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奈米金解開DNA密碼

從生物學的觀點來說,生醫技術都屬於奈米科技,因為所有的生物都是由奈米等級的細胞所構成,例如蛋白質、核酸、病毒……。而我們稱為奈米生醫光電其實嚴格定義,應該說是人類製造奈米尺度的器械企圖與生物細胞相結合,達到檢測、標定,甚至改造的目的。於奈米生醫技術當中,最具代表性的就是DNA基因檢測與基因改造技術。本文將說明4~5nm的奈米金粒子,如何在去氧核醣核酸(DNA)檢測上扮演「金鑰匙」的角色,解開DNA密碼。
 
 
 
據2012年12月10日國際新聞報導:美國佛羅里達州礁島群(Florida Keys)近年因爆發近百起登革熱案例,蚊子防治官員為根絕疫情,已向美國食品暨藥物管理局(FDA)申請基因改造蚊。而本國內2012年自入夏起累計至12月3日,共有1,147個本土登革熱病例,其中包括登革出血熱占27人,共有7人死亡。

在熱帶與亞熱帶國家,為了防治蚊子所帶來的傳染性疾病,如:登革熱、瘧疾等,讓政府與社會耗費相當大的資源與成本,但截至目前為止,仍無有效的疫苗或治療藥劑,得以擊退疾病;唯一能做的措施就是廣為宣傳公共衛生策略:去除積水以避免蚊子繁殖、噴灑殺蟲劑與少去草叢堆防止叮咬……等等的消極對應政策。

為了根本解決蚊蟲傳染病毒的問題,科學家利用奈米技術解密埃及斑蚊的DNA基因圖譜,並藉由基改技術製造出天生缺陷的雄蚊,讓基因改造雄蚊與正常雌蚊交配,如此一來,缺陷就會傳到子代,幼蚊無法長到成蚊即會夭折,進而滅絕登革熱、瘧疾等疾病。故2012年12月美國食品暨藥物管理局(FDA)擬釋放基因改造蚊,藉以控制礁島群的登革熱病情。我們姑且不論基因改造的道德與社會影響爭議,本文單純從技術面出發,看奈米技術如何讓DNA基因檢測變得輕而易舉。

要能繁衍出基因改造蚊,第一步就是DNA基因檢測與標定。1962年日本保久亮五教授提出「保久理論」說明金屬粒子在奈米化後,量子效應使能階產生變化,隨著顆粒直徑變小,比表面積顯著增加,促使表面能迅速提升。以4-5nm的奈米金粒子為例,由於量子尺寸效應使表面活性大增,容易與硫氫基結合,所以奈米金常用於生物醫學的檢測及基因偵測上,讓接有遺傳疾病基因序列的單股短鏈DNA的奈米金粒子作為試劑,若待測樣品中存在相同基因序列,則前半截與後半截DNA觸手將如同達文西密碼般相結合,形成密集的網狀結構,把奈米金粒子固定住並聚集成塊,將試劑變色,達到檢測與標定基因種類的目的。這發明使奈米金製作成很多種遺傳疾病的DNA檢測晶片,有助於遺傳疾病的防範與治療。金飾是人人愛不釋手的東西,當它變得微小時,更能顯現它存在的地位與價值。

生物細胞是世界最小的奈米元件加工廠,例如核醣體25nm、聚合酵素15nm、SARS新型冠狀病毒80~140nm。所以在作者眼裡,奈米科技是人類效法自然界生物的本能,解開大自然奧秘,以造福人類生活;而奈米金粒子解密DNA基因就是最佳佐證。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通」執行團隊撰稿)

責任編輯:楊谷洋|國立交通大學電機工程學系
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