2017年12月15日 星期五

No.467《觀念生物學3(全新修訂版)》


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☆★【☆科普探索.無限可能☆】科普漫遊精選叢書★☆

第467期 2017/12/16

觀念生物學3(全新修訂版)

.生物學家、畫家、科學作家、媒體傳播人聯手出擊
.圖文並茂,帶你探索神祕的微生物世界

觀念生物學3(全新修訂版)


  在遍覽了貫穿生物世界的十六種模式之後,現在,請你踏入鏡中世界,造訪地球上最微小卻最充滿生命力的隱形居民——微生物。

  其實,我們能活在這世界上,都多虧了微生物的幫忙。微生物是推動碳、氮、氧等物質循環的幕後功臣,也是把所有生命連結成複雜網絡所必需的「黏膠」。

  說它們是地球生物圈的守護神,一點也不為過!這些小傢伙也是所有生物的老祖宗,當今生物的多樣性,都是從它們單細胞的祖先那兒一點一滴演化而來的。

  想知道這個世界是怎麼運作的,生命又是如何從單細胞演變得如此繽紛複雜嗎?請繼續瞧瞧《觀念生物學3》吧!

觀念生物學3(全新修訂版)

  走一趟小小小世界

  想像你變成愛麗絲,走進奇妙的鏡中世界,你忽然瞬間縮小,變得很小很小,只有原來的二十萬分之一。你發現周遭的世界完全變了樣,簡直像來到另一個星球,裡頭充滿各種稀奇古怪的居民。

  數十公分長、淡紫色的圍巾從你身邊穿過,蜿蜒起伏的朝著未知目的地前進。枕頭般大的綠紫色小飛船在水中打轉,慢慢向你靠近,忽然又發動推進器,「咻!」一下就不見蹤影。閃閃發亮的小東西在地上匍匐前進,變形的身軀像要用透明的液狀物包住周圍的一切。它停下來,盯著你跟你道日安,又繼續前進,沒留下半點痕跡。

  附近有一圈金黃色的豆袋椅,上下跳動著,一會兒彼此靠得很近,一會兒又分開來,像在操場遊玩的小孩子。就在你欣賞它們跳芭蕾舞之際,它們倏地聚攏成一根巨大的長柄,頂端竟冒出像豆莢的東西。在對街,你看見一堆殘骸,那肯定是經歷一場傳染病浩劫後的產物。留下的空殼子漫無目的搖擺,它們的靜默與死寂提醒你這個世界中也有生有死,就和你原來居住的世界一樣。

  這個小小世界的居民正是所謂的微生物,包括細菌、真菌、病毒、原生動物和藻類。大多數人把這類生物視為骯髒的病菌,其實這群「親密的陌生人」不是這麼簡單的東西,沒有它們,地球上的生態系是無法正常運作的。

  在這肉眼看不見的世界裡,蘊藏著數量龐大的微小生物,它們的總數超過整個宇宙的星球數目,質量加總起來則高居地球生物之冠。儘管單槍匹馬的行動似乎沒什麼影響力,群體的力量集合起來時可就非同小可,它們改變了地球的樣貌,創造出充滿氧氣的大氣,這是人類和許多動物生存所必需的條件。現今,這群小東西繼續推動重要的化學循環反應,來維繫地球的生命運轉,它們的存在與活動影響著所有生物的未來。

  這群隱形世界的居民早在人類出現前就已生活在地球上。其實,它們最古早的親戚正是地球上最初的生命形式。我們追蹤它們的演化史,可以上溯到三十五億年前或更早,當時的地球與現今的狀況相差甚遠。我們可以從它們的基因中閱讀其的歷史,而我們(以及其他生物)的歷史則已寫在它們的基因中。當今生物的多樣性都是從這些單細胞的老祖宗那邊一點一滴演化而來的。

  不過這些隱形的小傢伙也不全是善類。儘管我們與大多數微生物相安無事,但是有些種類的細菌(或真菌)就是會和我們或其他動植物作對,造成各種疾病。有一些微生物則是人類熟悉的敵人,我們已懂得因應之道。還有少數是致命的陌生人,可以快速顛覆我們,除非我們可以即刻發動強力的防禦措施。

(本文為節錄,完整內文請見觀念生物學3(全新修訂版)


 細菌可以用人工鹼基合成蛋白質了!當合成生物學遇上中心法則

科學新聞由Pansci.tw泛科學提供

文/李紀潔、羅鴻

生物界中最為人所熟知的機制就是鼎鼎大名的「中心法則(central dogma)」,絕大部分的生物都是以去氧核醣核酸(deoxyribonucleic acid, 簡稱 DNA)作為遺傳物質,然後透過基因轉錄(transcription)製造核醣核酸(Ribonucleic acid, 簡稱 RNA),最後轉譯(translation)並構成有功能的蛋白質。

合成生物學(synthetic biology)致力於將人的巧思放入生物各層次的調控中,以創造新的生命形態和功能。而改造做為遺傳物質的DNA是合成生物學最熱門的題材之一。其中一個驚人的想法便是將人工合成的鹼基對加入DNA序列之中,使生物的調控變得更多元化。

但是要怎麼讓細胞利用人工合成的鹼基對組成遺傳序列呢?要讓生物使用人工合成的鹼基對有幾個難題,其中第一個難關是生物本身並不會生成這些鹼基,所以這些人造鹼基並不存在於細胞當中。所以,科學家不但得要替這些細菌先合成這些鹼基,還要再想辦法讓細菌能夠把這些鹼基「吃到」細胞體內。在2014年,Romesberg 的團隊在三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)中找到了一個輸送蛋白(transpoter),能夠把鹼基運從細胞外送到細胞內。

所以他們將這個輸送蛋白基因以及含有X、Y鹼基對的DNA質體(plasmid)送到了他們的模式生物——大腸桿菌(Escherichia coli)當中。實驗結果顯示大腸桿菌不但可以將在細胞外的X、Y鹼基運送到細胞內,更能使用帶有X、Y鹼基對的質體當作模板複製出新的DNA質體。另外這些帶有人工合成鹼基的細菌沒有出現生長緩慢或遺傳物質剔除外來鹼基的現象。這是第一次科學家成功讓人工合成鹼基X和Y在細菌遺傳物質中複製並且傳遞到子代當中!

如何讓合成的鹼基嵌入的基因被表現及製造呢?為了使人工鹼基的應用變得更加廣泛,Romesberg 的團隊左思右想,想要找到方法讓細菌轉錄及轉譯帶有人工鹼基的基因。而關鍵則在於中心法則裡「轉譯」這個步驟,雖然細菌能夠製造出帶有新鹼基的DNA序列或mRNA,但是沒有tRNA具有能夠辨識這些新鹼基的反密碼子。

為了證明人工鹼基真的能被轉譯成蛋白質,研究人員先合成及在細菌內表現新的一組鹼基對,代稱仍為X、Y(但分別代表dNaM及dTPT3)。接著使細菌表現一個特殊的綠色螢光蛋白GFP(sfGFP),它的特性是在位點151的地方可以放置任何的氨基酸且不會對螢光造成影響。

因此科學家在基因位點151處插入新鹼基,其序列為AXC;並且也設計了帶有GYT反密碼子的 tRNA 並在表現在細菌中。透過螢光顯微鏡的觀察,在有人工合成的 tRNA 的情況下,細菌能產生出帶有人工氨基酸的綠色螢光蛋白,並能成功地發出螢光。此研究證明了這些人工鹼基不但能被轉錄成mRNA,還能夠被人工tRNA轉錄成蛋白質。這振奮人心的成果則發表在了上星期的《自然》期刊上。

合成生物學結合了物理、化學及生物等領域的知識提供了更多元的想法,科學家因而能利用各種生物機制創造出新的功能或生命。只要基礎科學一直有新發現,合成生物學的應用就會無邊無際。讓我們一起期待這些人工鹼基還能玩出什麼新花樣吧!

(本文為節錄,完整內文請見 【Pansci.tw泛科學】
細菌可以用人工鹼基合成蛋白質了!當合成生物學遇上中心法則



 

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