20200824 highlightss

為全球減碳奠基! 中研院首創「合成嗜甲醇菌」 研究登頂尖期刊《Cell》

儘管新冠肺炎肆虐,氣候變遷對全球的威脅卻從未止息。中央研究院院長廖俊智帶領的研究團隊,近期成功創出世界第一株「合成嗜甲醇菌」!未來,此菌可利用由溫室氣體轉化成的甲醇,來生產各式高價值含碳化合物,如:化學品、藥品及燃料等,為碳循環開闢了更多可能性。研究論文於本(109)年8月發表於世界頂尖期刊《細胞》(Cell),被譽為「合成生物學的新標竿」。

此研究以獨創的理論,推算出大腸桿菌需被調控的關鍵酵素,進而修改其基因並進行人工演化而成。「這是中研院獨力創造的成果。」廖院長解釋,需要高端人才的熱忱投入,深入探索問題的關鍵,輔以中研院先進的核心設施,經多年努力,才得以實現。

合成嗜甲醇菌具有工業發展潛力及深度減碳價值。目前,在將溫室氣體轉化為甲醇後,針對甲醇的化工處理方式,不僅製程有限,還須顧及環保標準。而合成嗜甲醇菌,正有可塑性高、對環境友善等優勢。未來,可透過基因工程進一步擴充其功能,將甲醇轉化為遍及人類生活的化學產品,如:原料藥、抗癌藥、燃料、人造樹脂材料,以及生物可分解性塑膠材料等;亦可使甲醇取代醣類成為生物工程的原料,避免佔用糧食資源。

對一般細菌而言,甲醇具有毒性,但對嗜甲醇菌來說,反而是可加以利用的資源。由於天然的嗜甲醇菌難以被改造應用,全球科學家競相投入研究,希望以人工合成的方式創造嗜甲醇菌,然而,過去十數年來卻遲遲未獲成果。此次中研院率先突破,將常見的大腸桿菌改造為合成的嗜甲醇菌,且其生長速率已幾近於天然嗜甲醇菌。

廖院長表示,本次研究的關鍵突破,是以電子顯微鏡、蛋白質體學,以及三種不同的基因定序等技術,發現甲醇在進入一般細菌後,會使細胞內的DNA及蛋白質互相糾纏,導致細胞死亡。因此,研究團隊展開更嚴密的基因調控,才順利將大腸桿菌改造成嗜甲醇菌。

本研究對生物學及醫學亦有貢獻。研究團隊在為此細菌基因定序時,偵測到其演化過程中的變異,發現它是透過「基因組拷貝數的變異」(CNV)進化成嗜甲醇菌,即複製自身部分基因,來調控甲醇的使用效率,同時避免甲醇的毒性反應。基因組拷貝數變異亦常見於癌細胞,因此,這次研究也有助於了解此一現象在相關領域中的意義及重要性。

合成生物學是一門探究以人工合成/改良生物以利應用的學科,需同時掌握生物、化學及工程等跨領域知識。過去數十年來,廖院長陸續於《自然》(Nature)及《科學》(Science)等頂尖期刊上,發表多篇與合成生物學及深度減碳的成果。本次研究是合成生物學新技術突破,再次善用科學,讓碳循環有更多可能。

論文名稱: “Converting Escherichia coli to a Synthetic Methylotroph Growing Solely on Methanol”

論文網站: https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.010

作者群: 陳育孝博士生、榮昕緯博士、崔昭胤博士生,以及廖俊智院長。

更新時間: 2020.08.24 (編譯自 中研院新聞稿)

HQ Fig