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絕對天然的「塑膠」-高耐熱聚乳酸材料

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2014/01/12 ・1322字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

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17生質素PLA報導/陸子鈞

1、2、3、4、5、6、7,這些代表不同材質的塑膠編號,讓你昏頭了嗎?在挑選食物容器時,總在不同材質間猶豫不決,很擔心挑選到會釋出毒素的塑膠製品。不過現在看到007的「7」就可以放心入手了!工研院材料與化工研究所,開發出新一代的全天然聚乳酸製品,可取代生活中常見的塑膠製品,除了兼具使用安全,也更環保。

生活中有大量的塑膠製品,其中很多又作為食物容器或者和人體貼身接觸的產品,像是奶瓶、便當盒、外帶湯湯水水的塑膠袋、紙製便當盒的內膜、環保隨手杯……等等。遇到高溫時,很怕容器中的毒素就釋入食物中,不知不覺就將這些毒素吃進肚子裡。投入研發全天然聚乳酸材質的鄭琇毓博士說:「塑膠的『毒』大都不是來自材質本身,而是那些在製程中加入的助劑-像是塑化劑,在遇熱之後會從塑膠中釋出。」

新一代聚乳酸材質「全天然」的關鍵就在於助劑。聚乳酸(Polylactic Acid,縮寫PLA)材質其實已經問世多年,由於原料來自可再生資源,所以又被認為是「綠色塑料」。不過PLA在製程中還是像其他塑料一樣,需要加入助劑以提高產品的耐熱性,所以不能稱為「全天然」。鄭博士提到:「PLA在製程中加入有毒助劑就失去了PLA當初講求『天然』的目的了。這些助劑可能在遇熱後釋出之外,也可能在掩埋分解之後流入自然界,並不是真的eco friendly(對環境友善)。」因此,張博士和研究團隊努力找尋天然助劑,希望能開發出真正全天然的PLA製品。

嘗試了很多材料之後,研究團隊發現一種礦物質還有萃取自生物體的膠體,可以取代目前的人造助劑,鄭博士說:「因為原料取自自然,所以當PLA產品掩埋分解之後,無論是塑料或者助劑,回歸自然也不會傷害環境。」當初這項技術剛完成的時候受到不少質疑,大家會問:「你說這安全,但你敢吃嗎?」鄭博士說:「有一次我被其他研究同仁這麼問,我現場就吃了一口全天然助劑,讓其他人都傻眼,從此沒人敢這樣問我了。」十足顯示研究團隊對這項技術的信心!

這項技術還有個有趣的特色,在製造過程中不會產生刺鼻的氣味,反而會讓空氣中瀰漫焦糖的香甜,鄭博士說:「每次進廠實驗,整天都會覺得很餓。」也因為這樣,PLA很適合作為家用3D列印機的原料,「你總是不希望在列印的時候整個房間都是塑膠味吧?」

對製造業者來說,更重要的是這兩種助劑與PLA原料適用既有的機台,不需花額外的成本修改設備。只要調整助劑添加的比例,就可以應用在淋膜(紙餐具內膜)、吹袋(手提袋)、雙軸延伸(保護貼、食品包裝)、射出,這四種製程,取代PE、PP、PET、PS和PC。此外,工研院的這項技術在射出級的PLA製程,成型時間只要30秒,比市售耐熱PLA的2~30分鐘成型時間還短,可大幅提高每小時內的產能,而且助劑用量只需1~3%與市售商品須10~30%助劑相比能減少製造成本。

研究團隊未來希望能提高PLA的材質強度,讓PLA有更多的應用(像是3C產品的機殼)。張博士也提到,越多廠商採用,原料的成本就能降得更低,這有賴於消費者的認同,他說:「PLA製品和其他塑膠製品看起來一樣,即使你費心解釋,消費者還是會對它有『塑膠,有毒』的刻板印象。只要這點突破,消費者接受了,廠商自然會跟進。」

技術專頁:天然PLA保健康

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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最致命的動物毒素,來自「殺手芋螺」!——《海之聲》
臉譜出版_96
・2022/11/20 ・2217字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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芋螺科(Conidae)──那些有著象形文字圖案、在十七世紀激起林布蘭靈感與貝殼瘋的錐形貝殼建造者,也打造了一座神經毒素軍火庫。牠們從八百多種化學物中汲取精準的劑量,捕捉獵物。

這些新化合物瞄準獵物身上的不同受體,讓全世界速度最慢的這種軟體生物,得以殺死速度最快的魚。芋螺也會部署毒素自我防衛,這就是為什麼牠們有時會攻擊那些撿拾或踩到牠們的人。

殺手芋螺(Conus geographus,又名地紋芋螺)的毒素,是目前已知的動物毒素中對人類最致命的。牠們有「香菸芋螺」(Cigarette Cone)的外號,據說是因為被牠螫到的受害者,在毒發身亡之前,還有時間可抽根菸──但實際上要花上好幾個小時才會死去。

正準備攻擊獵物的殺手芋螺。圖/臉譜出版提供

芋螺的毒素,是毒也是藥

自然界的殺人武器也能用於治療。著名的案例之一,就是從芋螺毒素開發出來的一種名為含辛抗寧(ziconotide,商品名 Prialt)的慢性疼痛藥物,強度超過嗎啡一千倍,而且不會上癮。但這項藥物無法穿越血腦屏障(阻止血液中化合物侵入腦部的保護性屏障),它必須透過脊椎穿刺輸入,無法緩解因為嗎啡不再有效而處於極度疼痛狀態的某些癌症患者與愛滋患者。

霍福德深信,在海底、海岸或珊瑚礁的某個地方,在眾多有毒的海洋動物中,總有一種會攜帶可穿越血腦屏障的鎮痛性化學物質;在某些未知軟體動物的外殼下方,隱藏著一種鴉片類止痛藥的替代物。

目前,她正在繪製軟體動物基因組,尋找可製出該種藥物的芋螺毒組合,以及可治療癌症與其他疾病的配方。DNA 定序與分子親緣關係學都是比較容易的部分,但更大的挑戰是如何拯救動物多樣性,霍福德認為那才是改善所有生命的關鍵──在這個許多物種還來不及命名就消失的時代。

含辛抗寧的化學結構。圖/Wikipedia

芋螺的毒素也能殺死人類!

目前所知第一位被「芋螺小魚叉」殺死的,是安汶東南方班達群島的一名女性奴隸,該島目前隸屬於印尼的摩鹿加省。一六○○年代初期,荷屬東印度公司以大屠殺手段奪取班達群島,荷蘭人將倖存者與附近島民當成奴隸,讓他們在肉豆蔻種植園工作。

博物學家倫菲爾斯在他的《安汶珍奇櫃》中,講述了其中一位的悲慘故事:「她只是將拉圍網時從海裡撿拾起來的小香螺拿在手上。她走在海灘上,突然感到手部微癢,癢感逐漸爬上手臂,穿過整個身體,然後當場就死了。」

倫菲爾斯的敘述是官方紀錄中的第一起。毒芋螺攻擊人事件共有一百四十多起,其中三十六起造成死亡。真實數字很可能遠高於此;在先前幾個世紀,大多數的死亡並未得到報導與紀錄。華盛頓大學無脊椎動物生物學家艾倫.科恩(Alan J. Kohn,他的姓氏﹝Kohn﹞與鑽研毒芋螺﹝cone﹞的生涯頗為合拍)六十幾年來一直保留著該份紀錄。

一九五○年代初唸研究所時,他在耶魯實驗室的水族箱中,第一次觀察到一隻細線芋螺(Striated Cone)用「顯然是非常強烈的一種神經毒素」麻痺了一條魚。往後的歲月裡,他持續研究芋螺令人印象深刻的演化與生態學。

細線芋螺。圖/Wikipedia

帶有劇毒,卻也最具多樣性

芋螺演化出八百多個物種,使牠們在多樣性方面成為最成功的活軟體動物。科恩的研究有助於解釋,為何有這麼多近親可以在熱帶地區住得如此靠近(同一塊珊瑚礁上可高達三十六種不同物種),卻不會為了同樣的食物彼此競爭。

答案是,不同種的芋螺會製造各自的獨門毒素,瞄準不同的獵物。大多數芋螺都吃蠕蟲,有些也吃軟體動物,大約有一百種是食魚動物。有些獵魚者演化出用魚叉麻痺獵物,有些則是用世界上最美麗的漁網。

鬱金香芋螺悄悄貼近一條小魚,帶著流蘇般迷你觸手的嘴網翻騰滾動。這動物沒有牠的魚叉親戚那種戲劇性,只是輕輕將魚兒包入網中,釋出牠的麻痺毒素,並將那隻還來不及感受到自身命運的昏迷生物吸入體內。

鬱金香芋螺。圖/Wikipedia

親身試毒的海洋科學家

根據目前所知,只有獵魚為食的芋螺曾奪走過人命。科恩甚至認為,殺手芋螺很可能是唯一殺過人的。而目前已知唯一一位曾給自己注射芋螺毒素的人士想必也是如此認為,否則他就是有自殺傾向。

一九七○年代末,東京海洋科學家吉葉繁雄,從日本玳瑁芋螺(Thunderbolt Cone,學名 Conus fulmen)中提煉出牛奶白的生物毒素,將毒素注入不同的海洋生物、兩棲動物與哺乳動物體內。魚類抽搐而死;蛙類死前,銳角狀的後腳僵直不動;兔子失去行走能力,但一小時後恢復。吉葉也將小劑量注入自己前臂。

「沒出現神經性或功能性障礙,」他愉快地寫著。「只有局部發現諸如疼痛、發紅、缺血、水腫、搔癢等症狀,大約持續三天。」

——本文摘自《海之聲:貝殼與海洋的億萬年命運》,2022 年 11 月,臉譜出版,未經同意請勿轉載。

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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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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

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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》。