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生物晶片與基因工程

生物晶片與基因工程

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分子生物技術的樞紐
魏耀揮
任教於陽明大學生化研究所


歷經十五年的設計改良與廣泛應用,PCR已經站穩其位居分子生物學及生物醫學發展的樞紐地位,同時也為生物技術產業帶來了無限的商機。

在科學研究的過程中,偶而會有一種觀念或研究方法的創新,進而帶動了某一些領域的革命性發展與長足的進步。聚合 連鎖反應(polymerase chain reaction,簡稱PCR)就是這樣的一種分子生物學技術。這個技術的發展因為成功地結合了生物化學、分子生物學、生物技術及自動化操作,因而立下了一個科技發展的典範。它對廿世紀末生命科學和基礎醫學的研究發展,帶來了全面性的影響,並且已逐漸地衝擊著我們的日常生活。因此,有不少學者曾稱PCR為近十餘年來促進分子生物學及相關領域發展的最重要研究技術。

何謂PCR?

簡單地說,聚合 連鎖反應是運用一種具高耐熱性質的DNA聚合 (thermostable DNA polymerase)在一對高特異性的引子(primers)引導下,在短時間內大幅增量某一特定之DNA序列(target sequence)的分子生物學技術。雖然DNA聚合 這種酵素及其催化反應,早在七0年代初期就已是生物化學研究的焦點,但是一直到八0年代初期才真正有應用DNA聚合 進行PCR的構思。第一篇真正的PCR論文是由當時任職於Cetus牛物科技公司的Kary B. Mullis(圖一)和他的六個合作研究者於八五年發表於美國的《科學》(Science)上。

這項技術的基本原理是:先以高溫處理擬增量的DNA樣本(denaturation,變性階段),使互補的兩股DNA分開:再以一對含20-30個核 酸的引子結合於分開的兩股DNA特定的部位上(annealing,黏合階段);最後,由高耐熱性的DNA聚合 拷貝該對引子面對面所涵蓋的那一段DNA序列(extension,擴展階段),這樣就完成了一個PCR循環;如此進行下去即可在很短的時間內以指數級數的方式大幅增量該特定的DNA序列(圖二)。理論上,在進行n個PCR循環之後,即可將DNA增量為2n倍;因此,經過三十個PCR循環,就可以使一個DNA分子增加為230(1.071×109)個。

由於這個技術能以高選擇性的方式快速量產(scale up)所要的基因片段或具特定功能的DNA序列,它的發展與應用潛力很快就受到許多不同科學領域的研究者注意。PCR不但很快地成為分子生物學研究的常規工具,同時也立即被用來檢測各種與人類疾病有關的基因突變、病毒或細菌感染、食物與環境(水或土壤)中致病微生物及寄生蟲的污染,甚至在一些特殊的刑事或民事案件上被運用於罪犯鑑定或親子鑑定。而且,PCR技術也迅速地進人演化生物學、考古學、動物與植物育種等範疇,並改變了許多生命科學研究者的研究觀念與實驗方法。

基於PCR技術問世不到五年的時間,即對廣泛的科技領域造成普遍性的影響,美國的《科學》乃將PCR選為八九年的「年度風雲分子」(The Molecule of the Year),加州柏克萊大學生化系資深教授(也是當時《科學》的主編)Daniel E. Koshland特別為PCR獲選的理由寫了一篇社論。他認為當年同時有許多重要的科學研究與發展上的突破,但是PCR卻遙遙領先所有的其他競爭者,因為評審們認為「PCR自從誕生以來幾年間已經發展成為現代生物學最強而有力的研究工具之一」(PCR has developed into one of the most powerful tools of modern biology since its discovery several years ago)。而Mullis更因為研發PCR技術的卓越貢獻榮獲瑞典皇家學院頒授九三年的諾貝爾化學獎。

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