Loading [MathJax]/extensions/tex2jax.js

0

0
0

文字

分享

0
0
0

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

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!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
20 篇文章 ・ 3 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。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
E10 低碳汽油:台灣減碳新契機,為何我們應該接受?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/01/17 ・3468字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與美國穀物協會合作,泛科學企劃執行。

台灣將在 2040 年禁售燃油車。但別急,現在路上開的舊有車款不會馬上報廢消失,因為舊有的車輛會繼續開到年限結束。根據計算,當禁售燃油車的那一天來臨時,還有大約 60% 的車輛是燃油車。這時,在多數交通工具還是燃油的情況下,美國、歐盟等國已經開始使用酒精燃料來減少碳排放,那麼,台灣也能做到嗎?

你聽過 E3、E10 汽油嗎?

這是指在汽油中加入酒精,E3 代表有 3% 的汽油被酒精取代,而 E10 則是 10% 的汽油換成酒精。酒精是一種抗爆震性能更好的燃料,且比化石燃料更環保,因為它可以來自生質燃料,碳排放也較低。即便算上運輸和加工的碳足跡,用玉米製造的乙醇仍比傳統汽油的碳排放低了 43%。其實,在美國、歐洲、澳洲等地,E10 或更高比例的酒精汽油早已廣泛使用,這在我們之前的影片中也有提過。

現在,台灣有 14 間加油站可以加到 E3 汽油,而中油也正積極促使相關部門開放 E10 汽油的銷售。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

不過,在推動這項改變之前,仍有許多民眾對酒精汽油有疑慮。大家最關心的問題是,把不是汽油的燃料放到引擎中,到底會不會對車輛引擎造成不良影響?例如會不會影響引擎運行,甚至影響里程數?
其實,換燃料確實會對引擎有影響,因為不同燃料燃燒後所產生的能量與副產物都不一樣。但別擔心,根據我們之前的討論,2011 年以後生產的所有汽車,還有大部分 1990 年代後期生產的汽機車,都能直接相容 E10 汽油。換句話說,除了少數舊車或特殊車型,約 95% 的汽機車都不需要擔心這個相容性問題。

2011 年以後生產的所有汽車,還有大部分 1990 年代後期生產的汽機車,都能直接相容 E10 汽油。圖 / 美國穀物協會提供

E10 汽油在效能上的表現,會不會受到影響?

學過化學的人都知道,燃燒其實是一種氧化反應,可以用化學式表達。也就是只要汽缸的大小是固定的,就能算出空氣中能參與氧化反應的氧氣分子有多少,進而推算出每次汽缸燃燒時,應該搭配多少的燃料。

當引擎運作時,汽缸內的氧氣分子會與燃料反應,產生動力。為了最佳化效能,引擎的噴油嘴會精準控制每次的進油量,確保空氣和燃料的比例,稱為「空燃比」。接著調整噴油嘴的設定,讓出油量符合我們的需求。

每當空氣成分改變,燃料量或燃料的種類更換時,空燃比就會產生變化。在燃料相對空氣來說比較多時,我們通常稱為「富油」;相反的,如果燃料相比空氣來的少,就稱為「貧油」。如果我們把汽油換成百分之百的酒精,因為酒精每單位體積所需要的氧氣比較少,而且熱值比較低,因此會產生貧油現象,推力感受起來自然也會比較低。

要解決這個問題,方法其實不難,只要增加燃料量即可。而巴西早已證明,使用 E100 汽油是可行的。巴西近 50 年來推動 E85、E100 燃料車輛,並展示了彈性燃料引擎的優勢。

而巴西早已證明,使用 E100 汽油是可行的。巴西近 50 年來推動 E85、E100 燃料車輛,並展示了彈性燃料引擎的優勢。圖/美國穀物協會

這類交通工具被稱為彈性燃料引擎,顧名思義,能很彈性的使用汽油、E100 酒精汽油、或是任何比例的甲醇、乙醇、汽油的混合物。彈性燃料引擎跟一般引擎最大的差別,就是內建了「燃料成分感測器」。能透過判斷燃料的種類與比例,調整噴油嘴的出油量設定以及點火正時,讓引擎的輸出動力維持在最佳狀態,確保引擎效能不受影響。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

所謂的點火正時,指的是火星塞點火的時機。不同的燃料,化學反應的速度與膨脹的體積不同,當然會對應不同的點火時機。

但是 E100 其實也不是純酒精?

大家都知道,蒸餾酒需要經過多次反覆蒸餾,為什麼不能只蒸餾一次就好呢?原因在於,酒精與水的沸點雖然不同,但它們不完全互斥,會產生交互作用。在蒸餾過程中,即使酒精的沸點較低,水仍然會在加熱的過程中,隨著酒精部分蒸發進入容器中。

事實上,當酒精濃度達到 95.63% 時,不論再怎麼蒸餾,濃度也不會再上升。這是因為當酒精濃度接近這個比例時,酒精與水的沸點非常接近,這種現象稱為「共沸」,意思是酒精和水的混合物會一起沸騰,無法再進一步蒸餾分離。

共沸現象的結果,就是為什麼市面上銷售的藥用酒精,濃度最高都是 95%,而非 100%。因為更高濃度就必須使用脫水劑等方式處理,成本會提高,或是因為有添加物而不符合藥用標準。所以當然,E100 汽油裡面,實際上使用的也是濃度 95% 的酒精,而不是 100%。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
E100 汽油裡面,實際上使用的也是濃度 95% 的酒精,而不是 100%。 圖 / 美國穀物協會提供

解決迷思:酒精汽油是否容易因吸收水分,而產生油水分離?

事實上,酒精和水是高度互溶的,這使得高比例的酒精在汽油中有更高的水分耐受性。簡單來說,進入油箱的水氣,會溶在酒精汽油中而不會產生油水分離。

根據美國國家可再生能源實驗室的研究,即使在高溫高濕的極端環境下,E10 酒精汽油也需要經過三個月才會出現明顯的油水分離。而三個月也是一般汽油建議最長的保存時間,因為汽油放太久就會氧化。

也就是說,酒精與水混和物的特性,不是把酒精和水的相加除以二那麼簡單,它們的交互作用更加複雜。

一篇刊登在《國際能源研究期刊》的研究指出,在可變壓縮比引擎中的實驗結果,加入酒精後,引擎的功率會逐漸升高,在 E10 酒精時為最佳比例效果。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

當然,實際情況和實驗室當然不能直接類比。大多數汽車和機車並未專門為酒精汽油做調整,那這樣會有多大影響呢?根據英國政府的官方結論,直接使用 E10 汽油與一般汽油相比,每公升的里程數大約會降低 1%,但在日常駕駛中,這個差異幾乎不會被察覺。實際上,載貨量和駕駛習慣對油耗的影響,遠遠大於是否使用 E10 汽油的影響。

更好的一點是,酒精其實是一種常見的工業用品,以每美國為例,在過去一年中,酒精的離岸價格實際上都比汽油還低,因此不用擔心酒精會讓油價變貴。

此外,經過調校的引擎也不必擔心推力問題。事實上,F1 賽車從 2022 年開始使用 E10 作為燃料,納斯卡賽車更早在 2011 年就採用了 E15 燃料,運行上沒有太大問題。

F1 賽車從 2022 年開始使用 E10 作為燃料,納斯卡賽車更早在 2011 年就採用了 E15 燃料,運行上沒有太大問題。圖/unsplash

最重要的是,使用 E10 燃料的好處明顯更多。由於酒精和烷類燃料的分子式不一樣,酒精分子式中多了一個氧原子,這使得燃燒過程中反應會更完全,能夠產生更多二氧化碳而非有毒的一氧化碳,同時降低一氧化氮和二氧化氮等氮氧化物的產生。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

最關鍵的一點,酒精與化石燃料相比,能夠更快速地幫助減碳。只要確保使用永續農法、不與糧食競爭土地的前提下,所製造的玉米乙醇,碳排量就是比化石燃料還要低。

E10 低碳汽油是填補減碳缺口的最快方案,挑戰只在接受度

英國引入 E10 後,每年減碳 75 萬噸,相當於減少 35 萬輛汽車的碳排量。而台灣呢?目前根據政策規劃,台灣 2040 年起將新售的汽機車全面電動化。依照這個目標進程,在 2025 年將達成減碳 288.6 萬噸的目標。然而,這距離運輸部門須減少 487 萬噸碳排量目標,還差 198 萬噸。

如果燃油車全面改用 E10 低碳汽油,則能減碳 202 萬噸,幾乎能完全彌補缺口。這項方案的優勢在於,E10 與一般汽油性質相近,不需更換新的引擎設計或架設特規加油站,執行門檻低。

實際上,目前推動低碳汽油最大的瓶頸,大概就是民眾對於這個新燃料的接受度了吧!如果接受度提升,購買量上升,成本也有機會進一步再下降。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
227 篇文章 ・ 315 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

4
3

文字

分享

0
4
3
【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

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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