论当今生物科技发展对未来

論當今生物科技發展

對未來人類社會的影響

武光東

一、導論

就生命科學的發展速度和影響層面而言，二十世紀的前五十年可視為「演進」的時代，而後五十年則可視為「革命」的時代。革命的導火線是來自一九五三年華森(J.D. Watson) 和克里克(F.H.C. Crick) 二氏發現去氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，簡稱DNA) 的雙螺旋結構(double helix) 並確認核酸是一切生物的遺傳物質。因此一九五三年可視為分子生物時代正式誕生之年。從此新技術和新發現不斷推陳出新，波瀾壯闊，不但令人目不暇給，而且嘆為觀止。在另一方面，自一九五○年代開始，哺乳類的體細胞(somatic cell) 可以在體外作人工繁殖培養，每一個細胞就是一個生物個體的縮影，其內含有兩套染色體和全部基因。遺傳學家可以把這些細胞拿來作遺傳研究的材料，以探討遺傳疾病的成因。到一九七○年代，精子與卵子亦可在體外結合，形成受精卵。把這些受精卵或其幼胚植入母體，也可以發育成正常胎兒，俗稱「試管嬰兒」，以克服婦女不能自然受孕或避免丈夫壞基因傳給後代的困境。尤有進者，在精卵結合之始，科學家更能偷天換日，把受精卵內的精原核和卵原核移走，再送進去一個體細胞核，然後置入母體，以研究無性繁殖的可能性。這一類通稱「核移植(nuclear transplantation)」實驗，雖曾遭受長期的挫敗，但到本世紀末年驟然開花結果，在英國誕生了一頭「桃莉羊(Dolly)」，令舉世震驚。本文擬就上述「分子層次」和「細胞層次」來闡釋當今重要的科技突破和對未來人類可能發生的影響。

二、簡介幾種關鍵性的分子生物技術

1、DNA重組技術

把兩種不同生物的DNA分子，譬如控制人類生長的荷爾蒙基因，剪接到大腸菌內的質體(plasmid) DNA上，讓它在那裡不斷地增殖、表現，這就是DNA重組技術(recombinant DNA technology) 的一例，也就是所謂遺傳工程(genetic engineering) 的主要內容。一個基因是一個DNA分子上的一小段，要施以外科手術，把它切下來，所用的工具叫做內切限制酶(restriction endonuclease)，它是一種分子刀。限制酶是細菌的產物，美國霍浦金斯大學的史密斯(H. Smith) 和那桑(D. Nathans) 二氏首於一九七○年發現此酶(一九八六年諾貝爾獎得主），到現在已先後分離純化出約四百種。此酶在切割DNA時，有極高的特異性(specificity)，一種酶只認識DNA分子上一種標記，在那裡下刀。被同一種酶切割開來的DNA片段，不管來自何種生物，在切口處都可重新接合。如此一來，不同種生物的DNA

就可重新組合，美國史坦福大學的柏格(P. Berg) 氏於一九七三年首度觀察到DNA重組的事實（一九八○年諾貝爾獎得主），之後迅即成為遺傳工程最重要的一環，為分子生物學開了全新的局面。

2、用載體來複製重組DNA分子的技術

經過重組技術，把一個人類基因轉接到大菌內的質體DNA上，是遺傳工程的第一步。

如果我們想研究此一人類的基因構造，並進一步了解其功能，就必須這個基因能大量複製，產生足夠的量才行。一個大腸菌內的某一質體，其上帶有某一人類基因，當此大腸菌進行分裂增殖時（每二十分鐘分裂一次），質體也在快速地複製。這樣可以在很短時間內，產生千千萬萬個大腸菌，也代表此特殊人類基因複製了千千萬萬次。此一基因複製品特別稱曰clone。此種方法稱曰用載體來複製重組DNA分子(amplification of recombinant DNA molecules in cloning vectors)。

3、聚合酶連鎖反應技術

上述基因複製是在細胞內(in vivo) 進行。到了一九八五年，毛利斯(K. Mullis) 氏發明了細胞外(in vitro) 複製DNA的方法，稱曰聚合酶連鎖反應（polymerase chain reaction，簡稱PCR）法，從此成了複製某一特定基因或某一特定DNA片段最有力的工具。此法的前提是對所欲複製的片段，必須知道其兩端的核苷酸順序，然後依照鹼基配對（A＝T和G ≡C）原理，合成互補短鏈（15-30個核苷酸長度）作為新鏈合成的導體(primers)。在高溫（93～95℃）下，先把欲複製的雙股DNA分解成單股，加入primers，降溫至50～75℃，使primers與單股DNA行氫鍵結合，然後加入耐高溫的聚合酶及DNA合成所需的四種核苷前驅物，進行DNA合成。如是週而復始，形成連鎖反應，經過卅次這樣的反應之後，原來的那個DNA片段已被複製了100,000次，這樣的量可以很容易的加以觀察和分析。

用來作複製的原有DNA片段，一方面需量極微，一個精子或一個毛囊(hair bulb) 內的DNA即可派上用場。同時此DNA也不需來自活細胞，無論是標本、屍骨或化石中的DNA均可用。因此聚合酶連鎖反應的應用至為廣泛。

4、動植物的基因轉殖技術

由於遺傳工程技術的日新又新，人類幾乎可以隨心所欲，替生物界亂點鴛鴦譜，把過去必須藉有性生殖才能完成基因交換的規律打破，可以用人為的方法讓各種生物的遺傳物質在彼此間自由流動，從而產生所謂基因轉殖植物(transgenic plants) 或基因轉殖動物(transgenic animals)。轉殖的目的有三：(1) 改良農作物和家畜的品質或產量；(2) 產生人類所需某種蛋白質或藥物；(3) 研究基因表現的機制。

要完成基因轉殖，途徑很多。在動物方面，最常用的方法是在體外受精的精核和卵核尚未融合以前，把外來DNA經由微細玻管直接注入精核，通稱顯微注射法(microinjection)。所注射的DNA若成功地嵌入(integrate) 精核的染色體上，由此受精卵分裂而產生的所有細胞，就會帶有此一外來基因。在高等植物方面，則係利用土壤內的一種

細菌(Agrobacterium tumefaciens) 來幫忙。此菌細胞內含有一種質體(Ti plasmid)，其上含有若干基因，可使植物細胞癌化。植物的根與地面接觸的部分，每因風吹產生磨損，此菌即會侵入傷處細胞，把質體上的癌化基因嵌入植物染色體上，就會在植物根部形成冠癭(crown gall)。利用此一特性，如果把Ti質體上的致癌基因拿走，把某一有用的人類基因放進去，這樣的質體DNA若嵌入植物染色體上，即可完成人類基因在植物內的轉殖。由於已分化的植物細胞仍保有全能性(totipotency)，可以長成完整的植株，若把植物組織切片與此細菌在培養劑內一起培養，就會完成基因轉殖。所得的轉殖細胞即可發育而成轉殖植株，其法至便，而且應用極廣。

三、遺傳工程的應用

1、生物基因體的研究

所謂基因體(genome)，是指真核生物的一個生殖細胞(gamete) 內所含有的全部染色體（單倍體，haploid）。若為細菌，因其本來就是單倍體，每一細胞內只有一個環狀DNA，此DNA分子就構成細菌的基因體。自一九九○年開始，人類展開了一個史無前例的大型研究計畫，就是所謂的人類基因體計畫(Human Genome Project)。這個計畫的目的有二：其一是把人類染色體上的所有基因加以定位，建立完整的遺傳圖譜(genetic map) 和物理圖譜(physical map)。其二是把人類染色體上約三十億個核苷酸全部加以定序(sequencing)。

如此一來，每一條染色體上的核苷酸序列就會一目了然。此計畫於一九九○年首自美國開始運作，其後許多國家如英、法、日、德、加拿大等國亦相繼加入，而成為世界性的合作大業。中國大陸和台灣也於近年加入，參與一小部分的工作。依原有構想，人類基因體計畫預定於十五年內(一九九○～二○○五) 完成，但目前進度超前，或可於二○○三年前達成任務。

在推動人類基因體計畫的同時，有許多其他生物亦同步進行基因體的分析研究，成績十分輝煌。到目前為止，若干病毒，好幾種細菌和一種酵母菌都已完成DNA的定序。在多細胞生物方面，原蟲(Caenorhabditis elegans) 的定序已於一九九八年底完成。一種植株矮小的芥類植物(Arabidopsis thaliana) 亦將於二○○○年底完成定序。此外，水稻、玉米、老鼠(mouse) 等動植物的基因體分析也正在緊鑼密鼓的進行之中。

大家勢必要問，利用基因工程技術來完成人類基因體的基因定位和核苷酸定序到底和人類的福祉有什麼關係？為其他生物作基因體分析又有什麼重要性？答案是這樣的：當人類基因體計畫完成之日，每個人細胞理所帶的基因（據估計約八萬個左右）是否正常就可以很容易被加以鑑定，涉及所有遺傳疾病的診斷、預防和治療，也會引起若干倫理和社會問題。其他生物的基因體研究，則一方面對人類基因體計畫有相輔相成之功，同時對動植物的品種改良也會有莫大貢獻。因為生物都有其演化的源頭，生物之間的基因構造雖有變異，但彼此間相似度仍極高。知道了原始而簡單的某一生物基因構造，很容易到高等而複雜的生物裡找到對應的基因，使後者的分析找到了捷徑。