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藻類生質燃料(三) 收穫

生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
・2013/01/09 ・1374字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

培養藻類就像其它農作物一樣,在好好的培養之後,下一個步驟就是收穫。然而如何將藻類從水裡分離出來都是目前藻類能源的一大挑戰。藻類收穫的困難之處在於微藻體積很小,僅有數微米的體型使得打撈不易。除此之外,微藻的密度與水相近,不會主動沈澱,更增加了採收難度。因此如何便宜、有效地從水中採集微藻是急需解決的問題。現在常用的採收方法有:

離心法 Centrifugation


離心法是在實驗室裡最常見的濃縮方式,將藻液置入離心管(瓶)內,利用高速旋轉產生離心力使水中不同密度的物體分離,從而收集濃縮藻液。根據不同的旋轉速度,收集到的藻液含固量可由原本約 0.1%的濃度濃縮成 5%至 25%之間。然而離心法需要輸入大量能量以達到高速旋轉,較不適合應用在以產生能源為目的的製程中。

過濾法 Filtration

過濾法就是利用重力或是加壓的方式,強制水透過濾膜,而比濾膜孔徑大的微藻將會留在濾膜的另一端以方便收集。這是目前藻類工廠最常使用的收集方式,過濾後的藻液含固量可達 20~30%左右。然而過濾法最大的困難是濾膜會隨著使用時間變長而漸漸阻塞,因此需要定期更換或清洗濾膜。而利用加壓或真空抽取的方式,也會造成可觀的能量花費,影片中示範了法國藻類養殖場的運作過程,除了收集螺旋藻的部份之外,後面他們將螺旋藻製成義大利麵的過程也很有趣。

絮凝法 Flocculation
圖片來源:Biofuel from Microalgae, harvesting algae for oil extraction

絮凝法常見於水處理廠中,加入化學藥劑使水中懸浮顆粒凝聚在一起形成大顆粒而沈降至池底。這項技術同樣也可以應用在微藻收穫裡,加入氯化鋁促使微藻聚合沈澱而方便收集。經由絮凝法所收集到的藻液含固量可達30%。然而購買絮凝劑對大規模培養來說仍然是一項可觀的花費。因此許多專家研究透過改變二氧化碳濃度或是pH值來引發微藻自體絮凝來避免額外支出,但目前僅發現幾株藻種有這種特性,因此還處於研究階段。

懸浮法 Flotation


懸浮法類似絮凝法,也是常用於水處理場裡的去除顆粒技術。懸浮法是由池底導入微小氣泡,在氣泡上升的過程中會一併將微藻帶至水面上。如上圖所示,微藻會在液體表面聚集,之後便可在表面收集這些濃縮後的藻液。懸浮法可以快速的處理大量藻液,然而經由懸浮法所收集的藻液濃度較低,含固量通常不到5%,因此常會與絮凝法並用,使用絮凝劑使微藻聚集為較大的團塊便可更輕易的使這些團塊浮於水面。

其他收集法:

除了上述四種常用的收集方式之外,還有許多正在發展的收穫技術,例如Algaeventure 利用毛細現象設計的雙層濾膜就可以利用極少的能量達到除水的效果。其它還有利用滲透壓除水、或是利用駐波集中微藻再加以收集…等等。這些新技術的共通之處就是盡力減少收穫的能量消耗以求增加能源產出,並且降低成本增加藻類生質燃油的競爭力。各位朋友們也許也可以動動腦,想想看還有什麼方法可以將微藻分離出來,也許哪天你會成為藻類生質燃料的一大推手呢。

相關閱讀:
藻類生質能源(一)序論
藻類生質能源(二)常見藻種介紹
藻類生質能源(三)藻類培養
藻類生質能源(五)燃料轉換方式
藻類生質能源(六)結語

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生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
20 篇文章 ・ 2 位粉絲
三個大學同學在畢業後各自步上不同的旅程,卻對於生質能源有著相同的興趣與期待,因此希望藉由寫作整理所知所學,並與全世界分享與討論。

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真菌與藻類的共生體,有著「陸上的珊瑚」之稱——地衣
許阿鳥_96
・2022/03/23 ・2967字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

地衣是可以作為空汙指標的生物

爬山的時候,路邊的石頭上、樹皮上,常常可以見到一層有點粉粉的、很像青苔的小生物。它們有綠色、灰色、黃色、紅色,呈現殼狀、葉狀、枝狀等各種形狀。它們的名字叫「地衣」,雖然常常與苔蘚混淆,不過它們並不是植物,而是真菌和藻類的共生體:真菌形成外殼,提供藻類保護;藻類行光合作用,提供真菌養分。科學家稱呼地衣時習慣以真菌的名稱來代表。由於它們也是靠共生藻提供養分,又有多變、多彩的外形,所以有「陸上的珊瑚」之稱。

地衣對空氣中的化學成分很敏感,可以作為空氣汙染的指標。因此,如果你家附近的路邊、行道樹上出現地衣,那代表你家附近的空氣很乾淨喔!除此之外,由於地衣的生命力強韌,它們通常都是一片荒蕪的環境中的先驅,在植物長出來之前,地衣就會先一步到達,把岩石分解成土壤,為之後的生態系打下基礎。在嚴寒的極地,冬季寸草不生,只有地衣可以生長。因此,地衣也是馴鹿等野生動物度冬重要的食物來源。

地衣可以做成染劑,而大家熟悉的石蕊試紙當中使顏色變化的成分,也是從地衣中提煉出來的。以下,就讓我們來認識一些美麗的地衣吧。

石蕊

石蕊屬於石蕊科(Cladoniaceae)、石蕊屬(Cladonia),屬於枝狀地衣,形狀就像一支支直立起來的粉綠色小喇叭,生長在中高海拔向陽的岩石上。

攝影:Cleyera Chou

地衣的繁殖構造稱為子囊果(ascocarp),有些種類的石蕊在小喇叭的邊上會長出鮮紅色的子囊果,像不像帶著紅色帽子的英國士兵呢?因此,這些地衣又被稱為「英國士兵地衣(British Soldier Lichen)」。

攝影:Cleyera Chou

地卷

地卷屬於地卷科(Peltigeraceae),地卷屬(Peltigera),屬於葉狀地衣,形狀就像一個黑色的手掌,有尖尖的橘色指甲。其實,「指甲」的部分是它的子囊果,由於形狀扁平,又稱為子囊盤(apothecium)。生長在山區潮濕的土壤、岩石和樹皮上。因為它們的形狀很像狗的牙齒,在英文中被稱為「狗地衣(dog lichen)」。在中世紀的歐洲,由於形狀很像狗牙的緣故,地卷被認為可以治療狂犬病。人們會把地卷磨成粉末,加入胡椒和熱牛奶,作為治療狂犬病的偏方。

攝影:Cleyera Chou

裸緣梅衣

梅衣科(Parmeliaceae)是目前已知最大的一個地衣科,有 77 屬 2765 種,形態、生長環境各有不同。其中,裸緣梅衣屬(Parmotrema)是很大的一個屬,包含了多種十分常見的地衣。圖中的大裸緣梅衣(Parmotrema tinctorum)就是最常見的地衣之一。

它們是葉狀地衣,顏色從灰綠到灰白,形狀有點像嚼過的口香糖,壓扁後黏在樹皮上的樣子。它們生長在中低海拔的樹皮上,經常出現在都市的行道樹幹上。下回,仔細觀察住家附近的行道樹,或許可以發現它們的蹤跡喔!

一張含有 真菌, 樹, 室外, 岩石 的圖片

自動產生的描述
攝影:許翠庭

絨衣

你是否見過山壁上、岩石上、樹皮上長出黃綠、褐綠色的絨毛呢?它們不是青苔,而是絨衣屬(Coenogonium)的地衣。絨衣是一類很特別的地衣,大部分的地衣都是由真菌外殼決定形狀,但絨衣卻是由絲狀的共生藻——橘色藻屬(Trentepohlia)構成主要的形狀,這也是為什麼絨衣摸起來毛茸茸的原因。翻起一片片絨衣,有時可以看到點狀的子囊盤長在絨毛的背面。

一張含有 魚 的圖片

自動產生的描述
攝影:許翠庭

松蘿

和上述的裸緣梅衣一樣,松蘿屬(Usnea)也是屬於梅衣科,形態卻大不相同。它們是枝狀地衣,長得像淺綠色的頭髮,和園藝店常見的空氣鳳梨十分相似。其實,空氣鳳梨是被子植物中的鳳梨科(bromeliaceae) 鐵蘭屬(Tillandsia),松蘿是真菌、藻類共生而成的地衣,兩者是完全不一樣的。松蘿生長在中、高海拔霧氣豐富的森林中,常常與下面會提到的樹花(Ramalina)一起出現在樹枝、樹幹上。

攝影:Cleyera Chou

樹花

樹花屬於樹花科(Ramalinaceae)樹花屬(Ramalina),形態和松蘿有點相似,都是淺綠色的枝狀地衣,差別在於樹花比較短,呈現一束束的簇生狀態;松蘿則長了許多,垂掛在樹枝上。圖中的圓盤狀構造,是樹花的子囊盤。

樹花和松蘿是好朋友,常常一起出現在中、高海拔雲霧森林的樹枝和樹幹上,喜歡生長在樹的向陽面。樹花含有一種稱為松蘿酸(Usnic acid)的化學物質,是製做抗生素的重要原料。

攝影:Cleyera Chou

膠衣

膠衣屬於膠衣科(collemataceae)。膠衣科的地衣有一個特徵:大部分的地衣主要的共生藻類都是綠藻(chlorophyta),但膠衣科地衣主要的共生藻類都是藍綠細菌(cyanobacteria),因此,膠衣科的地衣形態成膠狀,有點像橡皮的質感,和其他地衣很不一樣。圖中的地衣屬於膠衣科的貓耳衣屬(Leptogium),生長在低海拔的森林中,樹幹的陰涼面。粉紅色圓盤狀構造是它的子囊盤。

攝影:Cleyera Chou

肺衣

肺衣屬於肺衣科(lobariaceae)肺衣屬(Lobaria),同時含有綠藻與藍綠細菌兩種共生藻類。它們有皮革的質感,葉面上有許多凸起的脈和凹下的凹槽,背面則有肺泡一般隆起的小包,裡面含有共生的藍綠細菌。由於形態很像肺臟,有肺泡般的構造,因此被稱為「肺衣」。

在許多文化中,肺衣都具有藥用的功能。例如在中醫的系統裡,肺衣被稱為「老龍皮」,有消食健脾,利水消腫,祛風止癢的效果,在印度、義大利等地也有藥用的紀錄。此外,肺衣中也可以提煉出松蘿酸,作為抗生素使用。

攝影:Cleyera Chou

赤星衣

赤星衣屬於赤星衣科(haematommataceae)赤星衣屬(Haematomma),屬於殼狀地衣,生長在樹皮表面。赤星衣有鮮紅色的子囊盤,非常醒目。

攝影:Cleyera Chou

盤腎衣

盤腎衣屬於盤腎衣科(nephromataceae)盤腎衣屬(Nephroma),形狀像一片一片的小蚌殼,生長在樹皮上。

攝影:Cleyara Chou

地衣雖然不起眼,仔細看卻擁有各異其趣的美麗。下次爬山時不妨放慢腳步,仔細看看這些小生命,將會發現許多驚奇唷!

參考資料:

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許阿鳥_96
2 篇文章 ・ 5 位粉絲
台大生態學與演化生物學研究所畢業。火星上的人類學家。

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魚與熊掌可以兼得!不只能發電,還二氧化碳負排放的科技——《在大滅絕來臨前》
臉譜出版_96
・2022/02/06 ・3122字 ・閱讀時間約 6 分鐘

「氣候工作」公司(那間我付錢請他們把碳排放埋到冰島的公司)是由克里斯多福.格巴德(Christoph Gebald)與簡.沃茲巴赫(Jan Wurzbacher)這兩位大學時代的朋友共同創辦的。「我們是上大學第一天認識的,」沃茲巴赫回憶道,「我想我們第一週就問了彼此:『嘿,你想要做什麼?』然後我說:『嗯,我想要創立自己的公司。』」他們後來將研究所的獎學金分為兩份;兩人都花一半時間做博士班的研究,並且用另一半時間讓公司成長。

就跟拉克納一樣,他們兩個人面對了許多質疑。有人說,他們做的事情只是在轉移焦點。如果大家認為有方法能從大氣中抽走二氧化碳,那他們就會排放更多。「大家會反對我們說:『嗯,老兄,你們不該這麼做,』」沃茲巴赫跟我說,「但我們一直很頑固。」現年 35、6 歲的沃茲巴赫身材纖瘦,頂著一頭孩子般的蓬亂黑髮。我和他在「氣候工作」公司的蘇黎世總部碰面。那棟建物裡不僅有辦公室,也有金屬加工廠,現場不僅帶著科技新創的氛圍,也有點腳踏車店的感覺。

「把二氧化碳從流動的空氣中抽出來並不是什麼尖端科技,」沃茲巴赫跟我說,「這也不是什麼新鮮事。過去五十年來,人類都會從氣流中過濾二氧化碳,只是用途不同。」

「氣候工作」公司的二氧化碳移除系統有兩道程序。※出處:MGMT. design

從空氣中抽碳所面臨的挑戰

譬如在潛水艇中,船員呼出的二氧化碳必須排出去,否則會累積出對人體而言很危險的濃度。

但是能從空氣中抽出碳是一回事,要能大規模執行則又是另一回事。燃燒化石燃料會產生能源,從科技中捕捉二氧化碳也「需要」能源。只要能源是透過燃燒化石燃料所產生的,那就一定會增加必須捕捉的碳量。

第二個重大挑戰是處置方式。捕捉下來的二氧化碳需要送到安全的地方儲存。「玄武岩的好處是我們很好對外解釋,」沃茲巴赫說,「如果有人問:『嘿,但這真的安全嗎?』答案很單純:兩年內,它就會變成位在地下一公里處的石頭。就這麼簡單。」合適的地下儲存地點並不少見,但也不普遍;這表示,若要打造大型的碳捕捉工廠,要不是必須有個合適的地理位置,否則就得把二氧化碳運到遠處。

由暗色玄武岩組成的北愛爾蘭巨人堤道。圖/維基百科

最後是成本的問題。把二氧化碳從空氣中取出來需要經費,現在這需要花很多的錢。把一噸重的碳排放變成石頭,需要付給「氣候工作」公司 1000 美元。我將 544 公斤的配額,都用在飛往雷克雅維克的單程飛機上,於是包含回程飛機以及去瑞士的航程在內的碳排放,就只能留在空中飄蕩。沃茲巴赫跟我保證,隨著愈來愈多的捕捉裝置裝設完成,價格也會下降;在 10 年左右的時間內,可望降到每噸 100 美元。

如果碳排放以類似比例課稅的話,那麼就更容易計算:基本上,只要抽出一噸二氧化碳,就能少付一噸的碳稅。但如果碳仍舊能免費排入大氣中,那又有誰願意付這筆錢呢?即使一噸只要付 100 美元,把十億噸二氧化碳(只是世界年度排放量的一小部分)埋起來,就需要花上 1000 億美元。

我也問沃茲巴赫,這個世界是否已準備好為直接從空氣中捕捉碳的技術付費。「也許我們太早投入了,」沃茲巴赫若有所思地說,「也許時機正好;又或許我們遲了一步——天曉得。」

生質能與碳捕集和封存 BECCS

一如有許多方式能把二氧化碳釋放進空氣中,其實也有很多(潛在的)方式能移除二氧化碳。一種名為「加速風化(enhanced weathering)」的技術可說是我在赫利舍迪電廠參觀到的工程的反向版。這個概念並非將二氧化碳注入石頭中,而是將石頭帶到地表與二氧化碳接觸。

首先,要先將人為開採並碾碎的玄武岩散布到世界上炎熱、潮溼地帶的農田裡,而二氧化碳與這些碎掉的石頭起化學反應後,就能將其從空氣中抽取出來。或者有人也提出,可以碾碎火山岩中常見的綠色礦物質:橄欖石,再撒入海洋中溶解。這麼做能使海洋吸收更多的二氧化碳,而且還有另一個好處:對抗海洋酸化。

另一類負排放科技(negative-emissions technologies,簡稱為 NETs)的靈感則源自於生物。植物生長時會吸收二氧化碳,而當它們腐朽時,二氧化碳就會回到大氣中。種植新的森林能在植物體成熟之前吸收碳;有一篇瑞士研究人員最新的研究評估,種植一兆棵樹就能在接下來數十年中,從大氣中移除 2000 億噸的碳。其他研究人員認為,這項數據將事實誇大了十倍甚至更多。儘管如此,他們也評道,新植林吸收碳的能力「還是很重要」。

植林吸碳的能力很重要。圖/Pexels

為了解決朽木的問題,許多人提出各種技術方案。其一是將成樹砍倒並埋在溝渠裡;因為缺乏氧氣,就能防止樹木腐朽,以及隨之而來的二氧化碳排放。另一個計畫則只需要蒐集玉米梗等作物殘留物,並倒入深海;在黑暗、冰冷的深海裡,這些農餘腐爛的速度會很慢,甚至完全不腐爛。這些聽起來可能很怪的想法,也都是從自然中汲取靈感。在石炭紀(Carboniferous),有大量的植物遭到淹沒並埋於地底。這些植物後來就變成煤礦——如果這些東西可以保留在地底,理論上就能把碳永遠留在那裡。

林地復育(Reforestation)與注入地下的技術相互結合後,即為「生質能與碳捕集和封存(Bioenergy with carbon capture and storage)」——BECCS(發音為「becks」)。

IPCC 所使用的預測模型極度傾向 BECCS,因為它可以同時達到負排放與發電兩種目的。這種「魚與熊掌兼得」的辦法,以氣候數學的角度來看,幾乎所向無敵。

BECCS 的構想是種植能從空氣中吸取碳的樹木(以及部分穀物),接著便透過燃燒樹木來發電,所產生的二氧化碳再從煙囪直接捕捉下來、送入地底。(2019 年,世界首個 BECCS 的前導實驗已在英格蘭北部一座木顆粒燃料發電廠展開。)

替代方案的土地面積要廣、數量要大

這些替代方案所面臨的挑戰就跟直接從空氣中捕捉碳一樣,問題在於規模。馬里蘭大學的教授(University of Maryland)曾寧(Ning Zeng)是首創「樹木砍伐與儲存」概念的人。根據他的計算,若要每年消去 50 億噸的碳,總共需要 1000 萬條埋樹溝渠,而且每一條都要跟奧運標準游泳池一樣大。「假設有一組一共 10 人的人馬每週可以用機械施工,挖出一條溝渠,」他寫道,「那也需要 20 萬組(200 萬名工人)人馬與機器。」

根據德國科學家一篇最新的研究,若要藉由「加速風化」移除十億噸的二氧化碳,那就得要開採、碾碎並運送約 30 億噸的玄武岩。作者群指出,需要開採、磨碎與輸送的石頭「雖然數量非常大」,但其實還比每年約 80 億噸的煤礦開採量要來得少。

若要種植十億棵樹木,大約需要造出 906.5 萬平方公里大的新林地。這片森林面積之廣,會跟包含阿拉斯加在內的美國國土差不多大。這麼大片的耕地不再用於生產農作的話,可能造成上百萬人面臨飢餓。喬治城大學的教授歐盧費米.泰伊洛(Olúfẹ́miO. Táíwò)近期表示,有一種危機是「我們每邁出一大步的同時,卻在公平正義上倒退兩步。」然而,大家也不清楚,用未開發的土地是否就會比較安全。

樹木是深色的,所以若把凍土變成森林,反而會增加地球要吸納的能量,並造成全球暖化,最後也無法達成目標。解決這個問題的方法之一,可能是用 CRISPR 技術基因改造出淺色的樹木。就我所知,目前還沒有人提出這個構想,但似乎只是遲早的事。

——本文摘自《 在大滅絕來臨前:人類能否逆轉自然浩劫?》,2022 年 1 月,臉譜出版
臉譜出版_96
64 篇文章 ・ 244 位粉絲
臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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【2018 諾貝爾化學獎】化學的革命性進化:酵素定向演化
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/01/08 ・5782字 ・閱讀時間約 12 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

化學的革命性進化

演化的力量是透過生命來顯示的。2018 年的化學諾貝爾桂冠頒給阿諾(Fances H. Arnold)、史密斯(George P. Smith)和溫特(Gregory P. Winter),表彰她/他們透過演化的控制為人類謀取了最大的福祉。運用人工定向演化(directed evolution)所製造的酵素,現在已被用來生產包括生質燃料和藥物等等的物質。抗體的演化可以透過一種噬菌體顯示(phage display)的方法來對抗自體免疫的疾病,以及在某些特定的例子中治癒轉移性癌症。

我們活在一個由強大的力量:演化,所主導的星球。在頭一批生命的種子於 37 億年前出現時,幾乎地球上的每一個裂縫都充滿了能適應身處環境的生物體:生長在光禿禿山脈的地衣、於溫泉茂盛生長的古菌、能存活於乾燥沙漠的多鱗爬蟲類以及能在黑暗深海中發光的水母。

學校裡我們在生物課學習到這些生物,但讓我們戴上一副化學家的眼鏡,並換個視角來觀察,地球上的生物之所以能夠存在,是因為演化解決了無數複雜的化學難題,所有的生物都有能力從其環境的利基取得材料和能量,並用來建立它們的組成所特有之化學創造品。魚能在極地海洋中悠遊,是歸因於其血液中的抗凍蛋白質,貽貝能攀附在岩石上,乃因它們發展出了能在水中運作的分子黏膠,而這只是眾多例子中的幾個而已。

生命化學精彩的地方在於它被設計在基因的程式碼中,並讓它能被遺傳且不斷進化。一個小小的基因隨機變化,就能改變其化學,有時這導致產生較弱的生物體,但也有可能產生一個很強壯的個體。新的化學慢慢的發展,而地球上的生命隨之變得愈來愈複雜。

這個過程現在已經演化出了三個非常複雜的人類個體,具有能掌控演化的能力,2018 年的諾貝爾化學獎之所以頒給這三位科學家,乃因為她/他們透過定向演化革新了化學以及新藥物的發展。讓我們先從酵素工程的明星:阿諾(Fances H. Arnold)開始介紹。

2018 的諾貝爾化學獎得主們能控制演化,並進一步的在她/他們的實驗室中向前開拓。圖/諾貝爾化學獎專題系列

酵素──生命的化學工具中之利器

即便在 1979 年,身為一位剛取得機械與航太工程學位的新鮮人,阿諾就已經具有了一個憧憬:透過新科技的發展以謀求人類的福祉。美國已經決定在 2000 年要有 20% 的能量是來自於再生能源,而她剛好是在研究太陽能,不過這個產業的未來前景,於 1981 年的總統大選後,產生了巨大的改變,因此她將眼光改為投注於新興的 DNA(去氧核糖核酸)科技,她自述「很明顯的,對於我們每日生活上所需要的材料和化學品,可以利用改寫生命密碼的能力,來創造新的製造方法。」

用傳統方式製造藥物、塑膠和其它化學品需要強力的溶劑、重金屬和腐蝕性的酸,她的想法是捨棄這些方法而改用生命的化學工具:酵素,它們催化在地球生物體中發生的化學反應,如果她能掌握設計新酵素的方法,就可從根本改造化學。

人的思考是有限的

最初就如同在 1980 年代末期的許多其他學者一般,阿諾企圖使用推理的策略來重塑酵素,讓它們具有新的性質。然而酵素是極端複雜的分子,它們是由 20 種不同的結構單元──胺基酸──以幾乎無限種可能的組合方式結合而成的,一個單一的酵素分子可以包含數千個胺基酸,它們連結成長鏈的型態,進一步摺疊成三維的立體結構,用來催化特定化學反應的局部結構,是建立在整體結構的內部。

運用邏輯推導來決定如何將這一個精密的構造重新調整,以賦予其新的功能,即便是運用現在的知識以及電腦能力來看,亦是非常困難的。在 1990 年代初期,謙卑的折服在大自然的優越能力之下,阿諾決定放棄上述她所謂「有些傲慢」的策略,取而代之,她獲取的靈感來自於使用大自然優化化學的方法:演化。

阿諾開始操弄演化

有好些年,她試圖改變一個稱為「枯草桿菌蛋白酶」的酵素,讓它不是在水溶液中催化化學反應,而能在一個有機溶劑:二甲基甲醯胺(簡稱 DMF)中運作。此時她刻意在酵素的基因密碼中製造隨機的變化──突變──然後將這些突變的基因引入細菌中,並產出數千種不同變體的枯草桿菌蛋白酶。

在這之後的挑戰是如何從如此眾多的變體中,找出在該有機溶劑中運作效率最高的那些酵素。在演化學中,我們說的是適者生存;在定向演化學中,這個階段稱為「選汰」。

阿諾利用枯草桿菌蛋白酶能切割一種牛奶蛋白質──酪蛋白──的能力,在一個 35% DMF 水溶液中,先選汰出切割酪蛋白最有效率的枯草桿菌蛋白酶變體,接著在這個變體中進行下一輪的隨機突變,得到另一個在 DMF 中運作效率更高的變體。

於第三代的枯草桿菌蛋白酶中,她找到了一個變體,其在 DMF 中的運作效率比原始的酵素要高 256 倍。這個酵素的變體總共含有十個不同位置的突變,最終造成的優異效果是沒有人能夠事先預測的。

透過這些實驗,阿諾展示了若要掌控新酵素的研發,僅憑藉人的推理能力,將遠遜於讓機率以及定向(人為)選汰來運作的力量。這是我們現在所見證的革命性發展之第一步,也是最具決定性的一步。

接下來的另一重要步伐,是由一位荷蘭研究人員及發明家史坦姆(Willem P. C. Stemmer)所邁出的,但他已於 2013 年過世。他引進了另一個酵素定向選汰的維度:試管中的交配。

定向選汰背後的運作原理:在數個定向選汰的輪迴之後,一個酵素可能增加數千倍的效率。圖/諾貝爾化學獎專題系列

交配──為了更穩定的演化

一個自然演化的先決條件是不同個體的基因可透過交配或授粉的方式混合,有用的性質可藉此結合,而得到更強壯的生物體,在此同時,較不具功能的基因突變,將於代代相傳的過程中消失。

史坦姆運用的是交配的試管對等法:DNA 改組(DNA shuffling)。在 1994 年,他將基因的不同版本切割成小片段,然後透過 DNA 科技的工具,將這些片段重新組合成一個完整的基因,就好像是原始基因的一個馬賽克版本。

透過好幾輪的 DNA 改組,史坦姆將一個酵素改變成比原始版本更有效率。這顯示利用基因的交配──研究人員稱之為「重組」──可達成更有效率的酵素演化。

新酵素製出永續生質燃料

那些 DNA 科技的工具自 1990 年代初期開始不斷的優化,用於定向演化的方法亦倍數成長。阿諾在這些發展中一直具有領先的優勢;現在她的實驗室所產出的酵素能催化的化學反應,甚至於根本不存於大自然中,而能製造出全新的材料,她裁製出的一些酵素也成為製造不同物質(例如藥物)的重要工具。化學反應不但可被加速,且減少不要的副產物。在某些例子中,可以去除透過傳統方法須使用的重金屬,大幅減少對環境的衝擊。

事情的發展更回歸了原位,阿諾又重新回頭開始研究再生能源的製造。她的研究小組研發出一些酵素,能將簡單的糖轉化成異丁醇,那是一種高能量物質,可用於製造生質燃料和較永續的塑膠。一個長程目標是製造出的燃料能讓運輸業更為環境友善,另類燃料──用阿諾的蛋白質所製造的──能用在車輛或飛機上。以這樣的方式,她的酵素促成了一個更永續的世界。

至於 2018 年諾貝爾化學獎所表彰的另一份工作,則是將定向演化導向了製藥,所產出的藥物能中和毒素,或對抗自體免疫疾病的進展,甚至在某些病例中治癒轉移的癌症。這是由一個能感染細菌的小小病毒所扮演的重要角色,而這個方法被稱為「噬菌體顯示」(phage display)。

史密斯運用噬菌體

經常發生的情況是,科學走了一條無法預測的路徑。在 1980 年代的上半期,當史密斯開始使用噬菌體──能感染細菌的病毒──主要是期望它們能用在基因選殖。此時 DNA 科技仍未成熟,而人類基因體仍是一塊未開發的土地,研究人員知道製造身體所需蛋白質的所有基因都存於其中,但是想要指認某一個蛋白質的基因,就好像在大海中撈針一樣困難。

不論如何,對能找到那個基因的科學家而言,將具有極大的益處。運用當時最新的基因學工具,基因可以插入細菌中──靠著一點運氣──該細菌能製造出大量想要研究的蛋白質,這整個程序被稱為基因選殖。而史密斯的想法是,尋找基因的研究人員可以透過一個巧妙的方式,運用噬菌體來做到。

噬菌體:一個蛋白質與其未知基因的連結

噬菌體本質上具有很簡單的構造,它含有一小段的基因物質,封裝在一個由保護蛋白質形成的鞘膜中。當複製時,會將它們的基因物質注入細菌中,綁架細菌的代謝系統,接著利用細菌製造出噬菌體基因物質的拷貝,以及形成保護鞘膜需要的蛋白質,由此產生新的噬菌體。

史密斯的盤算是研究人員應可運用噬菌體的簡單構造,找出一個已知蛋白質的未知基因。在此時,已經有一些大型的分子庫存在,其內含有許多各種未知基因的片段,他的構想是這些未知基因的片段,可與形成噬菌體鞘膜的一個蛋白質基因融合,當新的噬菌體製造出來時,這個未知基因對應的蛋白質,就會出現在這個噬菌體的表面,與形成鞘膜的一個蛋白質結合在一起。

史密斯發展出噬菌體顯示法,用於尋找已知蛋白的基因。圖/諾貝爾化學獎專題系列

抗體可釣出正確的蛋白質

這個做法會導致生成一個噬菌體的混合物,各帶有許多不同的蛋白質於其表面。史密斯推論在下一個階段,研究者應能利用抗體,將帶有各種已知蛋白質的噬菌體,自這碗湯液中釣出。抗體是一些具有導向飛彈功能的蛋白質;它們能從數萬種蛋白質中,以高度的精準度,辨識並束縛住一個特定蛋白質。利用一個已知蛋白質的抗體,如果研究者能逮住一個自這碗湯液中釣出的東西,就可以順帶釣出這個蛋白質對應的未知基因。

這是一個漂亮的構想,而史密斯於 1985 年證實那是可行的,他製造出了一個噬菌體,其表面攜帶了一個蛋白質的部份胜肽,運用一個抗體,成功的將這一個他製造的噬菌體,由含有許多不同噬菌體的湯液中釣出。

透過這個實驗,史密斯建立了現在被稱為「噬菌體顯示法」的基石。此法的精彩處在於它的簡便,它的長處則是將噬菌體當成一個蛋白質與它的基因之連結。不過此法卻在基因複製的領域之外,取得其最主要的突破性進展;在另外一方面,於 1990 年左右,幾組研究人員開始運用噬菌體顯示法,來發展新的生物分子。其中一個採用此技術的人就是溫特(Gregory P. Winter)。感謝他的研究,使得噬菌體顯示法現在帶給人類更大的福祉,要瞭解其原因,我們需要對抗體進一步的認識。

抗體可遏阻疾病的進展

人類的淋巴系統能產生數十萬種不同抗體的細胞。在這一個發展完善的體系中,這些細胞通過檢驗,不會攻擊任何屬於身體之各種型態的分子,不過這龐大的種類能確保總是會有抗體,能附著在感染我們的病毒或細菌之上,一旦抗體附著在上面,就會傳送訊號給強悍的免疫細胞,趕來消滅入侵者。

因為抗體具有高度的選擇性,在數萬種分子中,只會附著在一個特定分子上,因此研究人員很早就希望設計抗體,能遏阻各種疾病在體內的進展,扮演藥物般的功能。最初為取得這些醫療用的抗體,是將各種藥物的標的物,例如癌細胞的蛋白質,注入老鼠體內。不過在 1980 年越來越清楚地知道此法是有侷限的;某些物質對老鼠是有毒的,但也有一些不會產生任何的抗體。更進一步發現這樣取得之抗體,會被病人的免疫系統視為異物,而被攻擊,導致這些老鼠抗體被破壞,為病人帶來副作用。

由於這個障礙,促使溫特開始研究史密斯的噬菌體顯示法可能具有的潛力。他想要避免使用老鼠,改成發展基於人類抗體的藥物,因為它們可以被我們的免疫系統所容忍。

溫特將抗體置於噬菌體的表面

抗體是具有 Y 字形的分子;靠著每隻手臂的遠端附著在外來物質之上。溫特將此部分的基因訊息,與噬菌體鞘膜的一個蛋白質基因融合,於 1990 年他成功的證實此法,讓抗體的結合部位出現在噬菌體的表面。他所用的抗體是設計來與一個稱為 phOx 的小分子結合,當溫特用 phOx 作為一種分子釣魚鈎,他成功的從一含有四百萬個其它噬菌體的湯液中,釣出那個含有抗體在其表面的噬菌體。

在這之後,溫特展示了他能將噬菌體顯示法運用於抗體的定向演化。他製造了一個噬菌體庫,其內包括數十億不同的抗體表現在噬菌體的表面,從這個庫藏中,他釣出了一些可與不同蛋白質標的結合的抗體,接著他隨機突變這第一代的抗體菌株,進而創造出一個新的噬菌體庫,從中找到與標的物具有更強結合力的抗體。例如在 1994 年,他用此法發展出了一些抗體,能以非常高的專一性與癌細胞結合。

運用噬菌體顯示法來進行抗體定向演化的原理。此法可用於製造新藥。圖/諾貝爾化學獎專題系列

世界上第一個基於人類抗體的藥物

基於抗體的噬菌體顯示法,溫特與他的研究同仁創立了一家公司,在 1990 年代發展出一個完全基於人類抗體的藥物: adalimumab,此抗體能中和一個稱為 TNF-alpha 的蛋白質,該蛋白質驅動許多自體免疫疾病的發炎反應。於 2002 年此藥物被核准醫治風濕性關節炎,現在亦用於治療不同型態的牛皮癬和發炎性腸疾。

藥物 adalimumab 的成功,刺激了製藥業的重要發展,而噬菌體顯示法已被用來製造包括癌症在內的各種疾病抗體。其中有一個抗體能讓體內的殺手細胞釋出,以攻擊腫瘤細胞,使腫瘤生長遲緩下來。在某些例子中,那些產生轉移的癌症病患甚至也能被治癒,成為癌症醫療的歷史性突破。另一個抗體藥物被核准用於中和造成炭疽病的細菌毒物,另一種藥物能減緩稱為狼瘡的自體免疫疾病;還有更多的抗體現在正在進行臨床實驗,用來對抗阿茲海默症等疾病。

一個化學新時代的開始

由 2018 年的諾貝爾化學獎得主們所開發的方法,現在正以跨國際的方式發展,來提升一個更為永續的化學產業,產出新的材料,製造永續的生質燃料,減輕疾病挽回生命。酵素的定向演化和抗體的噬菌體顯示法,讓阿諾、史密斯和溫特帶給人類最大的福祉,並為化學的革命性變化立下基石。

延伸閱讀

諾貝爾化學獎譯文_96
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「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列