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超級變變變!

陳俊堯
・2008/01/02 ・1591字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 586 ・九年級

作者:禹心

我們所知道的河口生態是非常多元化的,河口處富含各種營養鹽,孕育了很多生命,形成複雜的生態系。表面上如此,其實,它還有著不為人知的一面呢!在許多分層河口水域的底層大多為缺氧水,其氧氣主要被浮游細菌所消耗,在消耗的速度上超過大氣和光合作用所產生的氧氣,使得溶氧量大大減少,許多生物無法在此存活。一旦水成為缺氧性水,這些細菌必須改變他們的新陳代謝方式,轉為厭氣呼吸。

 2004 年的夏天,研究人員以切薩皮克灣(Chesapeake Bay)之水域範圍抽取水做為樣品做氧化還原的化學分析測量,提出:當水中所含的氧氣慢慢減少之後,繼而一連串的呼吸新陳代謝。藉由計算水中所含細菌之群落數量之倍增時間與菌數以及產物得知底部水為缺氧性(18  44 的時間比初步估計還要來的要短,這表示,細菌的群落組成有足夠的時間變換與反應面對其環境。

此外,細菌群落的組成 16S rDNA PCR-DGGE 分析基因在缺氧水中於六月時與表層含氧水之細菌群落非常類似,表層水面之硝酸鹽呼吸作用使得部分表層水的細菌群落在硝酸鹽被耗盡之後轉變,底層缺氧水之細菌群落則沒有改變。直到八月,能夠利用硫酸鹽進行呼吸作用或者其他非氧能源的菌漸漸開始佔有主導地位。在缺氧水裡仍保有勢力的表層水細菌Gammaproteobacteria 、和Alphaproteobacteria 、以及能夠利用酵素協助它們保存海洋中短少的鐵質,並能將海洋中的有機化合物用作氮和磷的來源的Synechococcus sp. ,也包含了一般常見於海洋的 Pelagibacter ubique 菌群,其約占海洋生物質量的四分之一,沒有重複基因、噬菌體基因、也沒有任何無用的 DNA 片段,雖然不是最小的微生物,但卻是這個星球上最經濟、有效的生命體之一,它能用海洋中稀薄的碳與氮化合物作為能量來源。在缺氧水中的菌群發展與未經過培養的 Firmicute s  Bacteroidete s以及 SAR406 群非常相似 (<92% 的相像。這些結果顯示典型的港口水域中之浮游細菌在缺氧環境的條件下,細菌會轉變成厭氧式新陳代謝,真是善變呀! 

名詞解釋:

  • Bacterioplankton:沒有固定地點生長浮游性之細菌,此篇文章主要針對海洋浮游細菌。
  • 16S ribosomal RNA:是原核生物的核糖體中的一段核酸序列,由於不同種的真細菌與古細菌間的 16S rRNA序列具高度保守性,因此可作為系統分類學的特徵。
  • Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) 變性梯度凝膠電泳   具有相似長度的 DNA 用普通的凝膠電泳無法進行分離,但利用 DGGE 可以分離長度只有 200~700bp  DNA 片段。電泳過程中,起初雙鏈 DNA 以直線形狀向正極移動。隨著變性劑(如甲醯胺或尿素)濃度的增加,DNA 中具有低 G+C 含量的序列的部分被打開,而高 G+C 含量的部分仍保持雙鏈。這樣,DNA 分子形成端部的叉狀或中間的環形 DNA 部分熔化,便不能繼續向前移動而形成條帶,如此便能將具有相似長度而序列有差異的 DNA 分子分離開。

研究原文

參考資料

原刊載於 30.6 kJ (本文經 PanSci編輯部編修)

文章難易度
陳俊堯
109 篇文章 ・ 7 位粉絲
慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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