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生物基因的未來 ──《基因諾亞方舟》

Gene Ng_96
・2019/02/01 ・2592字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

隨著科技發達,各種社群網路與監控、氣候危機、機器人與人、優生學是我們必須正視的議題,更多有關科學、生物、科技的精彩電影,請見 Giloo 紀實影音與台北當代合作,「未來近了」片單

蘋果出了史上最貴的 iPhone XS Max,一支要價 NT$52,900。可是,如果把一支智慧手機的所有化學元素都分開再賣給你,價錢還會這麼高嗎?蘋果公司出這價錢合理嗎?我們是不是該抵制一下這黑心的商業行為?

別急,如果把你身體分解成元素,不過也就主要是一堆碳、氮、磷、氧、氫等等的元素,加起來的價格又是多少?

製造一部蘋果手機並不是把一堆化學元素隨意混合而已,而是依一大堆零件的設計藍圖,在眾多工廠裡頭用精妙複雜的機器生產再組合起來。不管智慧手機多昂貴或多便宜,我們所買的,是用非常多資訊和知識製造組合,然後用軟韌體運行的高科技產品。

而要製造出一個像你我他一樣的人類驅體,也要有大量的設計藍圖,然後在各種細胞和發育的作用下,長成我們現在這個樣子,並按照類似軟韌體邏輯的運作藍圖來控制日常的生理、生化運行,這些生命藍圖編碼了奈米小機器人的資訊。我們人類正常來說,大概有兩萬多個這樣的藍圖,它們就是我們的基因,奈米小機器人就是蛋白質。

《基因諾亞方舟》劇照。圖/Giloo紀實影音提供

豐富多樣的藍圖庫

每個物種,都有一個獨特的藍圖庫,就是基因體。不同物種之間,有許多基本藍圖頗相似,也有不少藍圖內容不太一樣,甚至有新的藍圖,或者份數不同。其中一些動植物種,經過人類上千年甚至上萬的選拔,不同品系間的藍圖庫也有差異,其中好些藍圖有了新的資訊,造就出多樣的品種。

這些多姿多彩的藍圖庫,無論是改進人類食物食材的生產效率和品質上,或是提供天然的藥物上,都有著舉足輕重的影響。不過很不幸的,在氣候變遷下,或者資本主義講求的極致效率下,很多野生的藍圖庫也好,人工培育出的藍圖庫也好,都面臨著滅頂之災。而這部紀錄片《基因諾亞方舟》,談的就是演化生物學家、遺傳學家、動物學家、植物學家、微生物學家、農學家、生物物理學家、細胞生物學家、生化學家、病理學家、流行病學家等等 ⋯⋯ 合力為守護地球上繽紛多彩的生命歷經試煉一路演化來的藍圖庫而作出的努力。

《基因諾亞方舟》劇照。圖/Giloo紀實影音提供

死都要保護的種子庫

我們人類其實是種子控,不信你數數今天吃了多少種子:米飯、麵條、麵餅、麵包、豆製品等等,全都是用植物的種子做的。這些糧食多樣性的喪失,讓農作物曝露在疾病、氣候變遷等危脅中。蘇聯在納粹德軍圍城時,守護多樣種子庫的科學家,坐視滿室的食物仍寧可餓死,真是令人不勝唏噓和感動。

《基因諾亞方舟》的開頭,帶我們到挪威只有兩千多住戶的斯瓦巴群島 (Svalbard)。為了延續我們糧食的未來,科學家在那蓋了一個全球最大的種子庫  — — 斯瓦爾巴全球種子庫 (Svalbard globale frøhvelv),利用極地天然的寒氣保存了來自全球兩百多個國家的各種作物種子,最多可以容納廿二億顆種子,現今已收藏超過一百萬份種子樣本。

《基因諾亞方舟》劇照。圖/Giloo紀實影音提供

生物組織蒐藏庫

生命的多樣性也取決於個體擁有多樣的組織器官。保存在細胞核的 DNA 存有各種生命藍圖,但就像工程師施工時不需要把整本工程藍圖都搬到工地或工廠一樣,轉錄作用把 DNA 上的生命藍圖拷貝成一份信使 RNA 的藍圖副本再送到核醣體去製造蛋白質,就像工程師影印奈米機器人製造藍圖副本到工廠施工,工作完成後就銷毀副本資源回收。透過窺視細胞中有哪些和有多少藍圖副本,我們能夠猜測生命的運作。

《基因諾亞方舟》同時也介紹德國野生生物的細胞銀行,用液態氮的超低溫保存各種生物組織,為我們凍結了不同物種的不同組織的藍圖副本。而在南台灣,屏東高樹鄉的辜嚴倬雲植物保種中心,植物學家也把植物的各部分小心剪下裝入小試管瓶中,再放入裝滿液態氮的大型鐵桶中,為後世子孫保存各種植物的生命運作秘密。這個自然科學博物館、國立清華大學及保種中心合作向科技部申請的「冷凍保種計畫」,目標是要在三年內完成三萬種植物的液態氮保存計畫,每個物種至少八份組織樣本,完成後將是世界最具規模的蒐藏庫。

《基因諾亞方舟》劇照。圖/Giloo紀實影音提供

很科幻又不科幻的基因資料庫

過去要定序一個人類的生命藍圖,也就是人類基因體,耗費了幾百億美元,還有三千多位科學家十幾年的寶貴時間。拜 DNA 定序成本比 IT 產業的晶片成本下降速度更快許多所賜,如今定序你我的基因體,費用快要比 iPhone XS Max 還便宜了!於是中國野心勃勃的華大基因 BGI,單單一家機構,正以佔全球定序總量六成的大規模,日夜不停機地要為上萬種脊椎動物的基因體定序。

《基因諾亞方舟》劇照。圖/Giloo紀實影音提供

但我們也別忘了,除了物種和作物品系的多樣性,你我也都是獨一無二的,即使是同卵雙胞胎也有表觀遺傳的差異,就像同一本教科書被不同學生劃的重點有差一樣,不同的後天環境會在相同的 DNA 上做出不同的標記。為了保存和研究個體間的遺傳異同,影片訪問中國、英國和奧地利的生物資料庫或基因銀行,這些基因資料庫或許有一天能幫助我們破解疾病和藥物代謝差異的遺傳因素。臺灣人體生物資料庫也基於臺灣獨特的生活型態和致病因素而成立,為生物醫學研究蒐集龐大的生物檢體與健康資訊,迄今已收集超過九萬人的樣本。而在不久的未來,科學家甚至可能試圖用基因體編輯的技術來修正我們的生命藍圖以治療疾病,或者改造人類,甚至把已滅絕的生物復活,我們將進入一個很科幻但實際上不再科幻的世界!

《基因諾亞方舟》劇照。圖/Giloo紀實影音提供

線上觀看《基因諾亞方舟 Golden Genes》

《基因諾亞方舟》劇照。圖/Giloo紀實影音提供

 

文章難易度
Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋


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隱翅蟲的毒液生化武器,演化上如何組裝而成?

寒波_96
・2022/01/17 ・3910字 ・閱讀時間約 8 分鐘

隱翅蟲是一群小型甲蟲的總稱;牠們以毒聞名,卻不見得都具有毒性。有些隱翅蟲會生產毒液儲存在身體裡,需要時噴射攻擊。毒液不只是嚇唬人的工具,像是跟螞蟻搶地盤這類場合,生化武器能發揮實在的優勢。

本文沒有真實隱翅蟲的圖像,閱讀時不用擔心。

隱翅蟲毒液的用途之一:攻擊螞蟻。圖/參考資料 1

隱翅蟲的毒液包含毒素和溶劑兩部分,有意思的是,兩者是獨立生產;溶劑本身沒有毒,毒素單獨存在也沒多少毒性。兩者極為依賴彼此,生產線卻是獨立運作,此一狀況是怎麼形成的?一項新研究投入大筆資源,便探討其演化過程。

「毒」加「液」才有毒液

這項研究探討的隱翅蟲叫作 Dalotia coriaria,為求簡化,本文之後稱之為「隱翅蟲」。它的毒素並非導致隱翅蟲皮膚炎的隱翅蟲素 (pederin) ,切莫混淆。

隱翅蟲的毒液發射器位於背上,體節的 A6、A7 之間,這兒有部分表皮細胞特化成儲存囊壁,並分泌脂肪酸衍生物作為溶劑。而毒素為配備苯環的化學物質 benzoquinone(苯醌),簡稱 BQ;另有一群細胞專門生產 BQ,再運送到儲存囊,和其中的脂肪酸衍生物混合後形成毒液。

生產毒素和溶劑的細胞,是兩類完全不一樣的細胞,各有不同的演化歷史。隱翅蟲的祖先,沒有毒素也沒有溶劑,兩者都可謂演化上的創新 (novelty) 。

一類細胞製毒,另一類細胞產液,兩者合作才有毒液。圖/參考資料 1

論文將生產溶劑的細胞稱為「溶劑細胞」;分析成分得知溶劑總共有 4 種,是碳數介於 10 到 12 的脂肪酸衍生物。合成脂肪酸,本來就是各種生物的必備技能,但是溶劑細胞製作的脂肪酸衍生物,原料並非一般常見的脂肪酸。

脂肪酸的合成,都是以 2 個碳的基礎材料開始,作為類似 PCR 中引子 (primer) 的角色,然後由 FAS(全名 fatty acid synthase)這類酵素一次加上 2 個碳,2、4、6、8 碳一直加上去。人類的 FAS 通常會製作長度為 16 碳的棕櫚酸,昆蟲則會造出 14、16、18 碳的最終產物。

隱翅蟲的溶劑細胞中,脂肪酸衍生物只有 10 到 12 個碳,比 FAS 一般的產物更短。奇妙的是,這兒的脂肪酸並非由 14 或 16 個碳縮短而來,而是溶劑細胞內 FAS 的最終產物直接就是 12 個碳。

隱翅蟲毒液的組成物,碳鏈長度介於 10 到 12 個碳,4 種脂肪酸加工而成的衍生物作為溶劑;3 種 BQ 作為毒素。圖/參考資料 1

改造脂肪酸合成線路,製作溶劑

要闡明其中奧妙,必需先稍微認識昆蟲的脂肪酸合成系統。昆蟲有一群特殊的脂肪酸衍生物,稱為「表皮碳氫化合物(cuticular hydrocarbon,簡稱 CHC)」,具有防止水分散失、費洛蒙等作用。

表皮碳氫化合物多半由 oenocyte 所製造(類似人類的肝細胞),在 FAS 酵素催化形成 14 到 18 個碳長的脂肪酸以後,繼續由延長酶 (elongase) 增加長度,去飽和酶 (desaturase) 加上雙鍵,最後經過兩道尾端的還原手續,分別由 FAR(全名 fatty acyl-CoA reductase)和 CYP4G(全名 cytochrome p450 family 4 subfamily G)兩類酵素執行,產生通常介於 20 到 40 個碳長的產物。

隱翅蟲溶劑細胞和 oenocyte 的脂肪酸生產線的比較,兩邊多數酵素種類是重複的,但是每一類酵素都有好幾個,兩邊各自使用的酵素不一樣。圖/參考資料 1

隱翅蟲和其他昆蟲一樣,oenocyte 細胞內有完整的表皮碳氫化合物生產線,每一步驟的酵素一應俱全。比對可知,溶劑細胞內也有一條脂肪酸衍生物的產線,顯然是由表皮碳氫化合物的生產線改版而成。

隱翅蟲至少有 4 個 FAS 基因,3 個負責製作一般的脂肪酸和表皮碳氫化合物,只有一個特定的 FAS 參與溶劑生產,專職在溶劑細胞中大量表現,製造 12 碳的脂肪酸,最後也由 FAR 和 CYP4G 收尾形成衍生物。值得一提,已知產物長度為 12 碳的 FAS 酵素相當罕見。

溶劑細胞和表皮碳氫化合物的生產線,兩者都有 FAS、FAR、CYP4G 三類酵素,但是在溶劑細胞作用的三種酵素,都不管其他細胞的脂肪酸合成。除此之外,有時候還有另一種酵素 α-esterase 的參與。依靠這些專門在溶劑細胞工作的酵素們,隱翅蟲能生成 4 種溶劑。

溶劑細胞內,4 種脂肪酸衍生物的合成過程。acetyl-CoA 作為引子,由 FAS 以 malonyl-CoA 為材料,一次加上 2 個碳,再分別經還原酶或 α-esterase 加工。圖/參考資料 1

演化上,隱翅蟲並沒有捨棄原本的脂肪酸生產線,整套都還存在;相對地,隱翅蟲在少數特定細胞新增一條產線,不影響原本的重要部門。這是隱翅蟲在遺傳和細胞層次的演化創新。

改造粒線體代謝線路,生產毒素

類似的狀況,也在毒素生產線觀察到。隱翅蟲的毒素,也是由原本有重要功能的古老生產線,調整再改版而成。

論文將生產毒素的細胞稱為「BQ 細胞」,這部分沒有溶劑細胞了解的那麼詳盡,不過經由碳的穩定同位素追蹤,還是得知毒素原料來自食物中的氨基酸:酪胺酸 (tyrosine) ,經過一系列加工後形成 BQ。

這條生產線上有個關鍵酵素叫作 laccase,它一般的功能是參與 Coenzyme Q10,也就是 ubiquinone 的合成。這是粒線體有氧代謝中的重要成分,對生存不可或缺。和其他甲蟲相比,隱翅蟲多出一個 laccase 酵素,專門在 BQ 細胞表現,將 HQ (hydroquinone) 催化成 BQ 作為毒素。

由此看來,隱翅蟲祖先演化出溶劑和毒素的道理是一樣的。

溶劑方面,以舊的表皮碳氫化合物生產線為基底,改用多個新酵素基因,形成新的生產線。毒素方面,源自古老的粒線體代謝線路,同樣加入新的酵素基因,改版後變成毒素產線。兩者各自皆為遺傳與細胞層次的新玩意,合在一起則衍生出功能上的演化創新。

由粒線體代謝線路改版而成的 BQ 毒素生產線,有一個專職生產毒素的 laccase(Dmd)酵素參與。圖/參考資料 1

組合新功能,一步一步累積有利變異

這項研究有許多潛在的討論方向,有興趣的讀者可以自行鑽研。像是生物學研究者能估計所有實驗耗資多少,感受自己的微渺(例如為了分辨不同細胞的作用,論文使用大量昂貴的「單細胞轉錄組 single cell transcriptome」進行分析)。這邊只提兩點。

第一點有趣的問題是:隱翅蟲的溶劑和毒素要同時存在才有效果,可是演化上是哪個先出現呢?論文推測是溶劑細胞先出現。

假如只有 BQ 這類毒素存在,殺傷效果非常差(論文用果蠅幼蟲做實驗),但是溶劑細胞的產物,即使不作為 BQ 的溶劑,脂肪酸衍生物也可以有其他用途,像是潤滑油之類的,或是扮演別種物質的溶劑。

想來新的脂肪酸生產線比較可能先出現,扮演某些不是太重要的角色,接著再加入 BQ;毒素加上溶劑,兩者合體產生新的強大功能,脂肪酸生產線又由於獲得新功能而調整優化,最終形成現在的樣貌。

替隱翅蟲帶來優勢的毒液,由兩個原本獨立的部門組合而成。圖/參考資料 1

第二點有趣的是,這回發現產物為 12 碳的 FAS 酵素。乍看沒什麼,影響卻很關鍵。

FAS 這類酵素的差異,在於催化生成的脂肪酸最終產物有幾個碳(或是說,可以加到幾個碳那麼長);已知幾乎皆為 14、16、18 個碳,隱翅蟲的溶劑細胞表現的 FAS 卻是 12 個碳。好像只差一點,然而實際測試發現,脂肪酸衍生物超過 13 個碳,作為 BQ 溶劑的效果便會差一大截。

也就是說,隱翅蟲倘若沒有脂肪酸產物僅 12 碳長的 FAS,儘管仍然可以生成溶劑,毒性將弱化不少。由此推想,隱翅蟲如今威力強大的毒液,並非透過少數變化一次到位,而是逐漸累積有利變異的結果。

想得更遠一點,由兩種細胞合作衍生而成的毒液,可以視為由多種細胞合夥,複雜器官的最簡單版本。原本不相關的各式細胞們,持續累積一個一個微小的改變,也有機會組合發展成複雜的組織或器官。

延伸閱讀

參考資料

  1. Evolutionary assembly of cooperating cell types in an animal chemical defense system.
  2. A beetle chemical defense gland offers clues about how complex organs evolve

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

 

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。