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解開生命奧祕的大腸桿菌 ──《小生命》

張清浩
・2011/02/14 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

本文是對《小生命》一書所作的讀書摘要,作者為張清浩,原發表於 張清浩律師的部落格

小生命

大腸桿菌解開生命奧祕

Microcosm: E.Coli and the New Science of Life (2008)

作者:Carl Zimmer,譯者:潘震澤
出版社:時報出版
出版日期:2009年9月

摘要:

我們每個人的腸道,有多達三十種不同品系、數十億個大腸桿菌(E. Coli)與我們每個人共存,它們可以幫助我們分解醣類,製造人體所需的維生素與胺基酸,也會釋放某些化學物質以擊退病原菌。雖然有些大腸桿菌品系確實具有致命性,例如O157:H7,但大多數是無害的。我們和我們腸內的大腸桿菌,都屬於同一生命共同體的成員。其實,幾乎地球上每個溫血動物體內,都有那麼多的大腸桿菌。它們也存活在河流、森林裡。同時,也活在數以千計的實驗室的培養瓶與培養皿上。p16,94,95

外層:

大腸桿菌是個有包裝緊密、有內外之分的包裏;外層有套囊、細胞膜。細胞膜外膜有數十萬個孔道,以供特定分子及水分子進入、廢物出去,內部並形成巨大壓力,一扎就爆。也有酵素來隨時修損復細胞膜的損害。而大腸桿菌面臨的困境,人類同樣也有。我們使用皮膚作為外在的屏障,皮膚上有許多小洞,給汗腺等管道出入;受損的老皮膚細胞不斷脫落,新的又從底部生長分裂。我們消化道內襯的細胞也一樣,那算是我們內在的皮膚。這種快速的汰舊換新,讓我們的外在屏障得以迅速修復及避開感染,但也會因每次進行細胞分裂,就產生變成癌細胞的小風險。因此,皮膚癌及大腸癌會屬於最常見的癌症。

變異性:

人與人之間的差異,多不勝數。我們不只是由寫在DNA上的程式所產生的輸出而已。當我們還在母親的子宮裡發育時,我們的基因就與來自母親的信息進行互動。我們出生後,環境繼續以無從預期的方式影響我們的基因。我們吃的食物、呼吸的空氣、感覺以及其他所有的一切,對於哪些基因得以活化都有所影響。這就是生命當中充滿著差異的原因。我們之間的差異,不只是難以追溯,同時也是驕傲之源。

大腸桿菌也是一樣,一個擁有相同基因組成的菌落,在相同的環境刺激下,它們會有不同的反應與行為,各自擁有各自的特徵。

生物不僅是由基因軟體所操控的程式而已,就算微小如微生物,同樣的基因以及相同的基因網路,也可能導致不同的命運。

社會行為:

大腸桿菌也會有社會化的現象,它們能以相互纏繞的鞭毛,連結成一個不斷翻騰的整體,蜂擁而行,而在腸壁上移動。它們也能形成一層生物膜(biofilm),會有漂過的大腸桿菌加入它們,生物膜內的大腸桿菌會執行不同的任務,形成網路,形成共同生命體。它們可以聯手抵禦外來微生物、病毒或抗生素,或是製造統稱為大腸桿菌素的化學武器,也會聯手捕捉食物。

大腸桿菌,活著除了吃喝拉撒、繁殖子代外,也有不少「智慧」存在。靠著簡單幾種接受器以及由系列基因形成的線路,大腸桿菌可以預測環境的改變,想辦法趨吉避凶。為了個體與族群的存活,大腸桿菌可是既自私又互助、好競爭且合作,與人類社會無異。當有外患存在時,少數大腸桿菌會製造大量毒素,並引爆自殺,以消滅敵人。當環境惡劣時,眾多大腸桿菌會形成稱為「生物膜」的群體構造,同舟共濟,以度過難關。(摘錄自本書導讀〈從細菌看生命〉,潘震澤)

老化:

大腸桿菌也會老化,它們在分裂成兩個個體時,會將老舊的、損傷的部份推到一端,傳給其中一個分裂出的後代,這個老化的大腸桿菌會生長得越來越慢,以維持其他後代的年輕。對人類跟大腸桿菌來說,活著這項特權,必須以死亡作代價。

基因與演化:

大腸桿菌,有四千多個基因。人類則有18000個基因。

基因的突變,是隨機發生的;突變的效果,則取決於該突變如何讓生物在特定的一組生活條件下,興盛茁壯。我們可以說,演化純由機率決定。在正常狀況下,天擇看好低突變率,因為大多數突變是有害的。而大腸桿菌在面對環境危機時,其突變率會增加上百、上千倍,這就是「超量突變」,此種策略可以增加生物碰上解決危機方法的機率。p128,p175

基因橫向傳遞:基因可以經由許多管道,例如質體、噬菌體,在同種或是跨物種的細菌間傳遞。

開放式演化(open-source evolution):基因除垂直傳遞以及天擇以外;也會藉由基因橫向傳遞的方式,產生新組合,再藉由天擇的微調使新組合運作良好,這使得一種細菌的基因組,可以得到進一步的改進與強化。

大腸桿菌的基因組,與其說是操作手冊,還不如說是一本可重複書寫的羊皮紙書。大腸桿菌的基因史中充滿著突變、複製、刪除以及插入;那些更古老的基因組中,仍然存在於大腸桿菌的基因組中,就像可重複書寫的羊皮紙書。

對大腸桿菌來說是正確的發現,對大象也一樣(Jacques Monod’s well-known phrase, dating from 1954: ”Anything found to be true of E. coli must also be true of elephants.”)。因為,我們與大腸桿菌共享同一種基因編碼及許多蛋白質。但大象(包括人)和大腸桿菌之間,仍然有某些根本的不同點。我們不會橫向傳遞基因,但大腸桿菌會;我們身上只有一小部分細胞(精子與卵)能將基因成功傳給下一代,與大腸桿菌以分裂方式繁殖,不同;我們的基因組可以讓我們發育並分化成兩百種形式的細胞及數十個器官的個體,但大腸桿菌不會。

基因工程:

基因工程,是將基因插入某物種的基因組。從1970年代起,科學家將基因工程的技術運用在大腸桿菌(尤其是製造胰島素給糖尿病人使用)。雖然當時有人認為將大腸桿細菌改造會產生危險菌種使其生物散布到各地,而引起對環境、人及其他生物的災難。但這樣的災難,並沒有出現。因為科學家是在精心控制的實驗室環境下,改造大腸桿菌,並使其興盛繁殖。這些大腸桿菌在與其他自然界的細菌競爭時,就不是對手。反而是在有天擇驅動的生態系統下所演化出來O157:H7大腸桿菌,變成公共衛生的嚴重威脅。

如今,科學家已經能將基因插入大腸桿菌以外的許多其他生物,例如基因改造作物、基因改造幹細胞等。科學家進一步發展出合成生物學,這是新式的基因工程,是將來自不同物種的基因連在一起,並加以微調,可讓其執行新功能,甚至重新組合出新生命。1970年代由基因工程改造的大腸桿菌所引發的爭議,與現在生物科技議題,有相當大的相似性。

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張清浩
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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》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》