3.8 重要生物技術的簡介
甲. 限制酵素的使用
常常要比較兩種遺傳基因DNA作為疾病判斷用。判定差異性的方法，是要看清鹽基的排列是否完全相同或有所差異。但由於觀察DNA目標過小但長度範圍較長，因此不僅需要用到將遺傳基因的DNA大量複製外，亦需施加化學性或生物性的處理使其簡化（換句話說，就是便短一點），使其可達到憑肉眼看到的技術。因此要準備叫做「限制酵素」的的剪刀來修剪目標DNA。之所以叫「限制酵素」，因為只會非常專一性的切在DNA特定序列上，而不會切在別的位置。例如：只會剪斷鹽基A和G並列的部分，而對CG或TG並列的序列毫無反應。利用這把剪刀剪斷已知的DNA排列的遺傳基因時，在正常情況下使用限制酵素切斷後，雖然會形成長短不一的部分DNA，但其表現出的形態應該是固定的，換句話說，只要是這方面功能的DNA基因，在DNA切斷後，就會產生類似的碎片模式。可是，如果是可能帶有遺傳病的遺傳基因，由於其DNA的排列不同，所以剪刀的剪法必定有所不同，形成的片斷群形態一定也會不一樣。如此一來，便能診斷出調查對象是否具有構造正常的癌症相關遺傳基因，或是有異常的構造而易得到癌症的體質。
由於「限制酵素」這把剪刀酵素具有只剪斷某種排列部分的特性，藉由此分方法可分析特定的致癌遺傳基因或抑制癌症遺傳基因的DNA，來調查是否有平常看不到的異常排列，以預測致癌的可能性。譬如，如果是家族性大腸癌家世的人，首先可分析其APC遺傳基因。雖然APC遺傳基因是由約九千個鹽基所構成的稍大遺傳基因，但容易發生複製錯誤的部分大致是一定的。要是把這部分的排列寫出來一看，就會有ATGC四個文字以一定的順序並排著。因此，如果能把正常的APC遺傳基因和調查對象的遺傳基因加以比較，是相同的排列還是不同的應該就會一目了然。不僅是家族性大腸癌，如果是已經能抽出癌遺傳基因的癌症種類，藉由這樣的遺傳基因診斷，就有可能進行癌症發病前的診斷。可是既然癌症是治好的機率有限，但知道是容易得到癌症的體質時，可透過生活環境等的改善，便可做到某種程度的預防，而且注意做定期檢查就能早期發現，做相關的治療。
乙. 發酵技術
簡單而言，就是「利用微生物製造有機或生物分子」。大家在日常生活中想必吃過麵包、醬油、豆腐乳，喝過養樂多等，這些傳統的發酵食品，都是利用微生物來製造的。一般人會認為，生存在自然界中的細菌這類微生物是有害的，會引起疾病。事實上，大部分的微生物是有益的，不僅不曾引起疾病，還能為人們生產製造有用的東西呢!如同生產工廠一般，將原料放進機器中，就可得到預期的產品。而微生物只是由單一細胞構成，體積小到只能用顯微鏡才能看到，所以，微生物可稱得上是全世界最小的工廠。早在遠古時代，人類就發現葡萄或米這類物質，放在空氣中會變成酒。當時，原始人類並不知道有微生物的存在，後來經由法國人巴斯德發現，酒的形成是由微生物所引起的，人們才逐漸認識微生物。酒可說是最早的發酵產品，當時由於沒有近代科學，人類只是利用飄浮在空氣中或附著在原料上的微生物，讓它們進行製造產品的工作，我們稱這種現象為「自然發酵」。利用自然發酵生產的物質很多，例如前面提到的酒、醬油、豆腐乳、麵包、饅頭、味僧等，這些都是我們老祖宗遺留下來的生產技術，而這些傳統發酵產品，全部是微生物的傑作。
微生物可說是傳統發酵產品的生產者。可是，為什麼現代醫學及生物科技會用到此聽起來像食品加工技術呢？主要是利用微生物的快速繁衍特性。例如：眾所皆知的胰島素，控制血糖的重要酵素，有幾億美金的藥品市場。早期是由動物的腦下垂體萃取，再改為化學方法合成，但是，還是趕不及高血糖人口快速增加的速度，因此，微生物發酵技術就用來改良此需求。首先由人或動物的細胞中，找到生產胰島素的那段基因，然後，用上述一種叫做「限制酵素」，如同用剪刀般將它從一大串D基因的DNA剪下，另外，有些生物學家也利用化學合成法這段基因DNA，將基因組成成分的核酸原料用化學法合成胰島素基因。找出控制生產胰島素的基因後，接下來的問題是如何讓它大量生產。繁殖速度最快的生物要算是細菌例如：十分鐘分裂一次的特性，大家都有這樣的經驗:一小滴糖水暴露於室溫中，經過一天，糖水中就有千萬個細菌。生物學家就是將胰島素基因導入細菌體內，利用細菌二十分鐘分裂一次的特性，進行培養。經一夜之後，所得到的億萬細菌均有胰島素基因，因此，能依上述轉錄及轉譯的遺傳原理，將細菌當作生產工廠，大量製得胰島素這種蛋白質，軌可得到量多而價廉的產物。換個角度看，大腸桿菌可以製造生物零件，尤其是人類的。大腸桿菌這個工廠會製造各種生物零件後，再加以組裝，是否可完成某些人類的生物功能？如同先生產汽車零件，再加以裝配成汽車一般。就技術而言，這並非難事。
丙. 基因重整技術
「基因重整技術」，會是二十一世紀相當重要的技術，不僅具商業價值的爆炸力，亦是各國科學界一直要求自我約束的技術。還記得史蒂芬史匹伯導演的侏邏紀公園吧！故事中的科學家重新造出活生生的恐龍，其利用琥珀的蚊子化石中，採得恐龍的DNA，再以同是爬蟲類--青蛙的DNA，修補缺失的部份，就這樣子重新創造出活生生的恐龍，而這就是利用遺傳工程之基因重組技術所做的事。將「恐龍的DNA，再以同是爬蟲類--青蛙的DNA連接，修補缺失的部份，而製造出恐龍」就是利用DNA基因重組技術。當然，電影說得容易，實際上要複製恐龍還是有很大的差距喔！
重組DNA技術(Recombinant DNA technology)又稱基因遺傳工程，其發展建立在過去四十多年分子生物學的成果上，是分子生物學之延伸應用。其原理是利用可切割特定DNA序列的”剪刀”(限制酵素)，將來自不同生物的DNA切割成數段，再以可連接帶有相同核酸黏合端序列之不同來源、大小之DNA片段的”漿糊”(接合酵素)，將特殊DNA片段與載體(vector)進行接合，形成重組的DNA，並將這重組DNA片段再經基因轉形方式(transformation)送入宿主細胞(host)中，以篩選標幟培養基篩檢重組核酸之細胞株，以南氏雜交 (southern hybridization)方法來確認外來核酸的轉殖，經由宿主細胞不斷的分裂，而可持續的複製這DNA片段。基因工程技術操作是將複雜且不同生物基因中，利用生物之核酸合成單位同為A，T，G及C四種簡單及相同的成份的特性，可使用簡單而相同的生化反應來進行基因操作，並用於不同生物間作基因之轉殖。其操作時有四個主要的工具，(1) 限制酵素(restriction enzyme)，(2) 接合酵素(ligase)，(3) 載體(vector)，(4) 宿主細胞(host)。整個基因工程的技術實際上也是這四個工具的組合及相互配合，以達到最佳的基因表現或基因轉殖的目的。亦即生物學家可以設法將選取的DNA與另一段不同生物的DNA互相結合，兩者的DNA經接合，並有新的產物出現。以細菌為材料，將重組DNA放入細菌中，利用相同的酵素將所選擇的基因，於是重組DNA便能在細菌體內進行複製，並進行轉錄、轉譯合成蛋白質。
簡而言之，科學家利用一種作用像剪刀的物質將基因剪開，然後接上一段新的基因，再利用一種有如漿糊的東黏上。於是，原來的基因就有一段不一樣的新基因，就可生產所希望的物質了，這種就是「基因遺傳工程」。事實上，今天的遺傳工程已經成為重要的科技，能夠製造各項產品，如醫藥品、農產品等，所得到的新物質對人類有很大的貢獻。例如B型肝炎疫苗、治療糖尿病的胰島素等，這些以往昂貴的藥物都靠遺傳工程的技術大量而廉價地生產，遺傳工程真是自然界神奇的魔術師呢！因此結論是，「如果能夠將基因重新排列組合，也許可以製造出我們所希望的任何東西」，夠嚇人的！
丁. 表現序列標籤（Expressed Sequence Tag, EST）
這個名詞，對目前社會相當陌生，但是在未來十年內，會是很重要的基本名詞。將會逐漸常出現基因蛋白體研究、新醫藥、及生物資訊，這些生物科技中。從上面的基本簡介，將基因的指令轉成對應蛋白質的過程，有賴於RNA這個仲介者來執行。任何一個細胞在某個時間內，只有少部分的基因受到活化。有個稱作RNA聚合酵素會順著活化的基因往下讚取，製造出與DNA之互補的一條RNA（即前述的轉錄），然後該RNA被送出細胞核，進到細胞的本體，再被某種稱作核糖體的分子機器會抓住RNA，讀取上頭由每三個鹼基組成的密碼，再由每個代碼所對應的胺基酸及會辨識代碼的轉運RNA分子運送，一個接一個的胺基酸就依序連接組成蛋白質，直到形成完整的蛋白質。（即前述的轉譯）。
因此，產生蛋白質的關鍵為，信使RNA的生成。從一九七O年代初期基因工程的時代開始以來，產生純化蛋白質的方法就是先把相關的信使RNA分子分離出來。例如：某些凝血因子是由肝細胞所製造，因此肝臟就是該因子訊息的最佳來源，反之，胰島素係由胰臟所生成，要分離胰島素的基因，就該從含有最多胰島素RNA的組織著手。但由於RNA的性質不穩定，容易斷裂，因此純化出來的RNA會再轉製成對應的DNA保存（主要是利用A＝U，C＝G配對概念，製造出所對應的DNA）。這些由RNA分子所複製成的DNA備份，稱為「互補DNA」，即cDNA。為何要如此做呢？是否能用人工合成？那是由於一條cDNA的長度平均很長，無法直接用傳統機器發法生產，所以需要靠微生物複製。因此，為了儲存及複製這些基因，研究人員會將cDNA分子插入合適的，像是小型的細菌染色體中（即所謂的載體）。這種儲存在細菌的收藏，稱之為「cDNA圖書館」，代表著某個細胞中活化基因的剪影。所以，任何的cDNA可以藉由培養該類細菌，再分離選取而得。將該DNA分離純化後，在利用機器定出cDNA序列，最後，把從每個CDNA得出的兩百到三百個鹼基序列，與先前已經鑑定出已知的基因序列加以比較，而這些已知的基因還可能來自各個不同的物種，就可以知道這些DNA是從哪一段染色體裡來。他把定出的每一段CDNA序列取名為「表現序列標籤」（expressed sequence tag, EST），這個名詞注定會成為分子生物學家的常用字彙。
戊. 製造複製動物物的技術
（精子＋卵子）→ 受精卵 → 幹細胞 → 胚胎 → 細胞分化 → 各式不同功能細胞出現。
使一個受精卵誕生出兩個以上的生物，亦即複製完全相同的遺傳基因，製造出另一個個體的技術就稱為無性繁殖，而製造出來的動物品腸乙則稱為複製動物品腸乙。最先研創出的複製動物技術，當受精卵分裂成六十至一百個細胞時，並不是將每一個細胞都弄散，而是一面用顯微鏡觀察，一面用小刀將細胞切成兩半，稱為「卵分割」的方法。若將兩個都送回一頭雌性動物的子宮內，就會變成單卵雙胞胎，如果分別送入不同雌性動物的子宮內，則該動物就會同時生出兩隻遺傳性質相同的孩子。這種技術既簡單，成功率又高，所以不只是牛，也已實際運用在豬、羊等的生產上。
可是，與其只是將胚胎分割為二，不如在受精卵剛開始分裂時，就分別把已分裂的細胞當做各別的細胞，並將每一個細胞當成與原來的受精卵相同的東西來處理，以使生產效率更為提高。因為所有的細胞都含有遺傳基因，所以垃不是怎麼樣的細胞都能經過分裂、增殖，而讀出資訊組成身體。構成內臟或皮尚等的體細胞會各自知道自己的作用，這是基於什麼樣的機制雖然還不知道，但是除了自己所完成的功能以外，其他遺傳基因是不會再起作用的。例如皮膚再生組織細胞，只有稱為基底細胞的部分才會進行細胞分裂，並且只會產生構成表皮的細胞。而成為表皮的細胞，雖然帶有遺傳基因，卻已失去了分裂和增殖的能力。我們將這樣的狀態稱為「已經分化」，如果細胞已經變成這樣，那就無法擔任替代受精卵的角色了。受精卵的遺傳基因能夠分化成該生物所需的全部細胞。當細胞分裂不斷地進行，則構成哪個部分細胞的方向越明確，該細胞的遺傳基因活動的範圍就會越狹小，而此時的問題在於喪失全能性的時期。所以，要複製動物或人類的組織，就需集中在尚未分化明確的細胞，也因此人類幹細胞（即分化未完全、功能還未確定、處於一片混沌的細胞）的研究，才會引起爭議。
己. 在解開人類基因的DNA定序
DNA生物技術之應用
3.9 在農業上
經濟作物-蘭花的改良
將遺傳基因操作的技術實際應用在植物方面，因此在短期間內培育出的植物，確實只含有所需遺傳性質的技術已成了事實。這也由於與動物的情況不同，不會有所謂生命倫理的問題，所以品種改良的範圍能夠在短期間內就擴大了。第一次實際應用的植物生物科技，就是稱為細胞培餐、組織培養的技術。喜愛蘭花的人應該注意到了，價格曾經很昂貴的蘭花行情開始下跌。這也是因為利用這種細胞融合技術（與「基因重整技術」基本概念相似，只是用兩個整個不同細胞下去做重整，無法直接控制想改變的特定目標。），現在已經能夠大量生產品質良好的蘭花。此技術的關鍵在於從植物中抽出細胞組織的小碎片，然後加以培餐、增殖，栽培出與原來的寅體相同的植物，是一種無性繁殖的技術。最近也成功地複製了稻米，實際應用的技術範圍正在擴大。專家已經發現，不管是植物細胞或動物細胞，只讓兩個細胞接近而變成一個集合體的情況雖然不尋常，但是若使用某種方法，就會產生稱合而為一的現象。蕃茄與馬鈴薯因為同樣是茄科，所以能培育出融合雜種。不僅是蕃鈴薯，連煙草也有人正積極地利用細胞融合來進行遺傳基因的插入或交換，試圖改良煙草的品種。
可是，由於細胞融合是將彼此的整個細胞的遺傳基因組全部帶入，所以會出現什麼樣的性質很難預料。從品種改良的觀點來看，只將特定的遺傳基因植入細胞內，應該會較有效地發現所期待的遺傳性質。例如：以植物的實用價值來考量，若有能使果實變大的遺傳基因，其利用價值就會變大；要是有能控制開花的遺傳基因，商品的價值就會提高，例如：人蔘的栽培。以往一向是採行溫室栽培或控制日照時間等方法，但是藉著利用遺傳基因進行露天栽培，或許就能培育出可行的品種。並且，若能藉由外來的遺傳基因讓從太陽光攝取能量的光合作用所需的酵素量增加，那麼在惡劣的條件下也能促使農作物增產。基於這樣的需要所研發出的就是﹁在種類不同的生物或不同的遺傳基因之間，以人工的方法把彼此的DNA接連起來，亦即「遺傳基因重組技術」，或者稱為重組DNA技術。亦可以以人工的方法製造並送進能抑制這種遺傳基因作用的DNA，應該就能夠妨礙促進成熟酵素的製造。這種另外送進能抑制特定遺傳基因作用的遺傳基因，製造某種特定物質或某種作用。此種方法用來彌補植物商品的缺點，提高商品價值的技術很好用，所以未來利用範圍相當廣泛。
基因槍的應用在植物改良
把遺傳基因放在如敬彈槍子彈般微小的粒子上，然後射進細胞內的方法，近來已逐漸受到矚目。這種由美國的康乃爾大學所研創，稱為微粒槍法的技術，是在遺傳基因的表面塗一層鎢的金屬粉末，然後藉由壓縮空氣強力直接打進細胞內，之後，就會開始進行轉物及轉譯製造所需的蛋白質或特定物質。美國的農產業已經將此方法運用在稻米的遺傳基因重組上，使這個方法日趨實用。那麼，採用這些重組技術，至今已成功地能控制將其什麼功能的遺傳基因，植入什麼植物裡呢。在此列舉如下：
1.可耐除草劑的基因：農作物生長時，一些雜草也會同時生出，若將所生長的植物植入耐除草劑酵素的遺傳基因，或能完全分解除草劑酵素的遺傳基因植入農作物裡，即使噴灑除草劑或特定環保的除草劑，以清除雜草，也不會造成所需的經濟農作物枯萎。事實上，目前已成功地轉換了煙草和蕃茄、馬鈴薯等農作物的性質。
2. 抗蟲性強的基因：某種細菌在製造孢子時，會分泌具有殺蟲性的蛋白質。很奇妙的是，將這種蛋白質直接加進昆蟲的體液內並不會產生毒性，不過當昆蟲吃進細菌，經過消化液分解之後，蛋白質就會顯出毒性了。因此，藉由引進稱為細菌的毒素蛋白質的遺傳基因，將其加在植物的基因內，便有可能使植物變得能抵抗蟲害，這類基因很適於像棉花等，非食用植物的抗蟲性品種，有助於提高農作物的收穫量。
3. 抗菌性強的基因：植物的生病，也是影響農作物豐收的變化因素之一。不僅是病毒性的疾病，對細菌性疾病方面，有時也需要製造可去除細菌在植物體內所分泌出毒素的遺傳基因。換個角度說：細菌本身會分泌毒素造成對植物的迫害，但同時也會有分泌消除這些毒素的酵素，以保護細菌本身不被受侵害。因此，只要從細菌拿出保護酵素的基因，送進目標植物內，便能使之產生抗細菌性。
4. 抗病毒高的基因：若將形成病毒外皮的蛋白質遺傳基因，或毒性已減弱的一部分或全部病毒的遺傳基因植入植物中，就會形成一種針對植物病蟲害的疫苗，藉以抑制病毒的增殖和發病。同樣的，已成功地使煙草和蕃茄、馬鈴薯等具有抗病毒性。
事實上，使用遺傳基因重組來改良植物的課題，其中規模最龐大的技術，無疑是：改善植物的光合作用的效率。植物是利用太陽光等光能，來製造由二氧化碳和水所構成的碳水化合物，即人類的食物，整個過程即所謂的光合作用。這是地球上最大的有機化反應，光合作用產生的能量，若估計其一年固定的能量，可以高達人類消費總能量的十倍。在為石油和核能等問題而苦惱的我們看來，這種能力真是叫人羨慕極了。解開這種機制，然後開發出新的能源是人類最大的夢想。
為解開此機制，第一步就是要研究出藉由提高植物的光合作用的效率，來增加農作物收穫量。同時，此發展亦可以適用於已被視為地球溫室化的罪魁禍首，二氧化碳，將其固定在植物上，免得散在空氣中。光合作用的簡單說明，就是植物首先透過葉綠素來吸收光線，將光能轉換為化學能量，然後使用這種化學能量，及利用空氣中的二氧化碳製造出有機物。從二氧化碳分離出碳，而使之變成碳水化合物的過程中，因為牽涉到好幾種酵素，所以很複雜。如果克服此困難時，就有可能使稻米、豆類或主要的蔬菜增產，而有助於解決糧食問題。同時，若再使植物吸收在空氣中持續大量增加的二氧化碳，或許也能防止地球的溫室。
農業用的微生物製劑
農作物為了使其長的較好，通常會使用化學肥料，可是化學肥料使用太多後，衍生相當多問題，如：農藥殘餘，環境污染。最近媒體上常出現有機農業、安心蔬菜、精緻農業等名詞，你知道這些是什麼嗎?其實，這些都是針對日益嚴重的環境污染而產生的新農業革命。二次大戰結束後，由於人口的增加以及可耕地減少，人類為了提高單位面積的產量，大量施用化學合成的農藥與肥料，以消滅農作物的痛苗與害蟲。最後，雖然達到了目的，但也造成環境的污染，而農作物上農藥的殘毒，更直接危害到人體的健康。近年來許多怪病不斷出現，癌症患者年齡的下降與擴散，都與農藥的濫用有關。
為改良此一環境問題，近來由於生物技術的進步，科學家把來自天然界的微生物，利用菌種改良技術，增強微生物的作用能力，調製成粉末或液狀的產品，叫「微生物製劑」，其中用在農業方面的，就是微生物肥料。這是一種含有活性微生物與酵素的產品，施用在土壤、種子或幼苗上，可增加土壤中的養分，更重要的是，可以補充土壤中被農藥與污染物殺死的有益微生物，讓生病的土壤活過來，再度恢復生機。微生物肥料的種類很多，較有名的如根瘤菌，這種微生物可以將空氣中跑來跑去的氮固定成植物可以利用的胺基酸。由於豆科植物可以和根瘤菌共生，形成根瘤，增加氮的來源，這麼一來就可以減少化學氮肥的用量，所以，根瘤菌的產品就是一項典型的微生物肥料。平常我們可將家裡的菜渣剩飯收集起來，做成堆肥，只要在製造過程中添加堆肥專用的生物製劑，就成了一種微生物肥料，微生物肥料是拯救土壤的有效方法之一。同理，科學家亦利用生物技術，發展出替代傳統化學農藥的無公害農藥，稱為生物性農藥。這些來自生物的農藥中，最有名的是「微生物殺蟲劑」。例如，利用一種屬於桿菌的蘇力菌，它對人體無害，卻足以殺死蔬菜上的害蟲。微生物殺蟲劑與傳統農藥相比，價格較高，殺蟲藥效較為緩和，並不曾馬上看到害蟲死掉，這些缺點使得推廣受到限制，使用尚未普及。
科學家近年來更利用遺傳工程技術，將蘇力菌細胞能夠殺死害蟲的基因，直接轉移到作物細胞中，這樣一來，農作物自己就會製造殺死害蟲的蛋白質，而不必再施用任何農藥，就叫做基因轉殖植物，所以栽種時不必噴灑農藥，就可長得很好。目前，一些先進國家已發展成功的基因轉殖植物的種類，有玉米、小麥、水稻與棉花等。科學家期望在不久的將來，人類可以解決農藥所帶來的污染與為害，讓大家可以吃得更安全、更放心。但是衍生出的「基因食品」問題就是爭論性非常大的議題。目前成功的有玉米：大豆、番茄、馬鈴薯、油菜與稻米等。這些新品種植物本身，都具有抵抗病蟲害或殺草劑的能力。
愈來愈多的新種青菜，會是利用基因轉殖植物增長成功的。以番茄為例，大家都知道，番茄放不到幾天就會變軟，甚至腐爛，所以無法長期貯存，若要從產地運到市場販賣，一不小心就會被壓壞了。而目前利用遺傳工程改良過的新番茄，不僅顏色鮮艷，大而可口，貯存時間也延長了許多，好處真是不少呢。最近，用海水栽種出蕃茄，但是吃起來不鹹，以及沙漠中的抗旱性強的蕃茄，皆是舉世注目的震憾性農作物。試想，海水面積佔地球的五分之四，此農作物，不就是暗示到世界各地均可存活植物，也許可解決食物及飢荒問題。
除利用遺傳工程技術外，另外有科學家將不同種類蔬果的細胞融合，塑造出兼具兩種蔬菜特色的新青菜，如白菜與甘藍融合成的新種青菜也已出現了! 這類以新科技開發成的作物，雖然經過美國、加拿大政府的核准，確認安全上沒有問題，但也有一些人擔心把這些新品種的蔬果吃下肚子，恐怕不太保險。更有趣的是，當科學研究人員為這些改造過的「新」物種申請發明專利時，遭到宗教累人士的相當強力的反對，因為那些科學家是人，怎麼能跟神比!只有上帝才能創造萬物，人類若能創造新種生物，那不是與上帝同樣萬能了嗎?因此，不難預料道：基因技術所引發的問題，對宗教激進份子將發生強烈衝突。
3.10 在環保上
伊拉克與科威特發生波斯灣戰爭時，科威特石油田曾遭破壞，大量石油流到海洋，污染了海域。後來科學家綜合各種方法，才解決這些污染;其中之一就是培養細菌來分解海面上的浮油。其實細菌可以吃掉許多污染物，石油只是其中一個例子而已，其他如多氯聯苯、重金屬以及工業廢水、廢棄物中所含對人畜有害的物質等，都可以被細菌分解。大家知道目前地球的土壤與海洋污染的情況非常嚴重，尤其隨著工業的發展，人類會製造農藥來殺死害蟲，以增加農作物產量，並生產日常生活的便利產品。但這些科技產品多半不易在自然狀態下分解，例如塑膠製品就必須超過一百年，才能在土壤中分解成小分子。再加上這些化學物質很多都是對人體有害的，人類長期生存在有毒物質環境下，致癌機會大增，近年來許多症狀怪異的疾病，就與污染脫離不了關係。要去除這些污染物質，又不曾造成二度污染，最有效方法就是利用細菌來分解。
大自然中微生物的種類非常多，我們可以用特殊方法捕獲一些有用的細菌：這些細菌細胞中含有特別的酵素，能夠將有毒物質分解成為養分，這一點是高等人類辦不到的。 但有些具有這種功能的細菌胃口並不好，分解污染物速度很慢：生物學家便利用遺傳工程技術來改良這些細菌，以提高牠們的分解能力，快速將污染物吃掉。細菌經過改良，並且大量培養後，可以製成粉末狀或是被狀的細菌產品，以商品方式行銷世界各國。這種細菌產品直接灌進已遭受污染的土壤之中，細菌吃掉污染物之後，土壤就會恢復原來的生態，而能重新種植作物；地下水也可用這種方式再提供人類使用，這種技術叫「生物復育」，也就是靠著微生物清除污染物，恢復原有土壤的功能。當然，細菌也不是萬能的，並非所有毒害物質都能以此種方法清除。
在人體上
3.11 老化基因的探討？細胞可活到永遠？自由基與抗氧化物。
試想人體胚胎發育的奇蹟：由一個帶有四十六股核酸的細胞，居然可逐漸發展一個人體，分化出千萬兆、各就各位的細胞，組合成各種組織及器官，彼此協調運作。事實上，人體有些細胞是不斷再更新，皮膚和血液細胞每隔一兩個禮拜即會更新，牙齒也全部替換過一次；肝臟細胞萬一受損，很快就可汰舊換新。大多數的傷口也在短時間就可痊癒。骨頭斷了，也可復原。皮膚、骨頭和肝臟有了缺損，都可以長出新的來彌補。但有些組織，如心臟和腦部，就是無法再生。但是因物種不同，有些器官、組織的更新來說，有很大的差異。例如：最常見有些蜥蜴尾巴被切斷之後，新的尾巴就開始長了。雖然人類身體的確有能力修護損傷、淘汰壞掉的部分，但這種能力還是有限。為什麼身體不能永無止境地汰舊換新呢?尤其是人類為何會老化呢？
衰老是最難解的演化之謎。導致衰老、造成壽命有限的近因機制為何?最近的研究已找出幾個答案。自由基(free radical)就是造成老化的原因之一。自由基是活躍的分子，會破壞所有與它接觸的組織及DNA。但是，人類身體也發展出一些防禦機制，特別是產生出超氧化物歧化酵素(superoxide distumase, SOD)。這種抗氧化酵素可在自由基造成破壞之前，將之中和去除其活性。因此，如果缺乏正常的SOD，則會造成肌肉萎縮側索硬化症(Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS)，又名魯蓋瑞氏症，會有肌肉逐漸地萎縮、無力的現象，導致最後呼吸衰竭而亡，所以死亡率很高。此病名源於美國非常有名的職業棒球選手魯蓋瑞，另一位著名的病人則是物理界的天才霍金（Stephen W.
Hawking）。各種物種身上的自由基濃度和其壽命的長短有直接關聯，從一方面來看，自由基造成的破壞確實是衰老的近因，但從另一面來看，也可看出天擇對防禦機制調整的恰到好處。
除了SOD，其他著名的抗氧化劑如：維他命C，胡蘿蔔素等，可於一般報章雜誌見到，不再贅述。另一種防禦自由基的抗氧化物為尿酸，此物質在血中的濃度也和物種的壽命息息相關，大多數的哺乳動物還有這種能力，但人類已經失去破解尿酸結構的能力。有書認為尿酸有延年益壽的功能，有很多人尿酸鹽很高，高到有痛風的危險，但生命平較長。因為尿酸可清除活躍和有害的氧化物方面，效能卓越，例如對付氫氧根基、超氧陰離子、單氧分子和高鐵物質的中間產物。人類體內較其他低等的靈長類相較之下，有較高的尿酸鹽，或許這就是人類壽命比較長以及癌症發生率較低的重要原因之一。但是，由於尿酸結晶會沈積在關節液中，造成痛風。腳趾因痛風而疼痛難忍，大概就是延年益壽的代價。而這種基因因為有延緩衰老之效，所以得到天擇的青睞。此外，這種基因使得老化的腳步減緩，但從成年開始即必須先付出代價。
另外，從比較長壽的物種身上也發現，這些物種具有較高濃度的DNA修補酵素，來修補異常及損壞的DNA。如果這些修補機制有出了問題，可是天大的災難。除突變外，還有其他的重要來源會傷害DNA。我們的雙螺旋不斷受到宇宙線、伽瑪波、紫外線幅射，以及放射性元素衰減等的攻擊：這些輻射線就算不造成直接的傷害，也可能在通過的路徑中，留下自由基，一種具有危險反應性的化學物質。這些化學物質碰上任何東西，都會進行反應，其中也包括DNA。生活裡的每一天，每個細胞中基因組內成千上萬的鹼基，都遭受到清除、化學結構改變，或彼此形成不正常聯結的威脅，影響到基因組的完整性。為了修正這些可能造成潛在災難的突變，細胞配備有品管的酵素，使得雙螺旋處於經常性的監控之下。其中使用的一種策略，是由三個酵素組成的小組，切除發生錯誤的鹼基，再由正確的字母填入空缺。若有更嚴重的錯誤，會將雙螺旋的其中一股，切去約二一十個連續字母的片段，然後再迅速補滿。另有一種修補機制，稱作不相容配對的修補，可以辨識錯誤的配對，這個機制經過幾億年來的演化，仍保存完好如初。
事實上，天擇反倒偏愛會導致老化的基因。由此可見DNA的破壞是天擇的力量，然而正如超氧化物歧化醣和尿酸一樣，天擇也找出了一個因應之道。因此，截至目前為止，並沒有發現所謂的長壽基因。一些長壽的人，最主要的特色是沒有那些老年疾病的困擾而已。
3.12 突變及單點基因多型性的影響
人類之所以存活至今，有賴於DNA上的突變。對所有的生物來說，突變給DNA的序列裡帶來變化，是造成演化的根本。「突變」二字，通常帶有貶抑之意;該名詞只保留給出現機率不到二%的DNA變化，其餘更常見的變化稱為「多形性」（polymorphism）。人類基因組裡不到五%才是真正的基因來看，許多DNA序列上的隨機變化，通常沒有什麼大礙；因為它們很可能落在不重要的垃圾DNA區段，或是目前我們還莫測高深的位置。但如對基因組的傷害，則會有些改變影響到整個染色體，有的只是單個字母，有的是改變了染色體的數目，比如多數的唐氏症候群，是由於多了一條二十一號染色體之故，或是染色體的某條臂上有大塊部分產生重組，造成嚴重的先天缺陷。染色體上從幾千到上百萬個字母的段落，可能產生重複、倒置、替換，或消去，而可能改變了上百個基因的數目、完整性，或表現。有些變異相當怪異，像是DNA反覆區段的大量擴充，例如CAG-CAG-CAG……，造成亨汀頓舞蹈症以及幾種其他的神經退化失調症狀。有時，基因組受到惡徒似的重複序列到處任意插隊，而破壞基因：還有其他的基因會受到遠在成百上千個字母以外的DNA變化，而影響到本身的表現。最後，只要在我們具有三十億個字母的遺傳密碼中，改變其中一個字母，就會產生更微妙的變化。
單點基因多型性
人類細胞會不斷自我更新，而每回有個人類的細胞要分裂，就要忠實地將DNA二一十億個字母複製一遍;這項嚇人的工程需要一整個複製酵素軍團，進行七個小時才完成。因此其中偶爾出點差錯，也毫不奇怪。合成DNA新鏈的分子機械裝備，對於在新鏈上安裝與原有模版對應的字母來說：C對G，A對T等等，成效卓著：大約每安裝一萬個字母，才會插入一個錯字。但進行合成的酵素同時也進行校對的工作，修正明顯的錯誤，而將失誤率降到每千萬個鹼基，才只有一個錯誤。DNA複製約次數越多，產生錯誤的可能性也越大，可以從某些遺傳疾病的突變率與父母的年紀相關這一點看出;其中最為人所熟知的，就是唐氏症了。造成的原因是卵子形成時，多帶了一條二十一號染色體。男性在這方面，因為精子要比卵子進行更多次的分裂，因此，其發病率與父親年齡之間成正相關的報告，已所在多有。
對兩個人而言，在整個基因組算下來，兩個人之間雖然大部分的基因相同，但仍有三百萬個序列的變化的差異性，而每個基因都有好些功能上重要的拼法不同。但這些變化對於基因的功能可以有相當大的影響。不同人之間最常發生變化的部位，稱為「單核酸多形性」（single nucleotide polymorphism, SNP），簡而言之，即在長達數萬相同字母的基因中，只有一個字母與別人不同，而使物種本身產生與正常相當大的差異性。這對於醫學的未來，將扮演決定性重要的角色。有多達三百萬個變異，分散在三十億個可能的字母間，包括幾萬個基因在裡頭，我們不得不對人類基因組當中的無窮變化之源，發出敬畏之感。
例如：SNP的重要性可顯示在人的膚色上。自從十萬年以前，人類從非洲出走到世界各地以來，黑色素的保護作用，就變得沒那麼重要。因為人越往北走，陽光漸少，因此皮膚就需要吸收更多日光中漸減少的紫外線，以製造維生素D。因此，歐洲人擁有較淡、較白的膚色，但是，由於需要大量的吸收，造成皮膚的防護機制較弱，因此，較白的膚色的副產品是，曬傷及皮膚癌的風險增高。以澳洲人為例，終其一生，平均21個人當中會有兩位得到皮膚癌。一項出色的研究報告指出：以數十位有淡色皮膚、雀斑，及紅髮的人士為對象，檢查他們體內製造該蛋白質的基因序列，發現讓人驚訝的SNPS型態，也就是在基因序列上一些單一字母的變化，造成某些蛋白質的活性下降，雖然還有許多影響膚色的因子，但這樣單一基因上的變化，就造成膚色及髮色有重大的影響。
很多人都認為基因突變會得病，是不好的生物表現。但是，「水可載舟，亦可覆舟」，由於新聞媒體花了太多的篇幅，報導人類與突變的戰鬥，如何對抗數以千計的癌症及遺傳疾病，造成一般人很容易忽視有些遺傳序列上的自發性變化，對人類其有實質的益處。例如：好些年來，有運動員為了想增強身體的攜氧能力，而非法使用紅血球生成素，那是由腎臟生成的天然激素，能刺激紅血球的複製與分化，因此可造成大量的氧氣運送，對運動員而言，提供氧氣的增加，代表著跑得更快，游的更遠，成績更好。。一九六四年冬季奧運兩面金牌得主，芬蘭的越野滑雪健將曼堤，本身有負責製造紅血球的蛋白質受體（Epo）的基因的突變，此基因會造成生體持續接受及傳遞需求紅血球的訊息，因此不停的製造紅血球。由於不停續製造紅血球，曼堤身體直到數目比正常人高出25%至50%，大幅增強了這位滑雪選手的攜氧量及耐力。曼提阮塔的突變，即行內人所稱的體染色體顯性輕度紅血球增多症。
能拿金牌當然很好，但其有對抗人類免疫缺陷病毒HIV，即愛滋病毒的免疫力，可是更珍貴的事。其原理就是利用突變概念，位於白血球表面（HIV病毒在進攻身體時的目標）的一種蛋白質叫CCR5受體，發生一種自然突變，使得HIV無立足之地，因此，HIV病毒就無法進入宿主的細胞來造成破壞。還有一小部分人口的CCR5基因有所損壞，其中少了二一十二個字母，以至於無法合成該受體。這些人就算反覆接觸到愛滋病毒，也不會遭受感染，因為該病毒無法進入細胞進行複製及轉譯。
3.13 導致疾病的基因及基因治療法：
亨汀頓舞蹈症
1993年3月，一組包括六十位成員的國際合作研究團隊，完成了號稱史上最偉大的追獵遺傳基因行動，也就是發現了亨汀頓舞蹈症的基因，那是目前無藥可醫的一種神經退化疾病。亨汀頓舞蹈症的命名，是紀念一位美國醫師亨汀頓。這些患者多數是在1630年左右定居在美國東岸的英國移民後裔，一代傳給一代。這遺傳疾病的特徵：除了軀體出現無情的衰退外，最可怕的是認知功能退化，造成發瘋及自殺，這種病是對一個人進行全面的摧毀。亨汀頓舞蹈症是種顯性的疾病，只要有一個突變基因，就足以發病，但最惡毒的是，患者出生時及童年期都沒有任何發病跡象，只有在成年以後，通常是四十或五十來歲時，才首次出現該病讓人難過的徵候。1968年，魏克斯勒的家族成員將尋找該殺手基因的工作，看成是他們的終生職志，甚至成立了「遺傳疾病基金會」，以資助尋找亨汀頓舞蹈症成因的研究。有位年輕的加拿大遺傳學家於1983年出奇容易地定出了亨汀頓舞蹈症基因的位置，也就提高了大家的期望，認為該基因不久後就能分離出來。由於完全不曉得第四號染色體上重要位置的DNA序列，初期的期望逐漸落空。1993年約三月，亨汀頓舞蹈症基因終於被逮到了。亨汀頓舞蹈症患者的第四號染色體上取得的DNA，與正常人的相比，由三個字母CAG所組成的一段結巴式地反覆，正常人約反覆六次，但在病人身上則拉長到多過四十次。一般來說，DNA反覆的段落越長，發病的症狀就越早出現。
乳癌基因
除了號稱已發現了精神分裂症基因、糖尿病基因、酗酒基因、同性戀基因、肥胖基因、胰臟癌基因、活力基因等層出不窮的基因外，1990年代初期，最出名的基因就是乳癌基因的BRCA1的發現。由於過去幾十年來，美國乳癌的發病率急速上升，終身發病率是九人中有一人，引發女性主義者爆發的怒氣、國會的同情，以及研究經費的撥款。由於對於環境因素對乳癌沒有確切的證據，於是將希望轉向遺傳基因構想。一九八七年，美國前第一夫人南茜雷根公開她罹患乳癌的診斷。1990年終於有所突破。在低於五十歲就發病的家族，在第十七號染色體上，有可信的與癌症相聯結的標幟，亦即遺傳了有問題的BRCA1基因。這個基因存在，會使得婦女罹患乳癌的機率增加到85%，以及患卵巢癌的機率增至50%。最後在1994年9月，一家生技遺傳公司贏得這場生物醫學研究及產業上最受重視基因之一的競賽。事實上，「在我們研究這個題目的二十年間，已有上百萬的婦女死於乳癌。我們懇切希望未來二十年內自己的所作所為，將使另一百萬名婦女兔於因為這種疾病而喪生」
癌症及癌症基因
癌症是由於遺傳基因的異常而引起的疾病，這個事實是在1980年代之後發現的。於1975年美國麻省理工大學的研究小組進行了一個寅驗，把從癌細胞抽出的DNA移植在淺底盤中培養的老鼠細胞內。於是，原本正常的細胞開始癌化，並且無限制地增殖。而不用癌症的DNA，改植入正常的DNA時，培養細胞就沒有發生癌化，現在看來這是理所當然的。由此寅驗可知，DNA內含有某些會導致癌症的訊息，這些訊息一旦起作用，細胞就會癌化。研究小組更進一步在1981年提出報告說，將人類膀胱癌的DNA放進培養細胞裡就會產生癌化，可見是癌遺傳基因的作用使細胞癌化的，此份報告的內容對很多研究學者造成很大的衝擊，許多癌症被可以推測出是有若干個癌遺傳基因的存在。
醫界觀察到，因致癌物質或輻射線等刺激和遺傳基因的特性，而導致某種遺傳基因發生損傷時，細胞就會趨向癌化。而且現在已經證實，正常細胞內所含有的會引發癌症的某遺傳基因，以及會抑制癌症的抑制遺傳基因與癌症的發生有關。譬如，若是因致癌物質的影響而使癌遺傳基因發生異常，並且活動更加活躍的話，就會產生無限制且無秩序地增殖的危險。雖然癌化多半會因其他遺傳基因的作用而被控制住，但要是連抑制癌化的遺傳基因也受到損傷，或是引起遺傳性異常的話，便無法抑制癌細胞的增殖了。也就是說，在促進癌化和抑制癌化兩種遺傳基因一連串的異常化之後，正常細胞才會轉變為癌細胞。這種致癌遺傳基因與抑制癌症遺傳基因，到目前為止已經發現了五十種以上，我們也逐漸了解，主要牽涉的遺傳因子會依癌症的部位而有所不同。值的注意，需要許多因素湊在一起才會導致癌症，單一因素造成的機會非常地低。因此，儘管稱為致癌遺傳基因，其平時主要的作用並非形成癌症，換句話說，即使說是抑制癌症遺傳基因，其主要的目的也不是抑制癌症。要是因某些理由而變傳異常，它們就會朝僱進癌化的方向作用，或是失去抑制癌化的功能。
我們已逐漸在解開癌症發生的機制，能夠說明遺傳基因是如何參與細胞的痛化、致癌物質會對遺傳基因產生什麼樣的影響等發生過程之謎。正常的細胞會轉變為癌細胞？這個根本的問題到目前，還無法直接的答案。從瘤症這個疾病的整體來看，很多病例是因輻射線或某些致癌物質，使得遺傳基因的DNA受到損傷，遵致癌細胞開始發生和增殖。由於皮付細胞的DNA會受到紫外線的傷害，或是經由分裂而產生新細胞的DNA發生複製上的錯誤，我們的體內平時就會產生癌細胞。在大部分的情況下，修復DNA的酵素會將之恢復成正常的排列，或是被免疫系統當作異物處理，所以癌細胞在還未活動之前就被處理掉了。可是，偶爾還是會出現瞞過監視系統，在體內定居且增殖的細胞。目前這種癌症成因的說法已成定論。可是原本致癌遺傳基因或抑癌遺傳基因的排列或構造就有異常的病例也不少。例如以抑癌遺傳基因來說，如果從父親得到的遺傳基因與從母親方面得到的都很正常，這個人對於癌症就有雙重的防備。但是，一旦有一方的遺傳基因天生就不起作用，光是一個正常的遺傳基因發生異常，就會有無法制止癌化的危險性。如此一來，發病率就高了。DNA有異常並非都會遵致癌症，但致癌遺傳基因或抑癌遺傳基因的DNA有一部分生來就有異常的話，就容易引起癌症或是無法抑制癌化。帶有這種遺傳性質時，不管實際土是否已經發生癌症，都必須視為是容易發生癌細胞的體質。DNA的排列若是帶有與原來不同的癌症關連遺傳基因，何時會開始活動而引發疾病便無法預料。
這些致癌遺傳基因是從哪裡來的呢?假如那並不是病毒所特有的，自然而然就會認為那些遺傳基因本來就存在於細胞裡。也就是說，構成細胞原形的遺傳基因存在於細胞內，偶爾表現引發癌症的作用而產生變化的同時，也被拉進了具有在細胞裡寄生特質的病毒裡。實際上以遺傳基因為例，全部的細胞都帶有作為原形的正常遺傳基因，而其中某一個DNA的排列只是更換了一個鹽基，就會有可能轉變為引起癌症的遺傳基因。這些致癌遺傳基因和抑制癌症遺傳基因，目前分別發現了五十種左右。
基因治療法
大家會很好奇的問到：花了大把銀子，去了解人類染色體上的基因順序之後有什麼用處呢?最大的好處之一是在疾病的診斷與治療上。例如有鼻子過敏症狀的人，如果把遺傳基因的排列都弄清楚的話，只要找出基因排列當中，哪個部位與正常人不一樣，就可以瞭解造成鼻子過敏的元兇是哪一個基因，只要將這種壞蛋基因拿掉，再換上好的基因，鼻子過敏的毛病就可以完全改善了，這種方法就稱作「基因治療法」。近年來由於生物科技的進步，基因治療法已發展出，可以治療一些遺傳性或非遺傳性的疾病。基本的原理說起來雖然容易，但是在實際應用上仍有許多困難。因為人體有60兆的細胞，每個細胞中的染色體的DNA要被修復是相當困難的，而且最重要的如何穿過細胞膜，這層細胞的防護牆。目前這項治療法還在進行臨床實驗，尚未大規模正式使用。要使得正常的基因，準確地進入細胞內並發揮功能，方法有很多，其中最重要的是選擇一，就是利用病毒的DNA或RNA，帶著修正後的人體基因DNA利用基因重整方法嵌入病毒內，再利用病毒感染細胞，由外界闖進人體細胞內才行。這些病毒就會進入病人的細胞中發揮功能，取代已經壞掉的基因，當然，這些病毒是經過特別處理，移除毒性。因此，愈會造成人類快速感染的病毒，愈是好的基因治療物的運送者，所以，科學家一直找尋的世紀病毒，如伊波拉或漢他病毒等作為基因治療用。
基因治療法的實驗對象，以癌症病人最多，大約占一半以上，但所花的費用非常高，美國衛生單位每年大約花新台幣五十億元來進行這項研究。本來大家都對基因治療法抱以很大的期望，但從1990年開始的臨床實驗，成效並不是很理想，只有八位小孩，有了初步的療效。基因治療法的成效不如預期的好，的確讓許多科學家感到失望，也許人類仍需加強基礎科學的研究，因為畢竟基因是無法用眼睛直接看到，所以還有許多實驗上的盲點需改善。
阿茲海默症
使人容易得到阿茲海默症（Aizheimer's disease）的基因，也有可能因為對早年有好處而得幸於天擇。阿茲海默症是最常見的老年心智能力退化疾病，六十五歲的人約有5%會得到此症，而平均八十歲得病者更高達20%。長久以來，我們就已經由研究很多家族病例，發現此症與遺傳有關，主要就是在第二十一對染色體異常者（出現三條染色體）造成此得病機率高。1993年，杜克大學神經科專家發現第十九對染色體有個製造蛋白質的基因：脂肪蛋白E四亞型（apolipoprotein E4），特別容易在阿茲海默症患者身上發現。如帶有這種基因者即為高危險群，到了八十歲罹患率可高達40%。到目前為止，我們還不知道有人是否研究過這種會在老年人身上造成阿茲海默症的基因對患者早年有沒有益處。美國國家老化研究所也提出一個相關的解釋：茲海默症的特徵是，在腦部最後才演化出來的部分，出現病變，其他靈長類則無此症狀。因而推測，在過去四百萬年間，使人類腦部急遽增大的遺傳變異，不是引起阿茲海默症，就是帶來一些尚未由其他遺傳變異所干的副作用。很好奇的是，帶有阿茲海默症基因的人，是否在生命的早年，智力就比別人高，或腦容量比別人大，而在老年時，就顯現出基因的疾病。