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未來的生物科技發展方向—合成生物學

活躍星系核_96
・2015/09/01 ・1599字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

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文 / 李根濤、李金燁 (2015年 長庚大學 國際基因工程機械競賽團隊。)

隨著DNA被發現、分子生物學的掘起後,人類開始懂得如何透過改造生物的基因讓社會變成更為美好,但目前要理解生物的原理和應用方法也是有一定的困難,所以科學家就思考如何把生物的技術變成SOP (standard operationg procedure),由此產生了一個新的科學領域——「合成生物學」(synthetic biology)。

什麼是「合成生物學」?

我們看到深海中的水母發出柔和的螢光,那是它產生的螢光蛋白質在發揮作用;玫瑰花散發花香,那是它產生芳香類有機化合物……生物因其DNA序列不同、DNA表現程度不同,形成大自然多樣多姿的美態。

在這些具有特定功能與表現的DNA片段的研究和發現過程中,科學家們開始試圖用另一種角度看待它,將DNA視為由大大小小的「零件」組成,各司其職執行著特殊的「任務」,也能像小時候我們玩的積木一樣,想要做什麼就可以做什麼,也是因為這個概念而發展出「生物積木」(biobrick),讓大家不再覺得生物的改造是件難事。

source:bioon
source:bioon

合成生物學是一個跨領域的科目,它結合了數學、化學、電腦軟體、工程、生物等技術範疇,因此人才需求不斷提升。目前發展的情況其實和過去的電腦科技頗為相似:在今天,電腦科技影響著每一個人,而在未來合成生物學也勢必會領導著不同領域的發展,包括醫學、製藥、化工、能源、材料、農業等。

source:igem
source:igem

 

國際基因工程機械競賽(iGEM)

國際基因工程機械競賽(International Genetically Engineered Machine Competition, iGEM),期望通過競賽的形式,回答合成生物學中的核心問題 —— 能否在活細胞中使用可互換的標準化「生物積木」(biobrick)構建簡單的生物系統,並且加以操縱。

所謂「積木」,就是上述提到的含有特定DNA的「生物元件」,可以被自由「剪輯」(digestion)、「修飾」(modification)、「拼接」(ligation),構建新的系統。

每支參賽隊伍都會由大會提供和使用標準化後的「生物積木」,利用標準化的基因工程方法,組裝成不同功能的人工生物系統,並進行操縱和測量。比賽裡會要求學生們自己選擇題目,利用課餘時間合作完成相應的實驗、電腦模擬計算,和工程應用等工作,充分鍛煉了學生的獨立工​​作能力和團隊協作能力,同時也培養了學生對於科學的熱情。

參賽學生可將研究所取得的有用成果提交給iGEM的競賽委員會,供全球的科學家共享參賽隊伍的研究成果。此外這項競賽也為不同國家、不同專業的大學生提供了一個相互交流的國際舞台。

iGEM

關於我們——長庚大學學生研究團隊

2015年的冬天,一群不同專業背景的學生走在一起(包括生醫系、生技系、化材系、電子系、資管系),共17名同學。透過在課堂上和專題研究所學到的知識應用到我們的社會。而我們主要研究的主題是口腔癌的檢測。

在台灣致死率排名前五的癌症有肺癌、乳癌等,但是大眾對於口腔癌相對而言比較陌生。因此今年長庚大學的研究團隊希望透過設計口腔癌的篩檢方法,而且讓大眾了解口腔癌防治的重要性。目前團隊已鎖定了口腔癌患者口水裡的一種蛋白質—IL-8 (Interleukin 8),透過這蛋白質能告訴我們到底有沒有患癌,也稱為「生物標記」(biomarker)。透過使用酵母菌(Yeast)和大腸桿菌(E.coli)為工程菌,把「生物積木」送進細菌裡。當細菌們遇到IL-8蛋白的時候,會激發細菌產生綠螢光蛋白(GFP),再利用光學儀器測量綠螢光蛋白的亮度,從而初步判斷是否患有口腔癌。

今年的9月中,我們研究團隊會把成果帶到美國波士頓參加國際基因工程機械競賽(iGEM),希望把這個成果與其他國家的人分享以及交流意見。

iGEM1

參考來源:

  • 合成生物學
  • Cultivation of Synthetic Biology with the iGEM Competition
  • [JOURNAL OF ADVANCED COMPUTATIONAL INTELLIGENCE, v. 17, (2), 2013, p. 161-166}]
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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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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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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合成生物學是什麼? 原來這也能參加比賽!?ft. 中興 iGEM 競賽團隊【科科聊聊 EP60】
PanSci_96
・2021/10/05 ・1306字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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簡單的說,「合成生物學」就是把巧妙設計的基因片段放到細胞裡,讓細胞呈現出你想要的樣態、行為與產物!不過你知道這個技術原來可以參加國際比賽嗎?一年一度的國際合成生物學比賽 International Genetically Engineered Machine,簡稱 iGEM ,來自世界各地的團隊,運用合成生物學解決各種技術難題與社會議題!

本集泛泛泛科學就由中興大學 iGEM 團隊和大家談談他們參賽的經驗和想法。快來一起了解合成生物學以及 iGEM 競賽吧!

  • 1:53 什麼是「合成生物學」?

合成生物學就是透過將一段基因的片段或其他內容,將其經過設計後送至細胞內,並期望細胞能夠表現出特定的樣態、行為與產物。希望透過這樣的技術處理現今的技術難題與社會議題。

延伸閱讀:未來的生物科技發展方向—合成生物學

延伸閱讀: 合成生物學:基因「混搭」掀起的新革命! ──《人類大未來》

  • 5:33 參加 iGEM 不一定要生科系,團隊需要跨領域的人才組成
  • 10:12 為什麼想加入 iGEM?
  • 14:46 iGEM 是什麼?

 iGEM,全名為 International Genetically Engineered Machine。從 2008 年開始,每年都會舉行,所以是已經舉辦了 13 屆的國際合成生物學比賽。每年平均有來自 40 多個國家,約 300 多個隊伍參與這場盛事。在臺灣,除了有固定幾所大學會參與比賽外,也有些高中會一同參與此比賽。而 iGEM 的宗旨,主要是希望可以藉著推廣合成生物學,讓不同團隊在集思廣益想出的好點子,可以最終實際應用到社會中,來解決各式各樣的難題。

NASA Ames 研究中心的合成生物學研究。圖/WIKIPEDIA

延伸閱讀:International Genetically Engineered Machine

延伸閱讀: 中興大學生命科學院舉辦2020 iGEM 基因工程競賽暨交流會

  • 17:55 受疫情影響改成線上比賽的優點與缺點
  • 21:19 讓團隊印象深刻的研究
  • 25:50 今年中興團隊的研究

為解決廢棄稻桿問題,取代台灣傳統上燃燒稻桿的做法。團隊研究兩種菌株:一種用來將稻桿轉化為醣類發酵液;另一種則產生促進微生物及植物生長的 PQQ,希望最終能達到循環農業的目的。

  • 34:20 研究中碰到的困難
  • 49:38 追蹤興大 iGEM 粉專:NCHU iGEM Team,參加招生說明會!
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合成生物學:基因「混搭」掀起的新革命! ──《人類大未來》
三采文化集團_96
・2018/11/16 ・4660字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 569 ・九年級

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y編按:快問快答,你覺得未來是什麼樣子?我們都在前往未來的路上,前面的道路會如何開展?景色又如何呢?泛科學2018年11月選書《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》邀請多位科學家以及研究學者,一起描述未來,探討那些關於能源、科技、太空、氣候變遷、生物醫學……的真實與想望,讓我們邊前進邊一起共譜未來吧!

從二十世紀跨入二十一世紀,遺傳學、基因工程和分子生物學也從嬰兒進入兒童期。想當初,人類基因組計畫不斷有新的發現和進展,相關領域的學者,包括我,都感到振奮不已。

但現在回頭看,我們的研究又慢又沒效率,每次做實驗前都得先想出怎麼操控 DNA;好比每次取樣音樂時,都得從頭把錄有氣笛風琴聲的帶子剪成碎片。在當年想要「混搭」基因,完全沒有慣例可循。

在當年想要「混搭」基因,完全沒有慣例可循。source:gagnonm1993

所有新技術的發明都得走過這一遭,不斷地實驗,試圖理出個頭緒,然後去蕪存菁,廣加複製與傳播,讓人人都能使用。新科技很快就會變得簡單又普遍。現在連小孩都會編曲混音,甚至用智慧手機就做得到。

我打這篇文章所使用的科技,在五十年前根本無從想像。當我敲擊鍵盤,電子便沿著電線、電路、邏輯閘、電晶體,抵達發光的二極體。這箇中奧祕我鐵定是弄不明白,但這就是將零件規格化和商品化的好處。我不必每次要用電腦就得自己發明二極體,只要買一個和別的零件組在一起就行,而這些零件也會如同我所預期的那般正常運作。也因為這樣,才促進了電子產品的蓬勃發展。

我敲擊鍵盤,電子便沿著電線、電路、邏輯閘、電晶體,抵達發光的二極體。
圖/pixabay

基因工程該如何零組件化?

現在電子零件越做越小,要設計越來越複雜的電路系統也簡單得多。人類的生活幾乎不能沒有這些電子產品,而幾乎每一個人也都習慣了這樣的生活。

創立合成生物學的先驅的確意識到了這一點。在美國史丹佛大學及麻省理工學院,電機工程師與數學家將基因視為可供編寫及覆寫的電子迴路,遺傳學者卻花了大半時間在重新發明他們的電路板。

如果基因工程的各個環節能像電子零件那樣規格化,在將生物轉變為「生物工廠」的研究就能進步飛快。

於二〇〇六年成立的生物積木基金會 (BioBricks oundation) 創立了一個開放的 DNA 標準環節資料庫。這類經細緻修改的環節能相互拼組,就像樂高方塊一樣。「拼組」可不是一種比喻:萃取出的基因及基因開關組成一條條 DNA 鏈,兩端皆經模組化,以便按正確的生物定向連接起來。當研究所需,就可以從資料庫調出各種基因環節,附著於小張試紙上運送至世界各地。要是添加溶劑,DNA 便會漂移,如積木般與下一個環節結合。就是這樣一個簡單的動作,成就了現代科學史上難以想像的基因工程。

於二〇〇六年成立的生物積木基金會 (BioBricks oundation) 創立了一個開放的 DNA 標準環節資料庫。圖/pixabay

「不好意思,我用的是DNA隨身碟。」

那些厲害的科幻小說家善於預測未來科技,卻誰也沒料見合成生物學能有如此進展。四十億年來,生物演化在錯誤中反覆摸索、嘗試,為建立生命形態提供了意想不到的資源。我指的,當然是各式各樣、無窮無盡的基因,被大環境的變遷磨練至完善,才能在生物宿主體內一代代地傳承下去。透過合成生物學,人類建立了一套系統,截取這些戰勝演化的基因重新組合,並非為了延長基因宿主的生命,而是為了達成我們自己的目的。

合成生物學有多種類型。有些研究者不僅為特定目的而重新編寫基因碼,更以這些「字母」重新編寫出自然界沒有的 DNA「語言」。其他學者則著眼於將 DNA 作資訊儲存之用,反正 DNA 對生物的作用說到底就是保存訊息。就這一點來說,基因即是資訊,DNA 則是極其穩定的數據格式。哪怕生物死了幾十年或億萬年,我們還是能取出其基因。

再說,以 DNA 作為儲存媒介,絕對不會有無法研讀其中資料的一天。

回看數位硬體的演進,數據的儲存規格每幾年就會汰舊換新,而非幾十年。誰還記得五英吋軟碟?誰還在用錄影帶?在世界各地已經展開許多研究計畫,將影像、莎翁十四行詩、書本內容,或是其他數位資料編碼進 DNA 中。DNA 是現知密度最大的數據儲存媒介,勝過藍光光碟幾千幾萬倍。但目前若把 DNA 當數位記憶體,無論讀或寫的速度都很慢,只適合長期存檔。未來電腦說不定會具備 DNA格式的硬碟,到時就方便多了。

DNA 是現知密度最大的數據儲存媒介。圖/pixabay

合成生物學在醫療上的應用

今時今日,合成生物學已走過第一個十年,除了種種不同凡響的構思,更具備空前的潛力,準備讓未來面貌一新。概念也好,技術也好,合成生物學所涉範疇之廣,教人驚奇。驅使這門科學不斷發展的最主要動力,則是為了製造出至今無人且無從生產的產品。

到目前為止,治療有史以來致死病因之冠,是合成生物學掀起的一波高潮。每年全球罹患瘧疾的人數介於二至五億,死亡人數高達四十萬,多半是未滿十五歲的孩子。

瘧疾彷彿人類歷史上揮之不去的鬼影,對人類性命的威脅非一般傳染病所能比。多年來,各種療法都只能紓解一時的疫情,然而未加管制、過度使用的結果,使得瘧原蟲 (Plasmodium) 對特定用藥產生了抗藥性與免疫力。青蒿素萃取自中藥黃花蒿,它是目前公認最有效的治療瘧疾藥物。但就和傳統農業一樣,黃花蒿的培植也受到景氣興衰影響,市價大起大落。

就在本世紀初,舊金山一家生技公司阿米瑞斯 (Amyris) 在研究酵母合成柴油的過程中,發現了青蒿素的前趨物青蒿酸。於是研究團隊提取出製造該物質的基因,以便在酵母細胞中大量生產,新闢製藥源頭。比爾.蓋茲伉儷基金會 (Bill and Melinda Gates Foundation) 挹注了好幾百萬美元,認定這項研究大有可為,能使青蒿素擺脫傳統產業的限制,更廣泛用於瘧疾治療。製藥公司賽諾菲 (Sanofi) 也獲得了許可,準備大量將瘧疾用藥商品化。

圖/素材公社

生物與生俱來的機制出奇地靈敏,例如人類的視網膜就有能力偵測到光線中的單一光子。從合成生物學發展之初,便有學者研究將細胞作為生物辨識元件,也就是接收訊息或刺激的感測器。如今,重新編碼過的細胞被用來檢測環境中無所不在的訊息,例如超商的包裝肉品有沒有變質,或體內是否有石化汙染物質或病原體。

我在天上飛~ 合成生物技術在太空的應用

此外,合成生物學的領地並不限於地球。

美國太空總署 (NASA) 對重新編碼的 DNA 很感興趣,投入大量人力物力發展衍生技術。因為細胞小之又小,重量趨近於無,而探索宇宙最龐大的支出就是來自重量。要讓區區一公斤的物體突破引力束縛、飛入太空,得花費三萬美元。要把人類送上別的星球,必須克服兩項難題。首先是人類並未演化到能在地球大氣層的保護之外生存,包圍太空船的宇宙射線與太陽閃焰,其輻射量比一般人一輩子接收到的量還多。根據往返火星的模擬任務,太空人返航後會罹患不孕症、白內障,而且有衍生癌症腫瘤之虞。對抗致命輻射線的最佳方法是用厚重金屬做護盾,但是造價也令人咋舌。

NASA 埃姆斯研究中心 (Ames Research Center) 的人員一直在思考如何應用合成生物技術抵禦輻射線,並且拿細菌來做實驗。當 DNA 受到輻射損害,正常的細胞會自動分泌細胞激素來修復損傷,加強免疫力。所以,要是能合成自動分泌細胞激素的細菌,就可以抵禦輻射線的傷害了。

NASA 推動合成生物技術的第二項原因是,當太空人抵達其他星球,就會需要氧氣、食物和安全的住所。在多項殖民發展計畫中,科學家運用標準化的生物元件 (BioBricks) 製造細胞迴路,來生成氧氣、食物,甚至磚塊。這些細胞迴路會分泌帶黏性的分子,植入模仿火星風化層的沙土後,將凝固成磚塊。這項技術需要一整個試管的細胞、一點水和火星上的沙子,而其中只有一種原料需要從地球帶過去。

圖/pixabay

只要想得到,合成生物學領域就沒有極限!

合成生物學領域朝氣勃勃,只要想像力別畫地自限,誰都可以打造基因迴路。

但是長期下來,真正能落實的美好設計太少。理想中的迴路到了活生生的細胞裡,表現未必合乎預期。如同研發中的電子產品,按設計原本該出現清晰的數位輸出,卻常被系統雜訊抵銷。生物感測器也好,藥物或燃料也罷,有太多的輸出都受到阻撓。NASA 的太空人保護研究要派上用場,還得等幾十年。阿米瑞斯研究的潔淨生質柴油終究難以量產,無法滿足商業需求。至於青蒿素,早有傳聞要大規模上市,但終究只聞樓梯響。在黑市倒是可以見到不少青蒿素產品流竄,然而使用者並未遵照世界衛生組織指導原則 3,已經引起了小規模青蒿素抗藥現象。

儘管如此,合成生物技術的前景並非幻象。的確有段時期常可聽聞天花亂墜的討論與報導,一如許多新興科技產業,合成生物技術並未跟上人們的期待。但我相信,那段天花亂墜的時期已經過去了,緊接而來的是更沉著、務實的計畫。科學家致力於存取技術與生物原件的標準化,過不了多久,就能推出實際可用的產品來解決世界各地實實在在的問題。研究者將 DNA 重新設計成軟體,更確切地說是「濕體」(wetware)。

而在編碼 DNA 外,濕體工程師正在著手修理即將上市商品的毛病。蜘蛛絲領帶只是個花招,用來展示將深深影響商品製造的一項技術。在科學的領域裡,往往得積沙成塔,才能迎接翻天覆地的革新。千百年來,我們透過培植、採集、提煉等方法取得原料,建造出我們生活的這個世界。不久,這些原料將可以透過活細胞生成,而基因迴路將由人類編碼,大自然一切基因將由人類混搭。

蜘蛛絲領帶只是個花招,用來展示將深深影響商品製造的一項技術。
圖/MIT Technology Review


作者簡介:亞當.盧德弗 (Adam Rutherford)

英國倫敦大學學院 (University College London) 遺傳學博士,BBC 熱門科學節目《科學內幕》(Inside Science) 主持人。曾任《自然》雜誌編輯十餘年,並長期為《衛報》、《連線》等媒體撰稿。他熱中將科學轉化成大眾都會感興趣的知識,出版了多部關於基因和生命起源的暢銷著作,他的第一本書 Creation: The Origin of Life / The Future of Life 入圍 2014 年惠康基金會科學寫作獎。他同時參與制作並主持了
《細胞》、《基因密碼》、《扮演上帝》等多部 BBC 紀錄片,還擔任多部電影的科學顧問,包括《末日之戰》(World ar Z, 2013)、《金牌特務》(Kingsman, 2014)、奧斯卡得獎電影《人造意識》(Ex Machina, 2015)、《滅絕》(Annihilation, 2018) 等。

 

 

本文摘自《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》,三采文化,2018  年 11 月出版。

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