA複製的過程中，雙股螺旋必須反轉並斷開鹼基對之間的氫鍵，以利DNA複製酵素(polymerase)等分子連結並利用被分開的兩股核甘酸作為複製的模版(template)，而針對這些力場的作用及DNA彈性性質的研究，是了解生物體遺傳物質製造/運送過程中，不可或缺的一環。力場對DNA之影響8此外，近年來陸續發現包括癌症、精神病、及遺傳病等，許多人類疾病是因為染色體內不穩定的核酸重複序列發生突變所致。其中由三個核甘酸重複序列倍增突變所導致的遺傳疾病有:易脆X染色體症候群(FragileXsyndrome)、延髓肌萎縮症(Spinalandbulbarmuscularatrophy，SBMA)、亨丁頓氏舞蹈症(Huntington’sdisease，HD)、小腦脊髓幹運動失調症候群(spinocerebellarataxias，SCAs)、齒狀紅核蒼白球肌萎縮症(Dentatorubralpallidolusyianatrophy/HawRiverSyndrome，DRPLA/HRS)、Machado-Josephdisease(MJD)、以及肌強直型肌肉萎縮症(MyotonicDystrophy;DM)等。這些不正常核甘酸重複序列有些是位於轉譯區(codingregion)基因座內有一段不穩定的CAG核甘酸重複序列擴增突變(expansionmutation)，所造成的神經退化性疾病(neurodegenerativedisease)，如上述的SBMA、HD、SCAs、DRPLA/HRS、MJD等病症;有些則是位於不轉譯區(non-codingregion)內，由不穩定的CTG或CGG核甘酸重複序列倍增突變所造成的肌肉萎縮、智障等遺傳疾病，如：DM。基因突變9在1972年，美國史丹福大學的研究人員正式發展出基因重組(generecombination)的技術。這項原本為了分析各基因的作用而發展出來的技術。最初所謂的基因重組是指科學家利用技術，將選取的目標基因(DNA)與另一段不同生物的DNA互相接合，形成重組DNA，再將重組DNA放入菌體中，於是重組的DNA便能在菌體內複製並合成相對蛋白質。故此技術可用來判斷目標基因的產物及其功用並了解各基因的作用。基因重組的技術包括四個步驟：(1)基因的選取，(2)目標DNA與載體DNA的結合(所謂載體是指可以攜帶基因進入菌體的物質，一般常用的有細菌的質體(Plasmid)及噬菌體(microphage)，(3)將重組DNA放入菌體內，進行複製和表現其性狀(4)分析目標基因合成的產物。基因重組102.蛋白質若針對人類而言，蛋白質是細胞膜、細胞質、肌肉、皮膚和許多身體構造的主要成分，也是形成酵素、血液中的血紅蛋白質及抗體的主要物質，對身體成長及自我修補受傷組織的功能非常重要。在微觀的製造方面，生物體利用轉錄(transcription)機制將基因DNA片段轉成mRNA，再利用核醣體(ribosome;內含rRNA)將mRNA資訊經轉譯(translation)及tRNA運送來對應胺基酸製成蛋白質。氨基酸(aminoacid)是構成蛋白質的基本單元，自然界每個氨基酸的氨基(aminogroup)和羧基(carboxylgroup)都與同一個碳原子以共價鍵結合，稱為-胺基酸，不同的氨基酸各有一個不同的「側鏈」(sidechain)而不同數量和種類的氨基酸可以相互連接成一條鏈狀的構造，稱為polypeptide;而不同數量的polypeptide經化學作用如氫鍵、雙硫鍵等，連結成各種不同的蛋白質。11完整的蛋白質俱四級結構，分別是初級、次級、三級結構及四級結構。初級結構指的是蛋白質的胺基酸序列，序列上些微變化，會影響蛋白質折疊和其功能；次級結構主要是以氫鍵做局部重複的折疊或盤繞，常見的折疊形狀有α螺旋(alphahelix)及β-摺板(β-sheet)二種;三級結構主要是由雙硫鍵(disulfidebridges,-S-S-)連結二個胱胺酸(cystine)單體而將二級結構扭曲重疊，四級結構主要是由二個以上的三維結構蛋白質組成，也代表具功能性蛋白質的完整結構。蛋白質結構常因pH值、鹽濃度、溫度等的影響，瓦解安定結構的恐水性結合，包括氫鍵、離子鍵和雙硫鍵等結構後，失去維持形狀的力量並造成變性(denaturation)。有時蛋白質變性後，當環境恢復時可重新形成俱有機能的形態;但某些蛋白質是無法還原的。蛋白質折疊規則及其變性後還原與否，目前常以固定/結晶(fixation/crystallization)的方式再配合電腦模擬來完成，因固定及結晶皆需在體外完成，對蛋白質結構有一定的誤差，而蛋白質的立體結構與基質固定和該蛋白質的活性有關，所以儘可能避免誤差有其重要性。蛋白質結構12固定化技術固定化技術主要目的就是在尋求一種「有效且安定」的固定方法以確保蛋白質結構不受外在環境影響，通常蛋白質藉著分子本身的胺基(aminogroups,-NH2)、羧基(carboxylgroups,-COOH)、或羥基(hydroxylgroups,-OH)來與擔體(carrier)鍵結，其結合方式可分為：(1)物理吸附(physicalabsorption)-此法利用分子間的凡得瓦力、靜電力、親和性的物理性質吸附蛋白質分子，優點是方法便宜、簡單；缺點是容易因外在環境溫度、酸鹼值、溶液中離子強度之改變，而導致蛋白質脫落，(2)離子鍵結(ionicbonding)-係利用蛋白質具有被離子化性質，將蛋白質以離子鍵形式結合於離子交換體，比物理吸附有較強的結合力，但相同的蛋白質反應中緩衝溶液的種類、酸鹼值、離子強度、溫度等，都會對固定化的效率或蛋白質的脫離有很大的影響，(3)共價鍵結(covalentbonding)-蛋白質中含有與活性無直接關係的反應性游離基，尤其是羥基、羧基、氨基之含量很高，可用來與基材表面具有的官能基發生共價鍵結，此種鍵結形式具有結合力強的特性，故被固定之蛋白質不易受外在環境影響而脫離基材。13分子分析方法田中(1987)發現將要分析的物質以低能量的軟雷射(softlaser)激發成帶一個電子的氣態，在電場中可以用「脫附方法」(desorption)進行質譜測量;芬恩(1988)以「高電壓噴射離子化方法」(electrosprayionization)使要分析的物質經過高電壓噴射方法而得離子化，再進行質譜測量，用這二種方法，主要在使高分子蛋白質帶電並藉以分析該類的蛋白質。此外，有關蛋白質量測的另一個問題是，以往的分子結構都是依賴結晶固體的Ｘ光撓射法，但高分子量的蛋白質很難變成晶體。伍思瑞齊(wuthrich，1985)利用核磁共振儀(NMR)方法測定溶液中的蛋白質結構，他以蛋白質中的氫原子間的距離及擺動狀態為測量基準，訂出溶液中蛋白質的三度空間結構。田中、芬恩及伍思瑞齊也因其在蛋白質結構技術的創新，共同獲得了2002年的諾貝爾化學獎。14蛋白質分析與其結構研究的重要性在於：蛋白質是由一連串的胺基酸組成，蛋白質有它的特定摺疊形態(proteinfolding)，如果摺疊形態發生變化，那蛋白質就會「變質」並引起許多疾病。普席納(Prusiner，1997)率先提出蛋白質摺疊錯誤會引起腦組織海綿化(spongiform)疾病，即狂