2014年1月23日

細菌生病與關鍵技術

細菌是高明的微生物,能侵入動植物的細胞,然而它們是否也會生病?

作者/程樹德(任教陽明大學微免所)

被西方諸帝國殖民後,工業落後地區如何迎頭趕上?這是個重大議題,而曾在新竹清華大學講授電機類課程的李家同教授頗有精闢見解,在他的《我們應該有第二次工業革命》一書的序中,指出「關鍵性技術」這觀念,當作他立論的樞紐。他認為經濟強國都屬工業發達國家,但怎樣評估一個國家的工業水準呢?他認為不該從是否會製造某種產品來看,也不能從產值來看,而最簡單的方法,即要問,它是否能生產有高附加價值的產品,而能生產這類產品的工廠,其先決條件,就要能掌握關鍵技術。

李教授用以下四方面來定義關鍵技術。第一,能否自行設計該產品?第二,能否自行製造關鍵性零組件及原料?第三,能否自己製造生產時所需要的機器?第四,能否自己設計製程?我們用這四個判斷標準,來檢視裕隆公司生產的某款日產車,它的外表雖亮麗豪華,但其設計及重要零組件,以及汽車廠內所用的重要機器都來自外國,那麼這種工廠,只能算是組裝工廠,並沒有重要的關鍵技術。而以本地人最驕傲的晶圓製造業言之,我參觀過二座晶圓廠,其內重要機器皆購自外國,所以也並無多少關鍵技術。

為何關鍵技術重要?李教授認為,缺乏它,就很難修改產品,也難創新。因為受限於別人產品的軟硬體皆已固定,另外要付出大筆權利金,以致產品附加價值不多。據說富士康代工的蘋果智慧型手機,每隻市售價雖達650~850 美元,但代工廠只得八元毛利,蘋果公司則賺400~600 美元。

李教授是電機專家,他提出的實例多集中於電機技術,若我們用他的分析方式,來看看生物技術的發展,是否可以支持、否定或補充他已有的觀察呢?我首先介紹細菌抵抗疾病的最新發現,順便提及由研究而產生的技術。

細菌及古菌都是很小的單細胞生物,而且細胞內沒有細胞核,它們的遺傳物質——去氧核醣核酸——直接就擺在細胞質內,可以與胞內的各種小構造——酵素——互動,因而產生生長及分裂等基本生命現象。古菌是另一類原核(沒有細胞核)的微生物,外表近似於細菌,但基本轉錄及複製核酸的酵素,又較近於真核(有了細胞核)的生物,所以與真核生物及細菌分類開來,成鼎足而三的態勢。

芸芸數百萬種細菌中,有些演化了寄生的能力,能侵入動植物等多細胞生物,變成高超的寄生者,動植物與之鬥爭幾億年了,因而有各種各樣的免疫系統。而與醫學最有關的,當屬哺乳動物的免疫學,這極端複雜的免疫體系,維繫著動物生存,在到處是細菌的世界中,依然不易生病。

但細菌或古菌能獨享寄生的利益,而不怕更小的寄生蟲來侵犯它嗎?否也。比微小細菌更小百千倍的是病毒,它們能攻入細菌及古菌體內,複製自己的遺傳物質(即核酸RNA,或去氧核醣核酸DNA),也製造蛋白質外鞘,進而破菌而出。病毒演化的起源,究竟是細菌減縮且簡化而成,還是一群細菌基因獨立背叛而去,現已渺然難追,但地球各生態系中充塞著病毒顆粒,則是有明證的。愛滋病人血中病毒顆粒,高時可達每毫升血內含75萬份病毒核酸分子,含糞便的汙水中,腸內菌的病毒數,也可達每毫升百萬顆。

是故連小細菌本身都需要有免疫系統,但這麼微小的空間內,如何安排多重免疫大軍呢?從事後諸葛的角度來看,當然這免疫系統需是由大或小的生物分子構成,但在發現之初,研究者難有這麼高超的理論及預測能力,通常先發現一個奇怪現象,隨之再由現象,思考其功能,以及其演化過程之含意。

首個被發現的細菌免疫系統,即先觀察現象、研究分子細節,再了解演化意義。1950年代初,一些研究人員發現了一現象:病毒初感染某些特定寄主細菌時,其成功率(即能否進入一個細菌內,繁殖成數百病毒而出的可能性)看似極低(如千分之一);但若僥倖感染成功,其子代病毒再感染同一株細菌時,成功率卻可接近100%。

當時知道的學者多以稀奇現象看待之,沒刻意研究它, 路瑞亞及休曼(Luria and Human)在1952 年特意釐清之,原因乃某些特殊菌株有著限制能力,能防止病毒侵犯;但偶而得手的病毒,其子代病毒反被改造,使這特殊菌株不再能抵抗被改造過的病毒,因而命名為限制及改造現象。 ..........【更詳細的內容,請參閱第530期科學月刊】

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