「DNA雙股螺旋結構發現紀念日」69週年產業特別報導

從基因工程、基因體解碼到基因治療 回顧DNA產業發展里程碑

日期2022-04-24
4/25 DNA雙股螺旋結構發現紀念日
1953年4月25日,華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)在《Nature》發表論文,描述DNA的雙股螺旋結構,這項發現讓科學家終於瞭解遺傳物質代代相傳的奧秘,被認為是20世紀最重要的科學成就。
 
所有的生物,包括細菌、菇類、樹木與人,都是利用同樣的DNA分子,以四種鹼基「A、T、C、G」為密碼,編寫生命的資訊。解開DNA結構開啟了遺傳學、分子生物學、細胞生物學,乃至整個生物技術產業的大門。
 
在這近七十年間,有哪些關於DNA的重要技術或研究成果,推動了醫學和生技產業的發展呢?
 

⭐️1973 - DNA重組技術

藉由DNA重組技術,科學家得以將不同生物的DNA片段,殖入另一種生物體內,因而開創「基因工程」時代。在農業方面,科學家得以創造抗蟲、耐旱等特質的基因改造作物;在醫藥產業方面,過往人們大多藉由化學合成製造小分子藥物,而透過基因工程,人們開始能量產大分子(蛋白)藥物。
 
第一個上市的基因工程藥物,為基因泰克(Genentech)在1982年獲美國食品藥物管理署(FDA)核准,以大腸桿菌生產的人類胰島素。
 

⭐️1977 - 基因定序

1977年,Fred Sanger發明了聚合鏈終止法,成為第一代基因定序技術。在1980 與90年代,多種改良版的定序法相繼問世,2005年,將基因打散成小片段來定序的次世代定序技術(NGS)被推出,科學家開始能同時定序大量的DNA,且大幅降低定序的成本,成為推動生命科學、醫學研究的利器。
 

⭐️1983 - 聚合酶連鎖反應(PCR)

藉由PCR技術,科學家得以擴增微量的DNA片段,使該技術成為分子生物學研究的基礎。現今的新冠肺炎(COVID-19)確診的金標準,便是透過PCR檢測病毒的基因片段。
 

⭐️1990 - 生物晶片

微機電系統(MEMS)、軟微影製程(soft lithography)等技術的發展,使多種元件能縮小到單一晶片上,生技界開發出一次檢驗大量基因表現、基因型或基因變異等微陣列(microarray)晶片,以及以微流道建構多種功能的實驗室晶片(Lab-on-a-chip, LOAC)等。
 
近年,亦有利用場效電晶體(FET)偵測電訊號變化的原理,檢測DNA及其他生物分子的生物晶片。
 

⭐️2003 - 人類基因體解碼 

美國能源部和國家衛生研究院於1990年啟動、2003年宣布完成的「人類基因體計畫」,協力多個國家共同破解人類遺傳資訊,帶動了對人體發育、生理、疾病更深入的解析,並促使精準醫療的發展。
 
其中,臺灣的榮民總醫院和陽明大學組成的「榮陽團隊」,也貢獻了4 號染色體上,超過一千萬個鹼基序列的定序成果。此外,還有一位來自臺灣的大功臣——賽亞基因董事長陳奕雄,他發明了世界第一台全自動高速定序儀ABI-3700,大幅提高定序的速度並且降低成本,促使人類基因體定序比原訂計畫提早完成。
 
而隨著第三代定序技術的發展,人類基因體中,有8%先前被擱置、難以解碼的序列,也終於在今(2022)年3月31日,由美國國家衛生研究院Adam Phillippy領導的大型跨國團隊宣布完成。至此,歷時三十年,科學家終於100%解碼人類的基因體序列。
 

⭐️2012 - 基因編輯技術

道納(Jennifer Doudna)、夏彭提耶(Emmanuelle Charpentier)和張鋒等人開發的CRISPR/Cas9基因編輯技術,提供精準且快速編輯特定基因的工具,徹底革新了遺傳實驗的方法。
 
CRISPR技術被提出後,許多改良、創新基因編輯技術也不斷發展,廣泛應用在生命科學研究,和農工業產品、醫藥品的開發。
 

⭐️2017 - 基因治療

隨著對基因體的瞭解,與基因編輯、載體、核酸合成等技術的發展,又將醫學、生技產業推上另一高峰,基因治療正式走入臨床應用。
 
歐洲藥品管理局(EMA)早在2012年首度批准基因治療藥物,為UniQure公司的Glybera,用於治療脂蛋白脂質分解酶缺乏症(LPLD),然而其銷售不佳,現已退市。
 
美國FDA則是於2017年核准Spark Therapeutics (現為Roche子公司)的Luxturna,用於治療遺傳性失明疾病萊伯氏先天性黑蒙症(LCA),代表基因治療時代正式來臨。
 
經過基因改造的細胞治療,也是基因治療的另一種應用。同樣在2017年,美國FDA核准第一個CAR-T細胞療法——諾華(Novartis)的Kymriah,其也於2021年成為第一個進入臺灣市場的CAR-T療法,開啟了血癌治療的新時代。
 

⭐️future - 合成生物學

展望未來,台灣精準醫療產業發展協會理事長李鍾熙認為,科學家除了被動修改基因,還能主動設計、合成DNA、規劃基因迴路,為細胞設計特定的新功能,甚至組裝或創造「人工生命」。這種需整合各種基因技術的「合成生物學」,將是未來發展潛力無窮的領域。
 
中研院長院長廖俊智,就是以合成生物學創造出世界第一株「合成嗜甲醇菌」,該菌利用溫室氣體轉化成甲醇,可作為生產各式含碳化合物的原料,不僅有工業價值,更有助於減少二氧化碳。廖俊智也以其合成生物學成就,成為首個獲得「以色列總理獎」的臺灣科學家。
 

「DNA雙股螺旋結構發現紀念日」69週年產業特別報導:

李鍾熙:掌握區域遺傳特色、差異化服務為臺灣DNA產業發展契機
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