DSE 生物 · Topic VIII
生物技術
Biotechnology
選修課題四全面介紹現代生物技術的核心技術（重組DNA、PCR、DNA指紋、基因改造生物、動植物克隆）及其廣泛應用（胰島素/疫苗/單克隆抗體/基因治療/幹細胞），並深入討論基因改造食品、克隆、人類基因組計劃等爭議性生物倫理議題。
01
現代生物技術技術
Core Techniques in Modern Biotechnology
重組DNA技術（胰島素生產）；PCR（聚合酶鏈式反應）原理及應用；DNA指紋鑒定；基因改造生物；動物克隆（桃莉羊）；植物組織培養
核心考點
1. 描述重組 DNA 技術及 PCR 的步驟
考評提示：重組DNA技術步驟、PCR三步驟
- 考評重點 重組 DNA 技術的主要步驟：利用同一種限制酶分別切割目的基因及質粒，產生互補的黏性末端；以 DNA 連接酶把目的基因與質粒連接，形成重組質粒；將重組質粒轉化入宿主細胞 (如大腸桿菌)；宿主細胞在繁殖時表達目的基因，產出所需蛋白質 (例如胰島素)
- 邏輯 PCR (聚合酶鏈反應) 的三個循環步驟：變性 — 加熱至約 94°C，雙鏈 DNA 氫鍵斷裂並分成兩條單鏈；退火 — 降溫至約 50–65°C，引物與模板 DNA 單鏈按鹼基互補配對結合；延伸 — 升溫至約 72°C，耐熱的 Taq 聚合酶沿引物延伸，合成互補的新鏈；每一循環 DNA 數量倍增，經多次循環後呈指數擴增
2. 比較生殖性克隆與治療性克隆
考評提示：桃莉羊核移植的意義
- 考評重點 桃莉羊的體細胞核移植克隆原理：從成年羊的乳腺細胞取出細胞核；把細胞核注入已去核的卵母細胞；以電脈衝激活此重組卵母細胞令其分裂成胚胎；把胚胎植入代孕母羊子宮發育，最終產下桃莉；此實驗證明已分化的體細胞仍保有完整的基因組，可被重新編程成整個新個體
常見題型
描述重組DNA技術的步驟
- 限制性內切酶在特定核苷酸序列切割目的基因及載體（質粒），產生互補粘性末端。
- DNA連接酶將目的基因與質粒的粘性末端連接，形成重組質粒。
- 重組質粒轉化入宿主細胞（如大腸桿菌）；需篩選陽性菌落以確認基因成功插入。
- 宿主細胞大量繁殖，目的基因得以表達，生產目標蛋白質（如人類胰島素）。
解釋PCR（聚合酶鏈式反應）的原理與步驟
- 目的：在體外大量擴增特定DNA片段。
- 變性（約94°C）：高溫打斷氫鍵，DNA雙鏈解開為兩條單鏈。
- 退火（約50–65°C）：引物與互補的單鏈DNA結合，決定擴增區域。
- 延伸（約72°C）：Taq聚合酶以引物為起點，合成互補新鏈。
解釋體細胞核移植的克隆技術（以桃莉羊為例）
- 步驟：提取體細胞核 → 注入去核卵母細胞 → 電脈衝融合及激活 → 植入代孕母體。
- 原理：分化細胞仍含完整基因組；卵細胞質使細胞核重新編程，恢復全能性。
- 遺傳性：克隆個體的基因與提供細胞核的親本相同。
解釋凝膠電泳在DNA鑑定中的應用
- 原理：根據片段大小分離DNA。DNA帶負電荷，在電場中向正極移動；小片段移動較快、較遠。
- 鑑定：用限制酶切割DNA，電泳後得到獨特條帶圖譜（DNA指紋）。
- 應用：法醫鑑定、親子鑑定、物種鑑別。
基因剪接中酶的精確角色與化學鍵變化
- ① 限制性內切酶：識別特定序列，打斷兩鏈上的「磷酸二酯鍵」，產生互補的「粘性末端」。
- ② DNA 連接酶：催化目的基因與載體間形成新的「磷酸二酯鍵」，物理上連接 DNA 片段。
- ③ 互補鹼基配對：粘性末端之間通過「氫鍵」自動吸附，穩定連接需靠連接酶形成共價鍵。
解釋重組 DNA 技術中「篩選 (Screening)」的原理
- ① 目的：區分成功轉化（含目的基因）與未成功轉化的宿主細胞。
- ② 標記基因：載體（質粒）上通常帶有「抗生素抗性基因」。
- ③ 過程：將轉化後的細菌塗布在含有特定抗生素的培養基上。
- ④ 結果：只有含有質粒（具備抗性）的細菌能存活，排除未轉化的細菌。
描述植物組織培養（微繁殖）的主要步驟
- 步驟：取外植體 → 表面滅菌 → 接種至含激素培養基 → 形成愈傷組織 → 誘導分化成芽和根 → 馴化移栽。
- 優點：快速大量繁殖；保持親代優良基因型；在無菌條件下生產無病毒植株。
- 原理：利用植物細胞的「全能性」（totipotency）。
概述重組 DNA 技術中限制酶的作用
- 性質：限制酶是一類由細菌產生的酶，可在特定 DNA 序列上切割（辨認位點通常是 4–8 bp 迴文序列）。
- 黏性末端：許多限制酶切割後會留下互補的單鏈突出，有助不同 DNA 片段拼接。
- 應用：將目的基因自原生物切出，並切開質粒的相同位點，以便插入基因。
- 連接酶配合：DNA 連接酶將目的基因與質粒骨架的缺口封閉，形成重組 DNA。
- 意義：限制酶是基因工程「剪刀」的核心工具，使精確的 DNA 操作成為可能。
DNA 指紋分析：非編碼區 STR 的重要性
- DNA 指紋分析利用基因組中具高度個體變異的區段，比較不同個體的條帶圖案。
- 每個人（除同卵雙生）的 DNA 指紋均獨一無二；條帶一半來自父親，一半來自母親，故可用於親子鑑定。
- 應用：法醫鑑定（確認疑犯或受害人身份）、親子鑑定及遺傳關係追溯。
質粒作為克隆載體的核心特徵
- 複製起點 (Ori)：允許質粒在宿主細胞內獨立於染色體進行自我複製。
- 多克隆位點 (MCS)：含有多個限制性內切酶切割位點，方便插入目的基因。
- 標記基因 (Marker)：如抗生素抗性基因，用於篩選成功轉化的細菌。
- 體積小：易於進入細菌細胞且不易在操作中斷裂。
02
生物技術應用
Applications of Biotechnology
藥物生產（胰島素/人類生長激素/疫苗/單克隆抗體）；基因治療（體細胞基因治療）；幹細胞治療；轉基因動植物
核心考點
1. 解釋基因治療及幹細胞療法的原理與應用
考評提示：基因治療原理、幹細胞分類
- 考評重點 基因治療是把功能正常的基因導入患者的細胞，以補償其突變或缺失的基因；體細胞基因治療的效果僅限於該患者本人，並不遺傳給後代；常用載體包括經改造後失去致病性的病毒 (例如腺病毒) 及非病毒方法 (如脂質體)
- 邏輯 幹細胞按分化潛能分類：全能幹細胞 (如受精卵及早期胚胎細胞) 可分化為胚胎及胎盤的所有細胞類型；多能幹細胞 (如胚胎幹細胞) 可分化為來自三個胚層的各種細胞；多潛能幹細胞 (如造血幹細胞) 只能分化為特定範圍的細胞；由全能到多潛能，分化潛能逐步下降
- trap 單克隆抗體由單一 B 淋巴細胞克隆所產生，因此對某一特定抗原上某一特定抗原決定位具有高度特異性；廣泛用於診斷 (如驗孕試劑、愛滋病抗體檢測) 及治療 (如用於針對癌細胞表面抗原的標靶治療)
HKEAA 評卷員建議
2021 年 基因治療中選擇合適細胞的兩個一般標準：應選擇幹細胞/能持續產生細胞的類型。同學表現非常差。
常見題型
描述生物工程技術的醫學應用
- 胰島素生產：將人胰島素基因插入大腸桿菌中大規模生產，治療糖尿病。
- 醫學蛋白質：生產人類生長激素及紅細胞生成素（EPO）。
- 轉基因植物：黃金大米（Golden Rice）含β-胡蘿蔔素，改善維生素A缺乏。
- 轉基因動物：生產藥用蛋白質（如乳汁中含人類藥用蛋白質的綿羊）。
解釋基因治療的原理、方法與局限
- 原理：將正常基因引入患者細胞，以彌補或替代缺陷基因。
- 載體：常用病毒載體（如腺病毒）將基因送入靶細胞。
- 局限：插入突變風險；病毒載體引發免疫反應；療效可能短暫（細胞更替）。
- 分類：體細胞基因治療（不遺傳） vs 生殖細胞基因治療（遺傳，目前不被允許）。
描述幹細胞的分類及其醫學應用潛力
- 特性：自我更新（持續分裂）及分化潛能（分化為多種細胞）。
- 分類：胚胎幹細胞（多能性）及成體幹細胞（如骨髓造血桿細胞）。
- 應用：骨髓移植治療白血病；替代治療帕金森症或糖尿病。
- iPSC：將成體細胞重新編程為多能幹細胞，避免破壞胚胎的倫理爭議。
分析 DNA 指紋圖譜判定親子關係的邏輯
- ① 遺傳來源：子代的每一條 DNA 條帶必須來自其親生父親或親生母親。
- ② 判定方法：剔除子代中與母親相同的條帶，剩餘條帶必須在父親圖譜中找到。
- ③ 排除：若子代出現一條既不屬於母親也不屬於測試男性的條帶，則該男性非親父。
- ④ 唯一性：除同卵雙生外，沒有兩個人的 DNA 指紋完全相同。
轉基因植物：Bt 作物與除草劑耐受作物的原理
- Bt 作物：轉入蘇雲金桿菌的基因，使植物產生對昆蟲有害的毒蛋白，減少農藥使用。
- 除草劑耐受作物：轉入抗除草劑基因，農民可在大面積噴灑除草劑而不傷害作物。
- 效益：提高產量，降低農業成本。
- 生態風險：基因可能擴散至野生物種，產生「超級雜草」。
生物修復 (Bioremediation) 的應用示例
- 原油清理：利用能降解碳氫化合物的細菌處理海洋或海灘的漏油事故。
- 重金屬清除：利用基因改造微生物或特定植物（生物富集）清除土壤中的重金屬污染。
- 污水處理：利用微生物群落分解城市污水中的有機廢物。
- 效益：相較於物理化學方法，生物修復通常成本更低、更環保。
轉基因動物：AquaAdvantage 鮭魚與醫學工廠
- 鮭魚案例：轉入生長激素基因，使其全年持續生長，縮短上市時間。
- 醫學工廠：例如在羊奶中生產人類凝血因子 VIII 或抗胰蛋白酶，易於大規模提取。
- 環境風險：若轉基因鮭魚逃入自然界，可能破壞原生種群及生態平衡。
基因治療的輸送方法：病毒與非病毒載體
- 體細胞基因治療：將正常功能的基因導入患者的體細胞（如肺部、骨髓細胞），以替代或彌補有缺陷的基因。
- 遺傳性：體細胞基因治療只影響患者本身的體細胞，改變不會遺傳給下一代。
- 應用例子：囊性纖維化、某些遺傳性免疫缺陷的治療研究。
- 挑戰：如何把正常基因準確送入目標細胞，並維持其長期表達，同時避免不良反應。
03
生物倫理
Bioethics
基因改造食品、動植物克隆、人類基因組計劃、基因治療、幹細胞的倫理、法律、社會、經濟及環境爭議
核心考點
1. 討論基因改造食物及幹細胞研究的倫理爭議
考評提示：需平衡列舉利弊，不可單方面表態
- 考評重點 評估基因改造食品 (GMF) 時須列出利與弊：利 — 抗蟲或抗病以提高農作物產量；改善營養成分 (例：含 β–胡蘿蔔素的黃金米)；延長食物保存期；弊 — 外來基因可能表達產生新的過敏原；基因可能經花粉或種子污染非基改作物而減少遺傳多樣性；對人類的長期健康影響仍未完全確立
- 邏輯 評估倫理爭議的框架：先列舉科學及社會利益 (例如提高糧食產量、治療遺傳病)，再討論潛在風險 (例如食品安全、生態影響)，並考慮社會、宗教、法律及經濟觀點；DSE 考試要求考生以平衡的方式列舉正反論點，不可只採單一立場
- trap 人類基因組計劃 (HGP) 已完成人類基因組 DNA 全序列的測定；然而知道鹼基序列並不等於了解所有基因的功能；此外，基因資料若被使用於保險或就業，可能引起私隱和基因歧視的倫理爭議
常見題型
評估基因改造食品的利與弊
- 優點：提高產量；改善營養價值（如黃金大米）；延長保存期；減少農藥使用。
- 潛在危害：可能含新過敏原；基因污染（gene flow）威脅生物多樣性。
- 生態風險：抗蟲作物可能誤傷非目標昆蟲；產生「超級雜草」。
- 消費者關切：標籤權；「扮演上帝」的道德爭議。
分析克隆技術引發的倫理爭議
- 生殖克隆：旨在創造遺傳完全相同的個體。違反人類尊嚴及獨特性；被大多數國家禁止。
- 治療性克隆：創造胚胎獲取幹細胞用於治療。涉及破壞胚胎的道德爭議。
- 動物福利：克隆效率低且個體常有健康問題（早衰、畸形）。
討論基因治療與幹細胞研究的倫理問題
- 生殖細胞基因治療：改變可遺傳給後代；後代無法知情同意；可能導致「設計嬰兒」。
- 胚胎幹細胞研究：需破壞胚胎獲取幹細胞，宗教及道德立場認為生命始於受精。
- iPSC作為替代：避免胚胎破壞，但安全性及癌變風險仍需評估。
個人基因隱私與基因歧視問題
- 基因隱私：人類基因組計劃後，個人的遺傳信息（如患病風險）易被電子化儲存。
- 保險歧視：保險公司可能根據基因信息拒絕承保或提高保費。
- 就業歧視：僱主可能拒絕僱傭具有特定遺傳缺陷或患病高風險的人。
- 心理壓力：知道自己具備某種無法治癒疾病的基因會帶來沉重的心理負擔。
專利權與生物技術：對生命形式申請專利的爭議
- 專利保護：企業投入巨資研發基因改造生物（如轉基因種子），需專利保護以收回成本。
- 爭議：批評者認為生命形式和天然基因不應被私人公司「擁有」。
- 農業影響：專利種子價格高昂，且農民被禁止保留種子作次年使用，加重貧困地區負擔。
- 科研阻礙：高昂的專利授權費用可能阻礙其他科學家進行相關研究。
幹細胞研究：胚胎的道德地位爭議
- 生命起點論：某些宗教及倫理觀認為生命始於受精的一刻，因此破壞胚胎等同謀殺。
- 潛能論：另一派觀點認為早期胚胎（囊胚期）僅為細胞團，不具備意識，其醫療潛力優先。
- 資源來源：涉及如何處理 IVF 產生的多餘胚胎，是銷毀還是用於拯救生命的科研。
- 法規監管：各國法律不同，旨在平衡科學進步與社會道德價值。
討論醫療研究中「病人知情同意」的倫理要求
- 原則：在進行涉及人類的研究或治療前，必須獲得參與者自願、明瞭並無受壓的同意。
- 須告知內容：研究目的、程序、可能的益處與風險、替代方案及退出權利。
- 特殊群體：兒童、智障或昏迷病人需由法定監護人代為同意，並盡量顧及當事人意願。
- 倫理審查：研究計劃須經獨立倫理委員會（IRB）審批，以平衡科學價值與受試者權益。
- 違反後果：未取得同意可能構成法律責任及失去病人信任，影響醫學研究的公信力。
評估基因改造食品強制標籤制度的倫理與實務爭議（比較歐盟、美國與香港）
- 支持強制標籤：保障消費者「知情權」與「選擇權」，符合生命倫理中的自主原則 (autonomy)；有宗教或環境信念的消費者可據此作知情選擇。
- 反對強制標籤：若科學上未證實 GM 食品的健康風險高於傳統食品，強制標籤可能造成污名化 (stigmatisation)、誤導性恐慌及增加食品成本。
- 歐盟採「強制標籤 + 可追溯性」制度（含量 >0.9% 須標示）；美國 2022 年起以「Bioengineered」標籤代替「GMO」，但執行範圍較窄；香港則採自願標籤，僅要求真實、不誤導。
- 實務挑戰：供應鏈中 GM 與非 GM 原料分流 (segregation) 與檢測（PCR）成本高；發展中地區可能因合規負擔而減少糧食供應。
- 綜合評價：強制標籤較符合倫理上的知情同意原則，但需配合公眾教育以避免誤解；科學風險評估、可追溯性與標籤制度三者應並行，方能平衡消費者權益與科技發展。
