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菌兒,別把這世界搞得這麼藍啊!

本文由民視《科學再發現》贊助,泛科學獨立製作

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藍染是台灣傳統工藝。網路上查一下你就能找到好多地方都有藍染活動,連小學課程裡都有了。從我家開車往南,在鳳林就可以有機會親手體驗藍染的樂趣。在亞洲,特別是東南亞的氣候適合染料植物的生長,在台灣,琉球,印度的傳統文化裡都找得到藍染。傳統製造這染劑和染色的過程,全都需要微生物來幫忙。馬藍(大菁)和木藍(小菁)是在台灣這裡使用的染料植物,葉片採收後浸濕發酵,讓植物釋出染料靛藍(indigo)。靛藍不溶於水,所以可以過濾收集壓成藍色大餅,叫做藍泥。

網路上找到一段影片,可以看到整個製程。

不過這染劑使用上有點麻煩:它不溶於水。如果要讓布染上色,就得先把染劑給還原成能溶於水的分子。傳統方法裡會在這時候加入鹼,讓不可溶的靛藍在鹼性環境下轉換成可溶於水的靛白(leuco-indigo),再把布放進去吸附染劑。染好的布還不是藍色的,要放在空氣中,讓靛白(右)慢慢氧化回靛藍(左),才會出現漂亮的藍染作品。

http://www.transtutors.com/chemistry-homework-help/chemistry-in-action/vat-dyes.aspx

圖片來源:http://www.transtutors.com/chemistry-homework-help/chemistry-in-action/vat-dyes.aspx

靛藍來自植物裡的吲哚( indole )這個分子。生長素(auxin)是個重要的植物荷爾蒙,控制植物的生長當然重要囉。最常見的植物生長素就是 IAA (indole-3-acetic acid),而這個分子就是以吲哚為原料製造出來的。為了製造生長素,一些植物會在細胞裡堆放原料吲哚。但是吲哚對細胞有毒性,貯存前植物會先幫吲哚加個醣基,轉換成不毒的 isatin B 或 indicant,才能夠存放。當人們把這些染料植物的細胞打破,存在液泡裡的 isatin B 和 indican 流出來,再經由細菌發酵處理後轉換變成靛藍。靛藍對微生物有殺菌活性,因此也有人猜測它是一種植物用來對抗外來攻擊的化學武器。

 

靛藍染料塊。照片出自維基百科。

靛藍染料塊。照片出自維基百科

慈濟大學微免所林光慧老師在 2012 年發表了一篇有趣的研究論文。在研究鮑氏不動桿菌(Acinetobacter baumanii)時,長榮大學生技系許鴻猷老師在篩選選殖株意外發現了一顆藍色的菌落,林老師接手仔細研究後發現這個選殖到的基因能製造靛藍。最後在這篇研究裡林老師證明了這種能感染人的病原菌帶有奇妙的代謝活性: 它可以拿植物荷爾蒙 IAA 當做養份來生活。它的 iacA 基因造出的酵素可以把吲哚轉換成靛藍,而且當周圍出現 IAA 的時候,這細菌會啟動 iacA 基因,把 IAA 轉變成靛藍。這篇研究的發現實在太奇怪了,一隻惡名昭彰的人類病原菌,居然能對植物的荷爾蒙產生反應,而且是製造出酵素來把它轉換成一種自然界不常見,除了染布也不知道要用來做什麼的藍色化合物,而且它還可能是植物的化學防衛機制。這到底是怎麼回事呢?

不動桿菌屬(Acinetobacter)的細菌原本就普遍出現在環境裡,而這個屬的細菌有個在細菌裡不太常見的本領:它們天生就能從環境裡收集 DNA 並且拿來當自己的基因使用。而在這篇研究裡也發現這段基因和另一種細菌 Pseudomonas putida的基因相似。除了這篇研究之外,還有其它研究者也同樣在其它不動桿菌屬的菌種裡找到這組基因,而且這些細菌也都能長成藍色菌落。或許真的是不動桿菌們的祖先曾經「借」來了這樣一段 DNA,流傳給子孫。

細菌們被迫自私,凡事以讓自己得到最大利益來考量。其實不能說它們自私,因為以細菌僅有的數千個基因,根本沒有辦法理解社會動態後決定要不要自私。在細菌的世界裡,生長慢複製慢的個體很快就被隔壁細菌給競爭掉了。多快?假設鄰居複製速度比我快 1%,在養份充足的狀況下,當我這個家族複製 100 代後,他們的子孫數量會是我的 2.7 倍,1000 代後變成 20959 倍。這下子數量只有人家的兩萬一千分之一,那真是輸慘了。如果每生長一代要花 30 分鐘,這整個競爭過程只需要 20.8 天就可以判對手出局。

如果細菌的競爭如此殘酷,那細菌做任何事都得是精打細算的結果,不然在演化上會被淘汰,沒有機會留下來被我們看到了。從這個角度來看細菌做的每一件事就很好玩了。為什麼細菌會幫人類發酵生產乳酸飲料?那是因為細菌要活下去,利用葡萄糖產生能量後產生的廢棄物乳酸剛好是人們認為味道不錯的東西。那製造靛藍對細菌有什麼好處?總不會是上天派來要在人世間多放點憂鬱的藍色的吧?

這些製造靛藍的基因經過這麼長的時間還能一直留存,應該是能為細菌提供什麼樣的好功能。不過目前為止學界還沒有找到答案,我們只好來猜一下了。這些基因或許是一種把植物生長素分解掉,來影響植物生長而幫到細菌的機制。或許這是一種解除封印的機制,因為吲哚是細菌溝通用的分子,會讓細菌進入備戰不生長的狀態。如果把兩個吲哚分子聚合起來變成靛藍,自已就可以不受封印繼續生長。或許這是製造有毒的靛藍分子來毒殺競爭對手的機制。究竟我有沒有猜對呢?這就要等後續研究來說明清楚了。

Scott 等人2013 年在植物細菌 Pseudomonas putida 1290 上也看到能把 IAA 轉換成靛藍的機制,他們還發現這細菌會往 IAA 濃度高的地方前進。他們對這個機制的猜測是,植物表面有不少會以製造 IAA 來影響植物生長的細菌。細菌沒眼睛,只能利用化學分子的線索來找尋自己該去的方向。如果我們迷路在鳥不生蛋的荒涼地方手機又沒訊號,突然間你聞到一股爆米花的香味飄過來,不用說,這氣味的來源一定有人。細菌或許也是利用這個方法找到自己要去的葉子表面。撇開對細菌的好處不談,倒是有人開始在想讓這些細菌幫忙大量製造藍色色素,連細菌的基因體都解出來了,它們在產業上才正要開始大展身手呢。

 

研究原文

Lin GH, Chen HP, Huang JH, Liu TT, Lin TK, Wang SJ, Tseng CH, Shu HY. Identification and characterization of an indigo-producing oxygenase involved in indole 3-acetic acid utilization by Acinetobacter baumannii. Antonie Van Leeuwenhoek. 2012 May;101(4):881-90. doi: 10.1007/s10482-012-9704-4.

Scott JC, Greenhut IV, Leveau JH. Functional characterization of the bacterial iac genes for degradation of the plant hormone indole-3-acetic acid. J Chem Ecol. 2013 Jul;39(7):942-51. doi: 10.1007/s10886-013-0324-x.

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關於作者

陳俊堯

慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。