( )生物技術概論 高立圖書 第五章 5-1

第 五 章

微 生 物 生 物 技 術

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讀完本章節之後，讀者應該可以做到下列幾點 可就原核細胞結構與真核細胞結構有著不同之處來舉例，並且

能描述出許多常見的細菌形狀。 描述出細菌的實質特徵，並以此做為生物技術應用時有用的工

具與生物模式。 可就範例說明酵母如何作為生物技術的一種有價值的角色來舉

例。 定義醱酵過程，並且討論在酒精和乳酸醱酵等兩者之間的不同

之處。除此之外，可就在一般食品和酒精飲料的製程中，每種醱酵過程的重要來舉例。

可就 DNA 重組的細菌，列舉出它們所產生的具有醫學重要性的蛋白質。

描述出微生物如何在許多疫苗的研發和製造過程中扮演著重要角色，並且提供出一些重要的疫苗範例。

描述出微生物基因組計畫的目的，並且討論學習微生物基因組，對科學家而言是如何具有其價值性的。

定義生物恐怖主義，辨識出可能構成如生化武器威脅的微生物種類，並且討論可能被使用來偵測、辨識、與抵抗生化武器的一些生物技術策略。

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章節內容： 5.1 微生物的構造 5.2 微生物作為工具 5.3 在各種日常應用性中使用微生物 5.4 疫苗 5.5 微生物基因組 5.6 微生物診斷法 5.7 對抗生物恐怖主義

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雖然最多量的微生物是細菌、但是微生物也包含有病毒、如酵母與真菌之類的真菌、藻類、和稱為原生動物的單細胞生物體。

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5.1 微生物的構造 真核 (eukaryotic) 細胞：如酵母菌等真菌、藻類和

稱為原生動物的單細胞生物體。 原核細胞 (prokaryotic cells) 包括有細菌域 (Domains

Bacteria) 與古細菌域 (Domain Archaea) 。

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5.1 微生物的構造 細菌細胞也具有下列的結構特徵：

DNA 並未包含在細胞核之內，典型上 DNA 是由缺乏組織蛋白的單一環狀染色體所構成的。

細菌可能含有質體 DNA 。 細菌只有極少數的膜圍繞胞器。 環繞細胞膜的細胞壁其結構上不同於植物細胞的細胞壁。

細胞壁是由複雜之多醣和蛋白質組成而稱為胜肽聚醣 (peptidoglycan) 的物質所構成的，因此細胞壁能形成足以保護細胞並且決定其形狀的一層堅硬外在屏障。在古細菌，這種構造並不會含有胜肽聚醣。

有些細菌會含有碳水化合物的外層，而形成一種被稱為是莢膜的結構。

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5.1 微生物的構造 球菌 (cocci) 桿菌 (bacilli)

圖 5.1 細菌的外形。

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5.1 微生物的構造

圖 5.2 培養中的細菌。

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5.1.1 酵母菌也是重要的微生物 酵母菌 (yeast) 真菌 (fungi) 好氧狀態 (aerobic condition) 厭氧狀態 (anaerobic condition) 批次製程 (batch process)

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5.2 微生物作為工具 5.2.1 微生物酵素

耐熱性酵素 (thermostable enzyme) 嗜熱菌 (thermophile)

5.2.2 細菌的轉形過程 轉形過程 (transformation) 勝任細胞 (competent cell) 電穿孔法 (electroporation)

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5.2.2 細菌的轉形過程

圖5.3 細菌細胞的轉形作用。

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5.2.2 細菌的轉形過程

圖 5.4 電穿洞法是將細菌進行轉型處理的一種迅速而有效的技術。

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5.2.3 選殖和表現技術 產生細菌之融合蛋白質以使合成並分離出重組蛋白

質 融合蛋白質 (fusion protein) 表現型載體 (expression vector) 親和性層析法 (affinity chromatography)

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5.2.3 選殖和表現技術

圖 5.5 融合蛋白質。

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5.2.3 選殖和表現技術 微生物蛋白質作為報導者

生物冷光 (bioluminescence) 螢光素酶 (luciferase) 報導者基因 (reporter gene)

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5.2.3 選殖和表現技術圖 5.6 生物冷光性海洋細

菌，發光基因的一種來源。

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5.2.3 選殖和表現技術 酵母菌雙雜交系統

圖 5.7 研究蛋白質交互作用的酵母菌雙雜交系統。

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5.3 在各種日常應用性中使用微生物 5.3.1 食物產品

凝乳酶 (rennin) 醱酵 (fermentation) 醱酵性微生物

腺嘌呤核苷三磷酸 (adenosine triphosphate, ATP) 好氧微生物 (aerobes) 厭氧微生物 (anaerobe) 乳酸醱酵過程 (lactic acid fermentation) 酒精 (乙醇 ) 醱酵過程 [alcohol (ethanol) fermentation]

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5.3.1 食物產品圖 5.8 醱酵過程。

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5.3.2 治療性蛋白質 在細菌中製造出重組的胰島素

第一類型糖尿病 (Type I diabetes mellitus)或者胰島素依賴型糖尿病 (insulin-dependent diabetes mellitus)

- 半乳糖苷酶 [(-gal)]

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5.3.2 治療性蛋白質

圖 5.9 使用細菌生產人類胰島素的過程。

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5.3.2 治療性蛋白質表 5.1　來自重組型細菌的治療型蛋白質蛋白質 功　　能 醫學應用性DNase 分解 DNA 的酵素 治療纖維囊腫病變病患

紅血球生成素 激發紅細胞的生產過程 使用於治療罹患貧血症 ( 低紅血球細胞數量 ) 的病患

因子 VIII 血液凝結因子 使用於治療某些血友症 ( 因為缺乏血液凝結因子而導致出血性疾病 ) 的患者

粒狀細胞群形成促進因子

刺激白血球的生產量 使用來提升某種白血球的生產量；在骨髓移植手術之後刺激血細胞的生產量

生長激素( 人、牛、豬 )

激發骨骼和肌肉組織隻生長性的荷爾蒙

在人體身上，使用來治療罹患侏儒症患者。可以改善豬和牛的產肉率，以及激發母牛的牛奶生產量

胰島素 身體細胞攝取葡萄糖時所需要的荷爾蒙

使用來控制糖尿病患者的血糖濃度

干擾素和白介素 刺激血球細胞的生長和製造

治療如白血病等血液細胞癌症，改善血小板數量，以及這類蛋白質的其中一些可以被使用來治療不同的癌症類型

超氧化物歧化酶 能夠結合與破壞有害自由基的抗氧化劑

在心臟病發作期間和後續治療期間能夠將組織損害性降低至最小化

血組織纖維蛋白分解酶原 (tPA)

消除血塊凝結 使用來治療心臟病發作病患和中風症狀存活者

疫苗 ( 譬如，Ｂ型肝炎疫苗 )

刺激免疫系統以抑制細菌和病毒的感染現象

使用來讓人類與動物具有免疫力，以對抗各種病原體；此外也使用在一些癌症腫瘤的治療方法中

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5.3.3 使用微生物對抗其他的微生物 抗生素 (antibiotics) 抗微生物藥劑 (antimicrobial drug)

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5.3.3 使用微生物對抗其他的微生物表 5.2　常用之抗生素抗生素 來源微生物 抗生素的一般用途枯草桿菌素 Bacillus subtilus (

細菌 )急救油膏和皮膚乳液

紅黴素 Streptomyces erythraeus ( 細菌 )

廣泛使用來治療細菌感染情況，尤其是使用於孩童身上

新黴素 Streptomyces fradiae ( 細菌 )

皮膚油膏和其他的局部用乳液

青黴素 Penicillium notatum ( 真菌 )

使用於人類與農場動物 ( 牛和豬 ) 的注射型或者口服型抗生素

鏈黴素 Streptomyces griseus ( 細菌 )

使用來治療孩童的許多細菌感染現象的口服型抗生素

四環黴素 Streptomyces aureofaciens ( 細菌 )

使用來治療人體尿道感染現象；一般會使用添加在動物飼料中，以減少傳染病和激發產肉率

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5.3.3 使用微生物對抗其他的微生物

圖 5.10 抗生素和其他抗微生物藥物以各種方式運作以對抗微生物。

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5.3 在各種日常應用性中使用微生物 5.3.4 在各種應用中的微生物 5.3.5 重組微生物的田野應用性

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5.4 疫苗

圖 5.11 使用抗生素和疫苗來對抗因為微生物所引起的傳染病。

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5.4 疫苗 病原菌 (pathogens) 接種 (vaccination) DPT 疫苗 (DPT vaccine) MMR[ 麻疹 (measles) 、流行性腮腺炎 (mumps) 、

與德國麻疹 (rubella)] 疫苗 OPV[ 口服小兒麻痺症疫苗 (oral polio vaccine)]

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5.4.1 抗體的一個引子 抗原 (antigens) 抗體媒介型免疫 (antibody-mediated immunity) B淋巴細胞 (B lymphocytes) [簡稱為 B 細胞 (B cell

s)] 白血球 (leukocyte) T淋巴細胞 (T lymphocytes) [ T 細胞 (T cells)] 漿細胞 (plasma cells) 巨噬細胞 (macrophage)

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5.4.1 抗體的一個引子圖 5.12 抗原激發免疫系統的抗體生產過程。

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5.4.1 抗體的一個引子

圖 5.13 抗體的作用機制。

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5.4.2 疫苗是如何製造的？ 疫苗 (vaccines) 疫苗類型

次單元疫苗 (subunit vaccines) 減毒疫苗 (attenuated vaccines) 去活性疫苗 (inactivated vaccines) 逆轉錄病毒 (retroviruses)

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5.4.2 疫苗是如何製造的？

圖 5.14 HIV 生命週期。

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5.4.2 疫苗所針對的細菌目標和病毒目標

新型疫苗或者改良疫苗所針對的一些細菌和病毒標的包括有肝炎 (A 型、 B 型、 C 型、和 D 型 ) 、性病 ( 疱疹、淋病、和披衣菌 ) 、 HIV 、流行性感冒、瘧疾、和結核病。

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5.5 微生物基因組 微生物基因組計畫 (Microbial Genome Program, MG

P) 5.5.1 為什麼需要定序出微生物的基因組？ 5.5.2 微生物基因組的定序策略

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5.5.2 微生物基因組的定序策略圖 5.15 微生物基因組的隨機性定序分析。

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5.5.3 資料中的選殖基因組序列表 5.3　選擇的微生物基因組細　　菌 人類疾病症狀 大約的基因組大

小 ( 鹼基對 )基因的大約數目

Borrelia burgdorfer 萊姆病 1,400,000 853

Chlamydia trachomatis 眼睛傳染病，生殖器官 – 泌尿道傳染病 ( 亦即，骨盆腔發炎疾病 )

1,042,000 896

Escherichia coli O157:H7 嚴重性食物傳染病 ( 腹瀉 ) 4,100,000 5,283

Haemophilus influenza 孩童的嚴重傳染病 ( 眼睛、喉嚨、和耳朵的傳染病，腦膜炎 ) 1,830,140 1,746

Helicobacter pylori 胃 ( 胃黏膜 ) 潰瘍 1,667,867 1,590

Listeri monocytogenes 李氏桿菌症 ( 嚴重性食物傳染病 ) 2,944,528 2,853

Mycobacterium tuberculosis 結核病 4,411,529 3,974

Neisseria meningitides (MC58) 腦膜炎和血液傳染病 2,272,351 2,158

Pseudomonas aeruginosa 肺炎，慢性肺傳染病 6,300,000 5,570

Rickettsia prowazekii 斑疹傷寒 1,111,523 834

Rickettsia conorii 地中海型斑疹熱 1,300,000 1,374

Streptococcus pneumoniae 急性 ( 短期 ) 呼吸道感染 2,160,837 2,236

Yersinia pestis 鼠　疫 4,653,728 4,012

Vibrio cholerae 霍亂 ( 腹瀉疾病 ) 4,000,000 3,885

資料來源︰ Sawyer T. K. Biotechniques 30(1): 2001. TIGR 微生物資料庫 (www.tigr.org/tdb/mdb/mdbcomplete) 和 GoldTM 基因組線上資料庫 (wit.integratedgenomics.com/GOLD) 。

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5.5.4 病毒的基因體學表 5.4　最近已經被定序分析且具有醫學重要性的病毒基因組範例

病　　毒 人類疾病症狀 定序分析的年份伊波拉病毒 伊波拉出血熱 1993

Ａ型肝炎病毒 Ａ型肝炎 1987

Ｂ型肝炎病毒 Ｂ型肝炎 1984

C 型肝炎病毒 C 型肝炎 1990

單純皰疹病毒，第 I 類型 唇皰疹 1988

人類免疫缺乏病毒 (HIV-1) 後天性免疫缺陷症候群 (AIDS) 1985

人類乳突瘤病毒 子宮頸癌 1985

人類脊髓灰白質病毒 脊髓灰白質炎 1981

人類鼻病毒 一般感冒 1984

痘病毒 天　花 1992

參考自 Haseltine, W. A. (2001): Scientific American, 285: 56~63 。

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5.6 微生物診斷法 5.6.1 細菌的偵測策略 5.6.2 追蹤引起疾病的微生物

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5.6.1 細菌的偵測策略

圖 5.16 使用分子技術辨識細菌種類。

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5.7 對抗生物恐怖主義 生物恐怖主義 (bioterrorism) 5.7.1 作為生化武器的微生物

生物武器 (bioweapons)

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5.7.1 作為生化武器的微生物表 5.5　潛在的生物炸彈

試　　劑 疾病威脅和一般性徵候

Brucella ( 細菌 ) 不同 Brucella 品系會感染如牛隻和山羊的家畜。能在動物和人體內引發布氏桿菌症。長期的發燒和倦怠是一般性徵候。它的症狀可能會是輕微的或者會具有生命威脅性

Bacillus anthracis ( 細菌 ) 炭疽症。皮膚性侵犯 ( 皮膚 ) 會形成一般尚能夠治療的皮膚表面傷害。吸入性炭疽症剛開始時會產生如流行性感冒一般的症狀，並且導致通常具有致命性的肺炎症狀

Clostridium botulinum ( 細菌 ) 肉毒桿菌中毒。這是因為攝食由被 C. botulinum或者它的毒素所污染的食品而引起的。肉毒桿菌毒素在一般上，會造成不同程度的肌肉系統麻痺現象。呼吸道麻痺和心搏停止等現象，通常會導致死亡

伊波拉病毒或者馬堡病毒 兩種病毒都是引發出血熱的劇毒性病毒。它們的症狀包括有嚴重發燒、肌肉 / 關節疼痛、出血性病變

Francisella tularensis ( 細菌 ) 兔熱病。會引發呼吸衰竭、休克、和死亡的肺炎症狀

流行性感冒病毒 ( 一大群具高度傳染性病毒的集合 )

流行性感冒 (flu) 。嚴重性和發病結果主要是和病毒菌株種類有關

Rickettsiae ( 數種細菌菌株 ) 不同的菌株會引發如落磯山斑疹熱和斑疹傷寒等疾病

痘病毒 天花。寒顫、發高燒、背部疼痛、頭痛、和皮膚傷害

Yersinia pestis ( 細菌 ) “黑死病”鼠疫。大多數的案例在受到感染數天之內會出現有高燒、頭痛、淋巴結疼痛腫脹、休克、循環系統、虛脫、器官壞死、和死亡等各種症狀

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5.7.1 作為生化武器的微生物

圖 5.17 可作為生物武器的致命性微生物。

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5.7 對抗生物恐怖主義 5.7.2 生物恐怖主義的目標 5.7.3 使用生物技術對抗生物武器

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5.7.3 使用生物技術對抗生物武器

圖 5.18 對抗生物恐怖主義。