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來自水瓶的光照亮數百萬貧窮家庭

only-perception
・2011/09/20 ・575字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 496 ・六年級

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聽起來好像很簡單,一個一公升的塑膠瓶,裝滿淨化過的水以及漂白水,就能充當約數百萬無電可用的家庭的燈泡使用。最初由 MIT 學生所開發,這種「太陽瓶燈泡(solar bottle bulb)」現在由 MyShelter Foundation 分送給菲律賓境內的家庭。該基金會的目標是在 2012 年的時候,利用這種替代日光光源照亮該國一百萬個家庭。

為了要使水瓶「亮起來」,金屬屋頂被割了一個洞,然後每個洞置入一個瓶子接著被封在洞中,使瓶子的下半身從天花板露出來。乾淨的水透過折射使光線在各方向上散開,根據 MyShelter Foundation 表示,那能提供相當於一個 55 瓦電燈泡的照度。漂白水防止黴菌生長,使這種燈泡能持續用達五年。

雖然太陽瓶燈泡僅能在日間運作,但那能符合許多住在菲律賓的馬尼拉以及其他城市的人們的需求,那邊的居家靠的如此緊密,故能透過窗戶進入屋內的日光很少。結果,即便在白晝,屋內依然漆黑。

太陽瓶燈泡的優勢包括永續性以及安全性;相較於蠟燭或不完善的電力連接,它們不會引發火災。電燈泡的製造與安裝太貴了,當然也沒錢讓它運作使用。

MyShelter Foundation 目前正以 Isang Litrong Liwanag(一公升光線)計畫推廣太陽瓶燈泡。在馬尼拉,市政府買瓶子,而基金會則訓練居民如何製造與安裝它們。

資料來源:PHYSORG: Light from a water bottle could brighten millions of poor homes [September 16, 2011]

轉載自 only-perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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【水獺媽媽專欄:從日常學永續】誰亂丟垃圾?飄進海裡的垃圾讓動物們吃壞肚子了!
PanSci_96
・2022/09/09 ・703字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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每年的 6 月 8 日被訂為世界海洋日,這個節日是希望每個人都可以好好認識海洋,並且重視汙染與資源過度開發的問題,因為海洋大約佔了地球的 70%,扮演著對於地球非常重要的角色,但近年來因為過度的開發,導致海洋生態系遭受破壞。

甚至,在荒野保護協會 2020 年的調查報告中發現,海洋垃圾中佔比的前五名,分別是寶特瓶、塑膠瓶蓋、菸蒂、吸管和塑膠提袋,這五項中就有四項是塑膠製品!

前五名的海洋垃圾中,有四個都是塑膠製品。圖/水獺媽媽提供

那我們要怎麼幫助減少海洋垃圾呢?

除了減少使用一次性塑膠製品之外,我們在去海邊遊玩的時候,如果有看到沙灘上有散落的垃圾,也可以一起幫忙搜集起來丟掉,以免在漲潮時候被海浪拍打進海裡,被海洋動物誤食。

如果垃圾還是不小心掉到海裡怎麼辦呢?於是世界各國開始研究起了清理海洋垃圾的方法。

澳洲的 Seabin 海洋垃圾桶就是一個成功的例子,它將港口或者岸邊的垃圾作為主要回收目標,可以 24 小時運轉,一年可以清理掉 1.5 噸的垃圾!

淨灘活動對於減少海洋垃圾非常有幫助。圖/水獺媽媽提供

其實還有很多很有創意的發明,都可以幫我們解決海洋垃圾的問題,但是如果我們從根源做起,不亂丟垃圾、確實做好回收分類,看到公共區域的垃圾可以隨手撿起來,改變自己小小的習慣,大家都有這樣的共識,就可以發揮無限大的效用。

隨手撿垃圾、不亂丟、要分類,就能讓海洋更乾淨!圖/水獺媽媽提供
PanSci_96
1011 篇文章 ・ 1115 位粉絲
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冷鏈成本太高?遞送小鼠「冷凍精子」的最佳解出爐:現在寄張明信片就搞定!
Carol
・2021/09/05 ・4645字 ・閱讀時間約 9 分鐘

在古代有飛鴿傳書,在霍格華茲裡更有貓頭鷹負責寄送會發出聲響的信件。信件不僅是文字、訊息往來的方式,現今更可直接作為生物材料的寄送媒介。研究團隊發現,經冷凍乾燥處理的小鼠精子,可於沒有液態氮的環境中妥善保存,並且在室溫下帶於普通郵件中寄送。

放置於普通郵件小鼠精子。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

傳統保存方式:充滿液態氮的超低溫環境

典型保存精子的方式,是將精子保存於液態氮或乾冰中,極低溫的環境可讓精子處於冷凍的狀態下進行運送。待解凍之後,會再透過人工授精或是試管外(in vitro)授精來繁衍後代[2][3] 。然而,使用液態氮仍可能會產生一些問題,例如,在 196℃ 超低溫度下,進行樣本處理需要非常小心,因為液態氮可能會造成凍傷或是並且因飽和氣體造成窒息等問題,並且在部分國家及地區也可能有難以取得液態氮的問題。

除此之外,為了要讓小鼠精子一直維持在極低溫的環境,需不斷地補充液態氮,這也會造成昂貴的花費。因此,對於部分國家的研究機構來說,這樣難以保存小鼠基因來源。更不用說,若遇到停電、大災難等突發狀況可能會導致的極低溫的環境受到影響,小鼠精子解融、退冰,並導致精子無法使用。

液態氮,可以創造極低溫的環境,操作過程需小心。圖/ThoughtCo.

玻璃安瓿保存法很讚,但仍不適合長期保存

為了解決低溫環境難以控制的問題,日本山梨大學(University of Yamanashi)生殖生物學家 Daiyu Ito 的研究團隊發展出一項技術,將小鼠精子放入細頸瓶或玻璃安瓿(Ampoules,一種形狀類似保齡球瓶的小型玻璃瓶,常用於盛裝藥品等溶液。)並置於 4℃ 的環境中三個月,然後再放置於室溫中 1 個月。經過冷凍乾燥處理,可放置於室溫環境中一年。雖然經過處理後的小鼠精子已死亡,無法移動,但精子中的 DNA 仍然維持完整性[4]

爾後,再將這些冷凍乾燥後的小鼠精子在注射入卵子時,一樣能繁衍出正常的後代。這項冷凍乾燥的技術已運用與許多物種,例如實驗小鼠、倉鼠、兔子、馬以及綿羊等物種[5]。然而,使用玻璃安瓿仍有一些缺點。Daiyu Ito 說:「雖然玻璃安瓿的體積小,但它們相當笨重且易碎,容易影響小鼠後代的繁衍。所以將小鼠精子儲存在玻璃安瓿並不適合用來長期保存。因此,我們希望發展新的保存技術。」

圖為玻璃安瓿(Ampoules),為種形狀類似保齡球瓶的小型玻璃瓶,常用於盛裝藥品等溶液。圖/ISDIN

紙類保存凍乾精子有搞頭,但哪種材質最適合?

為了找出最適合用於保存冷凍乾燥的小鼠精子(mouse FD spermatozoa)的材料,研究團隊檢測了六種材質,分別是:日式傳統和紙(Washi)、包裝紙(Wrap)、乙烯基板(Vinyl sheet)、秤量紙(Weighing paper)、過濾紙(Filter paper)、日式糖果紙(Oblate)。

首先,過濾紙(Filter paper)是不可以使用的,因為小鼠精子容易卡在紙上,並且在解凍時無法順利取出精子。日式糖果紙(Oblate)也被認為無法作為保存材料,原先認為當日式糖果紙全部溶解於水中,就可以輕易地將冷凍乾燥的精子取出。然而,實際試驗後才發現,日式糖果紙溶解時仍會有部分殘餘物,導致難以收集小鼠精子。此外,其餘的四種材料雖然可用於收集小鼠精子,但仍有一些小缺點,例如:包裝紙太容易撕破,乙烯基板則在乾燥的過程中容易損失精子。

相對來說,日式傳統和紙是個較好的材料,但是在於脫水後的恢復過程中容易汙染,使得收集小鼠精子會遇到困難。秤量紙相較於乙烯基板較薄,但比包裝紙還要硬,是可作為小鼠精子乾燥過程的材料。因此,在此六種材料中,秤量紙是最適合用來處理小鼠精子的。

且經實驗發現,無倫是保存在玻璃安瓿或四種材料(傳統和紙、包裝紙、乙烯基板及秤量紙)的冷凍乾燥小鼠精子,其精子受精率(fertilization rates)沒有顯著差異。然而,在胚胎的發展成桑葚胚(morulae)或囊胚(blastocyst)的比率,最高的是以秤量紙(Weighing paper)包裝的小鼠精子。

使胚胎妥善的發育的比率,是作為小鼠精子是否有成功保存最重要指標,而在四種材料中,使用秤量紙(Weighing paper)包裝的小鼠精子其後代存活率數值為 21%,後代存活比率數值最高。考量到精子發育的程度,以及材料操作容易程度,最後採用秤量紙包裝冷凍乾燥精子,並用塑膠片作為分隔是最適合的選項。

上圖 A 為玻璃安瓿及用四種不同材質的紙保存的冷凍乾燥精子。下圖 D 為細胞質內精子注射(intracytoplasmic sperm injection, ICSI)。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
 圖 G,小鼠精子的受精率,玻璃安瓿及使用四種材料包裝小鼠精子的售經比率相差不大。
圖 H,受精卵發育成桑葚胚(Morula)或囊胚(Blastocyst)的比率[註1]。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

塑膠片會影響精子的DNA完整度嗎?

為進一步了解使用塑膠片保存精子是否會影響精子內的 DNA,研究團隊藉由彗星分析法(comet assay),來比較玻璃安瓿和塑膠片的精子中 DNA 的完整性。彗星分析法可用來檢測單細胞中 DNA 的損害程度,若 DNA 有損害,其結構會較為鬆散,斷裂或破碎的 DNA 片段會在進行電泳(gel)時被拖出細胞,在顯微鏡之下會呈現出一個類似彗星的形狀。不同程度的 DNA 損傷則會造成拖尾程度的差異,至於未損傷的 DNA 則會保持球狀。

從觀察結果得知,保存於玻璃安瓿的小鼠精子 DNA,其彗星尾相較保存於塑膠片的小鼠精子 DNA 慧星尾長度稍短一些,不過,就統計結果而言,兩者之間有顯著差異。

但另方面,在小鼠精子進行細胞質內精子注射(ICSI)之後,藉由使用 γ-H2Ax 染色來比較玻璃安瓿和塑膠片的雄原核(male pronucleus)中 DNA 損壞程度,結果卻發現,相較於保存在塑膠片的小鼠精子,保存於玻璃安瓿的小鼠精子經 γ-H2Ax 染色後,其雄原核[註2]有較高的亮度,顯示此細胞核內的雙股 DNA 損壞較為嚴重。

綜合上述,保存於塑膠片中的小鼠精子 DNA 完整度,與保存於玻璃安瓿的小鼠精子 DNA 完整度,是可以相比擬的。

圖 J 為保存於玻璃安瓿小鼠精子 DNA,圖 K 為保存於塑膠片的小鼠精子 DNA。可發現圖 J 的DNA 其彗星尾較短。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
圖 M 為保存於玻璃安瓿小鼠精子,其雄原核有較高的亮度,顯示此細胞核內的雙股 DNA 損壞較為嚴重。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

如何製備冷凍乾燥的小鼠精子?

小鼠精子經過預先培養之後,會秤量紙作為載體,將含有精子的溶液滴定於秤量紙上。將鋁箔紙摺出一個凹槽,依序放入裁切好的塑膠片及帶有小鼠精子的秤量紙,然後將整包鋁箔包放入保麗龍盒,最後在保麗龍盒內加入液態氮。

接下來,將冷凍的精子溶液乾燥,乾燥之後的冷凍小鼠精子會呈現粉末的狀態。然後,將冷凍乾燥後的小鼠精子取出,並用兩張秤量紙包裝,最後放在塑膠片上並用膠水將其密封起來。待需要使用時,再用剪刀將塑膠片剪出一個缺口,並用鑷子取出小鼠精子,最後再用水回溶精子。

小鼠精子的冷凍階段,依序各種材料放入保麗龍盒中,最後再加入液態氮,將小鼠精子懸浮液冷凍 10 分鐘。
(①Pipet chip,定量吸管,用來吸取小鼠精子溶液。②Sperm suspension,小鼠精子的懸浮液。③Material,用來作為小鼠精子溶液載體的各種材質,此處為秤量紙。④Plastic sheet,塑膠片。⑤Aluminum boat,鋁箔紙船)。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
冷凍小鼠精子的乾燥、密封及使用階段。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

凍乾的小鼠精子,可在室溫下藉由明信片運輸

雖然相較於保存在 -30℃ 的環境,冷凍乾燥(freeze-dried,FD)的小鼠精子保存在室溫環境下三天,其後代存活率較差,但仍可繁衍出後代。利用塑膠片保存的小鼠精子可以夾帶在明信片中,並放置於 -30℃ 的環境。待到要寄信的那天,可直接利用普通郵件的方式寄送,不需額外的保護措施。而收到郵件後,只需再將小鼠精子放回 -30℃ 的環境即可。

研究團隊曾使用此方式,將冷凍乾燥後的小鼠精子從東京大學寄至山梨大學,兩校之間的距離約為 200 km,並且郵件會在 2 天之內寄達。而這些冷凍乾燥的小鼠精子也能順利進行胚胎發育。因此,冷凍乾燥的小鼠精子,是可在沒有其他保護措施之下,在室溫下藉由明信片寄送。

將數千個小鼠品系的精子片保存於一個卡片夾,進而可以製作成一本“精子書”。這種方法很容易運輸及處理,並且可以降低了保存失敗的風險、成本以及空間要求。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
上圖為新年賀卡,賀卡上還夾帶冷凍乾燥後的小鼠精子。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

使用信件運輸小鼠精子的優缺點

Daiyu Ito 說:「遺傳資源對於人類未來而言,是個重要資產。即使有許多遺傳特徵可能已不適用於生存,但這些遺傳資源可能有利於某些物種在環境變遷或未知疾病擴散時存活下來。」哺乳類動精子保存,有利於不孕、維持品系中修飾過的基因序列。這個使用塑膠片夾帶小鼠精子的方式,可以方便保存數千種的小鼠品系(strain),除了有利於實驗室及研究機構間的合作往來,更可以促進生殖技術及科技的發展。

然而,使用如此方便及簡易的運送方式可能會造成許多不合法的運輸過程發生,因此需有更完善的法規制度來審查及保護動物精子的運輸。

 科技技術的發達,使得小鼠精子可藉由郵件寄送的方式從 A 實驗室寄送至 B 實驗室。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

註解

  1. 受精卵會在 24 小時分裂成 2 細胞,約 48 小時分裂成 4 細胞,約 72 小時分裂成 6~8 細胞,並在約 96 小時分裂成桑葚胚(Morula);之後才會形成囊胚(Blastocyst)。
  2. 雄原核,指的是在受精之後,精核進入卵子內,但尚未於雌原核(female pronucleus)融合。

參考資料

  1. Ito, D., Wakayama, S., Emura, R., Ooga, M., & Wakayama, T. (2021). Mailing viable mouse freeze-dried spermatozoa on postcards. iScience, 102815.
  2. Benson, J. D., Woods, E. J., Walters, E. M., & Critser, J. K. (2012). The cryobiology of spermatozoa. Theriogenology78(8), 1682-1699.
  3. Sztein, J. M., Takeo, T., & Nakagata, N. (2018). History of cryobiology, with special emphasis in evolution of mouse sperm cryopreservation. Cryobiology82, 57-63.
  4. Wakayama, S., Kamada, Y., Yamanaka, K., Kohda, T., Suzuki, H., Shimazu, T., … & Wakayama, T. (2017). Healthy offspring from freeze-dried mouse spermatozoa held on the International Space Station for 9 months. Proceedings of the National Academy of Sciences114(23), 5988-5993.
  5. Choi, Y. H., Varner, D. D., Love, C. C., Hartman, D. L., & Hinrichs, K. (2011). Production of live foals via intracytoplasmic injection of lyophilized sperm and sperm extract in the horse. Reproduction142(4), 529.
Carol
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Carol|生科系畢業,喜歡植物,喜歡小丑魚。

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善用會吃塑膠的細菌,分解寶特瓶不用再等 450 年
Sherry
・2021/04/16 ・2556字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

生活中總有那種到商店選購了很多商品,結帳後卻發現自己忘記攜帶環保袋的經驗,這時候銅板價的塑膠袋就是把商品輕鬆帶回家的好選擇。根據統計,每年全世界使用高達 5 億個一次性塑膠袋。

你知道塑膠袋發明是為了重複使用嗎?

瑞典工程師圖林 (Sten Gustaf Thulin) 發明了第一個塑膠袋。因為相較於紙袋,塑膠袋較不容易因為潮濕或拉扯破損,利於重複使用,能減少樹木砍伐,而且相對於紙袋,塑膠袋也較能攜帶重物。透過塑膠袋的發明,圖林希望解決紙袋造成的環境問題。不過統計至今,其中超過半數的塑膠袋並沒有達成「重複使用」這個使用初衷,有許多塑膠袋反而被隨意扔棄在大自然中,造成了另一種的生態壓力。

過去幾年來,塑膠製品嚴重影響環境生態。數年前,一支我們習以為常的吸管卡進海龜鼻子裡,短短 8 分多鐘的 Youtube 影片,驚醒了許多人的環保意識,開始拒用一次性塑膠吸管,行政院環保署也在 108 年 5 月宣布一次性塑膠吸管使用規範。除了限制一次性使用塑膠吸管,部分商店與機構也紛紛推出自備環保餐具即享折扣的優惠,對於不得不使用的一次性塑膠製品,政府也提倡回收再利用。

2018 年,台灣塑膠總回收量為 53 萬公噸,而其中寶特瓶回收量則高達 54 億支,資源回收率號稱全球第三,寶特瓶的回收量更高達 95%,即便是這樣,每年仍有 2-3 億支寶特瓶流入大自然,因此除了推行塑膠減量外,科學家也開始思考如何減短膠製品的分解週期。

發現會吃塑膠的細菌

塑膠製品那麼多,那就先從民生用品最常見的 PET(苯二甲酸乙酯)說起。

PET 是一種常見的塑膠材料,在衣服、包裝及地毯都可以看到它的蹤跡,其中 PET 最廣為人知的製品就是寶特瓶。PET 價格低、輕便的特性讓他成為常見的塑膠材料,不過卻也因為結構中將兩個單體聚合在一起的酯鍵並不容易被分解,因此有著驚人的抗生物分解能力,分解一支寶特瓶至少需要長達 450 年的時間。

即便數據顯示,目前寶特瓶的回收率並不低,但在台灣每年卻還是有 2-3 億支寶特瓶沒有成功回收。這些被遺忘的寶特瓶最終被丟棄在人類的生活軌跡,好一點的丟進垃圾掩埋場,運氣不好的則被帶入山林或流進海洋,再次造成野生動物們的傷害。

PET 有著驚人的抗生物分解能力,分解一支寶特瓶至少需要長達 450 年的時間。圖/Pexels

等等!剛才說分解寶特瓶需要 450 年,那就是還有辦法分解啊,所以只要找到這些年是誰在分解寶特瓶,事情不就好喬了?

沒錯!首先想到的就是來自日本的研究團隊,他們將寶特瓶回收場的底泥、濕土、廢水,只要是有接觸到分解寶特瓶殘骸的環境樣本通通帶回實驗室。研究團隊將這些帶回來的樣本培養在 PET 塑膠薄膜上,希望看看是不是有微生物在分解 PET,可以靠著分解 PET 產生能量,維持細胞中的代謝與合成反應。

結果真的有。

2016 年,日本研究團隊發現了一株愛「吃」塑膠的新型細菌,這株細菌可以在大概 6 週的時間內,將 PET 薄膜完全分解。研究團隊將它命名為大阪堺菌 (Ideonella sakaiensis)。

生物產生的催化劑——酵素

找到新細菌然後呢?想知道他可能有什麼神奇的超能力,最快的方法就是送去定序。

研究人員根據定序結果發現細菌帶有一種水解酵素,推測這種酵素可能與大阪堺菌能分解 PET 有關。為了證明這樣的推測,研究人員進行酵素純化,並測試其分解 PET 的能力,發現在攝氏 30 度的環境中,酵素有最佳的反應效率將 PET 分解,決定命名為 PETase。

團隊在找出大阪堺菌分解 PET 的關鍵機制後,成功以化學方法純化 PETase,擺脫微生物實驗中的許多條件限制。不過能在 6 週內分解 PET 塑膠薄膜只能確定酵素有分解的能力,但是真正要面對 2-3 億支比薄膜更厚實的 PET 寶特瓶,這樣的實驗成果遠遠不夠,因此科學家們紛紛開始思考如何加快分解 PET 的反應速率。

找到能分解塑膠的酵素,那能再快一點嗎?

2018 年英國樸茨茅斯大學 (University of Portsmouth) 研究團隊根據先前研究分析 PETase 的結構,發現其胺基酸序列與嗜高溫放線菌 (Thermobifida Fusca) 的水解酵素 TfH 有 52% 的相似度,但是兩者之間對於受質的專一性不同,其中 PETase 的結構相似於催化角質與脂肪酸分解的 α/β 水解酵素,因此研究團隊希望透過改變 PETase 的結構,設計出一種酵素能夠更快速分解 PET。

哈里·奧斯汀 (Harry P. Austin) 研究團隊將 PETase 的結構突變為更類似於此水解酵素,嘗試讓兩個水解酵素中的兩個活性位點,由殘基突變為保守氨基酸,使結合裂變窄,優化 PETase 對於 PET 的分解能力。在實驗中將野生型 PETase 和 PETase 雙突變體 (S238F / W159H) 透過掃描式電子顯微鏡進行比較(如圖 A-C),A 為緩衝溶液(對照組),B 為野生型 PETase,C 為 PETase 雙突變體 (S238F / W159H) ,在 pH7.2 的磷酸鹽緩衝溶液培養 96 小時後,可以看到對照組的 PET 表面沒有被分解產生的孔洞,而 PETase 雙突變體的孔洞較野生型 PETase 多且明顯,應證了雙突變的 PETase 在相同條件下,能更有效的分解 PET。

PETase 雙突變體 (S238F / W159H) 相較於野生型 PETase 更有效分解 PET。圖/參考資料 6

雖然透過科學家們的努力,在未來有機會利用蛋白質工程,嘗試更多組合,找到讓塑膠分解更快速的方法。不過以根本來說,降低塑膠使用量、在未來審慎考慮各種材料的利用,照顧好地球環境,才是我們的首要目標。

參考資料

  1. Bag with handle of weldable plastic material
  2. How plastic bags were supposed to help the planet – BBC News
  3. 從海龜氣管拔出塑膠吸管
  4. 環保署公告「一次用塑膠吸管限制使用對象及實施方式」
  5. 台灣成就!寶特瓶回收率高達95%、資源回收率全球第3 但真的夠了嗎?
  6. 塑膠垃圾別亂丟,海洋分解得花600年
  7. Yoshida, S., Hiraga, K., Takehana, T., Taniguchi, I., Yamaji, H., Maeda, Y., … & Oda, K. (2016). A bacterium that degrades and assimilates poly (ethylene terephthalate). Science, 351(6278), 1196-1199.
  8. Austin, H. P., Allen, M. D., Donohoe, B. S., Rorrer, N. A., Kearns, F. L., Silveira, R. L., … & Beckham, G. T. (2018). Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(19), E4350-E4357.
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Sherry
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