伊莉討論區

標題: 改造細菌代謝反應將電能轉換為生質燃料 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2018-9-28 06:45 AM 標題: 改造細菌代謝反應將電能轉換為生質燃料

　　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。
　　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？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。研究團隊的構想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。
　　　　　[attach]125052601[/attach]
　　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﹐研究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。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。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。
　　　　　[attach]125052602[/attach]
　　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。
　　研究人員說明﹐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。
　　有些人會擔心﹕改造細菌的基因﹐會不會對環境造成傷害？對此擔憂表示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﹐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」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。
　　　　　[attach]125052603[/attach]
　　研究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？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。
　　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。

歡迎光臨伊莉討論區 (http://a401.file-static.com/)