科幻成真?改造細菌 把二氧化碳變燃料

廖俊智與合成生物學 運用合成生物學邁向淨零排放的未來

氣候變遷是本世紀最重大的環境課題,為了達到2050年溫室氣體淨零排放的目標,除了提高能源效率、生產再生能源,勢必也得將化石燃料產生的溫室氣體,轉化為再利用形式。在這個前提下,科學家便思考著如何將二氧化碳變成永續性的燃料?中央研究院院長廖俊智團隊以合成生物學改造細菌基因,重新設計代謝路徑,讓細菌將二氧化碳等溫室氣體轉化成燃料與化學品,有效減少溫室氣體。2021年廖俊智更獲得以色列總理獎,表彰他在生質能源研究的重大突破。

科幻將成真,回收二氧化碳成為可用燃料

想像一下以下畫面:

白天你和家人在客廳聊天,呼出的二氧化碳被特殊的裝置吸收後,機器內經過改造的細菌,可將二氧化碳轉換成葡萄糖,到了晚上你就能用這些糖泡咖啡。準備出門時,汽車沒油了,這次換另一種改造細菌吸收二氧化碳,之後便可以直接產出燃料。

以上這些如同科幻小說的場景,正在中研院廖俊智院長的實驗室中逐步成真。研究人員以合成生物學的技術,改造細菌基因,重新設計細胞代謝路徑後,這種合成細菌即能吸收二氧化碳等溫室氣體,產出我們需要的燃料或化學物質。

合成生物學:以工程學概念「重新設計細胞」

合成生物學也是修改生物基因,但與過去基因改造的規模完全不可同日而語。傳統基因改造,只能增加或剔除一到數個基因,並限定在優化或弱化細胞的某些特定功能,例如耐旱、抗蟲等;合成生物學則可設計一條新的代謝路徑,修改所需之完整基因群,重寫細胞的功能──等同於重新設計細胞!例如:把大腸桿菌改造成只吃甲醇的細菌。

細胞的代謝,指的是細胞內一連串化學反應,可以是分解分子、取得能量,如細胞的呼吸作用;也可以是合成所需要的分子,如植物以光合作用合成葡萄糖。過去,生物學家致力了解自然生物,基因改造只是其中一項技術。如今,人類已解碼生物的元件──細胞的結構,知道細胞在不同基因群的指揮下,會創造不同的代謝路徑,執行各種功能。

合成生物學立基於過去的知識積累,改造大量基因,創造出全新的代謝路徑。這好比設計一款新手機,是從舊的手機模組出發,大幅改變內部的半導體元件和電路,研發出全新功能。換句話說,合成生物學讓人類進入了可「設計生命」的時代。合成生物學,就是以工程學的概念來重新設計細胞。

先設計,再演化!

具體來說,科學家會先決定想要的新功能(代謝路徑),不過細胞代謝與其控制基因的機制非常複雜,人類仍未完整地解開謎團,不可能事先知道所有需要修改的基因。因此合成生物學改造基因,不是如同過去一個個剪貼,而是先設計、再演化

在設計階段,要先選取某些細菌細胞,改造一些基因,讓細胞非常靠近預期目標;接著再給予適當的環境,讓這些細胞自己演化,看看哪一株的後代會演化出想要的功能。

廖俊智比喻,這就像想要橫渡大洋,至少得先有一條船才能出發,航行途中再逐步完善細節,如將船身改造成流線形等等。

舉例來說,下圖是廖俊智在2020年發表合成嗜甲醇菌成果的研發過程。為了將大腸桿菌改造成只吃甲醇的合成細菌並產生可再利用的化學原料,研究團隊透過設計、定向進化、成像與基因定序,成功做出世界第一株「合成嗜甲醇菌」。

合成嗜甲醇菌的研發過程。圖/時報出版提供
合成嗜甲醇菌的研發過程。圖/時報出版提供

在廖俊智的合成嗜甲醇菌研究中,為了改變大腸桿菌代謝路徑,最重要就是初始設計與定向進化環節。初始設計為修改大腸桿菌基因,使其接近設定的功能,定向演化則是讓具有一樣初始條件的細菌分別演化,直到有一株細菌成功達到設定目標,也就是「合成嗜甲醇菌」。

以合成生物學技術,重新改造細胞的代謝路徑,一旦演化成功,細胞將可自行產生人類化學工程難以製造的複雜、精準的分子或細胞。目前合成生物學聚焦在工業與醫藥領域,工業上是利用細菌工廠生產不同的燃料或化學分子,如廖俊智團隊改寫各種細菌的代謝途徑,成功製造燃料與化學品;醫藥領域則包括最夯的癌症療法「CAR-T免疫療法」,將T細胞重新改造,增強殺敵功力,對抗癌細胞更給力。

二氧化碳變燃料,對抗全球暖化危機

綜觀廖俊智的研究,核心關懷始終是以合成生物學解決全球暖化問題。他透過多篇論文展示如何改變微生物的代謝途徑,將再生原料轉化為燃料與化學品。其中,將二氧化碳直接轉化為燃料,無疑是廖俊智最具原創性的成就之一!

過去,人們已經可以利用細菌生產燃料、抗生素或治癌藥物,但多以醣類為原料,因此需要種植甘蔗和玉米,不僅成本昂貴,把食物拿來當燃料也不是理想之舉。於是廖俊智思考,何不回到源頭,從二氧化碳開始著手呢?亦即以二氧化碳為原料,打造新的碳循環。

因為醣類是植物吸收二氧化碳後,經過光合作用產生,他溯源發想:我們是否能夠直接改造光合作用,讓植物只吸收二氧化碳,但不產糖、改產燃料,形成永續的碳循環?這樣一來既解決原料問題,也能消化目前只能封存、無法利用的巨量二氧化碳。

廖俊智十年磨一劍,發展各種實驗進路,在2012年,利用電力間接驅動微生物,執行二氧化碳的生物還原,成功將電能儲存在液態燃料(異丁醇)中。這是結合太陽能電池與微生物生化反應以生產燃料的世界首例,研究成果獲登於國際期刊《科學》(Science)

Step 1. 科學家早就研究將植物轉化為燃料,但植物原料資源有限、運輸昂貴,而且在醣轉換為燃料時,會產生二氧化碳。

二氧化碳變燃料的實驗發展過程。圖/時報出版提供
二氧化碳變燃料的實驗發展過程。圖/時報出版提供

Step 2. 廖俊智首先設計一套非氧化型醣解反應(Nonoxidative glycolysis),將醣分子內的所有碳原子,毫無流失地轉化成合成燃料,減少二氧化碳的產生。

Step 3. 接下來,他在上面實驗的基礎上,加入從二氧化碳直接轉換為燃料的路徑。

Step 4. 2012年,成功地以電路驅動微生物,直接將二氧化碳轉化為燃料。

中研院廖俊智院長運用合成生物學,創造出可持續固碳的碳循環路徑,產出具永續性的生質燃料。。圖/時報出版提供
中研院廖俊智院長運用合成生物學,創造出可持續固碳的碳循環路徑,產出具永續性的生質燃料。。圖/時報出版提供

研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課

( 本文廖俊智,摘自中央研究院研之有物編輯群著《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》,時報出版提供)


延伸閱讀

一通緊急簡訊 催出莫德納第一箱裝瓶新冠疫苗

丁照棣:跟著好奇心寫下基因編輯的序曲

編輯孩子基因?諾貝爾化學獎得主道納的道德之旅