基因技術與核酸化學
基因技術與核酸化學領域結語：從DNA中獲取資訊和操控DNA
我們可以從生物體（如家畜牛）的細胞中獲取DNA，並從中讀取特定資訊。
我們也能夠透過操縱這些DNA，人工改變其結構，從而創造出新的表現型。
基本概念與定義
基因技術 (Gentechnik)：原則上是對核酸的重新組織。
生物技術 (Biotechnologie)：利用生物過程進行應用。基因技術是生物技術的一個子領域。例如：利用發酵生產啤酒、製作酸麵團。
基因改造生物 (GMO Gene-modifizierte Organismen / GVO Gentechnisch veränderte Organismen)：經基因工程技術改變的生物體。
輔助生殖 (Assistierte Reproduktion)：
體外受精 (IVF – In vitro Fertilisation)：從卵巢中取出卵細胞，在體外（試管中）與精子受精，然後在培養箱中進行胚胎培養，最終將胚胎植回體內。
卵漿內單一精子注射 (ICSI – Intrazytoplasmatische Spermieninjektion)：一種更進階的技術，在顯微鏡控制下精確地將一個精子注射到一個卵細胞中。
成果及其社會影響：
試管嬰兒 (Retortenbabys)：1980年代初在英國首次應用於人類。目前在歐洲國家，試管嬰兒約佔出生嬰兒的 。
批評與顧慮：
IVF兒童的先天畸形率有一定程度的升高。
出生體重通常比自然受孕的兒童低。
某些罕見的印記疾病 (Printing-Krankheiten) 發生率在IVF兒童中有所增加。
這表明胚胎在體外培養過程中可能對其後續整體發育產生影響。
多能幹細胞儲存：在出生時保存臍帶血中的多能幹細胞（例如：Vita 公司），目標是將來可能培養器官，為成人健康預作準備。
動物醫學中的輔助生殖：
超排卵 (Superovulation)：常用於農場動物，特別是牛，以獲得多個卵細胞。
體外成熟和胚胎培養：常見應用。
胚胎選擇：可從目錄中選擇胚胎，再由專業人員（例如：授精技術員或獸醫）植入受體母牛的子宮內，產生所謂的體外生產小牛 (in vitro produzierte Kälber)。
問題：
流產率較高。
可能導致出生體重增加，例如正常小牛體重約 公斤，而經此技術生產的小牛可能因胚胎培養期間生長因子的影響而體重過重。
嵌合體 (Chimären)：
將親緣關係密切的不同動物（如綿羊和山羊）的早期胚胎細胞（以紅色和灰色顯示）混合，產生混合生物體。它們看起來會很奇特，是不同物種間的嵌合體。
在小鼠中，常規做法是將同一物種內不同品系（例如：黑色和白色小鼠）的胚胎細胞融合形成嵌合體。
這些屬於生物技術範疇，不直接涉及基因工程。
基因技術的特點與應用
核心：利用核酸化學知識，將不同的DNA鏈組合成新的分子，再透過分子遺傳學方法創造新生物體。
目的：分析和改造生物體。
診斷應用：
診斷疾病和感染：例如COVID-19大流行期間，透過分析病毒基因組來進行診斷。
透過這些技術檢測胚胎的性別和表現型特徵。
轉基因生物 (Transgene Organismen)：
定義：對植物、微生物和動物的DNA進行改變。
微生物和植物相對容易進行轉基因改造。
近年來，動物基因改造在優化特定性狀或增強疾病抵抗力方面有顯著增長。
聚合酶鏈式反應 (PCR)
基本原理：一種常規的PCR方法。
必要條件：
DNA模板 (DNA Matrize)。
兩個引物 (2 Primer, forward und reverse)，它們必須包圍已知序列。因此，此方法無法用於檢測未知基因序列。
核苷酸 (Nukleotide)。
TAC聚合酶 (TAC Polymerase)，負責DNA合成。
緩衝液 (Puffer)。
熱循環過程：
變性 (Denaturierung)：提升溫度至約 ，使DNA雙鏈分離。
雜交 (Hybridisierung)：降低溫度至約 ，引物與DNA模板結合。
延伸 (Elongation)：聚合酶延伸DNA鏈。
重複此循環約 次。
產物增長曲線：DNA量以數學公式 增長，其中 為循環數。透過個循環，即使只有一兩個DNA分子，也能擴增出肉眼可見的大量DNA。
轉基因生物的定義與生產
定義：轉基因動物、植物或微生物能夠自主繁殖，並將其新的特性傳給後代。
遺傳物質的結合方式：
誘變 (Mutationseigenschaften)：透過化學方法改變基因。
融合 (Diffusion)：將不同基因組結合（例如將一個染色體組 變成 ）。
重組 (Neukombination)：將一個外源基因（例如一個「黃色新基因」）導入細菌，使其生產所需的產物，例如在大腸桿菌中生產人體胰島素。
典型基因結構：啟動子 (Pro Motor)、開放閱讀框 (Open Reading Frame)、終止區 (Stoppbereich)。
選擇標記 (Selektionsmarker)：早期構建體中常包含抗生素抗性標記，以便在眾多失敗事件中篩選出成功的轉基因細胞。
質體 (Plasmide)：細菌基因組外的環狀DNA，可用作載體引入克隆DNA片段。
基因安全級別 (genetischen Sicherheitsstufen)：
在歐洲地區，特別是德國，有S1至S4的安全級別。
任何涉及質體重組的項目都必須向當局申報，因為這些質體具有複製能力，可能在環境中傳播。
重組技術的實際用途
重組蛋白生產：將人類基因資訊導入細菌或哺乳動物細胞培養物，生產蛋白質，如胰島素、生長激素、抗體、病毒顆粒等。這些蛋白質可在試管中以相同方式製造。
藥物開發：截至 年，已有 種重組藥物通過臨床試驗並正式銷售。
新型疫苗：目前用於COVID-19的RNA和DNA疫苗，是直接注射核酸。這些技術正逐漸進入臨床階段。
反義RNA (Antisense RNA)：也正在發展中。
未來影響：預計這些技術將在未來更多地應用於醫學和獸醫學。
基因技術的利弊
優點 (Pros)：
高可用性和成本效益。
無感染風險：例如，細菌生產的病毒顆粒不存在感染風險，因為它們是人工合成的。
提供新的治療策略，如當前大流行期間的疫苗接種。
較少的副作用。
缺點 (Cons)：
有濫用風險：例如，生長激素可用於體育目的，導致不公平競爭。
可能對替代療法（如順勢療法）造成壓力。
將外源DNA導入細胞的技術
直接注射 (DNA-Injektion)：將DNA直接注入細胞，例如小鼠卵細胞的原核或豬的卵母細胞。
電穿孔 (Elektroporation)：在電場中使細胞和DNA共培養，電擊會暫時打開細胞膜，DNA得以進入細胞。
精子載體：利用精子自然進入卵細胞的能力進行DNA的攜帶。
脂質體 (Liposomen)：與細胞膜融合，將其內容物（包括DNA）運入細胞。這是一些RNA藥物的作用方式。
逆轉錄病毒轉染 (retrovirale Transfektion)：具有一定風險，曾有患者因此死亡的案例。
幹細胞轉染 (Stammzelltransfektion)：現代方法，例如結合CRISPR/Cas技術，將基因構建體導入幹細胞，進行培養、分離和鑑定，可獲得 的轉基因後代。這提高了成功率，降低了轉基因動物的生產成本。
動物複製技術
胚胎分割 (Embryo-Teilung)：在胚胎的特定發育階段（因物種而異）將早期胚胎（例如牛的囊胚）切割成兩個相同的部分，產生克隆胚胎。
體細胞克隆 (Klonierung aus Körperzellen)：
將目標細胞（例如乳腺細胞）的核移植到一個已去除自身細胞核的卵細胞中。
多莉羊 (Klonschaf Dolly)：一個典型例子，是在蘇格蘭利用乳腺細胞克隆而成的。
基因標靶 (Genetargeting)
不僅能導入外源基因，也能透過同源重組等方法敲除基因，可用於治療遺傳疾病。
轉基因動物的生產與趨勢
目標：將基因改變穩定地整合到動物的種系 (Erbbahn) 中，確保其後代也能繼承這些特性。
成本與流通：過去生產轉基因牛成本非常高，導致它們身價不菲且被安置在高度安全設施中。然而，隨著新技術的發展，生產成本已相對降低，推動了這些動物的進一步流通。
研究與商業應用範例
研究目的：
綠色螢光蛋白 (GFP) 小鼠：由編碼綠色螢光蛋白（來自完全不同生物體）的基因製成。這些轉基因小鼠在紫外線下或黑暗中會發出螢光，純粹用於研究途徑。
商業化應用（禁止與允許）：
螢光魚 (Glowfish)：一種轉基因斑馬魚，在美國於 年聖誕節首次上市，有綠、紅、藍、黃等多種顏色。在歐盟被嚴格禁止銷售，並被當局沒收。
基因改造作物 (Gentechnisch veränderte Organismen - Pflanzen)：
最早上市：抗蟲或抗除草劑的大豆和玉米。
現狀 (截至 年底)：全球有 種基因改造作物在 個國家種植。
主要種植作物 (2018年百萬公頃)：大豆、玉米、棉花、油菜、苜蓿。
全球分佈：全球許多國家（黃色標示區域）已種植數十年，而歐洲等部分地區（白色或灰色區域）僅部分允許。例如，俄羅斯完全禁止基因改造作物的種植。
轉基因飼料對最終產品的影響：
問題：如果動物食用轉基因飼料（如玉米、大豆、油菜），基因改變是否會傳遞到最終消費者（例如：雞蛋、牛奶、肉類）？
研究結果：在飼料中可以直接檢測到轉基因植物，但在動物的二級產品（如牛奶或肉類）甚至血液中，幾乎不可能或非常難以檢測到轉基因物質。
這意味著，要求將轉基因生產的牛奶標示為「非轉基因」存在風險，因為在牛奶中幾乎無法證明。
基因改造家畜的目標：
提高產品的數量和質量。
基因農場 (Gene Farming)：一個特殊案例，利用山羊或綿羊的乳汁生產藥物，只需透過簡單擠奶即可收集。
疾病抵抗性：培育對病毒等疾病具有抵抗力的動物。
異種移植 (Xenotransplantation)：一個跨學科領域，旨在利用豬器官（例如：心臟、肺、肝臟）來滿足人類巨大的移植需求，這是一個目前再次受到高度關注的研究方向。
醫學動物模型：自數十年來已廣泛應用於醫學研究，主要在囓齒動物（小鼠和大鼠）中。
乳製品「優化」範例：
改變乳蛋白：直接影響乳酪的適用性。
加入抗菌蛋白：防止牛奶變質。
改變脂肪酸：使其趨向更健康的、不飽和型態。
改變乳蛋白的價值：例如，去除導致牛奶過敏的蛋白，使其對過敏者更安全。
早期失敗嘗試範例：慕尼黑大學 (LMU München) 曾嘗試改造牛，使其乳汁直接表達凝乳酶原，以簡化乳酪生產，但該試驗失敗，這些動物並未上市。
商業化轉基因動物實例：
鮭魚生長激素：早期《自然》期刊已展示，轉基因鮭魚（與野生型同齡）由於引入了生長激素基因，表現出更好的飼料轉化效率和更高的生長速度。巴拿馬的 Aquabounty 公司已獲得此專利，並自去年起向北美市場供應這些生長激素鮭魚。
用於異種移植的豬：
美國FDA已批准一種經過基因改造的豬，其細胞表面不再含有α-半乳糖 (Alphagalaktose)。
這使得這種豬對人類不再具有免疫原性，可用於食用豬肉的人類或作為潛在的移植器官來源，因為它不會引發人類的免疫反應（至少在半乳糖方面）。
這代表了基因改造動物商業化應用的發展方向。
批判性思考與倫理考量
生產成本：過去生產轉基因家畜的成本相對較高，儘管新技術正在降低這些成本。
消費者安全：必須確保轉基因動物產品對消費者來說是安全的。
消費者接受度：特別是在德國和歐洲，消費者對轉基因植物的接受度仍然相對較低。
與傳統育種的競爭：基因技術可能對傳統育種方式構成競爭壓力，甚至帶來經濟劣勢。
動物福利 (Qualzuchten)：基因改造可能導致動物遭受痛苦的「質苦育種」。必須透過法規確保排除此類情況。
生態風險 (ökologisches Risiko)：
以轉基因鮭魚為例：如果這些鮭魚逃逸到野外，它們優化的飼料利用率和體型可能對大西洋或太平洋的野生鮭魚構成競爭威脅，導致生態災難。
目前為 minimized 這些風險，通常只在內陸陸基水產養殖系統中飼養（例如：巴拿馬）。在北歐（蘇格蘭、挪威）峽灣中以網箱養殖鮭魚的方式不適用於此類轉基因鮭魚，因為逃逸風險很高，生態後果不可預測。
總結
新技術使我們能夠有針對性地修改動物基因組，從而開闢全新的前景。
迄今為止，轉基因動物主要用於醫療和製藥目的。例如，數十年來，藥物已在羊奶中分泌並相對容易地從中獲取。
預計未來，隨著新技術的日益普及，我們將看到更多用於食品生產的轉基因動物。