• 生物科技與生活

• 微生物在生物科技發展重大的歷史時程

微生物與生物科技

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• 微生物對社會之貢獻篇

工業化合學及藥品的微生物

微生物食品

環保及農業上的用途

什麼是生物科技 (Biotechnology) ?

是籍由活細胞 (living cells) 所產生的分子 (molecules) 而開發成商業產品 (products) 的技術稱生物科技。

生物科技與生活

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微生物如何 改善我們的生活品質？

細菌 (bacteria) 與霉菌 (fungi) 應用在食品上的 加工如：起士 (cheeses) ，麵飽 (breads) ，優酪 乳 (yogurts) 等。

提供研究疾病之新治療法 (new treatments for disease) 。

提供更具安全性的食品 (safer food products) 。

裝配危險性較低之化學產品 (less-damaging chemicals)

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微生物在生物科技發展重大的歷史時程 (I)

1750 B.C. 文明古國 Sumerians 以酵母菌釀啤酒 (brew beer)

500 B.C. 中國人以發霉的豆腐 (moldy soybean curds) 為抗生素（ antibiotic) 以處理 疔、瘡 (boils) 等皮膚發炎疾病

100 A.D. 中國已懂得以菊花粉 (Powdered chrysanthemum) 做為殺蟲劑 (insecticide)

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1797 Jenner 在小孩身上接種病毒疾苗 (inoculates viral vaccine) 以預防牛痘

1855 發現大腸桿菌 (E. coli) ，這是日後有關生物 科技研究、發展、及工業生產的主要工具；

法人巴斯德 (Pasteur) 的研究工作証明酵母 菌 (yeast) 為一具生命的生物體 (living organism)

1883 法人巴斯德 (Pasteur) 首次發明生產狂犬 病疫苗 (rabies vaccine)

1914 在英國孟城 (Manchester, England) 首先 利用細菌作污水處理 (sewage treatment)

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歷史時程 (II)

Frederick Griffith 利用肺炎球菌証明 DNA 為 病原的主要原因

1944 Avery 以病毒為研究材料証明 DNA 為遺傳物質

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1928 英人佛來明 (Fleming) 在霉菌中發現世上第一種

抗生素 (antibiotic)-青黴素 (penicillin) ；

歷史時程 (III)

● 在細菌中發現能切割 DNA 的內切酵素 -(restriction enzymes) ，因而開始了基因選殖的方向

● Cohen and Boyer 利用細菌成功的進行基因重新 組合的實驗 (recombinant DNA experiment) ， 因而建立了 DNA 重組的技術 (recombinant DNA technology) – 奠定遺傳工程的基礎

● Humulin 是由美國 Genentech 公司第一次在大腸桿 菌中，利用遺工程的技術 (genetically engineered bacteria) ，生產能治療糖尿病 (diabetes) 的人類胰島 素（ human insulin ）

1970 - 1982

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歷史時程 (VI)

基因選殖及重組 DNA 技術操作的一般流程

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․專一性 DNA 內切酵素（ Restriction Enzymes ）

․ DNA 片段連接酵素（ T4 DNA Ligase ）

․ DNA 片段轉接質 / 載體 （ DNA fragment carrier-

Plasmids/Vectors)

․將選殖基因轉化入微生物中（ Transformation of

cloned gene into Microorganisms ）

․選殖基因的表現（ Gene Expression ）

歷史時程 (VII)

Paul Berg: Joined genes from the E. coli with DNA from Simian Virus 40 (SV40)

將外來基因導入細菌體的流程

內切酵素處理Endonuclease restriction enzyme

連接酵素處理DNA ligase

將重組 DNA 轉化入細菌細胞中表現Transformation of recombinant DNA

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歷史時程 (VIII)

細菌宿主

微生物對社會之貢獻篇

Worldwide contribution of Microorganisms

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微生物產品

食品生產 – 目的以防止食物腐敗 (controlled spoilage) 為主

乳製品 (dairy products) – 牛奶經發酵產生乳酸以沉降乳蛋白後 , 可 防止細微滋生 .

• 奶油乳 (buttermilk) – 來自脫脂牛奶 ,經由特定細菌 (Streptococcus diacetylactis) 作用後而成 .

• 優酪 (yogurt) – 經特定細菌 (Streptococcus thermophilus and Lactobacillus bulgaricus) 處理後的產物 .

• 起士 (Cheese) – 經乳酸菌屬 (lactic acid fermentations) 發酵後 之產物 .

微生物產品

肉類產品 (meat products) – 經特定細菌處理後的製品如 : salami, summer sausage 等的香腸 .

烘烤產品 (baked goods) – 如麵飽製作用之酵母菌 (Saccharomyces cerevisiae)

其他食物製品 :

• 咖啡 (coffee) – 經 Saccharomyces spp. 處理 .

• 韓國泡菜 (kimchee) – Lactobacillus 處理之大白菜

• 醬油 (soy sauce) – 由 Aspergillus soyae 醱酵之大豆產品• 醋 (vinegar) – 蘋果汁及酒等經 Acetobacter 等處理後的產品

•蕈 ,蘑菇 (mushrooms) – 真菌如 Agaricus campestris bisporus 可供食用或藥用 .

微生物產品

食物添加物 (additives), 補充劑 (supplements):

• 胺基酸 (amino acids) – 食物添加物或工業化學原料等用途 , 如味精 (mono sodium glutamate, MSG), 人工甘味 (aspartame) 等 .

• 維生素 (vitamins) – 人體和動物之食物補充劑 ,年產量超過 70億 美元 , 如 : 維生素 B1, 維生素 B2 (riboflavin, Saccharomyces) 和 維生素 C (ascorbic acid, Acetobacter) 等 .

• 釀酒酵母 (brewer’s yeast) – S. carlsbergenesis 為食品中維生素 B1 之添 加物 .

• 檸檬酸 (citric acid) – 食物及飲料的添加劑 .

微生物產品

酒精飲料 (alcoholic beverages):

• 釀造啤酒及麥酒等 (brews - beer, ale, etc.)

• 葡萄酒及香檳 (wines and champagne)

• 蒸餾酒精飲料 (distilled alcoholic beverages) 如 : 威士忌 (whishey), 白蘭地 (Brandy) 及甘蔗酒 (朗姆酒 ,rum) 等 .

化學商品 (commodity chemicals) – 有機化合物 (organic compounds)

醋酸 (acetic acid)

丙酮 (acetone)

丁醇 (butanol), 乙醇 ( 酒精 ,ethanol)

微生物產品

酵素 (Enzymes) – 食品處理 , 尤以乳製品為言 ; 製藥 ; 以及紡織等

• 蛋白酶 (proteases) -清潔劑 (detergents)添加物

• 澱粉酶 (amylase) – 可分解多醣類 ,有利於醱酵工業

生物感應器 (biosensors) – 可以微生物為生物電子介體 (bioelectronics) 來探測污染物 (pollutants) 及感染物 (contaminants)

參考資料 :

生產工業化學藥品的微生物

常用以生產工業化學藥品的微生物 (I)

Aspergillus Glycolic acid Textile processing （紡織程序） , 曲霉屬 甘醇酸 adhesives （黏著劑） Oxalic acid Dyeing （漂染） , bleaching agent, 草酸 (漂白劑 ), reducing agent (還原劑 ) Formic acid Leather treatment （皮革處理） , 甲酸 electroplating (電鍍） Malic acid Acidulant （酸劑） 蘋果酸 Itaconic acid Paper manufacture （紙製造） , 衣康酸 intermediate for plastics （塑膠）

Acetobacter Acetic acid Solvents (溶劑） , food acidulant醋桿菌 醋酸 （酸劑） Tartaric acid Esters for lacquies （漆） , acidulant 酒石酸

Aerobacter 2,3-Butanediol Intermediates for plastics 需氧菌屬 丁炔二醇 and antifreeze （抗凍劑）

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Clostridium Butanoic acid Manufacture of esters （脂）梭狀芽孢桿菌 正丁酸 Butanol Intermediate for organic chemicals 正丁醇 （有機化合物） Isopropanol Cosmetic preparations （化裝品） 異丙醇 Acetone Intermediate for organic chemicals 丙酮

Chlamydomonas Methylethyl ketone Explosives （炸藥） , 衣藻 甲基乙基酮 synthetic resins （合成樹脂）

Bacillus Propylene glycol Antifreeze （防凍劑） , synthetic 芽孢桿菌屬 丙二醇 resin （樹脂） manufacture Acrylic acid Intermediate for plastics （塑膠） 丙烯酸

常用以生產工業化學藥品的微生物 (II)

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Saccharomyces Glycerol Sweetener, explosives, cosmetics 酵母菌屬 甘油 （化裝品） Ethanol Manufacture vinegar （醋） , 酒精 esters （酯） and ethers （乙醚） , beverages （飲料）

Penicillium Malonic acid Manufacture of barbiturates 青霉屬 丙二酸 （巴比妥鹽）

Rhizopus Fumaric acid Intermediate for synthetic resins根廇菌屬 延胡索酸 （樹脂） antioxidant （抗氧化劑）

Succinic acid Manufacture of lacquers （漆） , 琥珀酸 perfumes （香水）

Lactobacillus Lactic acid Food acidulant （酸劑） , 乳桿菌屬 乳酸 intermediate for lactates , leather treatment （皮革處理）

常用以生產工業化學藥品的微生物 (III)

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微生物醱酵產品

參考資料 :

經微生物醱酵產品的分類

類別 範例1. 能量代謝產品

酒精，正丁醇，醋酸，乳酸，丙酸等。

2. 能量儲備化合物 甘油，肝糖，其他多糖體類等。

3. 蛋白質：胞外酵素

胞內酵素

外源蛋白

澱粉酵素，纖維酵素，蛋白酵素，果膠酵素。

葡萄糖異構酵素，連接酵素，轉化酵。胰島素，人類生物激素，牛的生長激素等。

4. 全細胞構造 麵飽酵母菌，生物性殺蟲劑，抗原等。

5. 代謝中間產物 胺基酸，檸檬酸，維生素，蘋果酸

6. 二次代謝物 抗生素，赤霉素等。

7. 化學修飾物質 類固醇，山梨糖葡萄糖等。YM062003

在細菌中產生的藥物Heterologous proteins produced

From Yeast for Pharmaceutical use.

藥物學之新領域

從細菌中產生藥用性的異源蛋白

將人類基因轉化入細菌

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藥物產品 (Pharmaceuticals):

遺傳工程微生物的產品 (products of genetically engineered microbes)

• 胰島素 (insulin) – 處理糖尿病• 生長激素 (growth hormone) – 治療矮小病 (dwarfism), 傷口治癒 (wound healing), 骨質疏鬆 (osteoporosis) 及畜產生長 (livestock growth) 等• 組織纖維蛋白溶酶原活化子 (tissue plasminogen activator, TPA) – 溶解血塊

• 凝血因子 (blood clotting factor) – 處理血友病人 (hemophiliacs) 流血 不止症狀• 血細胞生長素 (erythropoietin) – 治療貧血症 (anemia)

• 細胞因子 (cytokines) – 扞擾素 (interfererons, IFN), 白細胞介素 (inter- leukins, IL), 及其他具抗癌 (anticancer) 及免疫調節 (immune modula- tors) 等用途的細胞因子

藥物產品 (Pharmaceuticals):

遺傳工程微生物的產品 (products of genetically engineered microbes)

• 疫苗抗原 (vaccine antigens) – 防止細菌 (bacteria),真菌 (fungi), 病毒 (viruses) 的感染 , 如 :重組 B 性肝炎疫苗 (recombinant Hepatitis B vaccine)

• 單株抗體 (monoclonal antibodies, mAb) – 臨床檢測 (diagnostic applica- tions), 癌症 (cancer) 及血痊 (blood clot) 等的治療

化療藥劑 (chemotherapeutic agents):

抗生素 - 為細菌 (Bacillus, Streptomyces, etc.), 真菌 (Aspergillus, Cephalo-Sporium and Penicillium, etc.) 的二次代謝產物

內內內內內 -lactams) – penicillin( 青霉素 ), ampicillin (氨卡青霉 素 ), cephalosporins(頭孢菌素 )

化療藥劑 (chemotherapeutic agents):

抗生素 -

大環內脂抗生素 (Macrolides) –紅霉素 (erythromyci), 螺旋霉素 (spira- mycin)

四環素 (Tetracyclines) – 金霉素 (chlortetracycline), 土霉素 (oxytetra- cycline)

胺基糖苷抗生素 (Aminoglycosides) – 鏈霉素 (streptomycin), 卡那霉素 (kanamycin), 正大霉素 (gentamicin)

參考資料 :

遺傳工程酵母菌株中產生的藥物

在酵母菌中產生的藥物 (I)

Interferon （ IFN ） 干擾素

Human atrial natriuretic peptide (HANP) 心鈉素

Somatostatin （ SRIH ） 促生長素抑制素

Human salivary amylase 人類澱粉酵素

Interleukin 1 白細胞介素 1 ，淋巴細胞激活因子

Granulocyte macrophage stimulating factors 粒細胞巨噬細胞刺激因子

Human tissue plasminogen activator 纖溶酵素活化子Human -1 antitrysin 人類 -1 抗胰蛋白酵素

Procine prophospholipase A2 豬前磷脂酵素 Phaseolin 菜豆異類黃酮（抗毒）靈

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Epstein-Barr envelope glycoprotein EB病毒外膜糖蛋白Human insulin-like growth factor I 人類胰島素類生長因子Hirudin 水蛭素

Fibroblast growth factors ， FGF 纖維細胞生長因子Echistatin 抑血小板凝集素Procrine urokinase 尿激酵素

Human secretory leukocyte protease inhibitor 白細胞蛋白酵素抑制劑 HIV1 protease 愛滋病毒蛋白酵素Human serum albumin 人類血清蛋白Human urinary plasminogen activator 人類尿纖溶酵素原活化子

在酵母菌中產生的藥物 (II)

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微生物中合成的化學物質及其功能

參考資料 :

在微生物中合成的化學物質及其功能的類別化學類別 功能類別

生物鹼 Alkaloids 抗生素 Antibiotics

碳水化合物 Carbohydrates

抗生素以外的藥物 Drugs other than antibiotics

核酸 Nucleic acids 調味料 Flavour

脂質 Lipids 酵素抑制子 Enzyme inhibitors

有機酸 /酒精 Organic acids/alcohols

調味料加強劑 Flavour enhancers

生太 Peptide 激素 Hormones

蛋白質 Protein 殺蟲劑 Pesticides, 色素 Pigments, 表面活性劑 Surfactants, 維生素 Vitamins

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微生物中所產的抗生素

參考資料 :

從微生物中所產的抗生素

抗生素 antibiotics 微生物 Microorganisms

頭孢菌素 Cephalosporin C

氨霉素 Chloramphenicol

紅霉素 Erythromycin

健大霉素 Gentamicin C

短桿菌素 Gramicidins

康霉素 Kanamycin A

林可霉素 Lincomycin

新霉素 Neomycins 青黴素 Penicillins

利福黴素 Rifamycins

鏈黴素 Streptomycin

四環素 Tetracycline

頭孢霉屬 Cephalosporium acrimonium

鏈霉菌屬 Streptomyces venezuelae

鏈霉菌屬 Streptomyces erythreus

小單孢菌屬 Micromonospora purpurea

芽孢桿菌屬 Bacillus brevis

鏈霉菌屬 Streptomycin kanamyceticus

鏈霉菌屬 Streptomyces lincolnensis

鏈霉菌屬 Streptomyces fradiae

青黴菌屬 Penicillium chrysogenum

諾卡菌屬 Nocardia mediterranei

鏈黴菌屬 Streptomyces griseus

鏈黴菌屬 Streptomyces aureofaciens

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微生物為生物反應器而產生的異源蛋白

參考資料 :

以微生物為生物反應器而產生的異源蛋白

胰島素原 Proinsulin

牛生長激素 Bovine growth hormone

凝乳酵素原 Calf prochymosin

生長激素釋放因子 Growth hormone releasing factorB 型肝炎表面抗原 Hepatitis B surface antigen表皮生長因子 Epidermal growth factor

生長激素 Growth hormone

免疾球蛋白 Immunoglobulin

干擾素 Interferon

白細胞介素 Interleukin-2

腫瘤壞死因子 Tumour necrosis factor

胰島素類生長因子 Insulin-like growth factor

Escherichia coli

Escherichia coliSaccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae

Escherichia coli

Escherichia coli

Escherichia coli

Escherichia coli/SaccharomycesBacillus subtilisEscherichia coli

Saccharomyces cerevisiae

注：大腸桿菌 = Escherichia coli 酵母菌 = Saccharomyces 枯草桿菌 = Bacillus subtilis

細菌與環境篇Bacteria and the Environment

1. 可防治作物昆蟲的微生物制劑 Agents for microbial pest control

2. 微生物誘導碳循環 （ Carbon-cycling ） a. 微生物代謝鹵素化合物 （ Halogenated compounds ） b. 基因改良微生物以降解（ Degradation ） 鹵素有毒污染物

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3. 一些微生物如根瘤菌 (Rhizobium) 為農業固 氫介體 (nitrogen fixation agents)

微生物為防治昆蟲的製劑蘇力菌產生的殺蟲晶體蛋白可防治作物昆蟲

Cry1 Lepidoptera 內內內Cry2 Lepidoptera

Cry3 Coleoptera 鞘翅目Cry4 Diptera 雙翅目Cry5 Nematodes 線蟲 Liver fluke 肝吸蟲Cry6 Nematodes

Cry7 Coleoptera

Cry 8 Coleoptera:

晶體蛋白 標的昆蟲

蘇力菌Bacillus thuringiensis

芽孢Spore

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能代謝鹵素化合物

（ Halogenated compounds ）的微生物

1. 含鹵素化合物如 DDT, Polychlorinated biphenyls (PCBs), 有機溶劑等是有毒的污染物

2. 假單胞桿菌屬 (Pseudomonas strain ) 等微生物 可降解該等化合物以供其生長所需

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細菌完全降解鹵素化合物的過程

鹵素化合物由 TOL 質體產生酵素以轉化鹵素化合物

再經假單胞桿素分泌的酵素將化合物分解成水和二氧化碳等無害的化合物

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細菌基因轉植入植物以改良植物的品種

新品種可抗拒不良的環境，如抗蟲害，病害，乾旱

嚴寒等。

在細胞內的外來基因可併入宿主的染色體中以完成基因轉植的過程

基因改良植物的範例：產生抗病毒、

蟲害等新品種

Agrobacterium tumefaciens 的細胞內有 Ti plasmid ，其

可將外來基因引導入植物細胞中

農桿菌屬

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抗病毒我煙草植物Virus-resistant tobacco plant

抗昆蟲的植物Insect-resistant plant

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