如何確認重組DNA進入細菌體內？

 

天才是能從已知中創新的人

為三年級同學複習課程時常會碰到一個兩難：一樣的內容對著相同的面孔再講一遍，為難了自己；討論新的內容卻對大考沒有幫助，耽誤了同學。所以，就算現在一週只要上兩個班級的課，卻總是在唉聲嘆氣中出門，一點兒都不覺得輕鬆。更糟的是，最近讀到一本小說《惡意》，其中有一段話讀了讓人怵目驚心：「師生關係是建立在一份錯覺上；老師錯以為自己可以教學生些什麼，而學生錯以為能從老師那裏學到什麼，維持這份錯覺對雙方都是件幸福的事。」這讓我想起自己在剛當老師的時候有一位主任跟我說，教書過程其實是一場戲，老師就是演員。這真是異曲同工呀。戲，是假的；錯覺也是。

 

扯遠了，還是言歸正傳。難道沒有什麼辦法破除這個兩難的局面？

自然學科是實驗結果累積而成的科學，要想理解科學家們的成果與知識，必須試著揣摩他們設計實驗時的心思，有了這一層理解，相信對同學們在閱讀試題上是會有幫助的。所以，把從前沒有時間講的經典實驗拿來談談吧，解決了我的心理障礙，訓練了學生的答題技巧，還能為未來的課程作先修，一舉數得。

最近複習到生物科技，於是我提出了一個問題：如何才能確認重組DNA已經進入細菌體內？很奇怪吧，從來沒有一個學生問過這個問題，大家一直習慣接收訊息，從來不想追根究柢；我們常常怪罪填鴨式的教育體系，但如果學生自己寧可當隻被填鴨的鴨子呢？這又該怪誰？

DNA重組技術的基本邏輯如下圖：先在一種生物體的基因組中選取出一個基因(這個過程本身就有難度，不過現在的科學家已經有許多工具可用，所以可以大幅縮短搜尋特定基因的時間)，在限制酶(註)與接合酶的控制下將這段基因與細菌的質體(Plasmid，一種細菌體內的圈型DNA，可自行複製並在細菌間轉移)結合在一起便製造出一段重組DNA，之後這段重組DNA必須送入生物工廠—細胞(細菌)，才能發揮功能，重組後的質體DNA被細菌吸收的過程稱為轉型作用(Transformation)。

前述程序中有兩個檢查點：外來基因與質體是否成功結合？細菌是否成功接收了這段重組DNA？我們當然可以檢查細菌體內是否已合成新的外來蛋白質，但這比較費事，能不能早一點確認上述兩個檢查點？

可以。科學家利用的是質體上帶有抗生素的抗性基因這個事實，換言之，只要讓一隻原本無法存活於某種抗生素環境中的細菌變得能活下去，就代表轉型成功了。至於第二個檢查點的驗證始末，可以充分顯示出科學家的巧思。

科學家已知下列事實：有一種酵素活性的指示劑5-bromo-4-chloro-indolyl-β-D-galactopyranoside(X-gal)本身是種沒有顏色的物質，但經酵素β-galactosidase (由lacZ 基因控制合成，此基因是細菌體內乳糖操作組的一部分，發現這種基因調節機制的科學家還拿到1965年諾貝爾獎)分解後可以產生藍色的產物。(如下圖)

註：產物1會自發反應生成第2種物質，此物質呈現藍色。

於是科學家便從生物體內分離出lacZ基因並將之與帶有抗性基因的質體結合起來。(如下圖。你能自己推敲驗證過程嗎？)

 

在lacZ基因的DNA序列中剛好有一個限制酶(Restriction enzyme)的作用部位(這是必要條件)。如果外來基因成功插入這個部位的話，lacZ基因將失效，細胞也就無法合成β-galactosidase，最終造成X-gal不能被分解而維持原來的無色狀態。真聰明！

結論是，將重組DNA與無抗性勝任細菌(Competent cell)混合後培養在含有特定抗生素與X-gal的培養皿中，若能出現菌落代表轉型成功；若菌落呈現白色則代表目標基因已經選殖成功，接下來就是大量培養轉殖細菌並且純化出目標蛋白質了。

 

從某些同學的眼神中所散發出來的光彩，我覺得有些東西他們聽進去了，這是錯覺嗎？我不相信。

註：限制酶是一類廣泛存在於原核生物體內的酵素，其原始功能是避免原核細胞遭到病毒的侵占。原理是，限制酶可以選擇性地在病毒DNA的特殊序列(回文形式，由4~8個遺傳密碼組成)上做剪切的動作，本身則因為在DNA限制酶的作用部位上經過化學修飾(甲基化)，導致限制酶無法切開自身的DNA。限制酶以及接合酶的發現與運用是啟動設計生命計畫的最重要工具。