第 五 章
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第 五 章. 微 生 物 生 物 技 術. 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。

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第 五 章

微 生 物 生 物 技 術

第五章


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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。

第五章


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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

第五章


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第五章


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5.1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。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)。

第五章


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5.1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。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。

第五章


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5.1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。微生物的構造

  • 球菌(cocci)

  • 桿菌(bacilli)

圖 5.1 細菌的外形。

第五章


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5.1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。微生物的構造

圖5.2 培養中的細菌。

第五章


5 1 1
5.1.1 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。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)

第五章


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5.2 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。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)

第五章


5 2 2
5.2.2 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。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 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。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。

第五章


5 2 3
5.2.3 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。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 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。選殖和表現技術

圖5.5 融合蛋白質。

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5.2.3 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。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 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。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 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。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 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。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]

第五章


5 3 1
5.3.1 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。食物產品

圖5.8 醱酵過程。

第五章


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5.3.2 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。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)]

第五章


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5.3.2 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。治療性蛋白質

圖5.9 使用細菌生產人類胰島素的過程。

第五章


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5.3.2 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。治療性蛋白質

表5.1 來自重組型細菌的治療型蛋白質

第五章


5 3 3
5.3.3 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。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)

第五章


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5.3.3 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。使用微生物對抗其他的微生物

表5.2 常用之抗生素

第五章


5 3 32
5.3.3 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。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。

第五章


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5.3 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。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 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。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 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。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 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。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 cells)]

  • 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 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。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 12
5.4.1 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。抗體的一個引子

圖5.13 抗體的作用機制。

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5.4.2 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。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 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。疫苗是如何製造的?

圖5.14 HIV生命週期。

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5.4.2 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。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 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。微生物基因組

  • 微生物基因組計畫(Microbial Genome Program, MGP)

  • 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 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。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 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。資料中的選殖基因組序列

表5.3 選擇的微生物基因組

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 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。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

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

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5.6 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。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 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。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 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。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 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。作為生化武器的微生物

表5.5 潛在的生物炸彈

第五章


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5.7.1 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。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。

第五章


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5.7 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。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

第五章


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5.7.3 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。使用生物技術對抗生物武器

圖5.18 對抗生物恐怖主義。

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