DNA元件，組裝未來生命
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| 把各種特殊的DNA當成元件，可以製造許多生物性的標準裝置，讓科學家可以組裝出能執行特殊功能的生物。 | 撰文╱生物製程團隊（The Bio Fab Group）
翻譯／涂可欣 | |
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生物科技如果想仿效電子工程學的成功，最根本的做法就是解決生物組成元件的問題。 |
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。
DNA元件，組裝未來生命
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| 把各種特殊的DNA當成元件，可以製造許多生物性的標準裝置，讓科學家可以組裝出能執行特殊功能的生物。 | 撰文╱生物製程團隊（The Bio Fab Group）
翻譯／涂可欣 | |
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美 國德州大學奧斯丁分校參加2004年iGEM競賽的作品，是一個靠細菌發光顯示問候語的裝置。這支研究團隊將多個能夠受光及呈現顏色的零件放入大腸桿菌 中，讓生物膜變成生物底片，可在其表面展示以光書寫而成的影像。這台機器沿襲了電腦程式的傳統，顯示的第一個訊息是「世界，你好!」(Hello World)。 |
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。
【意猶未盡嗎？欲閱讀完整全文，請參閱科學人2006年7月號〈DNA元件，組裝未來生命〉】
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