Biotechnology and genetic modification

哈囉，未來的生物學家！歡迎來到生物技術的世界！

這一章「生物技術與基因改造」聽起來可能像科幻電影的情節，但它實際上是現代生物學中最相關且最令人興奮的領域之一！我們將探討如何利用生物（主要是像細菌和酵母菌這些微小的生物）來生產有用的產品，或是通過改造它們來改良農作物和藥物。

如果有些術語看起來很複雜，別擔心，我們會一步一步為你拆解。讓我們一起探索如何運用生命的力量！

第 21.1 節：為什麼細菌是生物學最好的朋友？

什麼是生物技術？

生物技術 (Biotechnology) 簡單來說，就是利用生物體、生物系統或生物過程來創造對人類有用的產品或服務。試想一下製作麵包（使用酵母菌）或芝士（使用細菌）——這就是古老的生物技術！

核心概念：為什麼細菌和酵母菌這麼好用？

細菌和酵母菌是生物技術的明星，因為它們有兩大主要優點：

1. 快速繁殖率： 它們繁殖得極快。只要給予適當的環境，只需短短幾小時，你就能擁有數以百萬計的細胞來生產你想要的產品。
2. 製造複雜分子的能力： 它們擁有必要的「機械」（如核糖體、細胞質、酶）來製造大型且複雜的分子，例如蛋白質（如激素或酶）和抗生素。

補充：深入了解細菌的優勢

對於修讀延伸課程 (Extended) 的同學，你需要知道細菌成為基因改造理想宿主的另外兩個原因：

1. 道德爭議較少： 由於細菌是結構簡單的生物（原核生物），我們不認為它們具有知覺，因此與處理動物相比，在實驗室中操縱或培養它們時，通常較少涉及道德爭議。
2. 質體 (Plasmids) 的存在： 細菌除了主要環狀染色體外，還含有稱為質體 (plasmids) 的小型環狀 DNA。質體很容易被取出、修改後再放回細菌體內，這使它們成為攜帶新基因的完美「載體」。

第 21.2 節：生物技術實踐（工業過程）

核心應用：日常生物技術

1. 酵母菌與無氧呼吸（發酵）

酵母菌是一種在食品和燃料工業中廣泛使用的真菌，主要依賴無氧呼吸 (anaerobic respiration)（即發酵）的過程。

• 生物燃料用的乙醇： 酵母菌在沒有氧氣的情況下分解糖分（葡萄糖），產生乙醇（酒精）和二氧化碳。
  

  葡萄糖 \(\to\) 酒精 + 二氧化碳 (+ 較少能量)

  產生的乙醇會被收集起來，作為可再生燃料（生物燃料）。

• 麵包製作： 麵團中的酵母菌進行無氧呼吸，產生二氧化碳氣體。氣體被困在麵團中，使麵團膨脹，並讓麵包具有鬆軟的口感。（乙醇在烘焙過程中會揮發）。

2. 工業用酶

• 果汁中的果膠酶： 果膠酶 (Pectinase) 是一種能分解果膠 (pectin) 的酶，果膠存在於植物細胞壁中。當果膠酶加入碎果肉時，它會分解細胞壁，釋放出更多果汁，並使最終產品變得清澈，不再渾濁。
• 洗衣粉中的酶： 生物洗衣粉含有從微生物中提取的酶（通常是蛋白酶、脂肪酶和澱粉酶）。這些酶即使在低溫下也能分解常見污漬（如血漬中的蛋白質、油脂中的脂肪，以及澱粉），從而提高洗滌效率。

補充：大規模與進階用途

3. 用於「無乳糖牛奶」的乳糖酶（酶的應用）

許多人有乳糖不耐症 (lactose intolerant)（他們無法消化牛奶中的乳糖）。我們利用乳糖酶 (lactase)（通常來自酵母菌或真菌）來解決這個問題。

• 乳糖酶將乳糖 (lactose) 分解成更小、更容易消化的糖：葡萄糖 (glucose) 和半乳糖 (galactose)。
• 處理後的牛奶不僅不含乳糖，而且更甜（因為葡萄糖和半乳糖比乳糖更甜）。

4. 大規模生產：發酵罐 (Fermenter)

當我們需要大量有用產品（如用於糖尿病的胰島素、作為抗生素的青黴素，或是食物中的菌蛋白）時，我們會在巨大的容器中培養微生物，這些容器稱為發酵罐 (fermenters) 或生物反應器。

大規模產品例子：

• 胰島素： 將人類胰島素基因植入細菌中。
• 青黴素： 由真菌青黴菌 (Penicillium) 生產。
• 菌蛋白 (Mycoprotein)： 由真菌生物量製成的高蛋白肉類替代品。

為了讓微生物保持健康並有效生產，發酵罐內部的環境必須受到嚴格的控制：

發酵罐中的受控條件（「5P」原則）：

1. 溫度 (Temperature)： 需達到微生物酶的最佳溫度。太低 = 生長緩慢；太高 = 酶變性 (denaturation)。
2. 酸鹼值 (pH)： 需保持在酶活性的最佳水平。會加入酸或鹼來維持所需的 pH 值。
3. 氧氣濃度 (Oxygen concentration)： 視產品而定，需持續供應（有氧呼吸）或嚴格隔離氧氣（無氧呼吸）（例如，生產青黴素需要大量氧氣）。
4. 營養供應 (Nutrient supply)： 連續泵入食物（如葡萄糖、礦物質、氨基酸）以支持快速生長和生產。
5. 廢物清除 (Waste products removal)： 必須清除代謝廢物（如 CO2、熱量或有害毒素），以防止它們毒害培養物或降低產量。

你知道嗎？發酵罐會持續攪拌，以確保微生物、營養物質和氧氣均勻分佈在巨大的罐體中！

第 21.3 節：基因改造（基因工程）

核心概念：改變編碼

基因改造 (GM)（或稱基因工程）是一個透過移除、改變或插入來自其他物種的特定基因，從而改變生物體遺傳物質的過程。這會創造出基因轉殖生物 (transgenic organism)。

插入的基因包含了特定性狀或蛋白質的藍圖（DNA 鹼基序列），接收該基因的生物體隨後便會生產出相應的蛋白質。

基因改造的核心範例

1. 將人類基因植入細菌以生產人類蛋白質： 最經典的例子是生產人類胰島素。將編碼胰島素的基因插入細菌中，細菌隨後會快速繁殖，並生產出大量的人類胰島素蛋白質，供糖尿病患者使用。
2. 將基因植入農作物以產生除草劑抗性： 農作物經過改造，對特定的除草劑（殺草劑）產生抗性。農夫噴灑除草劑後，雜草會死掉，但基因改造後的農作物卻不受影響。
3. 將基因植入農作物以產生抗蟲害能力： 農作物經過改造，能產生一種天然毒素，當特定的害蟲試圖啃食植物時，毒素會殺死害蟲。這減少了對外部化學殺蟲劑的需求。
4. 將基因植入農作物以改善營養品質： 例如，將基因插入稻米中，使其能產生維生素 A（即「黃金米」），幫助預防開發中國家的維生素缺乏症。

補充：基因改造的分步過程

我們以在細菌中生產人類胰島素為例，來了解這個過程。這通常被稱為重組 DNA 技術 (recombinant DNA technology)。

想像一下，你想複製書中的一頁（人類基因），並將其插入一本可以複印數百萬次的雜誌中（細菌質體）。

第一步：分離人類基因

• 使用稱為限制酶 (restriction enzymes) 的特殊酶，將所需的人類基因（例如胰島素基因）從人類 DNA 中剪下。
• 這些酶會在特定的識別序列處切割 DNA 鏈，留下稱為黏性末端 (sticky ends) 的短單鏈懸垂部分。

第二步：切割細菌質體

• 使用相同的限制酶將細菌質體（「載體」）切開。
• 使用相同的酶能確保質體具有與人類基因片段相匹配的互補黏性末端。

第三步：構建重組質體

• 將人類基因片段與切開的質體混合。
• 黏性末端會互相配對。
• 另一種稱為DNA 連接酶 (DNA ligase) 的酶，像「生物膠水」一樣將人類 DNA 序列連接到質體 DNA 中，形成環狀的重組質體 (recombinant plasmid)。

第四步：植入與繁殖

• 將重組質體重新植入宿主細菌中（這個過程稱為轉型 (transformation)）。
• 在發酵罐中培養這些細菌（讓細菌大量繁殖）。由於質體已成為細菌細胞的一部分，每當細菌分裂時，它就會被複製。

第五步：表達 (Expression)

• 細菌現在包含了產生所需蛋白質（如人類胰島素）的說明書（人類基因）。
• 細菌會「表達」這些人類基因，進而製造出人類蛋白質。這些蛋白質隨後會被純化並商業化使用。

補充：基因改造 (GM) 農作物的優點與缺點

大豆、玉米和稻米等基因改造作物帶來了巨大的利益，但也引發了重要的擔憂。

基因改造作物的優點

• 增加產量： 對蟲害的抗性（減少作物損害）或對除草劑的抗性（減少雜草競爭）帶來了更高的總體農作物收成。
• 提升品質： 農作物可被改造以提高營養價值（例如稻米中的維生素 A）或改善風味與口感。
• 減少農藥使用： 抗蟲害作物所需的外部噴灑量減少，這對環境和人類健康都有好處。
• 適應性： 農作物可被改造以耐受乾旱或高鹽度等嚴酷條件，使農業在具挑戰性的環境中也能進行。

基因改造作物的缺點

• 安全性憂慮： 有些人擔心食用基因改造食品對人類健康的長期影響（儘管廣泛的研究通常認為它們是安全的）。
• 對生物多樣性的影響： 如果具有抗除草劑的基因通過花粉擴散到野生植物上（基因轉移），可能會產生難以控制的「超級雜草」，從而降低生物多樣性。
• 倫理與社會問題： 許多種子生產商會為他們的基改種子申請專利，這意味著農民必須每年購買新種子，從而增加了成本以及對大型企業的依賴。
• 對非目標物種的影響： 如果抗蟲作物產生的毒素在植物體內分佈廣泛，可能會意外傷害到有益的昆蟲（如蜜蜂或蝴蝶）。