作者：鄭榮淇

摘要：

• 生物晶片（Biochip）是解讀基因資訊重要工具之一，也是目前最有效率及前景的產業。
• DNA的功能有負責遺傳密碼的傳遞之外，也負責各細胞蛋白質的生成。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，甚至先後的作用機轉也有相關，因此，在研究此複雜的過程，以目前的科技而言，唯有使用Biochip才能通盤了解。
• Biochip的概念是指在玻璃、矽片、塑膠等不同材質上，利用先進的科技如微電子、微機械等工業技術來製成應用於基因工程分析的產品，為在微小面積上同步快速進行大量生化感測或反應的晶片，其作用對象可以為基因、蛋白質或細胞組織等。
• Biochip的技術障礙，光罩法－單一cDNA，所能擁有最多約20個核?酸直立於Biochip，主因是超過20個核?酸鍵結後，cDNA就會呈現彎曲，不再呈直線；點樣法－在Biochip上的單一cDNA可能並非只在Chip上接觸一點，可能一條cDNA平躺在Chip上，因此減少受測樣品與cDNA的鍵結面積，進而產生實驗誤差。
• Biochip的應用有基因的表現、定序、基因多形性的變化、免疫反應分析、生物武器的偵測、臨床檢驗用途、法醫上的應用以及藥物的篩選。
• Biochip產業現況：目前美國已有8家生物晶片公司股票上市，平均每年股票上漲75％。在台灣方面生物晶片發展的廠商規模都不大，以最主要的晶宇，微晶及台灣基因等公司資本額都在3億元之內。在大陸方面，Biochip的起步較台灣晚，但大陸仍有鑒於生物晶片具有的意義和實際價值，大陸已有多家科研單位開始從事這方面的研究且有相當的成果。
• Biochip的未來趨勢將著重在解開基因行為之謎團及疾病預防措施。未來在整體基因系統或細胞系統方面將因Biochip的大量使用而有所突破，而生技專家將可透過對於「目標基因」的掌握與瞭解，使生物醫學朝向預防醫學的方向發展。

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

• DNA的構造

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

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

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）

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

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）

資料來源：中興投顧，2001年6月

• 基因 & DNA

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

資料來源：中興投顧，2001年6月

• DNA的複製

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

資料來源：中興投顧，2001年6月

• DNA的功能

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。