2009年4月10日

大腸桿菌與新能源開發

作者/張心儀、黃翠琴、阮雪芬(台灣大學生命科學系暨分子與細胞生物學研究所)

台灣在合成生物學的研究有卓越表現,本文作者於2008年發表的大腸桿菌新菌株,具有高丁醇耐受性,引領生質能源的研究與開發,邁出一大步。

在2007年夏天,17位頂尖的科學家,包括戴克(Cees Dekker )等,提出一個重要的觀點,認為合成生物學結合了兩大革命性的技術——現代電子學與分子生物學,這個嶄新的領域,能夠為目前世界上所面臨的主要問題,提供一些解決方法。

「合成生物學」這個名詞首見於文獻上,是在1980年。當時荷邦(Barbara Hobom)利用這個名詞,來敘述以重組DNA(合成性的)技術在細菌(生物的)中進行的遺傳工程。在當時,合成生物學與生物工程(bioengineering)具有同樣的意思。直到2000年,在舊金山舉行的美國化學會年會上,庫爾(Eric Kool)及其他演講者再度提到合成生物學這個觀念,此時,這個名詞的含義已被延伸,用來敘述利用生物系統合成非天然的有機分子。

今天,合成生物學更廣泛的定義則是:重新設計生命。

現代的合成生物學家,利用現有的生物體加以改造,以基因重組工程或其他方式,放入人工設計的反應路徑(通常是酵素),或是開啟原本被關閉的路徑,並以此產生原本該生物無法產生的有機分子,或是執行該生物原本不具備的功能。更或者,僅將幾個重要的調控路徑放入生物體中,建構出最簡單的生命體,試圖在去除其他反應路徑的干擾下,了解生命本來的面貌。

合成生物學的基礎—系統生物學

系統生物學是生物學的新興領域,導入系統科學的數學理論與計算模型,使我們逐漸能夠描述和解釋高度複雜生物系統的運作。在這新興的跨領域科學中,集結了不同領域的科學家,包括有生物學、資訊科學、數學、物理學及工程學等領域,經由充分地合作,研究團隊得以共同預測細胞、器官、系統及完整生物體的表現。

為了研究整體生物系統的表現,科學家選擇以構造較簡單的生物作為研究模式,例如原核生物(大腸桿菌)或單細胞生物(酵母菌)等。科學家針對其各種不同的基本生命現象,做出相當程度的預測及理論模型,包括:細胞分裂、細胞週期、耐熱及耐冷生理機制、糖解作用和克氏循環等生化反應,或化學趨性等行為上的表現。

而理論模型需要被實驗證實,所以在生物實驗部分,已發展出多種研究的策略。以大腸桿菌為例,在基因剔除(knockout)方面,近年來,對於大腸桿菌K-12菌株,已建構出所有非必需基因(non-essential genes)的單一基因剔除株,例如:單一基因剔除變異株集(Keio collection);而在大量表現特定基因(overexpression)方面,也有完整的大量表現單一蛋白質的菌株庫,例如:單一基因大量表現株集(ASKA collection)。這些針對大腸桿菌每個基因或蛋白質,各自製作的剔除或大量表現的菌株,不但能夠被應用於全面性微生物生理上的研究,也使系統生物學家能夠將理論性的模型,在生物體內進一步地驗證,更能以此應用於合成生物學的研究,藉由增加或刪除某些基因,而修改生物體內原有的作用路徑、甚或是設計出全新的生化路徑。【更詳細的內容,請參閱第472期科學月刊】

回本期目錄

沒有留言: