2014年6月26日

基因解密應用到人造基因

自1953年解開雙螺旋結構,1986年開發聚合酶鏈鎖反應,人類的基因圖譜終於在2002年完全解讀出來。此後突飛猛進的生物科技與基因工程發展,DNA的應用變化無窮,甚至突破遺傳密碼的限制,踏入創造基因密碼的世界。

作者/高憲章(任職淡江大學化學系)

類的遺傳基因碼(genetic codes)共計有30多億個,其基本成分是代表染色體內去氧核糖核酸的四個鹼基,簡稱G、C、A、T 的不同排列次序。這就是大家耳熟能詳的雙螺旋狀DNA結構。人類的細胞裡約有兩萬五千個基因,每個基因都只是長長DNA的一個小段落,這些鹼基對所構成的密碼,卻是所有生物的基礎與生長演化的秘密。自1953年DNA的雙螺旋結構被解開,1986年開發出聚合酶鏈鎖反應,我們可以開始合成DNA,到2002年人類基因圖譜終完全解讀出來,此後生物科技與基因工程的發展非常快速且日新月異,近幾年來,DNA的應用也越來越變化無窮,踏入控制基因密碼的世界,甚至突破遺傳密碼的限制,創造了全新的人工基因密碼。

DNA中的鹼基
DNA是一種由核苷酸重複排列組成的長鏈聚合物,核苷酸中的醣類與磷酸藉由磷酯鍵相連,組成其長鏈骨架,每個醣類單位都與四種鹼基裡的其中一種相接。在生物體內的DNA,大多是兩條配合成對、相互纏繞成雙股雙螺旋結構的分子,成雙成對的兩條長鏈相互結合,其中的鹼基是最重要的關鍵(圖一)。

圖一:DNA的雙螺旋結構。

我們常會聽到的四個字母A、T、C、G,就是指DNA中的鹼基,其中A為腺嘌呤(Adenine)、T為胸嘧啶(Thymine)、G為鳥嘌呤(Guanine)、C為胞嘧啶(Cytosine),是四種不同的含氮鹼基,其結構均為平面(圖二),這四個鹼基中,受分子結構與形成氫鍵的控制,必需A與T 配成一對,C與G配成一對(圖三),因此而編織出DNA完美的雙螺旋結構,這些鹼基沿著DNA長鏈所排列而成的序列,就可組成遺傳密碼。
圖二:DNA 的四個鹼基:
A -腺嘌呤(Adenine)、T -胸嘧啶(Thymine)、
G -鳥嘌呤(Guanine)、C -胞嘧啶(Cytosine)。

圖三:DNA 的鹼基對,A 與T、G 與C 配對。

當DNA要進行複製時,相互纏繞的二股DNA分子鏈會分開,以其中一股DNA成為模版,去製作與它鹼基相配對的新DNA。因為必需A與T配成一對,C與G配成一對,所以複製程序必定產生兩個相同且完整的雙股DNA分子,且其鹼基序列與原始的雙股螺旋DNA分子一樣。(圖四)

圖四 : DNA 的複製,產生二個完整的雙股DNA 分子,
每個DNA 分子的的鹼基序列與原始的DNA 一樣。

樂高成型的DNA
化學家總是在自然界中找尋有趣的分子,也嘗試利用它們自組裝和自我辨識的特性,來建築出化學家想要的各種形狀和結構,DNA就是個極有趣的分子。其中最特別的一種技術,稱為DNA摺紙術(DNA origami), 就是先在DNA的長鏈加上所謂的訂書釘(staple)定位,以此來折疊出形狀, 再將這些 DNA組裝起來,就能以這些DNA建構各種複雜的形狀。但是DNA摺紙術受限於不是一個模組化的方法,因此,想要建構出一個結構,需要耗費許多的時間來控制長鏈的形狀。雖然DNA摺紙術不盡完善,但以DNA作為元件的理想,自組裝出各種複雜結構或是分子元件,確實是個好點子。......【更詳細的內容,請參閱第535期科學月刊】

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