2006-07-04 23:27:54看天空的人
DNA元件，組裝未來生命
雖然「基因工程」一詞已經使用了至少30年，DNA重組也成為現代研究中主要的技術，但大部份生技專家的研究，還是很少和工程學有交集。原因之一是我們目前製造生物「零件」的工具，還尚未達到標準化的程度，應用性也不能和其他工程領域並駕齊驅；再者，雖然生物學會受到科技的影響，但其研究方法和觀念仍與工程學有差距。
舉例來說，電機工程的蓬勃發展始於1957年。當年霍爾尼（Jean Hoerni）在現今所稱的矽谷中，為快捷半導體（Fairchild）這家小公司工作。他開發出平面製程技術。這套系統利用光罩為模版，以金屬和化合物在矽晶片上蒸鍍和蝕刻，讓工程師能夠生產清潔又均一的積體電路，並能透過改變光罩樣本而變化出多樣的電路種類。沒多久，工程師就能利用他人設計的簡單電路，加以合併重組，製造出更複雜的電路設計，增加應用的範圍。
在平面製程技術出現之前，電子電路的標準製程是將電晶體電路一個個焊接起來，由於這個步驟純靠手工，成品良莠不齊，是剛起步電子業的一大瓶頸。而在平面製程技術研發之後，其製程就不斷改良，進步速度恰好符合著名的摩爾定律。
半導體晶片的設計和製程，結合了科技和方法學，是工程學史上最成功的例子，可做為生物系統製程等新興科技師法的典範。
今日的基因工程學家就像當年電子業者一樣，用手工連接系統中的每一個線路。我們的同事，美國麻省理工學院人工智慧實驗室的奈特（Tom Knight）一語道破了基因工程的困境：「由於缺乏標準化的DNA序列組合技術，使得每一次DNA組合反應既是解決研究題材的工具，本身也是一項實驗。」
生物工程使用的方法和零件如果能夠標準化，就能建立相容組件的設計庫，並將系統製程外包。觀念與製造分開後，生物工程學家才有餘力去構思更複雜的裝置，利用更有效的工具（像是電腦輔助設計）來控制系統的複雜度。為了達成這個目標，我們研究團隊的成員開始找尋並發展可做為「生物製程」基礎的配備和技術。我們也想要促成一個社群，能夠採用最好的工程學原理和做法，來發展生物科技。
量產特定序列的DNA
由特定DNA序列構成的基因，就相當於電路中的電晶體，是生物工程的最基本元件。如果想用基因組裝出先進的生物儀器，首先我們必須能夠可靠、快速的合成長段的DNA，而且價格要合理。
20年前，美國科羅拉多大學波爾德分校的卡拉瑟斯（Marvin H. Caruthers），根據其他人先前的研究，利用DNA的天然化學性質發展了一套合成單股DNA的系統。DNA是由四種核酸所組成，這四種核酸內分別含有不同的鹼基：腺嘌呤（adenine, A）、胞嘧啶（cytosine, C）、鳥糞嘌呤（guanine, G）和胸腺嘧啶（thymine, T）。鹼基之間由於親和力，會形成特定的配對：A對T，C對G，構成梯子狀雙股DNA分子的梯級。
卡拉瑟斯的方法稱為固相亞磷胺化學法（solid phase phosphoramidite chemistry），是大部份商業用DNA合成儀器的基礎。在合成反應開始時，溶液中懸浮的固體圓珠（聚苯乙烯）上會黏附著一個核酸分子；當溶液接觸到酸，第一個核酸可與新加入的核酸形成鍵結，然後當第二個核酸接觸到酸，又可以和下一個核酸連接起來，如此核酸鏈就會變得越來越長；不斷重複這個步驟，就可以製造出任何想要的核酸序列，誤差為每100個核酸中會有一個錯誤。
然而，生物工程學家想製造的基因，大多比這套系統能生產的DNA長得多，一個簡單的基因組合，可能就有數千個核酸長；即使像細菌這樣小的生物，基因組也有幾百萬個核酸。我們需要其他產量較高、錯誤率較低的合成方法，於是我們從自然界尋求線索。
生物細胞內有由酵素（聚合）組成的機具，以每秒500個核酸的作用速度，製造以及修補DNA分子，而且平均在10億個核酸中才有一個錯誤。目前最好的DNA合成儀器，加長一個核酸需要300秒。相較之下，自然生物機具的效能（產量除以錯誤率）是人造機器的兆倍。而且在複製像細菌基因組這樣長的DNA時，生物體會有許多聚合同時作用，20分鐘內，就可以製造出含有500萬個核酸的DNA。
作者之一邱契於是想到，利用現有的微陣列技術來效法生物機具的平行處理。我們的做法是在一塊大玻片上，每平方公分放置100萬個小點，每個小點都含有長度為50~70個核酸的單股DNA（也稱為寡核酸），這些DNA都是利用亞磷胺化學法在微陣列上同步製造出來的。和傳統技術一樣，我們也在序列之前加上了可切割的連接分子，讓微陣列可釋出特定的寡核酸。我們實驗所用的微陣列每個點約有30微米寬，其中含有約1000萬個寡核酸分子。
我們稱這些短鏈為「構造寡核酸」。我們在設計時，刻意讓每個核酸鏈的序列彼此重疊，然後利用它們組合出較長的DNA，就像是一段完整的基因序列。不過我們也必須先剔除帶有錯誤的序列，於是我們發展出來兩套不同的校正錯誤系統。
第一套方法同樣用到微陣列合成法，以製造出能和構造寡核酸鏈互補的DNA序列，我們稱之為「選擇寡核酸」。然後，我們將選擇寡核酸從合成的玻片上釋出，用來沖洗構造寡核酸的玻片。選擇寡核酸會遵循鹼基配對法則，與互補的構造寡核酸結合，形成雙股DNA，而剩下的就是帶有錯誤而無法形成配對的構造寡核酸，就可以將這些帶有錯誤的序列從微陣列中釋出。值得注意的是，選擇序列也可能帶有錯誤，畢竟它們的製造方法和構造序列是一樣的，但是兩組序列同時都有錯誤、彼此又能形成配對的機率卻非常低。因此利用一組寡核酸來校對另一組序列會非常有效，最後平均每1300個鹽基中有一個錯誤。
對生物來說，確保自己複製正確是非常重要的，因此你可能猜得出來，我們第二套錯誤校正系統正是直接向大自然學習。作者之一莫卓奇在10年前已擬想好步驟細節，並將這套方法稱為“MutS, L, H.”。當兩條單股的DNA鏈結合時，如果有些序列沒有形成完美的配對（A對T、C對G），這段DNA區域將無法形成雙股螺旋結構。有一種名為MutS的蛋白質，可以辨認並與配對有缺陷的序列結合，同時召來其他蛋白質（MutL和MutH）來改正錯誤。作者之一賈克布森和麻省理工學院的卡爾（Peter Carr），利用這套系統來合成DNA，錯誤率可降到每一萬個核酸中約有一個錯誤，足以用來製造小型的基因組合。
可釋出產物的平行合成技術以及改正錯誤的方法，讓我們能製造零錯誤的長段DNA序列，而且比現有的任何方法更省錢、更快速。它們就像半導體晶片的微影技術（lithography），可做為生物製程的基礎。可以想見，這些技術將不斷改進，我們也會有餘力去思考，還可利用這些生物製程來組裝什麼樣的裝置。
改進天然產物
在我們最早的研究目標，包括了以生物製程為基礎，發展對抗疾病的方法。作者柯斯林和貝克的實驗室分別找尋治療瘧疾和愛滋病兩大惡疾的方法。雖然這兩種疾病的治療策略不同，但都需要正確地合成長段的DNA，因此我們的計畫將會成為範例，顯示生物製程如何大幅改變生物醫學家開發新療法的研究。
在對抗瘧疾時，目前有一種治療辦法可以根除病患體內致病的寄生蟲。它使用到一種含有15個碳原子的小型倍半烯（sesquiterpene），一般人熟知的名字是青蒿素（artemisinin），它可以從分佈於中國北方的植物青蒿中找到。不過由於植物能夠製造的青蒿素含量非常少，無法用來生產價格合理的藥物。過去五年來，柯斯林努力想複製植物中負責合成青蒿素的代謝途徑的基因，然後將這些基因轉植到酵母菌內，以大量生產這種藥物。
一旦將這些基因放入酵母菌後，科學家還可以修飾這些基因，使它們的效率比原本在植物中還高。目前我們已經能夠重新設計其中某些關鍵基因（這些基因統稱為甲羥戊酸代謝途徑），讓它們合成青蒿素的前驅分子amorphadiene，而且產量比將代謝途徑基因放在大腸桿菌內要高出10萬倍。如果想更進一步提高產量，讓這種藥物普及，我們還需要重新設計整個青蒿素的代謝途徑。
合成青蒿素的完整代謝途徑中有九個基因，每個基因平均長度約為1500個核酸，因此當我們每設計一個的代謝途徑新版本時，都需要合成總長約1萬3000個核酸的DNA序列。如果把反應途徑中每個基因都設計出數個版本，就可以測試哪些組合最有效。然而光是每個基因都設計出兩種版本，我們就需要29（512）種DNA序列，總共約600萬個核酸。如果使用傳統的DNA合成技術，這幾乎是不可能的挑戰，但利用微陣列，卻只需一個微陣列，就可以合成出這些DNA。
這種大批合成基因組合的技術，也可用來製造新型蛋白質，像是化學反應中的新催化劑，處理環境廢棄物的分子，以及用於基因療法或防衛病原的高度專一性酵素。貝克的實驗室正研發電腦軟體來設計新蛋白質的結構。在他設計的新蛋白質中，有兩種蛋白質模擬出愛滋病毒表面重要的特徵，目前他正測試這兩種蛋白質能否做為疫苗。
目前電腦模型的困難之處是，它尚無法保證每個新設計的蛋白質都會具備所需求的功能，不過電腦卻可設計數十或數百個可能的結構，以進行測試。要將所有設計都轉化為基因序列，需要合成上萬個鹼基長度的DNA，以目前技術而言，不但困難，而且所費不貲，但在第一代生物製程技術誕生後，卻是可及的目標。
這些針對瘧疾和愛滋病治療法的DNA與蛋白質的合成計畫，顯示了生物製程技術的應用，同樣也可以用在對付其他各種不同的疾病，包括一些新興疾病。舉例來說，結合快速低廉的DNA定序技術（參見2006年2月號〈1000美元，解開你的基因〉）和生物製程的DNA合成技術，在面對諸如SARS或新流感病毒時，將可以比目前更快確定致病原的特性，並製造出由蛋白質構成的疫苗。
當然，生物製程不僅是一堆較快速的合成技術而已，它是新的思考模式，借用工程的語言和方法學，來改良現有生物機器，並建造新儀器。
"科學人雜誌電子報"(2006-07-04)
舉例來說，電機工程的蓬勃發展始於1957年。當年霍爾尼（Jean Hoerni）在現今所稱的矽谷中，為快捷半導體（Fairchild）這家小公司工作。他開發出平面製程技術。這套系統利用光罩為模版，以金屬和化合物在矽晶片上蒸鍍和蝕刻，讓工程師能夠生產清潔又均一的積體電路，並能透過改變光罩樣本而變化出多樣的電路種類。沒多久，工程師就能利用他人設計的簡單電路，加以合併重組，製造出更複雜的電路設計，增加應用的範圍。
在平面製程技術出現之前，電子電路的標準製程是將電晶體電路一個個焊接起來，由於這個步驟純靠手工，成品良莠不齊，是剛起步電子業的一大瓶頸。而在平面製程技術研發之後，其製程就不斷改良，進步速度恰好符合著名的摩爾定律。
半導體晶片的設計和製程，結合了科技和方法學，是工程學史上最成功的例子，可做為生物系統製程等新興科技師法的典範。
今日的基因工程學家就像當年電子業者一樣，用手工連接系統中的每一個線路。我們的同事，美國麻省理工學院人工智慧實驗室的奈特（Tom Knight）一語道破了基因工程的困境：「由於缺乏標準化的DNA序列組合技術，使得每一次DNA組合反應既是解決研究題材的工具，本身也是一項實驗。」
生物工程使用的方法和零件如果能夠標準化，就能建立相容組件的設計庫，並將系統製程外包。觀念與製造分開後，生物工程學家才有餘力去構思更複雜的裝置，利用更有效的工具（像是電腦輔助設計）來控制系統的複雜度。為了達成這個目標，我們研究團隊的成員開始找尋並發展可做為「生物製程」基礎的配備和技術。我們也想要促成一個社群，能夠採用最好的工程學原理和做法，來發展生物科技。
量產特定序列的DNA
由特定DNA序列構成的基因，就相當於電路中的電晶體，是生物工程的最基本元件。如果想用基因組裝出先進的生物儀器，首先我們必須能夠可靠、快速的合成長段的DNA，而且價格要合理。
20年前，美國科羅拉多大學波爾德分校的卡拉瑟斯（Marvin H. Caruthers），根據其他人先前的研究，利用DNA的天然化學性質發展了一套合成單股DNA的系統。DNA是由四種核酸所組成，這四種核酸內分別含有不同的鹼基：腺嘌呤（adenine, A）、胞嘧啶（cytosine, C）、鳥糞嘌呤（guanine, G）和胸腺嘧啶（thymine, T）。鹼基之間由於親和力，會形成特定的配對：A對T，C對G，構成梯子狀雙股DNA分子的梯級。
卡拉瑟斯的方法稱為固相亞磷胺化學法（solid phase phosphoramidite chemistry），是大部份商業用DNA合成儀器的基礎。在合成反應開始時，溶液中懸浮的固體圓珠（聚苯乙烯）上會黏附著一個核酸分子；當溶液接觸到酸，第一個核酸可與新加入的核酸形成鍵結，然後當第二個核酸接觸到酸，又可以和下一個核酸連接起來，如此核酸鏈就會變得越來越長；不斷重複這個步驟，就可以製造出任何想要的核酸序列，誤差為每100個核酸中會有一個錯誤。
然而，生物工程學家想製造的基因，大多比這套系統能生產的DNA長得多，一個簡單的基因組合，可能就有數千個核酸長；即使像細菌這樣小的生物，基因組也有幾百萬個核酸。我們需要其他產量較高、錯誤率較低的合成方法，於是我們從自然界尋求線索。
生物細胞內有由酵素（聚合）組成的機具，以每秒500個核酸的作用速度，製造以及修補DNA分子，而且平均在10億個核酸中才有一個錯誤。目前最好的DNA合成儀器，加長一個核酸需要300秒。相較之下，自然生物機具的效能（產量除以錯誤率）是人造機器的兆倍。而且在複製像細菌基因組這樣長的DNA時，生物體會有許多聚合同時作用，20分鐘內，就可以製造出含有500萬個核酸的DNA。
作者之一邱契於是想到，利用現有的微陣列技術來效法生物機具的平行處理。我們的做法是在一塊大玻片上，每平方公分放置100萬個小點，每個小點都含有長度為50~70個核酸的單股DNA（也稱為寡核酸），這些DNA都是利用亞磷胺化學法在微陣列上同步製造出來的。和傳統技術一樣，我們也在序列之前加上了可切割的連接分子，讓微陣列可釋出特定的寡核酸。我們實驗所用的微陣列每個點約有30微米寬，其中含有約1000萬個寡核酸分子。
我們稱這些短鏈為「構造寡核酸」。我們在設計時，刻意讓每個核酸鏈的序列彼此重疊，然後利用它們組合出較長的DNA，就像是一段完整的基因序列。不過我們也必須先剔除帶有錯誤的序列，於是我們發展出來兩套不同的校正錯誤系統。
第一套方法同樣用到微陣列合成法，以製造出能和構造寡核酸鏈互補的DNA序列，我們稱之為「選擇寡核酸」。然後，我們將選擇寡核酸從合成的玻片上釋出，用來沖洗構造寡核酸的玻片。選擇寡核酸會遵循鹼基配對法則，與互補的構造寡核酸結合，形成雙股DNA，而剩下的就是帶有錯誤而無法形成配對的構造寡核酸，就可以將這些帶有錯誤的序列從微陣列中釋出。值得注意的是，選擇序列也可能帶有錯誤，畢竟它們的製造方法和構造序列是一樣的，但是兩組序列同時都有錯誤、彼此又能形成配對的機率卻非常低。因此利用一組寡核酸來校對另一組序列會非常有效，最後平均每1300個鹽基中有一個錯誤。
對生物來說，確保自己複製正確是非常重要的，因此你可能猜得出來，我們第二套錯誤校正系統正是直接向大自然學習。作者之一莫卓奇在10年前已擬想好步驟細節，並將這套方法稱為“MutS, L, H.”。當兩條單股的DNA鏈結合時，如果有些序列沒有形成完美的配對（A對T、C對G），這段DNA區域將無法形成雙股螺旋結構。有一種名為MutS的蛋白質，可以辨認並與配對有缺陷的序列結合，同時召來其他蛋白質（MutL和MutH）來改正錯誤。作者之一賈克布森和麻省理工學院的卡爾（Peter Carr），利用這套系統來合成DNA，錯誤率可降到每一萬個核酸中約有一個錯誤，足以用來製造小型的基因組合。
可釋出產物的平行合成技術以及改正錯誤的方法，讓我們能製造零錯誤的長段DNA序列，而且比現有的任何方法更省錢、更快速。它們就像半導體晶片的微影技術（lithography），可做為生物製程的基礎。可以想見，這些技術將不斷改進，我們也會有餘力去思考，還可利用這些生物製程來組裝什麼樣的裝置。
改進天然產物
在我們最早的研究目標，包括了以生物製程為基礎，發展對抗疾病的方法。作者柯斯林和貝克的實驗室分別找尋治療瘧疾和愛滋病兩大惡疾的方法。雖然這兩種疾病的治療策略不同，但都需要正確地合成長段的DNA，因此我們的計畫將會成為範例，顯示生物製程如何大幅改變生物醫學家開發新療法的研究。
在對抗瘧疾時，目前有一種治療辦法可以根除病患體內致病的寄生蟲。它使用到一種含有15個碳原子的小型倍半烯（sesquiterpene），一般人熟知的名字是青蒿素（artemisinin），它可以從分佈於中國北方的植物青蒿中找到。不過由於植物能夠製造的青蒿素含量非常少，無法用來生產價格合理的藥物。過去五年來，柯斯林努力想複製植物中負責合成青蒿素的代謝途徑的基因，然後將這些基因轉植到酵母菌內，以大量生產這種藥物。
一旦將這些基因放入酵母菌後，科學家還可以修飾這些基因，使它們的效率比原本在植物中還高。目前我們已經能夠重新設計其中某些關鍵基因（這些基因統稱為甲羥戊酸代謝途徑），讓它們合成青蒿素的前驅分子amorphadiene，而且產量比將代謝途徑基因放在大腸桿菌內要高出10萬倍。如果想更進一步提高產量，讓這種藥物普及，我們還需要重新設計整個青蒿素的代謝途徑。
合成青蒿素的完整代謝途徑中有九個基因，每個基因平均長度約為1500個核酸，因此當我們每設計一個的代謝途徑新版本時，都需要合成總長約1萬3000個核酸的DNA序列。如果把反應途徑中每個基因都設計出數個版本，就可以測試哪些組合最有效。然而光是每個基因都設計出兩種版本，我們就需要29（512）種DNA序列，總共約600萬個核酸。如果使用傳統的DNA合成技術，這幾乎是不可能的挑戰，但利用微陣列，卻只需一個微陣列，就可以合成出這些DNA。
這種大批合成基因組合的技術，也可用來製造新型蛋白質，像是化學反應中的新催化劑，處理環境廢棄物的分子，以及用於基因療法或防衛病原的高度專一性酵素。貝克的實驗室正研發電腦軟體來設計新蛋白質的結構。在他設計的新蛋白質中，有兩種蛋白質模擬出愛滋病毒表面重要的特徵，目前他正測試這兩種蛋白質能否做為疫苗。
目前電腦模型的困難之處是，它尚無法保證每個新設計的蛋白質都會具備所需求的功能，不過電腦卻可設計數十或數百個可能的結構，以進行測試。要將所有設計都轉化為基因序列，需要合成上萬個鹼基長度的DNA，以目前技術而言，不但困難，而且所費不貲，但在第一代生物製程技術誕生後，卻是可及的目標。
這些針對瘧疾和愛滋病治療法的DNA與蛋白質的合成計畫，顯示了生物製程技術的應用，同樣也可以用在對付其他各種不同的疾病，包括一些新興疾病。舉例來說，結合快速低廉的DNA定序技術（參見2006年2月號〈1000美元，解開你的基因〉）和生物製程的DNA合成技術，在面對諸如SARS或新流感病毒時，將可以比目前更快確定致病原的特性，並製造出由蛋白質構成的疫苗。
當然，生物製程不僅是一堆較快速的合成技術而已，它是新的思考模式，借用工程的語言和方法學，來改良現有生物機器，並建造新儀器。
"科學人雜誌電子報"(2006-07-04)