作者:鄭榮淇
摘要:
一、前言
人類基因(Gene)組計畫定序提前完成,產出豐富之基因序列資訊,生物晶片(Biochip)正是解讀基因資訊重要工具之一,而目前生物晶片技術正處於起萌時代,在美國新聞媒體界中,把Biochip稱之為“加州淘金”期(因為大部分的Biochip公司都位於加州的San Diego)。在本文將先介紹與Biochip息息相關的DNA(Deoxyribonucleic acid)的構造、基因、DNA複製,再介紹Biochip的製作、應用原理、美國、台灣及大陸的現況及未來。
以目前較熱門的生物晶片,短期而言,對於新藥之研發具有加速作用;若以長期而言,生物晶片將進入診所、家庭及個人消費市場,甚至除了醫療使用之外,未來的想像使用仍很大。
生物晶片是運用分子生物學、基因資訊、分析化學等原理進行設計,以矽晶片、玻璃或高分子為基材,配合微機電或其他精密加工技術,並以自動化技術進行系統整合,所製作高科技元件。有如半導體晶片能快速進行繁複運算;生物晶片具有快速、精確、低成本之生化分析檢驗能力。生物晶片未來運用領域涵蓋生命科學基礎研究、新藥研發、醫療診斷、食品安全、環境監測等領域。
由於生物晶片產業仍處於起步階段,先進國家多不願輕易釋出技術,公司間之合作,也以互利共生為基本原則。國內若想在生物晶片領域爭得一席之地,必須充分運用國內產業之利基,積極投入研發,建立關鍵技術,以作為與其他公司交互授權的籌碼。除此之外,如何在技術與資源上,進行整合,以達到進軍國際之終極目標。
二、DNA及基因
首先,DNA是由四種不同的核?酸(Nucleotide)組合的大聚合物,而每個核酸(圖一)均含一個磷酸根(Phosphate Group-圖一“P“),一個去氧核糖(Deoxyribose-圖一“Sugar”)及一個含氮鹼基(Nitrogen-Containing Base-圖一“Base”)。
圖一、核?酸結構
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資料來源:中興投顧,2001年6月
而DNA是由四種不同的核?酸組成,這四種核?酸的不同之處在於鹼基上(即圖一“Base”的不同),若鹼基是腺嘌呤(Adenine),就簡稱A;若鹼基是鳥糞嘌呤(Guanine),就簡稱G;若鹼基是胞嘧啶(Cytosine),就簡稱C;若鹼基是胸腺嘧啶(Thymine),就簡稱T,而其分子平面結構如圖二(箭頭表示鹼基與“Sugar”鍵結點),圖三是A、G、C、T核?酸的立體結構(含鹼基、磷酸根、去氧核糖之完整核?酸)。另外值得一提的是,在所有DNA中,A的數量是等於T,C的數量是等於G。在單一核?酸組成單股DNA的過程(圖四)中,主要是以磷酸根來相互連結,而形成一單股的DNA。
圖二、A、G、C、T四種鹼基的分子平面結構
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資料來源:中興投顧,2001年6月
圖三、A、G、C、T四種核?酸的立體結構(含鹼基、磷酸根、去氧核糖之完整核?酸)
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Source: http://www.nyu.edu,中興投顧整理,2001年6月
圖四、核?酸組成單股DNA的過程
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資料來源:中興投顧,2001年6月
至目前我們只討論至單股DNA的組成,但實際DNA是雙股螺旋的外形,至於一條完整的雙股螺旋DNA的外形(圖五),將在此段說明。因鹼基有一相當特別的特性,即鹼基A會與鹼基T相連接(方式是以2個氫鍵連接),而鹼基C會與鹼基G相連接(以3個氫鍵鍵結),因此,在其中一單股DNA上的A,一定對應在另一單股DNA的T,同樣的,一單股DNA上的C,一定對應在另一單股DNA的G,因此而能使一條完整的雙股螺旋DNA緊密結合。因此,若一股DNA的鹼基順序是ATCGAACG,則相對應的另一股DNA鹼基順序必是TAGCTTGC;這也是為什麼在前文中曾提到,在一個DNA中,A的數量是等於T,C的數量是等於G,原因也在此。就DNA的外型來看,磷酸根和去氧核糖間隔相接,形成DNA的骨幹;含氮鹼基面向內,構成DNA的核心。而兩股長鏈靠含氮鹼基間的氫鍵拉在一起,形成一扭曲的階梯,在此階梯中,扶手是核糖與磷酸根的骨架,橫木是成對的含氮鹼基。
圖五、雙股螺旋DNA的外形(A:平面結構;B:立體結構)
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資料來源:中興投顧,2001年6月
或許大家會懷疑,難道我們DNA的結構組織是如此的簡單,只是核?酸ATCG這四個的排列,那如何造成這世上數百萬物種的不同,且在每個相同的物種中,每個個體又有差異呢﹖事實上,一個遺傳訊息單位(一個基因)大約有900個核?酸的長度,也就是一段含900個鹼基配對的雙股DNA分子(圖六)。而在這900個鹼基位置中,每個位置皆可放入ATCG這四個鹼基的其中任何一個,也就是說有4的900次方(4900)的排列方式,而這只是表示一種遺傳基因,因此,此四個鹼基ATCG足可變化出成千上萬的物種及個體。
圖六、基因 & DNA
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資料來源:中興投顧,2001年6月
在了解DNA及基因的關係後,勢必對於DNA的複製,也就是基因的複製充滿了興趣。首先,兩股DNA是靠著互補的鹼基以氫鍵來相互鍵結,而此氫鍵鍵結力量是相當薄弱,因此當DNA複製時,此氫鍵即斷裂,使得原本外形以雙股鍵結的DNA逐漸隨著氫鍵的斷裂而分開,形成兩條單股的DNA(圖七),此時,此兩條單股的DNA便裸露出鹼基,因此游離在細胞核的核?酸便依照原DNA所露出之鹼基加以鍵結(仍是以氫鍵結合),至於相鄰的磷酸根與去氧核糖則以脫水合成作用而連結在一起,形成新的核?酸鏈。當DNA母鏈全部複製完畢,便形成兩套“雙股DNA分子”,而每一分子含一股母鏈及一股新鏈。
圖七、逐漸形成兩條新DNA
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資料來源:中興投顧,2001年6月
為何DNA是如此重要﹖因為DNA除了帶有遺傳密碼之外,也負責各細胞蛋白質的生成。以DNA上的遺傳密碼而言,簡單的說法就是此段密碼是讓人生長出頭髮、皮膚、、等,以目前科學界所了解的,甚至人類的高矮胖瘦,及智商也都受到DNA的影響,也因此,為何科學界對於人類基因計畫的完成受到如此的重視,主要原因也在於此。除了DNA的遺傳密碼之外,深究DNA的功能,主要是負責各細胞蛋白質的生成,因為DNA能指示細胞分泌何種蛋白質(?或酵素-Enzyme),數量多少,皆由DNA決定。若分泌的蛋白質或數量有異,就會使人類生病,目前就有60%以上的疾病與基因缺陷或基因表現異常有關,因此,DNA在短期之內的研究將著重在人類疾病的研究,進一步的發展是疾病的治療,長遠來看,將可以利用DNA來改變人類的外觀、智商、等各方面。因此,試想大家的智商都與愛因斯坦一樣的聰明,這一天是可藉由基因的改變而來臨的。
在顯現一個遺傳表現時(如智商),通常並不止一個基因段,而是由不同段的基因所產生不同的蛋白質來決定,因此在過去,一次只能檢測一個基因的表達,研究人員需耗費數年的時間去分析單一基因,進而進入整個基因組定序的工作,但由於生物晶片可容納無數的DNA片段於一片二至三釐米的薄片,且可利用生物晶片同時跟蹤細胞內基因的表達,甚至可以交差分析,也就有如電腦IC晶片般,電腦晶片可以在很短時間內,完成成千上萬個運算。也因此生物晶片的出現(雖是「研究工具」),有人認為這是如電腦產業中的SOC(System on Chip)般的重要。
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