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改造細菌代謝反應的「鍊成陣」,新招式將電能轉換為生質燃料

研之有物│中央研究院_96
・2018/09/20 ・3688字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 執行編輯|林婷嫻 美術編輯|張語辰

萊特兄弟和無數人參考鳥類飛行的原理,加以設計改良,創造出今日飛機的速度與功能。人類模仿自然、巧奪天工的能力,現已進展到更小的「分子」尺度。例如,中研院院長廖俊智先前與研究團隊參考自然界的光合作用、改造細菌細胞的基因,設計出電驅動的微生物系統,讓細菌能幫人類解決二氧化碳排放過量的問題、同時產出燃料。

取之自然,改之創造新功能

從古至今,生物學家致力於探究細胞內各種生物分子的作用機制。有些人會問,這有什麼用?中研院院長廖俊智說明,當我們了解得夠透徹,就可以利用自然界不同的生物分子,結合生物學、物理、化學與工程的概念,重新設計其反應作用機制,創造出自然界從未存在的新功能細胞,這就是合成生物學的概念。

一般的生物學,是從拆解中學習。合成生物學,是透過設計來創造。

例如,當今人們面對兩大生活難題:二氧化碳排放過多、化石能源污染性過高。廖俊智思考,其實可以把過多的二氧化碳,回收變成我們需要的燃料!

廖俊智與研究團隊的構想為,先花點功夫改造細菌細胞的基因,重新設計細胞內生物分子的合成反應途徑,就能讓細菌循環利用不同的碳源,並產出高碳醇類(例如異丁醇)作為生質燃料,特別可加工作為航空用油。

廖俊智與研究團隊,計畫讓細菌細胞進行的合成反應途徑:以二氧化碳為碳源 → 產生燃料 → 達成新的碳循環。
資料來源│廖俊智說明 圖說設計│林婷嫻、張語辰

改良細菌代謝反應,將二氧化碳變燃料

二氧化碳的循環利用,過程必須注入能源,在生物界中,最佳的能源來自太陽。為了讓細菌循環利用二氧化碳,廖俊智與團隊一方面研發新的二氧化碳轉化途徑,一方面改良古老又睿智的方法──生物經過演化所發展的「光合作用」。

光合作用分成兩部分,第一部分是光反應,將光能變成化學能;第二部分是利用這個化學能來固定二氧化碳。

所謂「固碳」,是指將二氧化碳轉化成高碳數的化合物,使其不再逸散至空氣中,而能被生物體所用。

光合作用是自然界的能量轉換機制。廖俊智思考一個問題:大自然使用「光」,但我們能不能重新設計細胞的反應作用途徑,改成用「電」來驅動生物的固碳反應?

為了找出答案,團隊以 Ralstonia eutropha 這種細菌為研究的標的,這個研究分成兩個部分。

首先第一部分,要營造出「電驅動」的環境。在布滿 Ralstonia eutropha 細菌細胞的水溶液中,研究團隊放入電極,作為電能來源。但沒想到,一開始細菌細胞都被「電死」了!因為電極在溶液中產生很多自由基,這些自由基會將細菌殺死。為了解決這個問題,研究團隊先分析電極在溶液中產生的自由基種類,進而確定這些自由基的半衰期。幸好這些自由基的半衰期非常短,因此,研究團隊加上一個陶瓷分隔層,在電擊和細菌之間隔出一點距離,讓這些自由基在觸及細菌細胞前就先衰變,保護細菌不被摧毀。

廖俊智與團隊改造的微生物系統:透過細菌細胞的合成反應,先將電能轉換為化學能,再用化學能合成產出燃料。
資料來源│Integrated electromicrobial conversion of CO2 to higher alcohols. 圖說重製│林婷嫻、張語辰

另一部分,除了設計電驅動的方法,團隊也改造了 R. eutropha 的基因,重新設計它的代謝途徑,「代謝」在此泛指「細胞內小分子的化學反應」。

當電極導電,將溶液中的二氧化碳還原成甲酸 (HCOO–),R. eutropha 就可以利用甲酸來合成化學能(NADPH),接著搭配溶液中的其他二氧化碳,進行卡爾文循環 (Calvin cycle),也就是光合作用中最後產生葡萄糖的「固碳反應」。當 R. eutropha 的小分子化學反應被重新設計後,就能使得最終固碳反應的產物轉化成異丁醇,這種高碳數的醇類可當作汽油的代替物、或加工成航空燃料。

這個改造後的電驅動微生物系統,除了可以固碳、產生燃料,也能用來儲存電能。

廖俊智說明,無論是風力發電或太陽能發電,再生能源最大的問題是多餘的電能難以儲存。儲存電能就會用到電池,但現行的電池壽命有限、且效益不高。如果出現系統能有效率地將電能轉換為另一種較易儲存的化學能(NADPH),就可以作為更有效的儲存;另一方面,也能利用這個化學能,來循環利用二氧化碳、轉化成生質燃料。這種方式可彌補電池之不足。

在研究團隊的實驗中,目前由電能轉化產出生質燃料的效率仍然很低,但廖俊智說明:「我們的研究,是全世界第一個這樣做成功的,目的是驗證這個做法的可行性」。研究團隊持續嘗試不同方法來提高效率,甚至不一定只用 R. eutropha 細菌和卡爾文循環為研究對象,還包括設計多種不同人工碳循環的反應途徑,並利用合成生物學的方式,植入不同微生物細胞中試驗。

有些人會擔心:改造細菌的基因,會不會對環境造成傷害?對此擔憂,廖俊智深思後回應:「這種細菌經過人工改造後,變成替人們生產的工具;但細菌本身長得不比原生種快,處於可控制的範圍」,並強調,科學家在研究過程中,要避免科學走上傷害環境的這一步;不能掉以輕心,但也不需過份恐慌。

合成生物學另一招:幫「脂肪代謝」蓋高速公路

「合成生物學」取之自然,改之創造新功能的知識技術,除了應用於微生物細胞,也可用來改造動物細胞的代謝途徑,藉此治療代謝異常。

例如,肥胖症 (Obesity)病人求診時,一般會透過調控體內荷爾蒙、或其他代謝控制藥物來治療;但廖俊智比喻,調控荷爾蒙或控制代謝,就像在塞車的區域拼命豎立交通號誌來控制車流量,卻沒有真正解決塞車問題。

為什麼會肥胖?肥胖的原因很多,基本上是因為脂肪累積過多、代謝不良。應該要加蓋「高速公路」把塞車的脂肪代謝掉。

脂肪在體內代謝後,會轉變成二氧化碳和水,並於過程中產生能量、供體內細胞使用。這個代謝過程就像一個龐大複雜的交通路網,當裡面某些途徑塞車時,脂肪堵塞積累過多,就導致了肥胖問題。

廖俊智與研究團隊加蓋的「高速公路」,由「酶」堆砌而成,用來幫助代謝脂肪。 資料來源│廖俊智說明 圖說設計│林婷嫻、張語辰

廖俊智與團隊以小鼠肝細胞做實驗,改造肝細胞的基因,並新增一條代謝脂肪的路徑,就像加蓋五股楊梅高架道路,來消化國道一號的壅塞車流量。經過小鼠實驗證實,這個方法可以讓更多的脂肪酸氧化,即使小鼠攝取了高脂飲食,也不再那麼容易變胖。

看到這裡,想減肥的朋友可能會問,這能否運作於人體?廖俊智說,這個實驗讓我們看到在高等生物體內,使用人工途徑(如基因療法)來提高代謝反應的可能性;但是人們應利用這項結果構想其他方法,以較緩和的方式達到相同的效果。否則,應該不會有人為了吃美食不想變胖,而改造自己肝細胞的基因。

實驗過程總有失敗,解法就是一次次面對挫折

無論是生產燃料的電驅動微生物系統,或是加速脂肪代謝的肝細胞工程,都尚有許多待改進之處。從目前的實驗原型示範,到未來大規模的市場應用,還有許多研究方法值得嘗試。廖俊智樂觀地說:「不可能一次解決所有問題,但不用擔心,總是能想到解決方案!」這就是科學的樂趣。

 All solutions have a problem, but all problems have a solution.

實驗的過程總是會有失敗,廖俊智坦言,這是科學家最大的挑戰。「從好奇的小朋友,變為成熟的科學家,過程中要面對、處理許多實驗失敗帶來的挫折感。」

遇到挫折的時候,廖俊智沒有什麼特別的方法,就是要面對問題、重新構思、解決問題。其實不只科學家會遇到失敗,像是王建民、陳偉殷、大谷翔平這些運動員所受到的挫折,也絕非外界能夠想像。

廖俊智言語中帶著力量地說:「每個人都要憑藉自己的毅力、和對科學的執著,就像這些選手對於運動的執著。」
攝影│張語辰

延伸閱讀

  • 記憶變差、反應變慢,神經細胞出了什麼問題?
  • 陳儀莊的個人網頁
  • 中研院知識饗宴「敵我難料──神經退化疾病中的星形膠質細胞
  • 註一. Schmidt et al., 2011, Intrinsically photosensitive retinal ganglion cells: many subtypes, diverse functions. Trends in Neuroscience, 34: 572-580.
  • 註二. Chien et al., 2013, Lack of Type VI Adenylyl Cyclase (AC6) Leads to Abnormal Sympathetic Tone in Neonatal Mice. Experimental Neurology. 248: 10-15.
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本著作由研之有物製作,原文為《重新設計細胞的功能,解決人類的難題──廖俊智》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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保留海洋中的絢麗色彩——海科館陳麗淑博士專訪

科學月刊_96
・2021/09/30 ・5120字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文由海洋保育署廣告企劃,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 作者:採訪撰稿 ∕ 謝育哲 ∕ 本刊主編

大海中美麗的珊瑚礁是許多海洋生物的棲地,但由於海洋環境汙染及氣候變遷等問題,珊瑚的生存不斷受到壓迫,珊瑚白化問題更是屢見不鮮。為了讓一般大眾也能保育珊瑚,由海科館陳麗淑博士等人團隊從澳洲引進的「珊瑚觀測」,用簡單色卡上的顏色與觀測珊瑚進行比對,就能評估該珊瑚的健康狀況。此外,海科館及海保署也進行更多的計畫與推廣,讓全民一起守護海底美麗的珊瑚。

圖/Pexels

海中有著形形色色的生物,如果要挑選出一種外觀最令人印象深刻的,肯定是色彩斑斕綺麗的珊瑚了!許多人常會誤認珊瑚是一種植物,但牠其實是不折不扣的動物。事實上,珊瑚是由許許多多的珊瑚蟲(coral polyps)所形成的群體。目前全世界共有 800 多種的珊瑚,而由珊瑚組成的珊瑚礁(coral reef)更是許多海洋魚類生存的家園。

但由於珊瑚生長速度極慢,每年僅增長約 10 公分,且十分脆弱,近年來又因氣候變遷與海洋汙染等問題,造成珊瑚的生存出現危機。因此,保護珊瑚人人有責,但身為一般人的我們又該如何保育這些美麗又珍貴的海洋生物呢?本次《科學月刊》專訪了國立海洋科技博物館(以下簡稱海科館)的研究員陳麗淑博士,看看有哪些保護珊瑚的方式,以及介紹從澳洲引進的珊瑚觀測(coral watch)方法吧!

珊瑚遇到了什麼危機?

關於珊瑚,我們最常聽到的是「珊瑚白化」(coral bleaching)。但珊瑚白化代表什麼?又是什麼造成了珊瑚白化呢?

白化的軸孔珊瑚(Acropora spp.)與背景中的健康軸孔珊瑚形成對比。圖/WIKIPEDIA

由於珊瑚對於生存環境的溫度十分敏感,一般來說,對珊瑚而言最自在的水溫環境為 23~28℃,而生存的極限溫度範圍則為 18~32℃,若超過這個溫度區間,對珊瑚來說即為太冷或太熱的環境。陳麗淑表示,一但海水溫度超過 32℃,珊瑚就會出現白化現象。當然不是所有的珊瑚都會同時白化,各種珊瑚因生長速度不同,白化現象發生的情形也會有所差異。一般來說,生長速度較快的枝狀珊瑚比較容易白化,而團塊狀珊瑚則比較有抵抗力。

不過珊瑚到底是怎麼「變白」的?其實珊瑚白化詳細原因,是因為當環境溫度出現劇烈變化時,珊瑚內部的共生藻數量就會下降。由於共生藻是珊瑚繽紛色彩的來源,因此在珊瑚內部的共生藻數量多時,顏色就會飽滿鮮豔,而當共生藻離開珊瑚後,珊瑚的顏色便會越變越淡,最後白化,若後續沒有適當保護與處置,珊瑚就可能會因而死亡。所幸珊瑚白化並不是不可逆的,只要海水溫度回到適合珊瑚生存的溫度,珊瑚就會逐漸穿上牠美麗的彩衣,恢復原本繽紛的色彩。

過去臺灣周遭海域曾出現過多次珊瑚大量白化的現象,陳麗淑表示,珊瑚大規模的白化的情形主要集中發生在夏季,甚至在去(2020)年夏季就曾發生珊瑚大量白化的現象,由於當時的海水溫度偏高,且維持時間較長,使得臺灣各地出現珊瑚白化的情形。不過好消息是,根據調查,今(2021)年還未發生大規模的珊瑚白化,且時節已進入秋季,海水溫度下降,至少目前珊瑚不會面臨溫度升高的生存壓力。不過,陳麗淑也語重心長地提醒:「近年來海水溫度過高的發生頻率相較以往提高了不少。」令人擔心的是,若海水溫度升高頻繁,將可能嚴重衝擊珊瑚的生存。因此,我們必須想辦法保護珊瑚。

圖/Pexels

一般人該怎麼保護珊瑚?老嫗能解的「珊瑚觀測」

對一般大眾來說,並不是所有人都具備珊瑚的相關知識,對此,陳麗淑一直在思考該用什麼方法,才能讓沒有專業知識背景的大眾能參與保育珊瑚的活動呢?在公民科學領域中,有個名為「珊瑚礁體檢」(reef check)的珊瑚監測計畫。但由於珊瑚礁體檢的入門門檻較高,需要先經過一定時數的課程訓練,且所費不貲,因此這並不是一項適合所有人的方法。

這時陳麗淑想到了「珊瑚觀測」。事實上,珊瑚觀測約莫在 2009 年就已有人引進臺灣,但當時並未受到大量關注。直到 2018 年,陳麗淑帶領的團隊開始重新研究珊瑚觀測的方式,發現其背後的科學大有學問,也可簡化成任何人都能理解並運用的珊瑚監測方式。

珊瑚觀測主要是透過一張卡片,上頭有 4 種由淺至深的色調。陳麗淑表示,這些色調涵蓋了約 70~80% 的珊瑚種類,即使無法囊括其他特殊顏色的珊瑚,但卡片上的設計對普通人來說已是綽綽有餘。而觀測方法也很簡單,任何人只要帶著這張卡片潛水至珊瑚旁,將卡片上的顏色與想觀察的珊瑚顏色進行比對與拍照即可。如果是前往水深 6 公尺以上的區域,則建議觀測時攜帶光源,以避免色差造成的誤判。前文有提到,珊瑚的顏色代表其內部共生藻早的數量,當共生藻數量越多,珊瑚顏色越深,也就代表越健康;反之,若顏色越淡則代表珊瑚的健康可能出現狀況了。

因藻類過度生長而造成的珊瑚白化 。圖/WIKIPEDIA

陳麗淑說明,珊瑚觀測背後的科學基礎十分紮實。這套由澳洲昆士蘭大學(The University of Queensland)學者馬歇爾(Justin Marshall)等人組成的團隊研發設計。團隊將珊瑚搬至實驗室中進行一系列實驗,觀察在各溫度區段中,不同溫度會如何影響珊瑚中的共生藻數量,並記錄珊瑚的顏色變化。在經過嚴謹的科學實驗後,馬歇爾團隊將其簡化並歸納成珊瑚觀測的色卡。陳麗淑表示,這套化繁為簡的觀測方式在經過推廣後,許多保育團體對於珊瑚觀測的接受度都非常高,能進而達到推廣珊瑚保育目的。

海洋公民科學知識報你知

珊瑚觀測

珊瑚觀測是一項由澳洲昆士蘭大學學者所辦理的非營利全球珊瑚礁監測計畫,將珊瑚的顏色變化標準化後,製作成珊瑚健康色卡,提供一種簡單的方法用以評估珊瑚健康,並為 CoralWatch 的全球數據庫做出貢獻。大家可以使用這些色卡協助科學家收及數據,支持珊瑚礁監測工作。

另外,珊瑚觀察也透過與世界各地的志願者合作,包括了潛水中心、科學家、學校團體、遊客參與其中,讓大眾更加了解珊瑚礁白化、氣候變化對於珊瑚礁的影響。

保育珊瑚面臨哪些困境?

雖然保育珊瑚是許多人的共識,但過程中依然面臨到許多的挑戰及困難。目前最常見的是海洋垃圾問題。由於珊瑚本身不會移動,當海洋垃圾在海中漂浮時不慎卡在珊瑚上,若沒有人為協助清理,則非常有可能造成珊瑚死亡。

圖/Pexels

陳麗淑舉例說明,由於今年 5 月起爆發 2019 冠狀病毒疾病(COVID-19)的本土疫情,位於基隆的潮境公園也為了防疫而禁止一般人下水。但當研究人員下水觀察後發現,因為沒人下水協助清理海洋垃圾,許多卡在珊瑚上的垃圾無法被及時移除,發現的當下已有許多珊瑚出現白化現象,這些珊瑚後續花了約一個月才慢慢恢復正常。

對此,陳麗淑曾與中研院學者邵廣昭等人討論,若保育區都沒有人進入可能並不是件好事,尤其當海洋汙染嚴重,垃圾很多的情況下,都還是必須定期有人去協助清理。因此,保育區在人為管理的情況下或許才是保育珊瑚好方法。

你我都可以為珊瑚盡一份心力

我們還有什麼方法可以保護珊瑚呢?陳麗淑表示,如果你是一個會下水觀測的人,使用珊瑚觀測是個好選擇。無須再多帶任何設備,只要準備珊瑚觀測的卡片,攜帶相機與光源,就可以拍攝並記錄珊瑚的健康狀況。不過若是沒有相關潛水經驗或半路出家的遊客,反而可能在潛水的過程中不慎踢到或傷害珊瑚,因此潛水者必須要具備一定的潛水技術。

海洋保育署(以下簡稱海保署)為推廣友善珊瑚礁生態旅遊,提出「珊瑚礁區你該注意的 8 件事」,包含不踩踏、不揚沙、合格玩家、保持適當距離、使用海洋友善防曬、不餵魚、不吃珊瑚礁魚、減塑行動。

即便沒有下水,在岸上也有許多可以保護珊瑚的方法。舉例來說,在我們常用的防曬乳中,多數含有可能傷害珊瑚的成份,因此在選購時可以優先考慮「海洋友善防曬」。此外,由於珊瑚礁魚類可以協助清理珊瑚礁之中的藻類,讓珊瑚順利生長,我們應盡量避免食用珊瑚礁魚類。所以最重要的,是希望大家一起落實節能減碳,全球暖化是影響珊瑚生存的主要原因之一,若減碳能從個人做起,也是保育珊瑚的積極作為。

「海洋友善防曬」 的成分較不會傷害珊瑚。圖/Pexels

出書、展覽、辦活動 海科館邀你一起守護珊瑚

除了上述的個人保育行為外,海科館也辦理了一系列保育珊瑚計畫。陳麗淑表示,海科館的研究人員會定期前往珊瑚礁進行監測,還會前往各地宣傳及教導大家如何使用珊瑚觀測。

至於在珊瑚復育方面,海科館內也有養殖珊瑚,研究人員會把這些珊瑚移植到野外,或是使用不同的材質,測試珊瑚附著生長的情形等。未來希望透過這些方法,協助加速珊瑚的生長。

在教育方面,去年海科館與行政院環境保護署及科技部等單位,共同主辦的「2020 海洋公民科學家行動計畫」中,包含了「珊瑚保育監測」的主題。對此,海科館團隊舉辦了一系列的「針織珊瑚」活動。「針織珊瑚」主要是前往各地的小學,除了教導珊瑚的知識,以及倡導珊瑚保育外,讓小朋友們藉由織毛線的方式,訴說一則關於珊瑚的故事。每所國小的作品都有自己的主題,也讓小朋友在織毛線的過程中,思考珊瑚對於生態的重要性,從小扎根珊瑚保育知識。並在後續收集作品後,舉辦「陸上造礁 針織珊瑚計畫特展」。

此外,海科館也曾於 2019 年出版《珊瑚很有事:珊瑚保育×環境藝術×手作針織×珊瑚教案》一書,並榮獲第 44 屆金鼎獎。今年更在海科館官網建置「海科館悠遊數位海洋行動學堂懶人包」,整合科普電子書、電子繪本、數位課程學習平台、海洋知識、動畫學習、影片等。陳麗淑表示,透過這些教材與教案的持續推廣,希望能讓更多人利用這些資源,一起守護海洋中的美麗珊瑚。

海洋保育署與臺灣珊瑚保育

海保署於今年透過「臺灣珊瑚監測交流網絡建立與保育策略規劃」計畫,建立珊瑚監測與保育示範點,以及珊瑚監測交流網絡,選訂全臺灣共 32 個地點進行水下珊瑚礁調查。調查結果截至今年 9 月底,澎湖、恆春半島、東部、北部珊瑚覆蓋率多呈現穩定狀態,但小琉球珊瑚礁卻多數已衰退,可見除了受到全球暖化影響,不當的遊憩踩踏行為也對珊瑚礁造成嚴重衝擊。

此外,海保署也與行政院農業委員會水產試驗所共同合作,針對澎湖池東淺坪海域的棲地環境現況進行調查及珊瑚復育,增加棲地多樣性。截至今年 9 月底,珊瑚移植面積已達到 100 平方公尺,其中珊瑚礁魚類包含青嘴龍占(Lethrinus nebulosus)、鸚哥魚(Scaridae)、隆頭魚(Labridae)等也逐漸聚集在移植區域,豐富當地生態。

棕吻鸚哥魚。圖/WIKIPEDIA

此外,有鑒於目前許多單位都在進行珊瑚保育及復育相關工作,海保署今年度與海生館合作成立珊瑚保育專案辦公室,除了作為各單位資料蒐集整合中心,提供數據科學家分析資料外,還能進一步轉化為資訊呈現給大眾,使珊瑚礁相關專家學者、單位,以及一般民眾等,都可藉由此互相交流,同時兼具諮詢、推廣功能,協助提供珊瑚保(復)育相關標準作業方式及技術指導。並設立臺灣珊瑚礁水質採樣點及進行水樣分析,了解水質狀態,以作為後續珊瑚復育棲地及規畫保育方式選擇的依據。

為了鼓勵更多在地民間團隊參與,海保署亦透過辦理「海洋保育在地守護計畫」,支持在地團體進行公民科學、清除珊瑚礁覆網及珊瑚復植,希望能夠結合在地生活方式及資源提出具體保育策略,發揮社會影響力,促進在地參與珊瑚保育及復育作業,並提高民眾對海洋保育的參與及投入。

從政策面、科學面,再到行動面,海保署將持續呼籲全民共同守護臺灣珍貴的珊瑚資源。

海洋委員會海洋保育署正在舉辦 海有問題 我來分析 | 第一屆海洋公民科學家數據松!為臺灣周遭的海洋生態盡一份心力吧!

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