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

2018/09/20 |

| 標籤：

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

關於作者

研之有物│中央研究院

研之有物，取諧音自「言之有物」，出處為《周易·家人》：「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活，成為串聯您與中研院的橋梁，通往博大精深的知識世界。
網頁：研之有物
臉書：研之有物@Facebook

迴響及觀看留言