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世界末日不遠了?現代華佗和作物工程師參上!

  • 作者/海莉‧班奈特(Hayley Bennett)、鄧肯‧基爾(Duncan Geer)
  • 譯者/賴毓貞,高雄醫學大學生物系畢;林云也,美國伊利諾理工學院食品安全與科技碩士、台灣大學農藝系學士。

讓我們來認識這幾位為努力不懈的科學家,他們的研究將改變世界!

現代華陀:由草藥療法找尋超級細菌的解方

超級細菌對抗生素的抗性日益增長,堪稱醫學界最大的恐慌。有名民俗植物學家探索乏人問津的草藥療法,從中看見了一絲曙光。

漫步在義大利南部,採集一些有趣的植物並與當地人聊聊天, 這聽起來像在度假,不過卡珊卓‧奎弗博士(Cassandra Quave)向我們保證絕非如此,「你知道嗎?這才不是度假!」她說,「這是很辛苦的工作。」也是很重要的工作。

圖/pixabay

奎弗和她在美國埃默里大學的研究團隊,正在地中海沿岸地區,搜尋有助於對付日漸嚴重的抗生素抗藥性的藥物。光是美國和歐洲,每年就有五萬人因為住院期間感染了抗藥性細菌而死亡。在沒有新療法之下,全球死亡人數不久後將會飆升到數百萬人,而奎弗認為可以從植物中找到解方。

奎弗自稱醫界怪胎, 她與當地民眾討論他們傳統醫學中使用的藥物(通常已使用好幾個世紀了),希望可以藉此追查最具有抗感染潛力的藥物。她承認其他也在尋找新抗生素的研究團隊認為她在浪費時間,那些團隊認為不會從植物中找到抗生素了。

「不過沒有人和我們一樣如此大規模檢視植物,而且有些植物在傳統醫學中扮演對抗感染的角色, 已行之有年。」奎弗說,「同樣地,沒有人檢視其他可能的方向。或許植物的作用不只是殺死病菌。」

MRSA 細菌(紫色球狀)對許多常見的抗生素具有抗藥性,因此被它感染後很難治癒。

在奎弗測試過的植物萃取物當中,有些作用方式的確令人感到好奇,並不同於現今臨床使用的抗生素。它們沒有殺死目標病菌,而是阻礙微生物的溝通系統,使病菌無法對這些萃取物發展抗性,因此這些萃取物將來或許能成為令人振奮的新型抗生素。這種抗菌方式可作用於不同種細菌,但在奎弗黑名單上的頭號目標是抗甲氧西林金黃色葡萄球菌, 也就是MRSA。

奎弗和葡萄球菌有些個人恩怨,她在3歲時曾住院數個月, 當時她右腳部分截肢, 隨後感染了MRSA。後來她參加科展,看到新聞報導受大腸桿菌感染的漢堡,而一頭栽入細菌抗藥性的世界中,她開玩笑道,「我是個古怪的小孩。」MRSA 是醫院裡惡名昭彰的「超級細菌」,可以透過傷口、燒燙傷、點滴以及導管進入較深層的皮膚,造成危險的皮膚感染。

甜栗萃取物可以阻斷MRSA的毒性效應。

奎弗經常接到擔憂的病患家屬寄來信件和電子郵件,他們熱切期盼能嘗試任何新療法。她不斷提醒自己,終極目標是要幫助大家, 而不是製造另一種怪物病菌。那麼奎弗的義大利之旅有發現可以幫助致命性皮膚感染病人的東西嗎?她回答,「我們在義大利問當地居民治療感染、疹子這類症狀,會在皮膚上塗抹哪些植物?然後得到了甜栗這個答案。」

那正是果實可以做糖炒栗子的栗子樹。奎弗團隊在近期論文中證實,甜栗的葉子萃取物可以阻斷MRSA 的部分毒性效應,減少MRSA 在小鼠身上的感染面積, 這些作用都不會殺死細菌。他們現在已經縮小範圍,只需要萃取物中的五種物質,就具有大部分的抗菌效果。

奎弗以身作則,利用她在自家花園種的植物煮成藥茶,希望可以驗證一些古老療法,她說,「這對於幾世紀以來一直使用這些療法的人來說,具有文化價值。也許治療者並不清楚細菌複雜的訊息傳遞機制,不過隨著時間演進,傳統文化能夠調和這些植物性物質,並治療疾病,我覺得這很激勵人心。」

群聚感應-當細菌感應到族群數目達到定量,會開始製造攻擊人類寄主的物質。奎弗正尋找能中斷此過程的藥物。(點圖放大)。圖/BBC知識

  1. 細菌不會講話,但是它們可以藉由化學物質溝通。細菌的「群聚感應」分子會附著在細菌外膜的受體上,幫助它們感應身邊的鄰居;鄰居越多,群聚感應分子的濃度越高,每個細菌接觸到的細菌數目就越多。
  2.  一旦細菌達到特定數量,會開始釋放有害物質。某些植物製造的物質(例如甜栗和巴西胡椒木的萃取物),能夠干擾細菌的群聚感應系統,避免細菌釋放有害物質。如果細菌偵測不到群聚感應分子,它們基本上會無視鄰居,因而無法協調、發動攻擊。我們還不知道這些萃取物如何造成這樣的效果,也許是一開始就阻止細菌製造群聚感應分子,或者不讓細菌釋放或接收這些分子。
  3.  植物萃取物與目前我們使用的抗生素不一樣。它們看似對細菌生長沒有太大的影響,也不會殺死細菌,只是不讓細菌對話而已。這對細菌造成的壓力不會大到需要演化出新的生存策略,如此一來可以避免細菌產生抗藥性。

BOX:專家答客問-卡珊卓‧奎弗

讓妳不斷向前的動力是什麼?

每每發現新事物的興奮感,還有病人寄給我的信,以及學生與我的互動,都讓我有動力繼續前進。

妳曾有想放棄的念頭嗎?

當實驗一直失敗或被拒絕時,尤其是申請經費的時候,真的讓人覺得疲憊不堪。每個人只看到你成功,但他們不知道每次成功的背後都伴隨五到十次失敗。

妳如何回應那些認為妳的計畫不會成功的人?

首先我會聆聽他們的看法,我一向很歡迎別人提出想法及意見,不過我不會因為不必要的輕蔑言論而停下手邊的工作。

如果能在美國時代廣場租一面廣告看板,妳會寫些什麼?

「停止破壞生物棲地,支持保護生物多樣性和文化多樣性。」雖然這不會成為聳動的新聞標題,不過是我想向大家傳達的主要訊息。

妳的研究領域到了2050 年可能是什麼景象?

我想像那是個新的醫學時代,使用全新方式對付抗藥性病菌感染。隨著我們逐漸了解協同療法,將能設計出更好的藥物,快速降低疾病的嚴重性,即使是難以治療的抗藥性病菌感染也能治癒。


作物工程師:培養高效率糧食作物

糧食危機正逐步逼近,為了餵飽廣大人口,一名植物生理學家打算從提高糧食作物的光合作用效率開始著手。

20 世紀中葉,世界許多地方處於饑荒一觸即發的狀態。不斷成長的全球人口衝撞食物供給量的極限,帶來災難性後果。「綠色革命」的出現,解救了超過十億人的性命;它是從工業化國家開始播散至開發中國家的農業技術革新,包括灌溉、雜交種子、人造肥料與除草劑等等。

圖/pxhere

今日, 人類也面臨相同危機。RIPE 計畫主持人史蒂芬‧隆(Stephen Long)說,「根據聯合國糧農組織,到西元 2050 年,我們需要比現在多七成的糧食,但以目前的作物改良步調來看,不可能達成。RIPE 計畫致力於藉由作物工程,提高植物的光合作用效率,以加速第二次綠色革命的到來。

「光合作用是把陽光的能量和二氧化碳轉換成植物所需物質的過程,所以它基本上直接或間接創造了人類所有糧食的本源。我們已知作物行光合作用的效率不是很高,如今也對光合作用有了足夠的了解,因此可以開始以人為方式介入,從基因著手,提高光合作用的效率。」

一直以來,主流觀點認為無法再進一步提升光合作用的效率,畢竟如此重要的程序,怎麼可能未在演化過程中被優化?但隆指出,植物的演化是為了使其生存與繁衍達到最佳狀態,並不是要產出最多的種子和果實供人類食用。

將基改種苗移至田間種植, 是RIPE計畫的一部分。圖/BBC知識

吾人現今所處的環境也跟第一波綠色革命的時代不一樣了。「參與光合作用的主要分子是二氧化碳。過去50 年來,因為人類活動之故,大氣中二氧化碳濃度已上升25%,但還不足以久到能讓生物產生適應性。」於是,隆和團隊開始研究,盼能證明有機會提升光合作用效率。他們在比爾與梅琳達蓋茲基金會(BMGF)的贊助之下,展開改良菸草(較易進行基因改造的植物)的工作。

首先, 團隊把阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana的基因轉殖至菸草, 希望提高後者的散熱效率,結果有三種轉殖菸草植株的產量,分別比未改良的對照組增加了13.5 %、19 % 和20%。「雖然我們已經很了解植物的光合作用,但它畢竟是一連串複雜的流程,包含160多個獨立步驟。因此計畫的第一階段是用電腦模擬,接著進行無數次數學運算,看看哪些步驟是最好的切入點。」

菸草葉上的氣孔。這些微小孔洞控制了葉子與外在環境的氣體交換。當沒有光線或乾旱之際,氣孔就會關閉,防止植物喪失水分。圖/BBC知識

不只如此, 這些令人刮目相看的成果,是在資源消耗量最小的情況下達成的。基改植物的氮消耗量只比對照組多1 至2%,且耗水量並未增加。「這可說是提升光合作用效率的美好成果。」隆說,「產量不只跟植物利用光能的效率有關,也與它們利用水和氮的效率有關。在我們大部分試驗中,使用同等水量並增加極少量的氮,就能提升產量。」

然而這些菸草試驗成果,是否能應用於糧食作物?並非不可行,因為菸草和諸多糧食作物的光合作用模式相同,接下來的研究方向,就是檢驗類似的基改工程,能否也提升水稻、豇豆和樹薯等主要糧食作物的產量。

未來潛能無限,但時間迫在眉睫。「我們的創新發現還需大約20 年,才能讓農夫在田間生產,達到所需產量。」隆表示,「儘管2050年聽起來好像還很久,但就改良作物來說,其實就快到了!」

增強光合作用-所有植物都具有攜帶遺傳物質的DNA, 利用基因增加作物產量的方法有三。(點圖放大)。圖/BBC知識

  • 方法一
    • 如果植物已帶有某段目標基因, 可複製這段基因,再插入植物的DNA中,讓此特徵的表現更為明顯。
  • 方法二
    1. 從某一物種的基因中,剪下可以促進光合作用的DNA片段。
    2. 把該片段插入植物DNA中,提升植物的光合作用效率。
  • 方法三
    • 科學家可從自然變異的作物中挑選親本,進行育種,確保植株後代出現目標特徵。

BOX:專家答客問-史蒂芬‧隆

是什麼讓你如此樂觀?

通常只要產量能增加 1%,育種家就很開心了。不過去年我們首批模擬試驗,一舉提高了 20%的產量,證明我們確實走在正確的道路上。今年我有兩位同事分別用不同方式改善光合作用效率,也都在田間試驗獲得了重大成果。

你曾有想放棄的念頭嗎?

當然。長久以來,科學家強烈認為無法進一步改善作物的光合作用程序,理由是如果演化做得到,哪裡還輪得到我們?

你怎麼回應那些不看好你計畫的人?

我會告訴他們,我們已從多次田間試驗中,得到這是可行的強力證明。

假如能在美國時代廣場承租看板,你會寫些什麼?

「勿自滿於我們的全球糧食供給──它正面臨嚴重危機。」

到了2050 年,你的研究領域會是什麼模樣?

我認為經過 20 至 30 年的發展,遺傳工程將會依需求被有效運用。因此,我們將會擁有能因應不同環境的「智慧作物」,而且它們更利於永續。這是科技能帶來的進展,但人類是否會接受這樣的改變,又是另一回事了。

 

 

 

本文轉載自《BBC 知識》國際中文版 2018 年 6 月號 80 期,原文標題為《世界末日還早呢!為您介紹幾位努力不懈的科學家,他們的研究將改變世界》。

 





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