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可口可樂與福特汽車為何都愛生質丁醇

生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
・2013/12/11 ・1369字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 597 ・九年級

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ford_cokecola
圖片來源

生質丁醇指的是從生物質製造出來的丁醇,大部分用於製造生質酒精的生物質都可以作為丁醇的原料。丁醇的性質比酒精更近似汽油,熱值較酒精更高,而且化學特性安定,是一種很有潛力的生質燃料。除此之外,它還可以做為其他化學品的原料,具有很好的經濟價值。目前比較活躍的公司有:杜邦(DuPont)與BP合資成立的Butamax、向美國海軍供應丁醇以轉化成航空燃料的Cobalt、以及在美國股市公開發行的Gevo。

isobutanol-3d

早在2011年,可口可樂(Coca-Cola)就選擇Gevo合作開發一項名為PlantBottle™的技術。在這項合作案中,Gevo由植物精煉出 isobutanol, 然後轉化為可作為保特瓶包裝原料的對二甲苯(para-xylene),並供應給可口可樂生產能夠對環境友善的包裝,讓食品工業能夠遠離石化產業。

gevo福特汽車也看中了這項材料。他們與可口可樂合作,將在Ford Fusion Energi的全新概念車中,利用PlantBottle™技術來製作他們的坐墊、椅背、車門內裝、車頂內裝…等。福特方面預估,如果將這項技術實踐在全系列車種上,僅在美國本土一年就可以節省四百萬磅的石油衍生包裝原料,換算為原油將會是6000桶,若將全球120個銷售福特汽車的國家都納入,這個數字將會更驚人。

Print不只是可口可樂與福特汽車,日本的化學原料製造大廠東麗(Toray Industries, Inc.)也看中了生質丁醇的潛能,與Gevo合作開發由Isobutanol轉化而成的polyethylene terephthalate (PET) ,作為織物與纖維的原料。根據Gevo的估算,在PET的全球市場中30%用於生產保特瓶,另外超過60%則用於製造合成纖維。生質丁醇的發展潛力實在不容小覷!

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丁醇在化學特性方面,是比酒精更好的燃料,每單位所含的能量高出25%~30%。它不易吸水,與酒精相比蒸氣壓(vapor pressure)較低,而閃燃點(flash point)較高,因此儲運設備簡單許多,甚至可以直接使用管線運輸、比起僅能用槽車運輸的酒精減少許多成本;而且丁醇與既有車輛的相容性很高,有些汽油車甚至不需修改任何零件即可添加。之前一間丁醇公司ButyFuel LLC便讓一台別克轎車(1992 Buick Park Avenue)添加100%的生質丁醇橫跨美國。

然而就目前的技術水準而言,生質丁醇的生產成本還太高。目前最主流的生產技術是「ABE發酵」程序,也就是主要的發酵產物有丙酮(acetone)、丁醇(butanol)、以及乙醇(ethanol),產量的比例大約是6:3:1,但事實上產物並不只有這三種,還有其他不少低濃度的產物,因此濃縮純化出高純度的丁醇是一大課題,而這個步驟會需要耗費許多能量,是目前製程的一大弱點。另一大弱點是目前發酵所用的菌株,並不耐丁醇,也就是說丁醇濃度只要超過1%就會有「抑制作用」發生,降低生成丁醇與其它產物的反應速率,這是第二大課題。簡言之,目前生產的門檻都和發酵技術有關,誰先突破了這道門檻,就有機會奪下市場。

藉由這篇文章,我們想讓讀者認識的是生質能產業並不是封閉的產業,它與農業、化工、食品、汽車…等多項工業都有所連結。像Gevo這樣的公司,可以生產生質丁醇這樣的次世代生質燃料、供應化學原料,也可以回頭生產生質酒精,正是「生質精煉概念」的落實例證,這也是生質能源公司要能永續發展的長遠之道。

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生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
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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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【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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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)。

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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。

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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。

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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
15 篇文章 ・ 23 位粉絲
「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

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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

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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!

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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。

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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

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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。

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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。

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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。

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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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點屎成金,穢物開啟綠色運輸新頁
李柏昱
・2015/11/27 ・1668字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

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只要提到「屎」,我們總是免不了會將之與噁心、威脅人類健康,不然就是與惡臭畫上連結,吃飯的時候更是絕不能提的大忌諱。然而這些被我們委婉稱之為穢物的玩意兒,在節能跟保護環境上的貢獻,或許將能稍稍扭轉大眾的負面觀感。2014年11月,一台完全由生物甲烷油(biomethane)驅動的「便便公車」在英國上路,帶來許多如何運用人類排泄物的想像。未來公車的油料來源將不再是現在會產生各式汙染物的汽油或是柴油,而很有可能是來自我們每個人每天例行公事如廁後的產物。

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在英國巴斯(Bath),首部以生物甲烷油作為燃料的環保公車11月上路,將人體的排泄物與廚餘轉化成可供大眾運輸使用的能源,未來有很大的發展潛力。

屎力全開

利用人類排泄物產生的沼氣並非創新的概念,早在西元前十世紀,中東的亞述人就已經會用沼氣來加熱洗澡水。近數十年來,沼氣的研究重心則聚焦於如何在妥善管理排泄物的同時,能產生可被運用的能源。現代的廢料處理(waste treatment)技術所產生的汙水汙泥(sewage sludge),是都市汙水淨化過程產生的一種固體濃度超過 2500ppm 的半液體廢棄物,無法任意棄置。然而這些汙水汙泥透過厭氧消化(anaerobic digestion)的過程,讓微生物在缺乏氧氣的環境中進行生物降解,能夠產出極具價值的沼氣(biogas)與富含養分的沼渣(digestate)。

沼氣中的一個主要氣體為甲烷,淨化後能製造成生物甲烷油料,或是用作生質能源發電的原料。沼渣則能用做肥料或是土壤改良劑(soil conditioner),能協助減少農地的甲烷排放量,同時促進植物生長與光合作用進行。在中國的鄉村地區,衛生系統透過低技術產生的沼氣,兼具殺菌、提供乾淨炊煮用燃料,以及肥料等多重用途。瑞典與德國是目前世界上首要的厭氧沼渣使用國。在德國,為了提高再生能源的普及率,政府設計了一套吸引廠商的購買制度,讓汙水處理廠能將產出的多餘能源販售給國家的能源網絡,提供廠商增加再生能源產量的誘因。

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英國雖然落後於德國跟瑞典等國,但有些汙水處理廠已經開始將自身所生產的沼氣加入國家的能源網絡中。一個成年人平均一年會產生乾重30公斤的穢物,顯示利用排泄物作為生質燃料來源未來還有很大的發展潛力。如果英國所有的汙水處理廠皆採用生產沼氣的技術,預計全英國將有35萬戶的能源將能完全由人類的排泄物所提供。

廁所變引擎,屎力驅動大眾運輸

使用屎力驅動大眾運輸的環境效益十分明顯:與柴油相比,生物甲烷油驅動的車輛能減少95%二氧化碳、80%一氧化二氮的排放,也不會有懸浮微粒的問題。

四年前,英國的工程師開發了一台由生物甲烷油驅動的小客車,所使用的生物甲烷由布里斯托附近的艾佛蒙斯(Avonmouth)汙水處理廠提供,同一間處理廠也提供最近上路的便便公車使用的油料。然而,艾佛蒙斯汙水處理廠的產能絕不僅如此,其每年能生產17立方公尺的生物甲烷,這個量足以滿足8300戶的暖氣需求。

然而論及利用生物燃料驅動交通工具,歐美國家仍然是此領域的先驅,瑞典又是其中的翹楚。瑞典推動發展生物甲烷驅動卡車與公車的政策,除了能提升空氣品質外,也能提高國家在再生能源使用所設定的目標。目前台灣雖無相關運用沼氣於大眾運輸的計畫,但是也已經在中南部養豬場推動沼氣發電。「點屎成金」的技術,未來可望解決許多今日人類所面對的環境問題。

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(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所
審校:陳妤寧

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

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李柏昱
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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。