解讀人類基因組的挑戰

如果說宇宙與深海可以激起人類挑戰慾，那麼人類自身亦具同樣誘惑。儘管生物醫學急速發展，吾人自身仍充滿了未知。尤其對於人生藍圖──人類基因DNA──上記載著什麼，還知道得非常少。

DNA為雙螺旋分子，藉A（腺嘌呤）、G（鳥嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）四種鹼基之排列方式傳達遺傳
訊息。A與T，G與C，分別結合成鹼基對。人類基因約有30億個鹼基對，換言之，若以每秒鑑定一個鹼基對計算，則其量光是夜以繼日地數，即須花上100年。

重複進行單調作業

調查DNA鹼基配列之法，可大分為馬克森（A.Maxam）-吉爾伯特（W.Gilbert）法與山格（F. Sanger）法兩種。

馬克森-吉爾伯特法為分別加入在DNA雙鏈上A處、G處、T處、C處斷裂之試劑，使DNA雙鏈發生斷裂反應，得到四組DNA斷片。其中A組為各種長度末端A之DNA斷片，餘類推。將各組斷片置於膠體薄膜，加上電場，令斷片依分子大小（鹼基數多寡），分離出來。若在鹼基數1之位置，斷片末端為T；在2之位置，斷片末端為A；在3之位置，斷片末端為G，則鹽基配列便可解讀為TAG。

山格法則以單鏈DNA為模板（template），合成對應的DNA斷片（見圖一）。在合成DNA的A、G、T、C材料中，分別混入一定量的A^*、G^*、T^*、C^*試劑，當A^*取代A以後使DNA聚合反應無法繼續，而使合成終止。其中混入A^*者，會合成若干末端為A之DNA斷片；混入T^*者，則合成若干末端為T之DNA斷片；餘類推。以後之步驟則與前法同。

工業用機器人

不管使用何種方法，在實際操作上，均須不斷重複注入微量試劑、混合、加熱、冷卻、離心、除去上部澄清液、洗淨與乾燥等步驟，費工費時。

幸好目前已開發出實用化工業機器人。如製造IC與手表之機器人，可做極精密的工作。此種技術不是恰好可以活用到DNA的定序上嗎？

理化研究所從1981年起，接受日本科學技術會議之科學技術振興調整費補助，進行以基因解讀作業自動化為目標之研究。目前雖未達全自動化之地步，惟大半工程之自動化已發展成功，今後與電腦技術合併發展，則高速處理機之出現將非夢想。以下將DNA鹼基配列讀取機，稍作詳細說明（見圖二）。

因一次能解讀之DNA長度有限，故必須先將染色體上之DNA切成短段，並分別複殖到細菌的質體中。

以人類之情形而言，一個染色體所載DNA之鹼基對數約為4,800∼25,000萬個。此染色體先利用酵素切割，得到2∼5萬個鹼基對之DNA斷片；再將各斷片複殖成帶有不同DNA片斷的選殖體（clone）。以後再進一步利用別的酵素切割，將每一個選殖體所載的DNA片斷切成得到5,000到10,000個鹼基的片斷，如此反覆切割複殖，最後得到500∼1,500個鹼基對之DNA斷片，就可以直接進行DNA定序的工作了。

達成四項工程之自動化

前述作業在現階段尚無法自動化。接下來的工程，則可分為下列四項：一、DNA斷片之抽出與精製；二、反應；三、電泳；四、讀取。DNA抽出與精製步驟，一向是利用離心機。此法不適合機械化，因為無法同時處理大量檢體。故開發了利用濾膜與纖維素柱，純化中DNA之法。

即先使用試劑使帶人類DNA片斷的病毒沈澱，收集於濾膜；溶出後便得病毒濃縮液。於病毒濃縮液中再加入溶解病毒外殼之酵素後，令其通過纖維素柱，便可得精製之單鏈DNA。

這樣，抽出與精製的流程便能機械化。目前研究人員正試著製造此種機械。

其次便可將精製後之DNA定序。定序反應若用馬克森-吉爾伯特法，需要離心分離與減壓濃縮等必要手續，處理起來頗麻煩，不適合機械化，故採用山格法。首先加入合成DNA單鏈之DNA引發物（primer）。再於含A、G、T、C液中分別加入使合成反應終止之A^*、G^*、T^*、C^*製成四種反應液，使各反應液與DNA單鏈反應。經一定時間後，加入多量A、G、T、C使反應結束，續作必要的電泳處理。

以上之操作不過是重複加一定量試劑與加溫，故此種自動機械目前已成功開發出來。接下來的工作為電泳。以前雖有電泳機，惟行電泳之膠體薄膜卻為研究者手製。製作該膜除需熟練，並費工夫外，尚有均一性與再現性等問題存在。

富士軟片公司已成功開發出，將膠體薄膜夾於兩枚薄塑膠片中之工業產品。利用此種試作階段的製膜機，每天可生產1,000枚膠體薄膜。於是，規格化之均質膜，便可輕易獲得。

憑藉人力需花250年

最後的工作為梯形電泳圖（見圖三）之讀取，此可應用郵遞區號自動讀取機之辨識技術行之。精工電子工業與日立軟體技術工程公同，均開發成功（見圖四）。

此機械之眼，只要梯形圖各段離開0.1公釐以上，便可辨出，能與肉眼解像力相匹敵。梯段之位置若能正確讀取，其後經電腦處理，即可打出AGTC之排列順序。

500∼1,500個鹼基對的DNA斷片，其鹼基配列就是這樣讀取的。而前一階段，亦即5,000∼10,000個鹼基對的DNA斷片之配列，又要如何決定才好呢？由於小斷片是大斷片利用超音波破壞所得者，那麼相同配列的大斷片經數次破壞，則各次所得的小斷片間應有部分鹼基相疊。例如，對於10個鹼基部分之配列，查查看是否有具相同配列之其他
小斷片存在，若有，則該部分可作為共通部來考慮。如此重複將各小斷片重合，應可了解原大斷片之配列。這些作業，正是電腦拿手之處。

由以上所述，基因解讀過程中，已相當多的部分可自動化，此處再考慮看各工程之處理能力。

DNA小斷片之製作，於現階段仍需賴人手，熟練者每天可製出15萬個鹼基對之解析用DNA斷片。抽出精製機之處
理能力，則為每天144,000個鹼基；惟將試料放進抽出機之階段尚須藉助人手，此部分每人每天之處理量約為20萬個
鹼基。反應機每天每台可處理1,728個檢體，以鹼基對言，約為35萬個。電泳裝置每天可以處理30個檢體，約相當於6,000個鹼基。最後之讀取，利用現在之小型機種，每天可處理720個檢體，約14萬4,000個鹼基。

以每天讀取100萬個鹼基計，必要之機械組與人手則如表一所示。就電泳裝置言，目前之處理能力尚可高達十倍，若使用此種大量處理機，則僅需10∼20台即成。

那麼，欲全部解讀人類基因，以一向憑藉人手之法，須花多少時間呢？每位熟練者每星期最大解讀速度為2,000鹼基的話，每年可讀取12萬個鹼基，即使投入100位熟練者，亦需花上250年。

另一方面，使用自動機器的情況又如何呢？每天若讀100萬個鹼基，每年則有讀取3億個鹼基之能力。惟相同DNA配列必須重複解讀，等於實際上須讀取30億個鹼基的3倍以上，故全解讀約需30年。

若是這樣，則本世紀內不可能讀畢。但各工程可更高速化，同時並列設立平行處理大量檢體之工場，處理能力將大幅提高。

在日本首先考慮嘗試全解讀一、二條小染色體（見表二），若為21號、22號與Y染色體等小型者，以每天讀100萬個鹼基的速度，約莫半年可讀完。僅依現有機械，一條染色體花一年解讀，費用約為5億元。如此，藉顯現之實績，由各國合作，設立國際共同研究機構，情形將如何呢？此若能實現，則在本世紀想必有可能全解讀完人類基因。

（譯自《科學朝日》pp. 85∼90, Jun. 1986.）

徐玉清本刊兼任編輯

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