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,6.1 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(cellular life)單一細胞尺寸屬微米級(micro scale)，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(building blocks)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
2、。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。,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
3、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。,6.2 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-reactive systems)，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：,核酸 (nucleic ac
4、id)蛋白質 (protein)粒腺體 (mitochondrion)細胞膜 (cell membrane)電子傳遞系統 (electron transferring system)免疫系統 (immune system)神經傳遞系統 (nervous transferring system),核酸,核酸(nucleic acid)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(ribonucleic acid簡稱RNA)，和去氧核糖核酸(deoxy-ribonucleic acid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
5、角色，其中轉移核糖核酸(transfer RNA或tRNA)，有運送和轉移活化氨基酸(amino acids)的功能信使核糖核酸(messenger RNA或mRNA)，是合成蛋白質的模板(template);核糖體的核糖核酸(ribosomal RNA或rRNA)，則是細胞合成蛋白質的主要工廠。,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
6、及磷酸根形成核酸的骨幹(back bone)，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
7、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,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
8、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,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(Fragile X syndrome)、延髓肌萎縮症(Spinal and bulbar muscular atrophy，SBMA)、亨丁頓氏舞蹈症(Huntingtons disease，HD)、小腦脊髓幹運動失調症候群(spinocerebellar ataxias，SCAs)、齒狀紅核蒼白球肌萎縮症(Dentatoru
9、bral pallidolusyian atrophy/Haw River Syndrome，DRPLA/HRS)、Machado-Joseph disease(MJD)、以及肌強直型肌肉萎縮症(Myotonic Dystrophy; DM)等。這些不正常核甘酸重複序列有些是位於轉譯區(coding region)基因座內有一段不穩定的CAG核甘酸重複序列擴增突變(expansion mutation)，所造成的神經退化性疾病(neurodegenerative disease)，如上述的SBMA、H D、SCAs、DRPLA/HRS、MJD等病症; 有些則是位於不轉譯區(non-coding
10、 region)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,在1972年，美國史丹福大學的研究人員正式發展出基因重組(gene recombination)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
11、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,2. 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
12、對應胺基酸製成蛋白質。氨基酸(amino acid)是構成蛋白質的基本單元，自然界每個氨基酸的氨基(amino group)和羧基(carboxyl group)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(side chain)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。,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
13、的折疊或盤繞，常見的折疊形狀有螺旋(alpha helix)及-摺板(- sheet)二種; 三級結構主要是由雙硫鍵(disulfide bridges,-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
14、(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,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(amino groups, -NH2)、羧基(carboxyl groups, -COOH)、或羥基(hydroxyl groups, -OH)來與擔體(carrier)鍵結，其結合方式可分為： (1)物理吸附(physical absorpt
15、ion)-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(ionic bonding)-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(covalent bonding)-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
16、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。,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(soft laser)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(electrospray ionization)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光撓射法，但高分子量的蛋白質很難變成晶體。伍思瑞齊(wuthrich，198
17、5)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。,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(protein folding)，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，即狂牛病並獲得1997年諾貝爾醫學獎，他解釋說：哺乳類腦中有一種叫普立昂(prion)蛋
18、白質(PrP；Mr= 28,000)，在正常情況下，有一個很穩定的摺疊結構形態，是無害的，但若與羊搔症(scrapie)處得來褶疊錯誤的普立昂(PrPsc)接觸，則原本正常PrP會轉變成PrPsc，病變後的PrPsc俱感染能力，並會擴散感染造成腦組織空洞化。普席納的發現給了我們一個全新的病理觀念，即傳統所謂只有黴菌、細菌及病毒才有可能致病是不完整的，蛋白質本身亦有傳染疾病的可能(Nelson and Cox 2000)。,蛋白質分析與其結構研究的重要性,3. 粒腺體,粒線體存在所有真核細胞中，負責提供給細胞活動的化學能，即製造ATP，約90%人體所需能量，都在此處產出。ATP是細胞能量的攜帶者
19、，它是經由一連串複雜電子傳遞反應後，以氧為最終電子接受者而產生的。粒線體約1至10 m長，活的粒線體會在細胞裡移來移去，還會改變形狀、分裂成兩個，和電子顯微鏡所見到的有很大的差異，粒線體越多，通常細胞的代謝活性也越高。,菌體內ATP產生的機制,粒線體有許多特性與菌體類似，(1)粒線體內含一環狀DNA，獨立於核胞核DNA，故核醣體能自行製造其所需蛋白質，(2)粒線體複製類似菌體二次元分裂(binary fission)，是由原有粒線體分裂而來，(3) 粒線體尺寸與一般菌體類似，基於以上理由，已有學理指出，粒線體有可能是在生物進化過程中，由細菌進入真核細胞而形成的共生現象。也因為粒線體與細胞核呈獨
20、立狀態，許多有關粒線體DNA/RNA操控、蛋白質製造、核醣體特性等亦是研究的目標。對人類而言，粒線體由母體而來，有突變可能且其突變也會遺傳，所以比對全球不同人種的粒線體DNA的含氮鹽基排序，也可能得到一些全球人種遷移上的線索。,粒腺體與菌體比較,在1963年科學家已知道動物體身上的粒線體擁有它自己的DNA，但卻還不了解這些基因究竟有無功能，更不了解這些基因與人類某些疾病有關。直到1988年有些研究者才知道粒線體DNA的小瑕疵會引起或促發一些廣泛的衰退現象。目前的研究顯示，粒線DNA缺陷可能導致許多人體功能衰退老化的疾病及現象。即當粒線體中合成ATP的DNA突變或異常都會影響到細胞去穫得足夠的能
21、量，這可能傷害細胞或甚至殺死細胞，更進一地便會引起組織或器官的機能不全。粒線體DNA突變牽涉了許多不知原因的衰退及老化現象和各式各樣的慢性退化疾病。雖然在此方面的研究已提供許多疾病形成的線索，甚至設法治療及阻止疾病形成，但現今在此仍有許多這類疾病無法治療。,粒腺體的功能,4. 細胞膜,細胞膜的形成應是第一個細胞生命開始的起點。細菌膜在面對外在環境的變化時，必須要能維持細菌內在環境的穩定、並要有掌控養份攝取及廢物排除的能力，如此才能使細菌執行其所需生理功能並維持生存，故其對細胞的重要性，不言可諭。細胞膜是由兩層不透水的磷脂(phosphate lipid)組成，厚約5 nm，其親水層向內外，分別
22、與胞液與外界環境接觸，其恐水層相連夾在中間，如此結構可以阻細胞內外物質的交流，並透過細胞膜上一些由蛋白質通道，來接收外界訊號，並與外界交換物質，其示意圖如下。,細胞膜結構，其中A=雙磷脂層，B=膜上蛋白質，C=蛋白質通道。,細胞膜對傳送物質的選擇性強，大都利用特殊通道來做運送。多數細胞膜上都有葡萄糖的通道(glucose transporter)，藉以送入外界的葡萄糖，作為細胞內的養分之用，該通道是由整合型蛋白質(integral protein)組成，分子量大約是45,000，但其詳細構造並不清楚，該通道每次運送葡萄糖時會伴隨著Na+是屬於同向通道(symport)。此外，細胞內外離子的分布
23、，對細胞運作也有重大的影響，例如經由Na+K+ATPase的運作，每個ATP的消耗將三個鈉離子移出細胞內而將兩個鉀離子移入稱逆向通道(antiport)，造成大部分細胞內鉀離子的濃度是細胞外的30-50倍，而鈉離子濃度只有外面的十分之一。由於細胞膜內外離子分布的濃度不一，所以在細胞膜上就產生了一個膜電位差(membrane potential)；裡面為負，外面為正，大小約為50到70毫伏特(mV)。此外也有所謂離子通道，只允許特定的離子以擴散的方式流通。,物質傳送,早期研究細胞離子通道時，須將一根電極插入到細胞內，然後連通另外一個在細胞外的電極，來記錄不同生理情況細胞膜電位差變化。但是這種傳統
24、電生理的技術解析度不夠，而且沒有辦法任意改變細胞內的各種成分，再觀察這些改變到細胞膜上離子通道的影響。奈爾和沙克曼(1976)發展出膜片箝制的技術來研究細胞膜上離子通道的研究。所謂膜片箝制技術係利用一隻管口直徑比細胞還小的毛細玻璃管，在顯微鏡底下將它輕輕壓住細胞的表面，再加點吸力，將細胞膜緊緊吸黏在管口上。如果細胞膜上有一個離子通道的分子，經過電流的記錄儀器，就可以記錄在這個離子通道進出的離子流。他們應用這套技術，順利地記錄出青蛙肌肉細胞上單一離子通道流過電流的大小。其結果顯示，肌肉細胞的細胞膜上一個離子通道可通過的電流約為二十微微安培(10-12安培)，換成離子數目大約是每秒通過一億個離子。
25、其他結果也顯示，這些離子通道會因應不同的環境而改變其特性和形態，造成離子流量的變化。,細胞離子通道研究,5. 電子傳遞系統,電子傳遞系統(electron transferring system)常見於生物反應系統中，譬如人的呼吸過程是將電子一步一步傳遞，最後傳給氧氣，另外生物產氫亦是類似情形，最後則是透過產氫酵素(hydrogenase)與氫離子產生氫氣。,厭氧產氫電子傳遞路徑路,6. 免疫系統,免疫系統(immune system)是人體為抵禦外來不明病原或物質所構成的防禦體系，這個防禦系統大致可分為三個部份: (1)自我/非自我個體的辨識，(2)系統對抗原(antigen)的捕殺，及(3
26、)記憶細胞(memory cells)的製造及運用。抗原是指一切能使免疫系統起反應的物質。免疫系統主要是由骨髓中幹細胞所製造出的不同白血球細胞，包括巨噬細胞(macrophage)與淋巴球細胞(lymphocyte)，其中主要的淋巴球細胞又可分為B細胞(B cell)及TC細胞(killer T cell)，前者是專門產生抗體來標示抗原，供巨噬細胞來辨識及消滅; 後者是專門來殺死已被感染的細胞及其內所含的抗原。此外還有助手T細胞 (helper T cell，簡稱為TH cell)能與B細胞互動產生介白質(interleukin)來刺激B、T及TH等細胞的增殖。,在人體的整個免疫防護過程中，首
27、先免疫系統要能辨別那一個是自己的細胞，那一個是必須被消滅的抗原。基本上人體細胞靠兩類蛋白質，即MHC第一及第二類蛋白質(major histocompatibility complexes class I and II)，依附在細胞上來做標示的工作。MHC第一類蛋白質存在所有已知脊椎動物細胞上，但每個人可產生多達6種不同的MHC第一類蛋白質，所以幾乎很少有MHC第一類蛋白質組合相同的人。為了正確辨認自身的MHC蛋白質，當TC細胞製造時要經過嚴格篩選，約95%被製造的TC細胞因其有造成錯誤辨識可能而被消滅，只有能正確抓住與外來抗原結合的MHC第一類蛋白質的TC細胞才會被留存下來。之後TC細胞會到
28、處尋找這種有抗原的細胞並將之摧毀，這也是為什麼當器官移植時，外來器官上的MHC第一類蛋白質亦被視為抗原並受本體TC細胞攻擊，而造成所謂組織排斥性(tissue reject)現象。MHC第二類蛋白質則只依附在少數抓抗原的細胞上，如巨噬細胞及B細胞上，以供助手T細胞來結合，進而刺激B、T及TH細胞的增殖。,免疫防護過程,所以整個抗原捕殺的過程可分成兩部分，其一由B細胞產生抗體來標示抗原，而此抗體/抗原結合體會被隨時來回巡邏中的巨噬細胞所吞噬; 而受抗原感染的細胞則由TC細胞透過已感染抗原的MHC第一類蛋白質進行結合並將整個細胞連抗原一起消滅之。如有需要助手T細胞將會透過MHC第二類蛋白質與B細胞
29、互動，產生介白質來刺激B、T及TH細胞的增殖。當抗原被消滅殆盡，少部分TC、TH、及B細胞會被留存下來，變成記憶細胞，記憶細胞在體內巡迴，下次有同樣的病源侵入時可以閃電出擊，這也是當一個人已得過某種疾病後有免疫效果理由。免疫系統中所謂抗原/抗體的獨特/單一的結合特性，已被拿來發展蛋白質晶片，做為檢測抗原或抗體存在的明確指標。雖然如此，但吾人對免疫系統的了解，仍是不足，免疫系統的高度辨識性、TC及TH在製造時的嚴格篩選機制，和記憶細胞的留存而不被摧毀回收等都是有待更多探討的。,7. 神經傳遞系統,神經系統可以分為中樞神經系統和周邊神經系統兩大類。中樞神經系統又可分為兩個部份:大腦 和脊椎。一個正
30、常成人的大腦約有1.3到1.4公斤重, 其中約包含了上千億的神經細胞以及數以兆計的神經膠質細胞。脊髓外圍有著堅硬的脊椎骨 作為保護以及支撐脊髓之用，其長度約有70公分。周邊神經系統也可以分為兩個主要的部份：軀體神經系統以及自主神經系統 軀體神經系統中的感覺神經纖維 可將身體各部份的感覺器官所搜集到的視覺、嗅覺、味覺、觸覺等資訊傳送到大腦或脊髓。而運動神經纖維 則負責將中樞神經系統所下達的命令傳到骨骼肌以產生所需的運動。自主神經系統包含了交感神經系統以及副交感神經系統 。其功能主要在於調控內臟的平滑肌運動以及內分泌腺體產生內分泌激素。藉由這些複雜的神經連結互動, 我們才能夠因應外界的環境變化而產
31、生適當的身體反應, 並產生了思考、記憶、和情緒變化的能力。,神經細胞(nerve cell又稱為神經元，neuron)是專門傳遞電訊號的細胞，當位於細胞表面的受體(receptor)接收到神經傳導物質時，神經細胞便會產生動作電位以傳遞訊息。神經細胞會從本體處長出觸手狀的組織，稱為軸突(axons)和樹突(dendrites)，樹突負責將資訊帶回細胞，而軸突則是負責將訊息傳遞出去。在神經系統中幾個重要的離子分別為鈉(Na+)、鉀(K+)、鈣(Ca2+)及氯(Cl-)離子。此外還有一些帶負電荷的蛋白分子。神經細胞和一般細胞一樣都有細胞膜包覆，而細胞膜對離子的通透率極差，幾乎為零，因此這些離子要經由
32、細胞膜上特殊的離子通道(ion channels)如前述Na+K+ATPase才能流通。當神經細胞在休息狀態(不傳送訊息時)，細胞外的鈉離子相較於細胞內的鈉離子來的多，而細胞外的鉀離子則相較於細胞內的鉀離子來的少，細胞內的電壓相對於細胞外的是負值，此時細胞內外不平衡的離子會企圖去平衡這內外的電位差，但是由於細胞膜的阻隔使得只有具有特定離子通道的離子可以通透。在休息狀態下神經細胞對鉀離子的通透性極高 (K+) 而相對的氯離子(Cl-)及鈉離子(Na+)通透率不高，且細胞內帶負電的蛋白分子則因為體積太大，而無法自由的進出細胞膜而被箝制於細胞內。一般而言，休息電位是負70-100毫伏特(mV)，也就
33、是說細胞內的電壓要比細胞外的低70-100毫伏特。,神經細胞,當細胞在傳遞訊息時，各離子游動的情形稱為動作電位(action potential)。動作電位是由去極化電流(depolarizing current)將原本細胞的休息電位提昇(一般至-55 mV)而引發的膜電位改變。在任何一種神經細胞中，其產生的動作電位大小是完全一樣的，因此神經細胞不是不引發動作電位，就是產生一個大小固定的一個動作電位，這就是所謂的全有全無律(all or none)。動作電位因一連串離子通過細胞膜而造成離子重新分配及膜電位改變。首先外來的刺激開啟了原本在休息狀態下不開啟的鈉離子通道，因為細胞外的鈉離子濃度遠高於
34、細胞內因此大量的鈉離子會向細胞內流入，鈉離子本身帶一個正電荷，因此會使得神經細胞的細胞膜電位趨向於正值即所謂的去極化。鉀離子通道開啟的時間較鈉離子通道來的晚。當鉀離子通道打開時鉀離子會流出細胞而使得細胞膜電位趨向於負值而將細胞再極化(repolarization)。在此同時鈉離子開始關閉，這造成細胞膜電位回到神經細胞的休息膜電位。,神經元上亦有數量及種類均多的受體(receptor)，這些受體會同時或個別受到多個其它神經元所產生的離子濃度及電位變化影響而產生去極化電流，將訊號持續傳下去，如果該細胞所接收到的訊號未達及去極化電流，則訊號停止。這種單一細胞受多個神經元訊號控制的現象不易分析，有待更
35、進一步的了解。此外，神經傳導物質與受體的關係十分密切，神經傳導物質不能產出或產出不正常或與受體間的互動有異狀，常帶來神經上的疾病，例如巴金森氏症(Parkinsons disease)便是因為腦內一種叫黑核 (Substantia Nigra)的腦細胞快速死去而無法製造足夠的多巴胺(Dopamine)而導致的一種慢性的中樞神經系統失調症狀。,6.3 奈米生物技術應用範疇,生物技術目前的應用相當廣泛，舉凡微生物辨識、疾病防治、食品改良、能源開發、環境保育、及地球永續發展等都有密切關聯性。這些課題中包含了利用核醣體的次單元(subunit)做菌群區別、利用基因診治來防治先天性疾病，利用基因操作來增
36、加糧食生產、利用生物產能系統來獲取生物能、利用改良菌種來去除廢棄物、及利用收集/保存生物多樣性以求物種的永續發展。本節將就幾個共通性的生物技術做一說明。,物種辨識生物感測基因操作基因治療藥物設計與藥物傳輸,物種辨識,微生物辨識是純菌分離後必要的一種分析。菌種分離主要是藉由模擬自然界微生物的生長營養源及環境，而將存在於自然界的微生物獨立地培養及分離出。利用不同微生物本身所含DNA基因序列上的差異，做為其辨識的依據，在此僅以常用的16S rDNA辨認原理做說明。,利用16S rRNA作菌種分類流程範例,細胞內核醣體是蛋白質製造之處，它是由蛋白質和rRNA所組成的。一般上原核細胞的核醣體由兩個次單元
37、所組成，分別是50S和30S次單元(S = Svedberg unit; 即離心時的沉澱速率，S數值越大,則分子量也越大)，它們包含多種蛋白質和rRNA分子。較小的30S次單元包含16S rRNA，而較大的50S次單元則包含5S和23S rRNA。16S rDNA就是在染色質上能轉錄出16S rRNA的基因。不同的細菌擁有其獨特的16S rDNA序列，通過資料庫的比對可以辨別出擁有某個特定16S rDNA序列的細菌之種類。發展DNA分子檢驗技術需要考慮的因素包括：(1)該基因要夠保守，即不同細菌之間的差異不能太大，否則就難找到能適用於極大多數細菌的DNA引子，(2) DNA序列不宜太長或太短，
38、如太長其序列偵測較困難; 如太短其特異性太低，辨識不易。,2. 生物感測,生物感測器主要是以生物分子如抗體、抗原、酵素、蛋白質、及核酸等來做為量測某化合物或離子的工具，一般而言，其量測化合物俱選擇性並常是一可逆反應。生物感測器的主要元件之一即是利用在感測器上加裝上生物元件來增加其偵測時的選擇性及靈敏度。而依照使用的生物元件不同可區分成酵素感測器(enzyme sensor)、免疫感測器(immuno-sensor)、受體感測器(receptor sensor)、微生物感測器(microbial sensor)、細胞及組織感測器(cell and tissue sensor)、及核酸感測器(nu
39、cleic acid sensor)等六類 ，其中，如核酸感測器即是以DNA雙股的互補性來做偵測的機制 。,生物感測器的主要元件之一即是利用在感測器上加裝上生物元件來增加其偵測時的選擇性及靈敏度。而依照使用的生物元件不同可區分成酵素感測器(enzyme sensor)、免疫感測器(immunosensor)、受體感測器(receptor sensor)、微生物感測器(microbial sensor)、細胞及組織感測器(cell and tissue sensor)、及核酸感測器(nucleic acid sensor)等六類，其相對的反應機制，可由前一節(6.2節)的生物元件介紹中得知，如核
40、酸感測器即是以DNA雙股的互補性來做偵測的機制。目前的生物感測器大都為體外偵測，且受限於對生物系統本身了解不夠、生物元件包埋(embedding)技術不足，及生物元件本身的選擇性不夠專一而被不反應物質所阻絕等因素的影響，故其實測應用性及準確度都有待加強。此外，無法作體內檢測是否會導致檢體在前處理過程的變質和測值不準，這些都有待確認。目前奈米技術已有所謂藥物載體(drug carrier)設計，即將藥物傳送到特定身體位置再釋放，以避免藥物的擴散與浪費。如果能把生物元件包圍在奈米顆粒中，減低非專一性的接觸並在體內直接量測檢體，則生物感測器，將可有進一步發展的空間。,3. 基因操作,生物技術主要的使
41、命之一便是如何將一目標基因在一特定生物體中表現。由於遺傳密碼的一體適用性，因此即便是真核生物的基因都可以在原核生物內表現。原核生物中的大腸桿菌，因(1)其表現系統已被解明、(2)其菌株能在廉價的培養基中做高密度成長及(3)其無害於環境等因素而被廣泛利用為蛋白製造工廠並已成為世界各大藥廠爭相研究以生產高附加價值的蛋白質。,表現系統建立要素包括: (1)啟動子(promoter)及終結子(terminator)特性、(2)核醣體結合區與核醣體結合的能力、(3)表現質體的數目(copy number)、(4)利用質體或以質體併入染色體後表現、(5)產出目標蛋白在細胞的最終位置、(6)轉錄出的mRNA
42、在核醣體的轉譯效率、及(7)產出蛋白在宿主(如大腸桿菌)的穩定性等。一般而言，穩定、數量大的質體、表現力強的啟動子及多點複製區(multiple cloning sites)，是建立表現系統基因架構的三大要素。,4. 基因治療,基因治療的關鍵在於基因轉殖(gene transfer)，有些基因轉殖必需採用體外培養、操作，再重新放入體內，稱為ex vivo; 有些則可直接應用於體內，稱為in vivo。常見的載体包括: (1)反轉錄病毒載體(retroviral vector)是目前使用最多的型式，載體本身是一個被包膜(envelope)覆蓋的RNA病毒，會經由反轉錄作用而形成雙股DNA，再插入
43、在宿主染色體中，達到基因轉殖及持續性表現的特性，惟此病毒只能感染分裂中的細胞，在體內又脆弱易被摧毀，是其缺點。此外反轉錄病毒有一個安全上的顧慮，即是病毒野生型會複製有能力病毒(replication competent virus)，會導致細胞突變，故使用上不得不慎 (2)腺病毒載體(adenoviral vector)有35 Kb，是大尺度的病毒，此一病毒顆粒穩定，可直接做體內(in vivo)轉殖，且不要細胞進行分裂，是其優點，但腺病毒不在細胞染色體中插入基因，不會在細胞內複製，故其表現是屬於短暫性的，(3)腺衛星病毒載體(adeno-associated viral vector)是有5
44、 Kb單股DNA的病毒，此載體能持續表現，且感染時不要求細胞分裂，缺點是它的DNA太小不能攜帶太大的外來基因，以上三種是屬於病毒載體的部分。,有關非病毒載體的部分，包括(1)微脂粒基因轉殖(liposome-mediated gene transfer)是指利用微脂粒包覆欲轉殖DNA於其中，並利用細胞膜會與磷脂質熔合(fusion)的方法，進行DNA運送，惟此法之表現屬短期且效率不高，並未普遍被採用，(2)受體引導之基因轉殖(receptor-mediated transfer)是利用細胞上特有的受體來接受已連上DNA之配體(ligand)並利用胞飲作用(endocytosis)將DNA送入細
45、胞體內，惟此一方法之DNA在囊胞(endosome)易被分解，故其轉殖效率亦差，(3)DNA直接注射至肌肉細胞是比較獨特的方法，結果顯示肌肉及心臟細胞在DNA注射後可持續表現，其它組織則否，因為此法甚為方便，是目前大家所樂於嚐試的方法，(4)基因槍(gene gun)射入法是利用高壓加速將塗滿慾被表現DNA的粒子打入細胞內，以進行表現，此法所用的DNA量少，且可運用到多種不同的細胞、組織，甚至器官，並可以體內方式來作DNA表現。,5. 藥物設計與藥物傳輸,生物技術的進步亦可減少在新藥研發時需投入的時間與金錢。一般藥廠開發新藥時會先大量篩選出對某種疾病有初步療效的先導藥物(lead compou
46、nd)，再進一步將其修飾，使該化合物更有活性與低毒性，此法耗時甚久，所開發新藥成功上市比率也只有萬分之一。目前，藉由了解微生物或病毒等侵入人體後所導致體內化學物質的失衡或細胞不正常增生現象，不同蛋白質及核酸在疾病中所扮演的角色也逐漸被發掘。這些生物化學或分子生物技術的使用，讓我們有機會利用相關的蛋白質或核酸為標的來做合理化的藥物設計(rational drug design)。所以對這些與病變俱關連性的蛋白質或核酸愈清楚，則藥物開發時程會縮短、而設計出來的藥物也會愈有效力。目前藥劑使用觀念已漸漸由藥效為先轉變到安全及有效性為中心。簡單的說，手指頭並沒有心律不整的問題，為什麼要把心律不整的藥傳送
47、到全身呢?這樣的觀念導致適時、適位、適量的藥物療法，也就是所謂的藥物傳遞系統(drug delivery system)的概念，逐漸成為藥劑設計主流，其最終的目的在於，把藥物依需要量劑送到特定治療部位。,一個理想的藥物傳遞系統應包括: 定位(positioning)、藥物釋放(release)、惰性覆膜(inert cover)、及回饋控制。要有定位功能，則其載體要小且要有選擇機制，如以受體、抗原等當成標定物; 藥物釋放的速率及方式(由孔或表面)要有效、不過量、表層物質必需不會與生物分子起反應、且最好有回饋機制來做藥量控制，以達到生理需要的理想濃度。目前已有的藥物載體包括: 仿生物性的微脂粒(
48、liposome)、微小球(microsphere)、微乳劑(microemulsion)等，及利用奈米技術合成的聚合微膠囊(polymeric microcapsule)、鎳鋅鐵氧體之奈米磁性顆粒等。不過，目前的成效皆僅在測試階段，要達到上述理想藥物傳遞系統，顯然還得在微小化上有所突破。,6.4奈米生物技術未來研究及發展,在配合奈米技術開發的同時，我們應可在下列五項領域中，尋求突破與機會，包括：(1)活體操作、(2) 生物零件製造/修補、(3)生物體外微系統開發、 (4)新物種開發、及(5)生命起源探索。此五項研究方向雖有難易之別，但並不需要有研究上先後的順序，其中任一項有突破也會對其它各項
49、有所助益。以目前的生物技術而言，很多的限制在於必須在體外分析來自體內的生物分子，這些分析不僅前處理步驟複雜，且不易得知其真實的反應結果，量測上有事倍功半的遺憾。有鑑於此，奈米生物科技工具/技術的發展應以發展能行活體內檢測/操作為目標而要達到此一目標，則需達到(1)侵入、(2)定位、(3)反應、(4)發訊、及(5)回收等五階段。初期應利用奈米微小化的特性及技術，發展具運送載體，載體如為包覆性，則戴體內側應以親生物分子為主，外側是非親生物分子。,目前可用來標定生物分子的方法，包括利用受體/配體、抗原/抗體等生物已有的結合上專一性來作定位。另外，目前的檢測反應機制大都在體外進行，類似的反應機制如在生
50、物體內執行，可能需特別考量，例如目前螢光原位雜交技術(fluorescent in-situ hybridization, FISH)在結合探針(probe)與核酸前，就已經用溶劑將細胞內部物質清洗一空，僅留下核酸物質以利序列結合反應，但相同過程如欲在活體進行，則如何將探針送入核醣體與rRNA結合不無問題。但從另一個角度來看，實際檢測人體內細胞反應雖是困難的，但可能只有研究時才有此須要，就一般醫學應用而言，偵測應考慮到如何將反應訊號送至便於觀察/檢測的地方，或者當反應完成時，送一個訊號讓手產生癢的感覺便可。至於載體回收是希望能做到像人的免疫系統一般當反應完成時，T及B細胞會自動被分解回收，成為下一個產品的原料。這五大階段在奈米技術不足時像是空談，但有了奈米技術後卻成了研究重點及商機所在!而這些技術如發展完成，不僅對生物技術是一種創新，對奈米技術開發上也會是一個高度的成就。,
