基因決定生物表徵
生物從代謝、特性等生命現象全由細胞內染色體內的基因與其相關機制調控後產生，除了外在環境外，基因是最重要的控制單元。基因位於染色體上的去氧核醣核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)，DNA是一種巨大的生物分子，由各種核苷酸所聚合而成，這些核苷酸具有相同的核糖(ribose, 1種5碳糖)與磷酸根(phosphate)，但具有不同的含氮鹼基組成去氧核醣核酸的鹼基，分別是腺嘌呤(adenine, A)、胞嘧啶(cytosine, C)、鳥嘌呤(guanine, G)與胸腺嘧啶(thymine, T)，而在DNA分子上的每一個基因都由具有特定ATCG鹼基核苷酸所排列而成，染色體上所有基因的集合就是生物的基因體(genome)，不同生物基因體中擁有的基因數量目不同，也決定了生物的複雜度，細菌這類等可以獨立代謝的單細胞生物約有數千個基因，而人類則具有高達3萬個以上的基因以因應組織、代謝等複雜的功能，而這些基因啟動後，也構成了每種生物的獨特表徵(phenotype)。
育種與突變
生物與人類的生活密切相關，許多動植物提供食物而微生物也發酵生成多種人類所需的產品。因此，人類長期以來開發了很多的技術來改變這些動植物與微生物以提高產量或產生符合人類生活上的需求，除了改善營養與培育方式外，透過育種技術利用親代的選擇與交配後染色體的重組，使細胞內基因體產生變化，進而改變了生物的表徵；突變技術是透過物理性或化學性方式誘導細胞內的DNA產生重組或者是分子的改變，進而影響生物的表徵，這些透過生物染色體重組、外力誘變在細胞內產生基因的變化一直都是人類將動植物或微生物調整成人類所需的樣態或具有人類所需要的表徵所使用的方式，改良後的生物也因無明顯危害而長期使用於農工業，但是這樣的方式在過程中由於無法準確的更改目標基因，通常都是需要長期、大量篩選的變異株才能獲得令人滿意的改良株，因此，如何直接地使生物具有人類所需的特性成為生物技術的核心發展目標。
基因重組技術
Standford 大學Paul Berg 團隊在1972年將猿猴空泡病毒40 (Simian vacuolating virus 40)與嗜菌體(bacteriophage)兩種不同病毒組合，組合DNA可在猴子的細胞中繁殖複製(Cell, 9(4), 695-705)，開啟了基因重組技術的時代，後續相關技術陸續成熟，人類開始利用基因重組技術生產重要的產品，像是人類胰島素、第8凝血因子等醫藥品都已利用大腸桿菌、酵母菌生產，也包括應用在食品、清潔劑等產品的蛋白酶、脂肪酶等也是利用類似方式生產出。同時這些技術也被應用於作物的改良，使許多植物面對病蟲害、環境變異等有具有優勢。這項技術主要是利用載體與一段可展現出特定表徵的異源DNA進行融合，送進受改造生物的細胞內，以質體存在或插入染色體中。在細胞中，透過這段異源基因所形成的產物或其效果，可改變這個生物的表徵。這項技術提供了人類”直接”改變了生物的方式，也大幅提高成功改變生物的機率，然而這項技術執行過程中在細胞中會額外增加一段異源基因、調控基因甚至載體的DNA，這些額外的基因對於宿主的影響，甚至在這些基因改造生物使用後流入環境對生態系的影響仍有很多的爭議，也使這項技術所產生的產品，都受到限制。針對這類基改生物負面影響的疑慮，2016年美國科學、工程暨醫學國家學院(National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine)的評估報告顯示，在長達20年的研究期間內並無證據顯示基改作物會對人體造成健康影響，然而，在多數消費者心存疑慮的社會風潮下，各國政府皆有法規進行嚴格的審核與管理，也使這類產品的發展受到限制。
基因編輯
為了能更精準地針對目標基因進行修改，基因編輯技術應運而生，相較於先前在體外改變DNA的排列或組合在送入細胞中，基因編輯技術是直接在細胞中變更特定位置的核甘酸種類或是DNA片段，過去在生物技術領域有3種可行的方式被提出，首先發展出來的是鋅-手指核酸酶(Zinc-finger nucleases, ZFNs)。ZFNs是人工改造的酵素，將具有能與特定核酸序列結合的區域與水解核酸的酵素組合而成一個複合功能的酵素，通常由鋅－手指所組成的蛋白質會辨識想要修改的目標基因附近的3倍數量核苷酸，再由另外一個區域的水解酶活性產生切口，若由兩組ZFN酵素共同合作，將可在DNA鏈上將兩組酵素作用區間的基因片段切除，此時，如有相同切口的DNA置入，將可替換原先被切除的序列達成改變目標基因，或是由原先的兩個切口自行黏上，就可達成基因刪除的目的。另一項技術是轉錄激活因子類似效應物核酸酶(transcription activator-like effector nucleases，簡稱TALENs)。與ZFNs相似，這也是一種人工改造過的酵素，透過效應物對於核酸分子的專一性用來辨識特定的DNA序列，並利用核酸分解酶在其上造成切口。由於ZFNs和TALENs這兩項工具在其負責辨識的蛋白質結構單元與目標核苷酸序列之間的專一性不夠高，定位的精準度降低，使得基因編輯的效率無法提高。另外，每一個ZFN或TALEN都要依每一個目標基因上的核酸序列重新設計、測試使基因編輯複雜性與操作成本偏高而難以執行。
1982年無意間在細菌體內發現的一把剪刀，幾乎打敗檯面上的基因編輯工具，成為基因編輯的最受注目的明星。這項技術起源於細菌對於病毒的防禦措施，病毒是細菌在這個生態圈中最大的威脅，為了對曾經侵擾的病毒產生記憶，細菌演化出一段機制，1982年日本學者在大腸桿菌的基因體發現一段規律出現序列，而重複片段間間隔著等長的另一段序列，科學家把這段序列稱為CRISP(clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats）。後來發現，許多細菌都有 CRISPR，當病毒入侵時，會把自己的 DNA 注入細菌染色體中，接管細菌並複製新病毒。部分死裡逃生的細菌會留存一小段病毒的 DNA，插入自己的 CRISPR 序列，成為體內的病毒資料庫。當病毒再次入侵，細菌就能依靠 CRISPR 序列快速生成一段引導RNA(guide RNA)分子，並帶著Cas9這個核酸酶，攻擊辨識確認後的病毒DNA，並水解消滅病毒。這個組合也就成為一把可編輯DNA分子的萬能剪刀。只要透過目標DNA的合成就可生成所有的引導RNA，無須重新設計、測試酵素，使得價格與技術門檻大幅下降，已陸續被應用在多種生物改造、基因治療、基因檢測、滅絕生物再生等許多用途，未來隨著生物技術的進步，精準度與效率若更提高，這項技術的用途將無可限量，而最大的瓶頸將是來自於你的想像力。
作者簡介
主要研究方向在消化道微生物的開發、改造與應用，研究團隊分離出許多消化道中重要的微生物，透過傳統或現在的生物技術轉化成人、動物所需的保健產品。